添加柱形輔助磁極研磨彎管內表面的試驗研究*

嚴正偉，陳 燕，宋宗朋

(1.遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051；2. 濟南二機床集團有限公司技工學校，濟南 250000)

1001-2265(2017)10-0141-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.034

2017-10;

217-02-13

國家自然科學基金項目(51105187)

嚴正偉(1991—)，女，江蘇鹽城人，遼寧科技大學碩士研究生，研究方向為精密加工，(E-mail)yanzhengwei1991@163.com；通訊作者：陳燕(1963—)，女，遼寧鞍山人，遼寧科技大學機械學院教授，工學博士，研究方向為精密加工，(E-mail)laochen412@gmail.con.

添加柱形輔助磁極研磨彎管內表面的試驗研究*

嚴正偉1，陳 燕1，宋宗朋2

(1.遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051；2. 濟南二機床集團有限公司技工學校，濟南 250000)

在磁粒研磨法拋光空間彎管內表面的過程中，為了解決球形輔助磁極體積過大時易與管件內表面發(fā)生互磨的問題,從而進一步提高加工效率，在彎管內部投入柱形輔助磁極。用motion運動算例分析了兩種輔助磁極的運動軌跡并用Ansoft Maxwell軟件模擬分析了加工區(qū)域的磁感應強度大小，隨后進行了一系列試驗。試驗結果表明：優(yōu)化后的柱形磁極可以避免軌跡干涉問題，加工區(qū)域的研磨壓力較大。電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)加工后管件表面紋理較淺且致密均勻，表面粗糙度值Ra可降至0.08μm以下，表面質量較高。

磁粒研磨法；彎管；輔助磁極；表面形貌；軌跡干涉

0 引言

鈦合金以其密度小、比強度高等優(yōu)良性能，被廣泛應用于航空、航天等領域[1]。但鈦合金彎管在彎曲成形時容易在內表面上產生微裂紋、失穩(wěn)起皺，引起油污阻塞、氣壓波動，從而使發(fā)動機工作不穩(wěn)定、降低工作效率。因此，對彎管內表面進行光整加工至關重要，但用傳統(tǒng)的方法很難實現(xiàn)對彎管的內部進行光整加工。磁粒研磨光整加工技術是一種新的光整加工工藝，具有自適應性好、自銳性強、溫升小及無需進行工具磨損補償?shù)葍?yōu)點，可以很好的實現(xiàn)對彎管內表面的拋光[2-4]。

研究表明磁研磨法拋光彎管內表面時在管件內部加入輔助磁極可以增大研磨壓力、提高研磨效率[5]。陳燕等[6]在復雜形狀管件內部加入V形磁極并在磁極表面開槽，以提高研磨壓力、促進磨料的翻滾更替，提高加工效率，但V形磁極由于體積較大，不適于管徑較小的管件；鄧超等[7]在彎管內部加入φ6.5 mm球形磁極作為輔助拋光工具，增大了研磨壓力且加工過程中球形磁極在摩擦力、磁力及離心力作用下產生自轉運動，從而對磁性磨粒有一定的攪拌作用，加工效率得到提高，但此種球形磁極體積較小、磁吸引力弱，因此研磨壓力增加的不足且與管件內表面的接觸面積較小，對于管件表面一些較深的紋理、凹坑并不能很好的去除，因此需要增大球形磁極的體積以增大研磨壓力及接觸面積，來提高研磨效率，但隨著球形磁極體積的增大容易出現(xiàn)磁極與管件內表面相互磨損現(xiàn)象。為了避免此現(xiàn)象并進一步提高管件內表面的拋光效率，提出在彎管內部加入柱形輔助磁極，此柱形磁極用圓柱面切割球形磁極而得，可以很好的解決球形磁極與管件內表面互磨的問題，而且能夠避免柱形磁極與彎管內表面干涉問題。

1 磁粒研磨彎管內表面工作機理

1.1 加工原理

如圖1所示，在彎管外圓周方向間隔90°放置四個磁極形成外部磁場，將裹有磁性磨粒的柱形磁極投入彎管內部形成內部磁場，內、外部磁場產生的磁力線可以像X射線一樣穿透彎管管壁，并在內、外部磁極之間形成封閉磁回路，磁性磨粒在磁場力作用下被磁化并沿磁力線方向形成剛性“磨粒刷”仿形壓附在彎管內表面上[8]。加工時，彎管固定，外部磁極旋轉并沿彎管軸線往復移動，柱形磁極在磁吸引力作用下做與外部磁極相同復合運動，磁性磨粒在磁場力和離心力作用下壓附在管件內表面，并隨著柱形磁極的運動在管件內表面上滑擦、切削，實現(xiàn)對材料的微量去除，降低表面粗糙度值，解決難加工表面微裂紋、凹坑、凸起等表面質量問題。

1.2 輔助磁極干涉問題及運動軌跡分析

圖2所示為球形磁極與工件相互摩擦示意圖，φ6.5 mm球形磁極體積較小、磁吸引力較弱致使研磨加工過程中研磨壓力不足，增大球形磁極的體積可以增大磁吸引力、獲得較大的研磨壓力，但當球形磁極的體積增大到φ14 mm時，球形磁極與管件內壁發(fā)生干涉致使磁極與管件互相磨損(如圖3所示)。如圖2所示，攜帶磁性磨粒的球形磁極在外部磁極的磁吸引力F作用下壓附在彎管內表面上(球形磁極位置如圖2中所示)，此時球形磁極與管件內表面存在作用力與反作用力的部位為N、S極相交的a區(qū)域，a區(qū)域的磁性磨粒不能沿磁力線方向形成磁力刷而是被球形磁極強制擠壓在管件內表面上，由力的可傳性可知，研磨壓力即為球形磁極所受外部磁極磁吸引力F的值，其他區(qū)域中雖然磁性磨?？梢匝卮帕€形成磨粒刷但由于加工間隙較大，磁力刷的剛性不足，致使研磨壓力較小，因此a區(qū)域的磁性磨粒起到主要的磨削作用，但此區(qū)域為球形磁極的N、S極相交處，磁感應強度較弱，球形磁極對磁性磨粒的吸引力較差，球形磁極隨外部磁極旋轉的過程中，a區(qū)域的磁性磨粒主要受管件內表面的摩擦力及球形磁極吸引力的共同作用，隨著球形磁極體積增大，磁吸引力F增大因此磁性磨粒所受摩擦力增大，當摩擦力大于球形磁極對磁性磨粒的吸引力時，a區(qū)域磁性磨粒向其他區(qū)域流動、脫落，且球形磁極沿彎管軸向移動時，外部磁極的磁吸引力F與管件內表面對球形磁極的摩擦力形成扭矩，使球形磁極沿軸線b自轉，因此在球形磁極上形成一周劃痕[9]，如圖3所示。

圖2 球形磁極與工件相互摩擦示意圖

圖3 相互磨損后的球形磁極與管件

由上述分析可知，磁極與管件相互磨損是由于起主要切削作用的磁性磨粒所吸附的區(qū)域為球形磁極上磁感應強度較小的區(qū)域，為避免球形磁極與管件相互磨損的現(xiàn)象，可將圖2中的a區(qū)域去除，改變輔助磁極上起主要切削作用的磁性磨粒所吸附的區(qū)域，利用柱形磁極可以解決此問題，但磁力研磨過程中柱形磁極的體積選擇不當會導致磁極與彎管折彎外壁發(fā)生干涉現(xiàn)象，輔助磁極無法順利通過彎管，如圖4所示。欲解決此問題，可先對球形磁極進行分析，通過實驗觀察，球形磁極可以順利通過彎管折彎處，無干涉現(xiàn)象發(fā)生。在此條件下，用一定直徑的圓柱面截取此球形磁極(即將圖2中的a區(qū)域去除，如圖5所示)后所得的柱形磁極也不會發(fā)生干涉現(xiàn)象。

(a) 柱形磁極發(fā)生干涉 (b) 球形磁極無干涉圖4 磁極干涉示意圖

圖5 圓柱面切割磁極示意圖

磁力研磨過程中，磁性磨粒運動軌跡的復雜性影響研磨加工效果，運動軌跡越復雜、無規(guī)律，研磨加工效果越好[10]。圖6所示為用motion運動算例分析的輔助磁極在管件內部旋轉且沿管件軸線移動時，磁極與管件內表面的接觸點在內表面上的運動軌跡，由圖6可知柱形磁極接觸點的數(shù)量多于球形磁極接觸點的數(shù)量，接觸點形成的運動軌跡為雙螺旋線。磁力研磨過程中，磁性磨粒吸附在輔助磁極上并隨輔助磁極的運動在管件內表面上滑擦、切削，在管件內表面上擦出一條兩邊隆起的溝紋或犁出兩邊帶有飛邊的溝槽，使管件表面產生塑性變形，在磁性磨粒的連續(xù)加工過程中，已出現(xiàn)塑性變形的金屬將發(fā)生反復的塑變，使加工表面硬化，最終剝落成為磨屑。使用柱形磁極時磁性磨粒的研磨軌跡為雙螺旋線，比使用球形磁極時研磨軌跡更加復雜、密集，加工紋理之間的間隙減小，相同時間內磨削的頻率增加，加速了磨屑的脫落過程，而且切削斷面密集、均勻，因此加工紋理更加質密，加工效率得到提高。

圖6 輔助磁極運動軌跡

1.3 研磨壓力分析

由研磨拋光加工工藝的數(shù)學模型Preston經(jīng)驗公式可得：

R=KPV

(1)

式中，R為柔性磁性磨粒與工件接觸區(qū)域某點單位時間內材料去除量(mg)；K為磁性磨粒與加工有關的比例常數(shù)；V為磁性磨粒與工件之間的相對旋轉的速度(mm/s)；P為柔性磁性磨粒與工件間的研磨壓力(N)。

由式(1)可知，材料去除量與研磨壓力和相對旋轉速度成正比，因此，若要提高材料的去除量，提高加工效率，可以通過兩個方面來實現(xiàn)：①提高工件與磁極的相對旋轉速度；②增大研磨壓力。研究表明磁研磨法拋光彎管內表面時，磁極轉速約為750 r/min時加工效果較好，因此可以通過在特定轉速下提高研磨壓力來提高加工效率。

在磁力研磨加工中，研磨壓力為[11]：

(2)

式中，B為磁感應強度；μ0為空氣磁導率，為4π×10-7H/m；μm為磁性磨粒的相對磁導率。

由式(2)可知，研磨壓力Pm與外部磁場磁導率有關且與磁通密度B的平方成正比。但無論采用哪種磁性磨粒的制備工藝，所得到的磁性磨粒的相對磁導率是有限的[12]。所以，當磁性磨粒的相對磁導率達到最佳時，通過提高磁性磨粒的相對磁導率的方法來提高研磨壓力繼而提高磁粒研磨加工效率有局限性。因此，在允許的范圍內磁感應強度越大，研磨壓力越大，磁性磨粒對彎管內表面的切削力越大，單位時間內的材料去除量越多，研磨效率較高。因此通過改變磁性研具的幾何形狀來增大加工區(qū)域磁感應強度，可以有效地提高磁性研磨粒子的研磨壓力，提高研磨效率。

2 加工區(qū)域磁場強度分析

用ANSOFT軟件對柱形磁極與球形磁極加工區(qū)域磁感應強度大小進行模擬，繪出此時管件內表面上沿輔助曲線A-B-C-D方向的磁感應強度B的變化曲線，如圖7所示。

(a) φ12 mm球形磁極

(b) φ8 mm×12 mm柱形磁極圖7 磁感應強度分布云圖及變化曲線

使用球形磁極時，加工區(qū)域的磁感應強度最大值為0.72 T，使用柱形磁極時，最大值達到0.84 T，并且在波谷處的磁感應強度得到了增強。單純磁粒研磨時，磁性磨粒分布均勻，但加入輔助磁極后磁力線分布發(fā)生改變，產生了磁場梯度，磁性磨粒聚集在磁感應強度較大的區(qū)域即圖中的A-B、C-D區(qū)域。但對于球形磁極而言A-B、C-D區(qū)域加工間隙較大，磁粒刷剛性不足、研磨壓力無法得到有效的提高，因此主要加工區(qū)域為B-C區(qū)域，可此區(qū)域的磁感應強度最大值僅0.6 T，聚集磁性磨粒的能力較弱，因此參與切削的磁性磨粒較少，同時球形磁極受到外部磁極吸引力，將磁性磨粒強制壓附在管件表面上，磁極旋轉過程中磁性磨粒受摩擦力作用易向另兩個區(qū)域流動，導致磁性磨粒流失。若球形磁極體積過大、受到外部磁極的磁吸引力過大則出現(xiàn)圖3中磁極與管件相互磨損現(xiàn)象。對于柱形磁極A-B、C-D區(qū)域磁感應強度較強且加工間隙較小，因此此二區(qū)域為主要加工區(qū)域，相對球形磁極，加工區(qū)域增多且加工區(qū)域磁感應強度較大、磁性磨粒不易流失，因此使用柱形磁極時加工效率較高。

3 試驗過程及數(shù)據(jù)分析

從上述分析可知：①磁研磨法拋光彎管內表面時，球形磁極體積過大會產生磁極與管件相互磨損現(xiàn)象，利用柱形磁極可以避免此問題但柱形輔助磁極的體積選擇不當容易發(fā)生軌跡干涉的問題，用圓柱面切割球形磁極法得到的柱形磁極可以避免軌跡干涉問題②磁研磨法拋光彎管內表面時，使用柱形輔助磁極時磁性磨粒的運動軌跡更加復雜、質密，在加工區(qū)域產生的磁感應強度較高，研磨壓力大，因此使用柱形輔助磁極可以獲得更好的表面質量及較高的加工效率，為了驗證上述理論分析是否正確，利用如圖8所示試驗裝置進行了試驗研究。彎管固定在工作臺上，電機通過軟軸帶動磁極旋轉，用計算機控制6自由度機械臂帶動拋光裝置沿彎管的軸線移動，彎管內部的輔助磁極在兩種運動的共同作用下攜帶磁性磨粒沿彎管內表面做復合螺旋運動，同時磁性磨粒在彎管內表面劃擦、切削，完成對彎管內表面的光整加工。

圖8 試驗裝置圖

3.1 試驗條件

表1所示為試驗條件。試驗時選用訂制的釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁極；工件為鈦合金彎管，最大折彎角度為45°；所用磁性磨粒平均粒徑為187μm，由Fe粉和Al2O3燒結而成，其中鐵磁相Fe的平均粒徑為150～200μm，研磨相Al2O3的平均粒徑為40～50μm，F(xiàn)e:Al2O3質量比為2:1，燒結時間為6 h，燒結溫度為1100℃；外部磁極與彎管外表面的間隙為2 mm，研究發(fā)現(xiàn)[13-14]磁力研磨加工中磁極與工件表面的加工間隙為1～3 mm時加工效果較好，由于彎管內部是半封閉的空間，試驗中發(fā)現(xiàn)加入輔助磁極體積較大時參與磨削的磁性磨粒數(shù)量會減少，為了為磁性磨粒留出足夠的空間，因此試驗中輔助磁極與彎管內表面之間留出2 mm間隙；研磨液為勞力恩SR-9911油性研磨液(大連盛瑞貝爾化工有限公司)，可以起到散熱及潤滑的作用。試驗前后，用JB-8E觸針式表面粗糙度測量儀檢測加工區(qū)域的表面粗糙度、用VHX-500F超景深3D電子顯微鏡觀測工件的表面微觀形貌。

表1 實驗條件

3.2 表面粗糙度及表面形貌的變化

加工后彎管內表面表面粗糙度值和材料去除量隨時間的變化情況如圖9所示。前5min內由于磁力研磨工藝中存在著“尖點”效應，即表面凸起的地方磁場強度高，優(yōu)先被研磨加工，材料去除量大，表面粗糙度值均變化較快，但在后續(xù)的加工中隨著工件表面的“尖點”被逐漸的磨鈍，尖點的頂部成為微小的平臺，需要去除的材料增多，需要的研磨壓力就相應增大，表面的粗糙度也會相應變化較多，因此從曲線的走勢上可以看出，球形磁極加工后的表面粗糙度的變化率比較緩慢，而柱形磁極在加工區(qū)域的磁感應強度大，研磨壓力大，磁性磨粒能很好的聚集在加工區(qū)域并且團聚量增多，參與磨削的磁性磨粒增多，因此材料去除量增大、表面粗糙度值下降的快，加工效率得到明顯提高。如圖9所示，在30 min加工時間內，使用球形磁極時表面粗糙度值由Ra0.6μm降至Ra0.18μm左右，而使用柱形磁極時表面粗糙度值由Ra0.61μm降至Ra0.09μm左右。經(jīng)試驗觀察，圓柱面切割球形磁極法得到的柱形磁極在加工過程中能夠獲得較小的表面粗糙度，能提高加工效率，因此理論分析(2)得到了很好的驗證，說明了圓柱面切割磁極法是可行的。

圖9 表面粗糙度值和材料去除量隨加工時間的變化

圖10所示為電子顯微鏡下觀察到加工前后管件內表面的微觀形貌變化。加工前管件表面不均勻，呈現(xiàn)出條紋狀的波峰波谷，分布著一些凹坑，球形磁極加工后工件表面呈現(xiàn)豎向的加工紋理，但紋理較深且明顯，還殘留有少許凹坑，這是因為研磨壓力不足，很難進行進一步的材料去除。柱形磁極加工后，磁感應強度怎增大，研磨壓力增大，豎向紋理的波峰得到去除，而且使用柱形磁極時磁性磨粒的研磨軌跡較使用球形磁極時更加復雜、密集，因此加工紋理變的淺且質密，表面平整光滑。所以以此可以驗證理論分析的正確性并且證明了圓柱面切割磁極法的可行性。

(a) 研磨前表面 (b) φ12 mm球形磁極研磨后 (c) φ8 mm×12 mm柱形磁極研磨后圖10 研磨前后的表面微觀形貌變化

4 結論

(1)磁研磨法拋光彎管內表面時，使用球形輔助磁極可以增大加工區(qū)域的磁感應強度、提高研磨壓力，但隨著球形磁極體積增大易發(fā)生磁極與管件內表面相互磨損現(xiàn)象，利用柱形輔助磁極可以很好的解決此問題。

(2)磁力研磨加工中，使用柱形輔助磁極對彎管內表面拋光時，柱形磁極體積選擇不當容易產生軌跡干涉問題，使用圓柱面切割球形磁極獲得的柱形磁極，可以避免干涉問題的產生。與球形磁極相比，輔助磁極為柱形磁極時加工效率較高，加工后工件表面紋理基本去除，表面形貌質密、均勻。

(3)柱形磁極作為輔助磁極時，較球形磁極可以獲得更大的研磨壓力，使得磁性磨粒團聚增多參與研磨的粒子增多，研磨面積相應增大，材料去除量增多，有效縮短了加工時間、提高了加工效率且磁性磨粒的研磨軌跡更加復雜、密集，表面紋理致密，表面光滑。

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StudyonthePolishingofInnerSurfaceofBendingPipewiththeCylindricalAuxiliaryMagneticPole

YAN Zheng-wei1, CHEN Yan1, SONG Zong-peng2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation, University of Science and Technology Liaoning，Anshan Liaoning 114051,China；2. Jinan 2 Machine Tool Group Co., Ltd. Industrial School, Jinan 250000,China)

In the polishing process of inner surface of bending pipe by magnetic abrasive finishing (MAF) , to solve the problem that the spherical auxiliary magnetic poles are too large, the magnetic poles and the surface of the tube can easy to rub against each other and further improve the machining efficiency, to put the cylindrical auxiliary magnetic pole into the tube.The motion trajectories of two auxiliary poles are analyzed by motion and the magnetic induction intensity of the processing region is analyzed by using Maxwell Ansoft software, then do some experiments. The test results showed that the optimized cylindrical magnetic pole can avoid track interference problem,the grinding pressure of the machining area is larger.Through the microscope can observe that the surface texture is shallow and uniform, the surface roughness of workpiece can be decreased to below 0.08μm, and the surface quality is higher.

magnetic abrasive finishing (MAF); bending pipe; auxiliary magnet; surface topography; trajectory interference

TH162,TG58

A

(編輯李秀敏)