磁性和非磁性材料微小溝槽表面的磁力研磨光整加工* ＊

孫 巖 蘭 勇 陳 燕

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

在很多行業(yè)很多重要的零部件表面都具有微小溝槽結(jié)構(gòu)，比如:航空密封圈模具表面具有微小溝槽結(jié)構(gòu)，而溝槽的表面質(zhì)量就決定了航空密封圈的密封性能和航天飛機(jī)密封系統(tǒng)的可靠性。美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)失事的原因就是其固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的密封O形圈的密封失效［1］。由此可見(jiàn)保證零部件微小溝槽表面質(zhì)量的重要性。具有微小溝槽結(jié)構(gòu)的零部件在初始加工過(guò)程中，難免會(huì)使溝槽表面產(chǎn)生加工紋理、微裂紋和毛刺等，因此，有必要對(duì)溝槽表面進(jìn)行光整加工，從而獲得符合要求的工件表面。由于微小溝槽尺寸較小、空間受限，用傳統(tǒng)的研磨加工方法很難去除底面和側(cè)面的加工紋理和毛刺。而磁力研磨法具有柔性接觸、自適應(yīng)性好、自銳性強(qiáng)、溫升小且不需要進(jìn)行工具磨損補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在各種材質(zhì)工件的復(fù)雜形狀內(nèi)外表面均有較好應(yīng)用［2-3］。本文以表面具有微小溝槽結(jié)構(gòu)的45 鋼和不銹鋼SUS304 為研究對(duì)象，采用磁力研磨法研究了磁性和非磁性工件的微小溝槽表面的光整加工。通過(guò)Ansys 模擬分析和磁力研磨實(shí)驗(yàn)研究，探索磁極充磁方向的不同對(duì)微小溝槽表面研磨加工的影響，獲得光整加工不同材質(zhì)工件微小溝槽表面的有效工藝。為各種材質(zhì)工件微小溝槽結(jié)構(gòu)表面的光整加工提供借鑒。

1 理論分析

1.1 磁力研磨溝槽表面加工原理

采用圓盤(pán)環(huán)形磁極磁力研磨溝槽表面的加工原理如圖1 所示。磁極表面與溝槽底面、溝槽側(cè)面之間均有0.5 ～1 mm 的間隙。將磁性研磨粒子加入到加工間隙。由于磁力的作用，磁性研磨粒子在加工間隙中沿磁力線排列，形成磁性磨粒刷，并壓附在工件溝槽表面。在磁力研磨加工過(guò)程中，磁極旋轉(zhuǎn)，工件做往復(fù)移動(dòng)。在磁力、摩擦力及離心力的作用下，磁粒刷與工件表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件表面進(jìn)行滑擦、擠壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面材料的微量去除，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件溝槽表面的光整加工［4-5］。

1.2 基于Ansys 的磁場(chǎng)模擬分析

應(yīng)用Ansys 軟件建立有限元模型，分別針對(duì)磁性45 號(hào)鋼和非磁性不銹鋼SUS304 工件，工件表面具有寬度為3 mm、深度為2.5 mm 的微小溝槽，磁極采用圓盤(pán)環(huán)形永磁鐵，尺寸為φ20 mm×2 mm，磁極與溝槽底面和側(cè)面間的間隙均為0.5 mm，獲得分別采用徑向充磁磁極和軸向充磁磁極對(duì)工件溝槽表面進(jìn)行磁力研磨時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁力線的分布規(guī)律。模擬結(jié)果如圖2和圖3 所示。

由圖2a、b 可見(jiàn):工件為45 鋼，采用徑向充磁磁極時(shí)，在磁極與工件溝槽底面的區(qū)域磁力線分布較密，在磁極與工件溝槽兩側(cè)面的區(qū)域磁力線分布較疏;而采用軸向充磁磁極時(shí)，在磁極與工件溝槽底面的區(qū)域磁力線分布較疏，在磁極與工件溝槽兩側(cè)面的區(qū)域磁力線分布較密。

由圖2c、d 可見(jiàn):工件為45 鋼，采用徑向充磁磁極時(shí)，在磁極與工件溝槽底面的區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.75 ～6.188 T，并且磁場(chǎng)強(qiáng)度由中心向兩側(cè)逐漸減小;磁極與工件溝槽兩側(cè)面的區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 ～2.75 T，并且磁場(chǎng)強(qiáng)度由槽頂向槽底逐漸增大。而采用軸向充磁磁極時(shí)，在磁極與工件溝槽底面的區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 ～1.807 T，并且磁場(chǎng)強(qiáng)度由中心向兩側(cè)逐漸增大;磁極與工件溝槽兩側(cè)面的區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.71 ～8.13 T，并且磁場(chǎng)強(qiáng)度由槽頂向槽底逐漸減小，可見(jiàn)槽頂處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大。

由圖3a、b 可見(jiàn):工件為不銹鋼SUS304 與45 鋼相比，磁力線分布規(guī)律很相似。采用徑向充磁磁極加工SUS304時(shí)，在磁極與工件溝槽兩側(cè)面的區(qū)域磁力線分布要稠密一些，在磁極與工件溝槽底面的區(qū)域磁力線分布要稀疏一些;采用軸向充磁磁極加工SUS304 時(shí)，在磁極與工件溝槽底面的區(qū)域磁力線分布要稠密一些，在磁極與工件溝槽兩側(cè)面的區(qū)域磁力線分布要稀疏一些。

同樣由圖3c、d 可見(jiàn):工件為SUS304，采用徑向充磁磁極時(shí)，在磁極與工件溝槽底面的區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.601 ～5.203 T，大部分區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度為3 T 左右，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布比較均勻;磁極與工件溝槽兩側(cè)面的區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.301 ～2.601 T，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布也比較均勻，底部略大。采用軸向充磁磁極時(shí)，在磁極與工件溝槽底面的區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度為3.726 ～6.52 T，大部分區(qū)域?yàn)? T 左右，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布比較均勻;磁極與工件溝槽兩側(cè)面的區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.9 ～7.451 T，磁極端面表面磁場(chǎng)強(qiáng)度較大。

1.3 磁場(chǎng)域內(nèi)磨粒的受力分析

磁性研磨粒子包括鐵基合金相與硬質(zhì)磨粒相。鐵基合金相作為磨料的磁載體，要具備良好的導(dǎo)磁能力，需要產(chǎn)生作用于工件的研磨壓力;硬質(zhì)磨粒相則為兼具磨削、拋光和研磨作用的高硬度顆粒狀物質(zhì)［6］。磁性研磨粒子在磁場(chǎng)中沿磁力線方向排列，形成柔性磁性磨粒刷。當(dāng)磁極分別為徑向充磁磁極和軸向充磁磁極時(shí)，加工間隙內(nèi)單個(gè)研磨粒子受力情況如圖4 所示。其中Fmn沿磁力線方向，F(xiàn)mt沿等磁位線方向，F(xiàn)mt要小于Fmn，兩者的合力為磁力Fm。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(duì)工件表面產(chǎn)生研磨壓力。圖4 中Fc為切線方向切削力，推動(dòng)磨粒沿工件表面運(yùn)動(dòng)，使磨粒完成微量切削。Fc的產(chǎn)生源于磁極的圓周運(yùn)動(dòng)，使磨粒刷與工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)［7］。

研磨壓力使磨粒壓向工件表面，對(duì)工件表面形成擠壓，產(chǎn)生微壓痕，改善工件表面的應(yīng)力狀況。研磨壓力越大，摩擦力越大，銑削能力越強(qiáng)，加工效率越高。研磨壓力P的大小可表示為［8］:

式中:H為磁場(chǎng)與工件作用面處的磁場(chǎng)強(qiáng)度;μm為磨粒團(tuán)的相對(duì)磁導(dǎo)率;μ0為空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率。

由式(1)可知，研磨壓力與磁場(chǎng)強(qiáng)度和磨粒團(tuán)的相對(duì)磁導(dǎo)率有關(guān)，而無(wú)論采用哪種磁性磨料制備工藝，所得到的磁性磨料的相對(duì)磁導(dǎo)率是有限的［9］。所以，研磨壓力主要取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，研磨壓力越大，研磨能力越強(qiáng)。對(duì)于圓盤(pán)環(huán)形磁極，磁極與溝槽表面之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著充磁方向的不同而不同，從而影響溝槽底面和側(cè)面的研磨加工效果。

2 磁力研磨實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 磁力研磨實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5 所示，磁極分別采用圓盤(pán)環(huán)形徑向充磁永磁鐵和圓盤(pán)環(huán)形軸向充磁永磁鐵，尺寸為φ30 mm×φ5 mm×2 mm。工件材質(zhì)為45 鋼和不銹鋼SUS304，工件表面有寬3 mm、深2.5 mm 的溝槽。將磁極固定在主軸上并隨主軸旋轉(zhuǎn)。工件裝卡在工作臺(tái)上，通過(guò)絲杠傳動(dòng)，工件可隨工作臺(tái)做X方向移動(dòng)。工作臺(tái)又可以隨滑臺(tái)作Z方向移動(dòng)。在磁力研磨實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，工件一直做Z方向的往復(fù)移動(dòng)。磁極與溝槽底面和兩側(cè)面都留有0.5 mm 的加工間隙。在加工間隙處放入適量的磁性磨料(鐵粉和氧化鋁粉燒結(jié)經(jīng)破碎后的粉體，鐵磁相Fe 平均粒徑為150 μm，研磨相Al2O3平均粒徑為50 μm，F(xiàn)e:Al2O3質(zhì)量比為4:1，燒結(jié)時(shí)間為3 h，燒結(jié)溫度為1 200 ℃)。

影響磁力研磨效果的因素有很多，如:磁極大小、形狀、轉(zhuǎn)速;磁粒成分和粒徑;研磨間隙;研磨液種類和工件材質(zhì)等。因此預(yù)先進(jìn)行了一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，最終確定實(shí)驗(yàn)條件如表1 所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 表面粗糙度分析

當(dāng)采用圓盤(pán)環(huán)形徑向充磁磁極研磨加工45 鋼工件溝槽時(shí)，溝槽底面和側(cè)面的表面粗糙度變化情況如圖6a 所示。由圖可以看出:溝槽底面和側(cè)面的表面粗糙度值都呈減小趨勢(shì)，比較而言，溝槽底面的粗糙度變化率更大，研磨效率更高。在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下，研磨10 min 內(nèi)，底面的最佳表面粗糙度為Ra0.6827 μm，側(cè)面的最佳表面粗糙度為Ra2. 230 5 μm。前述經(jīng)過(guò)ANSYS 模擬分析，得出磁極與溝槽底面加工區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于側(cè)面，所以底面區(qū)域的研磨壓力大，研磨效率高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬分析剛好相符。采用圓盤(pán)環(huán)形軸向充磁磁極時(shí)，溝槽的表面粗糙度變化情況如圖6a所示，可見(jiàn)溝槽表面粗糙度幾乎沒(méi)有變化，卻發(fā)現(xiàn)磁極端面與磨粒接觸處被研磨得很光亮。前述經(jīng)過(guò)ANSYS 模擬分析，得出溝槽底面加工區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度很小，側(cè)面加工區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值很大，并且最大值位置位于溝槽側(cè)面最上方，造成磨粒聚集此處，磨粒不隨磁極運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生不磨溝槽反磨磁極的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬分析也相符。因此得出結(jié)論:磁力研磨磁性工件溝槽表面時(shí)，只能采用徑向充磁圓盤(pán)磁極。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

采用上述兩種磁極研磨加工不銹鋼SUS304 溝槽，溝槽表面的表面粗糙度變化情況如圖6b 所示。可以看出:采用徑向充磁磁極研磨SUS304 溝槽時(shí)，溝槽底面的表面粗糙度值呈明顯減小趨勢(shì)，而溝槽側(cè)面的表面粗糙度上下波動(dòng)，變化很小。在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下，研磨14 min 內(nèi)，底面的最佳表面粗糙度為Ra0.379 4 μm，側(cè)面的最佳表面粗糙度為Ra4.1219 μm。采用軸向充磁磁極時(shí)，溝槽底面和側(cè)面的表面粗糙度值都呈明顯減小趨勢(shì)，僅在8 min 內(nèi)就能獲得很好的研磨效果，底面的最佳表面粗糙度為Ra0.326 9μm，側(cè)面的最佳表面粗糙度為Ra0.798 1μm，溝槽表面研磨質(zhì)量和研磨效率都比采用徑向充磁磁極時(shí)要高。前述經(jīng)過(guò)ANSYS 模擬分析，采用軸向充磁磁極時(shí)溝槽底面和側(cè)面加工間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度都比采用徑向充磁磁極時(shí)要大，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬分析相符。因此得出結(jié)論:磁力研磨非磁性工件溝槽表面時(shí)，采用軸向充磁圓盤(pán)磁極更合適。

2.2.2 溝槽表面形貌分析

采用超景深電子顯微鏡觀察工件溝槽表面形貌。45 鋼溝槽表面原始表面形貌如圖7a、7b 所示。采用徑向充磁磁極，在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下，研磨9 min 后，溝槽表面形貌如圖7c、7d 所示?？梢?jiàn)，底面的加工質(zhì)量要好于側(cè)面。

不銹鋼SUS304 溝槽表面原始表面形貌如圖8a、8b所示。采用徑向充磁磁極，在設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件下，研磨14 min 后，溝槽表面形貌如圖8c、d 所示。采用軸向充磁磁極研磨8 min 后，溝槽表面形貌如圖8e、8f 所示。

由圖8 可見(jiàn)，無(wú)論采用哪種磁極，經(jīng)過(guò)磁力研磨，溝槽底面都獲得了較好的表面質(zhì)量，都去掉了原始的加工紋理。比較而言，溝槽側(cè)面的加工效果差距較大，采用軸向充磁磁極時(shí)，側(cè)面的加工質(zhì)量要好得多。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)磁極與工件溝槽間加工區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小和磁力線的分布會(huì)隨著磁極充磁方向的不同而發(fā)生變化，從而影響溝槽表面研磨加工效果。

(2)磁力研磨45 鋼微小溝槽表面時(shí)，若采用圓盤(pán)環(huán)形軸向充磁磁極，會(huì)產(chǎn)生不磨工件反磨磁極的現(xiàn)象，所以只能采用圓盤(pán)環(huán)形徑向充磁磁極。加工后溝槽底面的研磨質(zhì)量和研磨效率要好于側(cè)面。

(3)磁力研磨SUS304 微小溝槽表面時(shí)，采用圓盤(pán)環(huán)形軸向充磁磁極更適合，能夠很好地去除初始加工紋理，溝槽底面和側(cè)面的表面質(zhì)量都較好，研磨效率較高。

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