磁力研磨法光整外環(huán)槽的工藝參數(shù)研究*

焦安源，全洪軍，李宗澤，陳 燕

（遼寧科技大學(xué)a.應(yīng)用技術(shù)學(xué)院；b.機械工程與自動化學(xué)院，遼寧鞍山 114051）

磁力研磨法光整外環(huán)槽的工藝參數(shù)研究*

焦安源a，全洪軍b，李宗澤b，陳 燕b

（遼寧科技大學(xué)a.應(yīng)用技術(shù)學(xué)院；b.機械工程與自動化學(xué)院，遼寧鞍山 114051）

密封用的外環(huán)槽結(jié)構(gòu)特殊，傳統(tǒng)方法很難實現(xiàn)對其底面和側(cè)面同步光整，這也直接影響到了環(huán)槽光整效率。為了提高研磨效率，提出利用磁力研磨法對環(huán)槽同步光整的工藝方案。根據(jù)磁力研磨理論，并結(jié)合有限元軟件ANSYS對磁回路的模擬分析，確定了磁極的大小、形狀和分布形式，并依此開發(fā)了可以對環(huán)槽底面和側(cè)面同步光整的試驗裝置。通過對主軸轉(zhuǎn)速、磨料粒徑、磁極與環(huán)槽間隙這些工藝參數(shù)進行的試驗研究，得到了最佳的工藝條件，并進行了試驗驗證。結(jié)果表明：經(jīng)磁力研磨法同步光整60min后，環(huán)槽底面與側(cè)面的表面粗糙度由最初的Ra4.8μm降至Ra0.7μm，且加工紋理基本去除，即磁力研磨法可以高效地實現(xiàn)外環(huán)槽表面的同步光整。

磁力研磨；外環(huán)槽；表面粗糙度；表面紋理

0 引言

外環(huán)槽作為密封形式的一種常見結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各類機械設(shè)備，如液壓與氣壓密封和防塵密封等。然而較差的表面質(zhì)量容易導(dǎo)致密封圈失效，從而出現(xiàn)漏油、漏氣等問題，使得密封效果和設(shè)備使用壽命下降。因此研究改善外環(huán)槽表面質(zhì)量，對于提高密封單元的可靠性和耐久性具有很大的現(xiàn)實意義［1］。傳統(tǒng)的外環(huán)槽光整方法有：手工拋光、超聲波拋光、電化學(xué)拋光和離子束拋光等，雖然各具優(yōu)點，但普遍存在拋光效果差、效率低、成本高等不足之處［2］。

磁力研磨法作為一種非傳統(tǒng)的光整工藝，即磁性研磨粒子在磁場的束縛下沿著磁力線分布排列并形成具有一定切削能力的柔性磁粒刷，通過磁粒刷與工件之間的相對運動實現(xiàn)對工件表面光整加工［3-5］，該方法具有柔性好、溫升小且加工質(zhì)量高等優(yōu)點［6-8］，目前廣泛用于平面、曲面、管內(nèi)表面的光整加工［9-11］。通過ANSYS模擬分析磁極排布對磁場分布的影響，明確了磁極排布方式，并依據(jù)磁力研磨機理設(shè)計了可對外環(huán)槽進行同步光整的專用裝置。通過對影響環(huán)槽表面光整的主軸轉(zhuǎn)速、磨料粒徑、磁極與槽底面間隙等工藝參數(shù)進行試驗研究，以便確定適合外環(huán)槽表面光整的最佳工藝條件。

1 磁力研磨加工原理及理論分析

1.1 環(huán)槽表面加工原理

如圖1所示，工件由三爪卡盤夾持做回轉(zhuǎn)運動，磁極伸入槽內(nèi)，磁極與環(huán)槽底面和側(cè)面保持1～2mm的間隙，并填充適量的研磨液與磁性磨料。磁性磨料在磁場的作用下沿磁力線方向形成柔性的磁粒刷并壓附在環(huán)槽表面。工件旋轉(zhuǎn)時，磁粒刷與環(huán)槽表面形成相對運動，此時，磁性研磨粒子在環(huán)槽表面產(chǎn)生摩擦、切削等機械作用，從而達到改善環(huán)槽表面質(zhì)量、降低表面粗糙度的效果。

圖1 磁力研磨加工原理圖

根據(jù)普林斯頓方程：

式中，M為材料去除量；k為去除因數(shù)；P為研磨壓力；V為相對運動速度；t為研磨時間。

由公式（1）可知，材料去除量M與研磨壓力P和相對運動速度V呈正比，所以較大的研磨壓力和較高的相對運動速度可以提高材料去除量和研磨效率。但研磨外環(huán)槽表面時，由于磨料受到離心力的作用，過高的相對運動速度則會導(dǎo)致磨料掙脫磁場力而飛出加工區(qū)域，最終也會因為參與研磨的磨料減少，而不能提高研磨效率，因此采用合適的相對轉(zhuǎn)速才能提高材料去除量和研磨效率。

在磁力研磨過程中，研磨壓力為［12］：

式中，P為研磨壓力；B為作用面處的磁感應(yīng)強度；μm為磨粒團的相對磁導(dǎo)率；μ0為空氣磁導(dǎo)率取4πx 10-7H/m。

由公式（2）可知，研磨壓力P與磁感應(yīng)強度B的平方呈正比，因此提高磁感應(yīng)強度，研磨壓力增大，材料去除量增加，研磨效率得到提高。

1.2 磁場分析

利用ANSYS軟件對磁極呈45。、90。、180。分布時的磁場進行模擬分析，工件材料為導(dǎo)磁性45Cr，磁極與側(cè)面和底面的間隙均為1.0mm。分別對3種磁回路的進行了模擬仿真分析，圖2所示磁極呈45。分布時磁感應(yīng)強度云圖。參照圖3，針對每種分布都在2個磁極之間的有效加工區(qū)域內(nèi)，插入5個均布點，分別讀取磁感應(yīng)強度值。

圖2 磁極45°分布磁感應(yīng)強度模擬云圖

圖3 檢測位置

為了驗證磁極三種不同分布形式對磁感應(yīng)強度的真實影響，如圖3所示，在兩磁極間的區(qū)域內(nèi)插入5個均布點，利用特斯拉測量儀分別在各點測量不同分布方式下的磁感應(yīng)強度。因?qū)δＰ瓦M行了適當簡化，并在假設(shè)材料各向同性的前提下進行的仿真分析，從而導(dǎo)致了磁感應(yīng)強度實測值均略低于模擬值。有限元模擬仿真結(jié)果與檢測結(jié)果對比如圖4所示，可以看出，磁極呈45。分布時，磁極頭作用的區(qū)域和有效加工區(qū)域的磁感應(yīng)強度均高于于其他兩種分布，這與仿真結(jié)果相同。由此可知，磁極呈45。分布時加工區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強度和束縛磨料的能力均較強，并且由公式（2）知，此時的研磨壓力大，材料去除量大，效率高。

圖4 模擬與實測結(jié)果

2 磁力研磨試驗

2.1 試驗裝置

根據(jù)模擬結(jié)果選擇了磁極呈45。分布并設(shè)計研磨加工裝置如圖5所示。工件由三爪卡盤夾持并旋轉(zhuǎn)，調(diào)整X軸、Y軸、Z軸滑臺將磁極嵌入環(huán)槽內(nèi)且保持指定間隙。在間隙內(nèi)填充適量預(yù)先調(diào)配的磁性磨料，磁性磨料在磁場的作用下壓附在環(huán)槽表面形成磁粒刷。

圖5 外環(huán)槽表面加工裝置

2.2 試驗條件

為了對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，參考以往經(jīng)驗，分別選擇3種不同的主軸轉(zhuǎn)速、磨料粒徑和加工間隙進行試驗研究，找出最佳試驗方案，具體試驗條件如表1所示。每隔10min，利用超聲波清洗機清洗工件并檢測環(huán)槽的表面粗糙度。

表1 試驗條件

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 主軸轉(zhuǎn)速對研磨性能的影響

由公式（1）可知，材料去除量與主軸轉(zhuǎn)速呈正比，為了解析不同轉(zhuǎn)速對環(huán)槽底面與側(cè)面表面質(zhì)量的影響，磁極與底面間隙為1.5mm和磨料粒徑為250μm時，選取3種主軸轉(zhuǎn)速進行試驗研究，結(jié)果如圖6。由圖6a知，當主軸轉(zhuǎn)速為600r/min時，研磨60min后環(huán)槽底面的表面粗糙度值由Ra 4.36μm下降到Ra1.04μm，ΔRa3.32μm；當主軸轉(zhuǎn)速為400r/min時，表面粗糙度值由Ra4.64μm下降到Ra1.14μm，ΔRa3.50μm；而主軸轉(zhuǎn)速為200r/min時，環(huán)槽底面的表面粗糙度下降最慢，表面粗糙度值由Ra4.57μm下降到Ra2.04μm，ΔRa2.53μm。然而從側(cè)面表面粗糙度變化曲線可看出，主軸轉(zhuǎn)速為600r/min時，環(huán)槽側(cè)面的表面粗糙度變化反而較慢，表面粗糙度值由Ra3.35μm下降到Ra1.91μm，ΔRa1.44μm；當主軸轉(zhuǎn)速為400r/min時，表面粗糙度值由Ra3.47μm下降到Ra0.94μm，ΔRa2.53μm；主軸轉(zhuǎn)速為200r/min時，表面粗糙度值由Ra3.17μm下降到Ra1.29μm，ΔRa1.88μm。因此，采用主軸轉(zhuǎn)速為400r/min時，底面與側(cè)面的表面粗糙度的變化率是其他轉(zhuǎn)速的1.2倍，相對效率高，即可使底面、側(cè)面的表面粗糙度下降較快，且最終穩(wěn)定值較小。其原因在于，主軸轉(zhuǎn)速增大到一定程度后，在離心力的作用下，磁性磨料掙脫束縛飛出加工區(qū)域，參與切削的磁性磨料減少，研磨效率降低。而主軸轉(zhuǎn)速過低時，造成表面刻痕明顯，表面粗糙度不容易達到較低的值。

圖6 槽底面與側(cè)面的表面粗糙度與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3.2 不同粒徑磨料對研磨性能的影響

磨料粒徑對于研磨后工件表面的紋理以及研磨壓力均具有直接影響。因此，磁極與底面間隙為1.5mm、主軸轉(zhuǎn)速為400r/min時，針對3種粒徑的磁性磨料，進行試驗研究，其表面粗糙度的變化曲線如圖7所示。在研磨初期的10min，三種型號的磁性磨料對環(huán)槽的底面、側(cè)面均有較好的研磨去除能力，主要是由于在該階段磨料以去除表面原始的凸起、毛刺以及大量波峰為主，這一階段環(huán)槽表面的材料很容易被磨料去除。然而加工10min后，明顯看出采用粒徑為190μm的磨料，環(huán)槽底面、側(cè)面的表面粗糙度下降速率緩慢，研磨去除能力相對下降。采用250μm和375μm的磁性磨料仍然具有很強的加工能力，并且從表面粗糙度變化曲線可看出，環(huán)槽底面、側(cè)面下降速度均較快。粒徑為375μm的磁性磨料體積相對較大，其形成的磁粒刷的剛度也較大，在研磨后期容易導(dǎo)致工件表面劃傷，其原因在于，磨料粒徑過大時，磁場力使得其與工件間作用力大，從而引起單顆研磨粒子的切削深度大，原始加工紋理被去除的同時，也會產(chǎn)生新的劃痕。磨料粒徑過小時，產(chǎn)生的磁力小，對工件表面的研磨壓力減小，單顆研磨粒子的吃刀量非常小，材料去除效率低，導(dǎo)致工件表面粗糙度下降緩慢。由表面粗糙度變化曲線可知，研磨60min后，250μm的磨?？梢允弓h(huán)槽底面與側(cè)面達到最小的表面粗糙度值。

圖7 槽底面與側(cè)面的表面粗糙度與磨料粒徑的關(guān)系

3.3 磁極與環(huán)槽底面間隙對研磨性能的影響

加工間隙對于磁極作用于環(huán)槽后的磁場分布和磁感應(yīng)強度有影響，從而影響研磨壓力的大小。在主軸轉(zhuǎn)速為400r/min和磨料粒徑為250μm的條件下，如圖8所示為使用三種不同加工間隙時，表面粗糙度隨時間變化的關(guān)系圖。由圖8a可知，經(jīng)過60min加工研磨，三種方式底面的表面粗糙度變化趨勢基本相似，但間隙為1.0mm和1.5mm時表面粗糙的降幅均較大，分別為ΔRa3.51μm，ΔRa3.05μm。但當間隙為2.0mm時，研磨后，環(huán)槽的表面粗糙度值僅由初始值Ra4.32μm降至Ra3.02μm，ΔRa1.30μm，表面粗糙度下降最慢。加工間隙對側(cè)面表面粗糙度的影響如圖8b所示，加工隙為1.0mm時，表面粗糙度隨時間的變化下降較快，且加工完成后的表面粗糙度最終穩(wěn)定值也最低，可由Ra3.47μm降至Ra0.94μm，ΔRa2.53μm。然而采用加工間隙為1.5mm、2.0mm研磨加工時，表面粗糙度雖有一定程度的下降，但是下降速率緩慢和最終穩(wěn)定值相對較大。因此，磁極與環(huán)槽底面、側(cè)面均為1.0mm時，環(huán)槽底面與側(cè)面可獲得較低的表面粗糙度值。其原因在于，當磁極與工件加工間隙過大時，磁阻增大，磁感應(yīng)強度減小，磁性磨料排列疏松，研磨壓力減小，最終使得表面粗糙度下降緩慢。但是，如果加工間隙過小，會使得磁極與工件表面產(chǎn)生干涉或使磨料直接在工件表面上產(chǎn)生劃傷，不利于研磨加工。

圖8 槽底面與側(cè)面的表面粗糙度與加工間隙的關(guān)系

3.4 工藝參數(shù)的試驗驗證

本文基于上述最佳試驗條件即：主軸轉(zhuǎn)速400 r/min、磨料粒徑為250μm、底面加工間隙為1.0mm其他試驗條件如表1所示，對環(huán)槽工件進行驗證試驗。試驗結(jié)束后，利用超聲波清洗機清洗、吹干，并用表面粗糙度測量儀和超景深電子顯微鏡檢測環(huán)槽底面和側(cè)面的表面粗糙度、表面形貌。

如圖9研磨前后環(huán)槽底面表面粗糙度R曲線與表面形貌所示，研磨后的環(huán)槽底面的平均表面粗糙度由Ra4.68μm下降到Ra0.71μm，ΔRa3.97μm，且底面因車削留下的加工痕跡、毛刺均被有效去除，表面平整、光潔，表面質(zhì)量明顯提高；圖10為研磨前后環(huán)槽側(cè)面表面粗糙度R曲線與表面形貌，研磨后的環(huán)槽側(cè)面的平均表面粗糙度由Ra4.28μm下降到Ra0.63μm，ΔRa3.65μm，加工紋理基本消失、表面均勻平滑。

圖9 槽底面表面粗糙度R曲線與表面形貌

圖10 槽側(cè)面表面粗糙度R曲線與表面形貌

4 結(jié)論

本文基于磁力研磨理論對光整密封環(huán)槽的磁回路進行模擬，并設(shè)計了同步光整裝置，對影響環(huán)槽底面和側(cè)面光整質(zhì)量的主要工藝參數(shù)進行了試驗與分析，并通過試驗驗證了光整效果，得出如下結(jié)論：

（1）磁力研磨法光整環(huán)槽表面時，由磁場模擬和檢測結(jié)果分析知，磁極呈45。分布時，磁極作用于環(huán)槽表面所得磁感應(yīng)強度最強，研磨壓力較大，有利于去除環(huán)槽表面的材料，可提高加工效率。

（2）在磁力研磨光整環(huán)槽表面試驗中驗證了最佳試驗條件為：主軸轉(zhuǎn)速400r/min、底面與側(cè)面加工間隙均為1.0mm、磨料粒徑為250μm，且研磨后槽底面、側(cè)面的表面形貌均變得較為均勻、平整。

（3）磁力研磨法可對環(huán)槽底面和側(cè)面進行同步光整，光整后環(huán)槽底面與側(cè)面的表面粗糙度均由最初的Ra4.8μm下降到Ra0.7μm，滿足了實際工藝要求。

［1］曾祥錄，文舉，劉文澤，等.特種零件內(nèi)孔密封槽加工檢測技術(shù)［J］.現(xiàn)代制造工程，2014（6）：118-121.

［2］王顯康，陳燕，周錕.磁力研磨法在微小凹槽表面光整加工中的應(yīng)用［J］.機械設(shè)計與制造，2014（2）：243-245.

［3］王琰.磁性磨料在磁力研磨加工中受磁場力作用的研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2007（5）：37-39.

［4］Zou Y H，Jiao A Y，Aizawa T.Study on Plane Magnetic Abrasive Finishing Process-Experimental and Theoretical A-nalysis on Polishing Trajectory［J］.Advanced Materials Research，2010（126）：1023-1028.

［5］Jiao A Y，Quan H J，Li Z Z，etal.Study on improving the trajectory to elevate the surface quality of plane magnetic abrasive finishing［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015：1-11.

［6］Yin S，Shinmura T.A comparative study：polishing characteristics and its mechanisms of three vibration modes in vibration-assisted magnetic abrasive polishing［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2004，44（4）：383-390.

［7］徐立軍，王文.磁力研磨加工技術(shù)綜述［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2003（1）：41-43.

［8］Wang Y，Hu D.Study on the inner surface finishing of tubing by magnetic abrasive finishing［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2005，45（1）：43-49.

［9］張琳，趙吉賓，李論.復(fù)雜曲面磁力研磨加工方法研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2014（1）：129-131.

［10］Shinmura T.Study on Free Form Surface Finishing by Magnetic Abrasive Finishing Process：1st Report，F(xiàn)undamental Experiments［J］.JSME international journal：bulletin of the JSME，1987，30（267）：1513.

［11］Kim SO，Kwak JS.Magnetic force improvement and parameter optimization for magnetic abrasive polishing of AZ31 magnesium alloy［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2008，18：s369-s373.

［12］Chang G W，Yan B H，Hsu R T.Study on cylindrical magnetic abrasive finishing using unbonded magnetic abrasives［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2002，42（5）：575-583.

（編輯 趙蓉）

Process Parameters Study of Magnetic Abrasive Finishing to External Ring Groove

JIAO An-yuana，QUAN Hong-junb，LI Zong-zeb，CHEN Yanb
（a.School of Applied Technology；b.School of Mechanical Engineering and Automation，University of Science and Technology，Anshan Liaoning 14051，China）

Due to the special structure of the external ring groove used in seal，the traditional finishing methods are difficult to synchronous finishing its bottom and sides.It also directly affects the finishing efficiency. The process scheme of synchronous finishing the ring groove by magnetic abrasive finishing（MAF）method was proposed to improve finishing efficiency.The size，shape and distribution patterns of the magnet poles were determined，and the synchronous equipment was developed according to MAF theory and combined with the simulation of the magnetic circuit by ANSYS software.Experiments on the spindle speed，the gap between magnet pole and bottom surface，abrasive particle size were done and optimum condition was obtained，then the experimental verification was conducted.The results showed that：the surface roughness of bottom or side surface from initial Ra4.8μm decreased to Ra0.7μm，the textures are removed after60 min. So the MAF method can efficiently synchronous finishing the external ring groove surface.

magnetic abrasive finishing；external ring groove；surface roughness；surface textures

TH162；TG65

A

1001-2265（2015）10-0119-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.033

2015-04-29

鞍山市科技項目（201209）

焦安源（1978—），男，黑龍江齊齊哈爾人，遼寧科技大學(xué)副教授，碩士生，研究方向為機械設(shè)計與表面工程，（E-mail）cnjoay@163.com；通訊作者：陳燕（1963—），女，四川達州人，遼寧科技大學(xué)教授，博士，研究方向為精密加工、特種加工技術(shù)，（E-mail）laochen412@ gmail.com。