磁性磨具在身管光整中的應(yīng)用研究

薛百文，賈 強(qiáng)

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

線膛炮身管在拉削膛線以后，傳統(tǒng)膛線光整加工的質(zhì)量在很大程度上依賴于工人的技術(shù)水平，而且存在生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定的問題［1］。磁流變液是一種新型的智能材料，在施加外加磁場的情況下，其粘度在毫秒級的時(shí)間內(nèi)發(fā)生顯著地增加，表現(xiàn)出類似于固體的狀態(tài)［2］。這種粘度變化可通過改變磁場的大小連續(xù)地加以控制：當(dāng)撤去外加磁場后，磁流變液能迅速恢復(fù)液態(tài)。本文所提出的應(yīng)用就是要利用其在不同磁場強(qiáng)度下的不同的粘度性能及其形態(tài)的變化。

1 身管光整加工

1.1 磁流變液為載體磨具光整加工原理

利用磁流變液作為磨料載體進(jìn)行光整加工，就是在磁流變液中加入一定比例的非磁性磨料后形成的懸浮液作為磨具，對工件表面進(jìn)行光整加工。宏觀地看，在高強(qiáng)度的磁場作用下磁流變液發(fā)生流變，成為具有粘塑性的介質(zhì)。微觀地看，磁粒形成鏈條狀的結(jié)構(gòu)，其鏈節(jié)之間夾有磨料。圖1為有磁場時(shí)磁粒與磨料的分布情況。當(dāng)磨料與工件被加工表面之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，就能保持一定的剪切應(yīng)力。與工件接觸的磁流變懸浮液就成為柔性拋光“磨具”。由于“磨具”與工件之間具有快速的相對運(yùn)動(dòng)，使工件表面受到很大的切削力，從而使工件表面材料被去除。

國外對硅基材料制作的帶有直槽的零件進(jìn)行拋光，獲得了較好的效果。直槽高度被拋去2～3 μm。同時(shí)直槽的棱邊有一定程度的倒圓。

圖1為加上磁場后磁粒、磨料形成的鏈條與被加件之間的位置關(guān)系示意圖。

1.2 磁流變液為載體的磨具對身管光整加工

當(dāng)用磁流變液為載體的磨具對普通的工件進(jìn)行加工時(shí)，由于被加工件要放在容器里，這時(shí)如果容器為鐵磁材料，它會(huì)導(dǎo)磁，零件被磁化，影響被加工件與磨料之間的相對運(yùn)動(dòng)。加工過程中，容器被磨損，被加工件也被磨損，效果不太好。當(dāng)容器為非導(dǎo)磁材料時(shí)，磁場磁力線通不過去。嚴(yán)重影響磨削效果。只有當(dāng)容器能導(dǎo)磁，被加工件為非導(dǎo)磁材料時(shí)效果較好。故在國內(nèi)可見用磁流變液為載體的磨具磨削加工有機(jī)鏡片的工藝。本文的提法是將身管既作盛放磁流變液與磨料混合懸浮液的容器，又作為被加工的零件。

1.3 磁流變液為磨料載體的身管內(nèi)表面光整加工的裝置

圖2所示為用磁流變液為磨料載體進(jìn)行身管內(nèi)表面光整加的裝置示意圖。當(dāng)線圈6通電流后，產(chǎn)生的磁場磁力線方向指向身管內(nèi)部（圖中位于底部的線圈磁場磁力線也指向身管，水平向的線圈的磁力線方向?yàn)橛缮砉軓较蜻M(jìn)入線圈）。這時(shí)，磁性粒子就排列在磁力線上。線圈作左右運(yùn)動(dòng)，身管作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，磨料就對身管內(nèi)表面產(chǎn)生磨擦、擦滑、刮削。從而實(shí)現(xiàn)對內(nèi)表面的光整加工。而這種磨擦、擦滑、刮削的力度與磁流變液的相轉(zhuǎn)化程度有關(guān)。磁流變液的相轉(zhuǎn)化程度又與磁場強(qiáng)度有關(guān)。后文將對形成所需要磁場的方法進(jìn)行研究。

另外，磨料粒子與身管內(nèi)表面之間的相對運(yùn)動(dòng)需越不規(guī)則、越復(fù)雜越好。通過控制加工的時(shí)間和磁場的強(qiáng)度可以控制對身管的內(nèi)表面加工的質(zhì)量。

2 磁流變液在外磁場作用下的可承受的剪切力與磁場的關(guān)系

要實(shí)現(xiàn)對身管內(nèi)表面的光整加工，首先要了解磁性磨具在加磁場后，所能達(dá)到的磨粒間的剪切力能否滿足光整加工的要求。

由于磁流變液在外磁場作用下，磁矩與外磁場同方向排列時(shí)的磁能低于磁矩與外磁場反方向排列時(shí)的磁能，結(jié)果是同自發(fā)磁化磁矩成較大角度的磁疇體積逐漸縮小。這時(shí)顆粒的平均磁矩不等于零，顆粒對外顯示磁性，按序排列相接成鏈。因此在利用磁流變液的這種鏈帶動(dòng)磨料進(jìn)行光整加工時(shí)，對金屬的切削力與鏈所能承受的剪切力有直接的關(guān)系。而不同的磁流變液的這種鏈所可能承受的剪切力在一定范圍內(nèi)與磁場強(qiáng)度有關(guān)。圖3所示為某公司生產(chǎn)的磁流變液的剪切力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)所用磁場的形成及磁場的強(qiáng)度分布

實(shí)驗(yàn)所用磁場的形成可以使用永磁體產(chǎn)生的磁場，也可用通交流電的螺線管產(chǎn)生的磁場。其特點(diǎn)是永磁體產(chǎn)生的磁場其強(qiáng)度不可連續(xù)變換。而交流電激勵(lì)的磁場可連續(xù)變換磁場強(qiáng)度，利于用計(jì)算機(jī)控制。

交流電激勵(lì)線圈所形成的磁場，在有限長螺線管內(nèi)部的絕大部分范圍內(nèi)磁場在x、y、z軸上有分量。在管的中段很小的區(qū)域內(nèi)徑向分量為0，軸向分量最大，是勻強(qiáng)磁場。線圈的長寬比越大，繞線越密，磁場強(qiáng)度越大，勻強(qiáng)磁場的區(qū)域越大。但在管口外，以較大的變化率減小到零。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需要（如磁場大小，勻強(qiáng)磁場的范圍等）進(jìn)行設(shè)計(jì)［3－4］。

本裝置所設(shè)計(jì)線圈在近似無傾角纏繞情況下，其余數(shù)據(jù)如下：交流線圈纏繞在Φ50的純鐵芯棒上，線圈匝數(shù)為n＝2 000，漆包線的銅芯直徑為d＝2.5mm，通過的最大電流為I＝4A，身管外表面到線圈端面的距離為1mm，身管內(nèi)徑取Φ122mm，外徑Φ230mm。計(jì)算中線圈所產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的有效作用點(diǎn)位置如圖4所示的A、B、C點(diǎn)。

應(yīng)用ANSYS軟件對如上圖所示的其中一個(gè)螺線管外磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析后得到如圖5所示的曲線。

圖5中，橫坐標(biāo)就是在圖4中所示的身管內(nèi)壁處從A－C－B經(jīng)過的弧長，縱坐標(biāo)為相應(yīng)點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)周向布置4個(gè)螺線管時(shí)，每點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可疊加。如A、C點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度在疊加后約為0.2T；對照圖3可知剪切力為2～20MPa；B點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.1T；身管中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加后為0.12T。

4 方案的優(yōu)缺點(diǎn)

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：

1）陰線的光整加工提出了新的解決思路。

2）柔性加工，不會(huì)對身管的金屬材料引起不必要的撕裂等疵病。

3）在加工過程中，可利用計(jì)算機(jī)控制加工所用磁場的強(qiáng)度和加工時(shí)間。

4）磁流變液的有關(guān)參數(shù)也可作一些調(diào)整。

該方案的缺點(diǎn)是：

1）磁流變液的成本相當(dāng)高，不利于該技術(shù)的推廣與應(yīng)用；如國外生產(chǎn)的磁流變液價(jià)格昂貴，而國產(chǎn)的磁流變液尚未形成市場。因此，如欲使用當(dāng)自行研制磁流變液。

2）鐵屑問題。此方法在經(jīng)過一批零件的加工后，液體中會(huì)加入數(shù)量較多的鐵屑，改變了懸浮液的性能。故需要更換。

5 結(jié) 論

本文針對生產(chǎn)需要，提出利用磁流變液作為磨具載體，設(shè)計(jì)一種軟質(zhì)磁性磨具用于身管在拉削膛線后的光整加工，計(jì)算結(jié)果顯示，這種磨具有一定的切削力，所需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度也是可以實(shí)現(xiàn)的。

（References）

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