采用磁性加工工具的厚壁圓管內(nèi)面磁力研磨加工法的研究

劉江楠，鄒艷華，龔佑發(fā)

(1.營(yíng)口理工學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程系，遼寧 營(yíng)口 115014；2.日本宇都宮大學(xué) 工學(xué)部，日本櫪木縣宇都宮市，321-8585；3.鞍鋼招標(biāo)有限公司，遼寧 鞍山 114033)

厚壁圓管（厚度在10～20mm之間）內(nèi)表面的加工，采用以往的磁力研磨加工方法由于加工部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?，需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行加工甚至陷入不能進(jìn)行加工的狀態(tài)。而厚壁圓管的應(yīng)用，例如儲(chǔ)存煤氣的液化氣罐、儲(chǔ)存高純度流體用的液化氣罐和高純度流體輸送管道等，如果在液化氣罐和輸送管道的內(nèi)面的表面粗糙度大的情況下，污染物堆積在內(nèi)面的微小凹凸里就會(huì)發(fā)生腐蝕，以致產(chǎn)生龜裂、破斷等危險(xiǎn)的情況，如果在核能關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)中導(dǎo)致放射性物質(zhì)的泄漏就將是惡性的事件，因此，為了防止污染物在容器和輸送管道內(nèi)面的附著和滯留對(duì)內(nèi)面的精密加工是必要的。在本次研究中，由于采用磁性加工工具，有效的增強(qiáng)了磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此，可以實(shí)現(xiàn)厚壁圓管內(nèi)面的精密加工。以SUS304不銹鋼圓管（89.1×79.1×200mm）為例，實(shí)驗(yàn)研究了粗加工階段與精加工階段對(duì)厚壁圓管內(nèi)面的表面粗糙度和圓度的變化規(guī)律。

1 加工原理

采用磁性加工工具的磁力研磨加工法（如圖1所示）是通過(guò)磁性研磨漿，利用磁力來(lái)代替以往機(jī)械加工加工力的新的加工技術(shù)，是在加工區(qū)域，通過(guò)加工單元上的磁鐵與磁性加工工具產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)保持磁性磨粒和加工對(duì)象之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工作物表面進(jìn)行精密加工的方法。在利用磁性加工工具的磁力研磨加工法中，磁性加工工具由磁鐵和磁性材料的剛體組成，因?yàn)榇判圆牧暇哂懈叩拇呕?，所以磁性加工工具就具有較高的磁力。本加工法的特點(diǎn)為由于可以產(chǎn)生高的吸引磁力，磁性加工工具和工作物外側(cè)設(shè)置的磁極之間可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的控制，而且磁性加工工具追隨磁極的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，與工作物之間產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，在磁性加工工具的表面供給必要的磁性磨粒與研磨材料，這樣就實(shí)現(xiàn)了厚壁圓管內(nèi)面的精密加工。

圖1 厚壁圓管內(nèi)面的加工原理

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2為實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。在本次研究中，所使用是自行設(shè)計(jì)的可以自動(dòng)完成圓管內(nèi)面加工的實(shí)驗(yàn)裝置。加工單元為4個(gè)永久磁鐵固定在磁軛上，并放置在往復(fù)運(yùn)動(dòng)臺(tái)上。加工對(duì)象SUS304不銹鋼鋼管裝夾在左側(cè)的三爪卡盤上。用永久磁鐵作為磁極可以保證加工時(shí)的磁場(chǎng)穩(wěn)定，并且磁鐵的尺寸較大（50×35×26mm）在加工區(qū)域所產(chǎn)生的磁力也較大，但是作為加工厚壁圓管內(nèi)面的充足的磁力（加工力）是因?yàn)椴捎么判约庸すぞ叨@得的。4個(gè)磁極是沿磁軛的圓周以N-S-S-N的形式排列的，并且可以改變磁極布置圓周直徑的大小。與以往的實(shí)驗(yàn)裝置相比，此實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)加工對(duì)象和加工單元的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此，可以實(shí)現(xiàn)厚壁圓管內(nèi)面的自動(dòng)加工。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。本次實(shí)驗(yàn)采用了包含粗加工階段和精加工階段的多階段加工。由于作為實(shí)驗(yàn)加工對(duì)象的SUS304不銹鋼鋼管的內(nèi)面比較粗糙，并且內(nèi)面形狀也不規(guī)整，因此，在粗加工階段用直徑比較大的磁性粒子與研磨材料，而在精加工階段逐漸減小磁性粒子與研磨材料的直徑。SUS304不銹鋼鋼管的旋轉(zhuǎn)速度為88r/min，加工單元的進(jìn)給速度為38mm/s，旋轉(zhuǎn)速度為254 r/min，加工區(qū)域?yàn)?0mm。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

在粗加工階段的加工時(shí)間為105分鐘，經(jīng)過(guò)粗加工后厚壁圓管內(nèi)面的圓度得到了很好的改善。在精加工階段加工時(shí)間為60分鐘，厚壁圓管內(nèi)面的粗糙度得到了很好的改善。實(shí)驗(yàn)時(shí)15分鐘為一個(gè)階段，每階段停一次，將SUS304不銹鋼鋼管用超聲波清洗機(jī)洗凈，然后進(jìn)行粗糙度和圓度的測(cè)量。磁性粒子、研磨材料和水溶性研磨液每個(gè)階段更換一次。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 粗加工階段的結(jié)果分析

粗加工階段厚壁圓管內(nèi)面的粗糙度Ra和加工去除量M隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)面的粗糙度在加工的前30分鐘改善的比較快，在后續(xù)的幾個(gè)階段中并沒有得到較大的改善。在粗加工階段厚壁圓管內(nèi)面的粗糙度由4.9μmRa改善到0.13μmRa。

圖3 粗加工階段的粗糙度與加工量

圖4所示為粗加工階段每個(gè)階段厚壁圓管內(nèi)面的圓度的測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在粗加工階段圓管內(nèi)面的圓度由206μm改善到19μm，使圓管內(nèi)面的形狀精度得到了大幅度的提高。

圖4 粗加工階段圓度的變化

4.2 精加工階段的結(jié)果分析

精加工階段厚壁圓管內(nèi)面的粗糙度Ra和加工去除量M隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在精加工階段厚壁圓管內(nèi)面的粗糙度由0.13μmRa改善到 0.01μmRa。

圖6所示為加工前與加工后的厚壁圓管內(nèi)面的圓度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在粗加工與精加工的165分鐘后，厚壁圓管內(nèi)面的圓度由加工前的206μm被改善到加工后的13μm。通過(guò)本研究可以證明采用此方法可以有效的對(duì)厚壁不銹鋼鋼管進(jìn)行內(nèi)面的精密加工。

圖5 精加工階段的粗糙度與加工量

圖6 加工前后圓度的比較

5 結(jié)語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)了厚壁圓管內(nèi)面磁力研磨加工的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了加工對(duì)象與加工單元的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)臺(tái)的自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

（2）在粗加工階段，厚壁圓管內(nèi)面的圓度得到了很好的改善，由于使用的磁性粒子和研磨材料的粒徑大，所以材料去除量大，對(duì)形狀精度的改善是有利的。

（3）在精加工階段，厚壁圓管內(nèi)面的粗糙度得到了很好的改善,由于使用的磁性粒子和研磨材料的粒徑比較小，所以材料去除量相對(duì)也小，但對(duì)表面精度的改善是有利的。

（4）實(shí)驗(yàn)表明，采用磁性加工工具的磁力研磨加工法可以對(duì)厚壁圓管內(nèi)面進(jìn)行精密加工。

[1]H. Yamaguchi, T. Shinmura and T. Kaneko, Development of a New Internal Finishing Process Applying Magnetic Abrasive Finishing by Use of Pole Rotation System [J]. Jpn. Soc. Prec. Eng.30 4 (1996), pp. 317–322 [in Japanese] .

[2]Yanhua Zou and T. Shinmura, Study on Magnetic Field Assisted Machining Process Using Magnetic Machining Jig [J].Japan for Abrasive Technology, 48 8 (2004), pp. 444-449. [in Japanese]

[3]H. Yamaguchi and T. Shinmura, Study on a new internal finishing process by the application of magnetic abrasive machiningdiscussion of the roundness [J]. Jpn. Soc. Prec. Eng. 62 11 (1996),pp. 1617–1621 [in Japanese] .

[4]YanhuaZou, JiangnanLiu and Takeo Shinmura,Study on Internal Magnetic Field Assisted Finishing Process Using a Magnetic Machining Jig for Thick Non-Ferromagnetic Tube [J]. Advanced Materials Research Vol. 325 (2011) pp 530-535.