磁力研磨法在航空密封圈模具研磨拋光中的應(yīng)用*

孫 巖陳 燕蘭 勇

(①遼寧科技大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山114051;②鞍鋼集團工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山114021)

隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對航空零部件密封性能的要求越來越高。美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機失事的原因就是其固體火箭發(fā)動機的密封O 形圈的密封失效［1］，可見，密封件的性能和密封系統(tǒng)的可靠性對航空業(yè)十分重要，而航空密封圈的表面質(zhì)量在很大程度上取決于航空密封圈模具的表面質(zhì)量。航空密封圈模具的溝槽尺寸小，圓周分布于圓錐表面，溝槽表面不僅難于加工，而且質(zhì)量要求高，用傳統(tǒng)的研磨加工方法難以實現(xiàn)，而磁力研磨法具有較好的柔性和自適應(yīng)性［2］，在復(fù)雜形狀工件內(nèi)外表面的加工領(lǐng)域有很好的應(yīng)用。

本文提出磁力研磨法研磨拋光航空密封圈模具溝槽表面，應(yīng)用Ansys 模擬磁場強度和磁力線分布，并通過磁力研磨實驗，驗證了該種方法的可行性和有效性。

1 磁力研磨加工原理

磁力研磨法就是將磁性磨粒(強磁性的鐵粒子和具有研磨功能的粒狀研磨料)加入到磁極與工件之間，磁極與工件之間可以有1～3 mm 的間隙(稱為加工間隙)。由于磁場中磁力的作用，磁性研磨粒子在加工間隙中沿磁力線整齊排列，形成柔性磁性磨粒刷，并壓附在工件表面，加以工件與磁極的相對運動，從而實現(xiàn)對工件表面的光整加工［3-5］，磁力研磨加工原理以及磁場域內(nèi)單個磨粒的受力如圖1 所示。假設(shè)磁力線方向為x 方向，與磁力線方向垂直的方向即等磁位線方向為y 方向，單個磁性磨粒在磁場中所受到的磁場力分解為沿磁力線方向的力Fx和沿著等磁位線方向上的力Fy，即

式中:V 為磨粒中含鐵的體積;χ 為磨粒的磁化率;H 為磨粒在磁場中所處位置的磁場強度分別為沿x、y 方向磁場強度變化率。

則磁性磨粒在磁場作用下所受到的磁場力F 可表達為:

但是每一磨粒所產(chǎn)生的磁力并不直接作用于工件表面上，各磨粒相互銜接構(gòu)成磁性磨粒刷，從而對工件表面產(chǎn)生的研磨壓力P 大小可表示為:

式中:B 為磁場與導(dǎo)磁材料作用面處的磁感應(yīng)強度;H為磁場與導(dǎo)磁材料作用面處的磁場強度;μm為磨粒團的相對磁導(dǎo)率;μ0為空氣的相對磁導(dǎo)率。

從式(4)可知研磨壓力與磁感應(yīng)強度的平方成正比［6］，隨磁感應(yīng)強度的增大而迅速增大。

2 基于Ansys 的模擬分析

應(yīng)用Ansys 模擬采用磁力研磨法研磨溝槽表面時磁場強度和磁力線的分布，在Ansys 中建立有限元模型，磁極采用圓盤環(huán)形徑向永磁鐵，磁極尺寸為φ20 mm/φ10 mm×2，工件材質(zhì)為45 號鋼，工件表面溝槽截面為半圓形，尺寸為φ3 mm，磁極圓周表面為圓弧表面，磁極圓周表面與溝槽表面之間有0.5 mm的間隙，模擬結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可以看出:由于磁極是圓盤環(huán)形徑向磁極，距離溝槽表面0.5 mm 的磁極圓周表面為N 極;工件材質(zhì)為45 號鋼，屬于導(dǎo)磁材料，所以工件在磁場中被磁化，成為新的磁極S 極。工件與磁極間的間隙就是工作間隙，工作間隙小，加工區(qū)域磁力線分布密集且均勻，加工區(qū)域的磁場強度較其他位置的磁場強度大，因此采用徑向磁極時，形成的“磁性磨粒刷”剛度較大，對工件表面的壓力大，磨削能力強。

3 磁力研磨實驗與結(jié)果分析

3.1 磁力研磨實驗裝置與實驗條件

被加工試件為航空密封圈模具下模，模具材質(zhì)為45 號鋼，模具的溝槽尺寸微小，溝槽截面為半圓形，尺寸為φ2.6 mm，溝槽圓周分布于分度圓錐角為45°的圓錐表面，如圖3 所示。磁極采用圓盤環(huán)形徑向磁極，磁極圓周表面加工成φ1.5 mm 的圓弧表面。

如圖3 所示，實驗裝置基于六自由度機械手，將圓盤環(huán)形徑向磁極安裝在機械手的前端，磁極經(jīng)由軟軸通過電動機驅(qū)動，可以實現(xiàn)磁極繞本身軸線的高速旋轉(zhuǎn);將密封圈模具用三爪卡盤固定在工作臺上，使密封圈模具中心與工作臺回轉(zhuǎn)中心重合。調(diào)整六自由度機械手的姿態(tài)，使手臂前端的圓盤環(huán)形徑向磁極端面與模具圓錐表面垂直，磁極緩慢靠近并進入溝槽內(nèi)部，使磁極圓周表面與模具溝槽表面之間有0.5 mm 的間隙。將磁性磨粒(鐵粉和氧化鋁粉燒結(jié)經(jīng)破碎后的粉體)與研磨液混合攪拌并放置于磁極圓周表面和模具溝槽表面之間。工作時工作臺以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磁極繞本身軸線高速旋轉(zhuǎn)，加工區(qū)域磁極圓周表面和模具溝槽表面產(chǎn)生相對運動，使磁性磨粒既做翻滾運動又沿模具溝槽表面移動，從而完成對模具溝槽表面的研磨加工。實驗條件如表1 所示。

表1 實驗條件

3.2 實驗過程與結(jié)果分析

如圖4a 所示，研磨前密封圈模具溝槽表面有明顯的加工紋理，有一道道溝痕，表面粗糙不光滑。實驗過程中針對溝槽某一位置先采用平均粒徑為165 μm 的磁性磨粒研磨溝槽表面10 min、20 min 直至30 min，分別采用超景深3D 顯微鏡觀察溝槽表面形貌，研磨30 min時溝槽表面形貌如圖4b 所示，可以看出溝槽表面紋理變化不大，去除量較小。因此改用平均粒徑為198 μm的磁性磨粒針對溝槽未加工表面進行研磨，研磨15 min后溝槽表面形貌如圖4c 所示，可以看出模具溝槽表面出現(xiàn)小凹坑，說明磨粒粒徑增大，在磁場作用下，形成的“磁性磨粒刷”對溝槽表面的壓力也增大，磨削能力增強，在很短時間內(nèi)產(chǎn)生了過磨現(xiàn)象，因此大粒徑磨粒適用于模具溝槽表面的初始加工，但超過一定時間后，就應(yīng)該改用粒徑相對較小的磁性磨粒，否則就會產(chǎn)生過磨現(xiàn)象或者達不到質(zhì)量要求。因此調(diào)整研磨加工工藝，針對溝槽未加工表面先采用平均粒徑為198 μm 的磁性磨粒研磨7 min，去除較大溝痕，再采用平均粒徑為165 μm的磁性磨粒進行精細研磨，這樣既可以減少研磨加工時間，提高研磨效率，又可以提高研磨質(zhì)量，采用小粒徑磨粒研磨加工13 min 后模具溝槽表面形貌如圖4d 所示。可以看出，研磨后模具溝槽表面平整，質(zhì)地均勻，原始加工紋理去除較好。

測量溝槽邊緣處的平均原始寬度為2642. 446 μm，采用上述加工工藝過程研磨加工以后，測量溝槽邊緣處的平均寬度為2649.716 μm，溝槽邊緣寬度尺寸變化率為0.275%，尺寸變化非常小。模具溝槽邊緣處尺寸變化情況如圖5 所示，溝槽邊緣棱角處原始曲率半徑為R63.05 μm，研磨加工后溝槽邊緣棱角處曲率半徑為R71.57 μm，棱角處曲率半徑變化不大，說明選取合適粒徑磨粒的磁力研磨過程不會影響密封圈模具溝槽的尺寸，進而能夠滿足密封圈尺寸的要求，可實現(xiàn)精密研磨加工。

4 結(jié)語

本文針對航空密封圈模具微小尺寸溝槽表面的研磨拋光問題，提出磁力研磨法，應(yīng)用Ansys 模擬磁場強度和磁力線分布，并通過具體的磁力研磨實驗完成對模具溝槽表面的研磨拋光，得出以下結(jié)論:

(1)六自由度機械手手臂動作靈活，所以基于六自由度機械手的磁力研磨裝置能夠完成曲面上微小尺寸溝槽表面的研磨加工。

(2)通過Ansys 模擬可以看出，采用圓盤環(huán)形徑向磁極研磨溝槽表面時，在加工區(qū)域內(nèi)磁力線分布均勻密集，磁場強度也較磁場中其他位置大。

(3)對密封圈模具進行磁力研磨實驗，先采用平均粒徑為198 μm 的磁性磨粒研磨7 min，再采用平均粒徑為165 μm 的磁性磨粒研磨13 min，模具溝槽表面的原始加工紋理被有效去除，溝槽表面質(zhì)地均勻，表面質(zhì)量得到了很好的改善;研磨前后溝槽邊緣寬度尺寸變化率為0.275%，變化非常小，溝槽邊緣棱角處曲率半徑變化不大，說明所采用的磁力研磨工藝不僅效率高，表面質(zhì)量好，而且能夠滿足尺寸要求，可實現(xiàn)精密研磨加工。

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