振動(dòng)輔助磁力研磨去除孔相貫線處毛刺的研究*

李　闊，陳　燕，周傳強(qiáng)

(遼寧科技大學(xué) 先進(jìn)磨削技術(shù)研究所，遼寧 鞍山　114051)

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，零件日益趨于精密化，對(duì)其性能、尺寸要求卻越來越高[1-2]。目前生產(chǎn)的各種零件如液壓零件和汽車零件中都存在相交孔，在加工兩相交孔時(shí)會(huì)在交叉處即相貫線產(chǎn)生毛刺。孔相貫線毛刺與一般毛刺相比，去除起來更復(fù)雜、困難，并且難以去除干凈。在實(shí)際應(yīng)用中，具有相貫孔的零件經(jīng)常需要與所連接的零件之間形成一定的配合關(guān)系，因此毛刺的存在會(huì)磨損零件表面從而產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，而且會(huì)大大的影響后續(xù)的裝配工序，直接影響了產(chǎn)品的性能，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中給系統(tǒng)帶來極大隱患。研究高效、高精度的毛刺去除方法顯得非常重要，這已經(jīng)成為了一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的世界難題[3]。微細(xì)孔相貫線毛刺的去除一直是現(xiàn)代毛刺去除技術(shù)中比較棘手的問題，傳統(tǒng)利用銼刀等工具手工去毛刺，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、只適用于單件小批量生產(chǎn)，因此人們研究了各種特種去毛刺的方法[4-6]。利用氣體點(diǎn)燃產(chǎn)生爆炸的熱能去毛刺，不適合薄壁零件的去毛刺[7]；利用陽極溶解的電化學(xué)去毛刺，要求工件屬于導(dǎo)體，不適合非金屬零件的去毛刺[8]；利用磨料流加工工藝準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、磨料價(jià)格較昂貴投入資金大、且磨料流去毛刺加工后磨料的清除比較困難[9]，為此，磁力研磨技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，利用磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)，帶動(dòng)磁針運(yùn)動(dòng)，使磁針與工件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終去除工件的毛刺，同時(shí)對(duì)工件的表面也起到一定的拋光作用，且磁針可以循環(huán)使用，因此加工成本低[10-13]。

本文分析了振動(dòng)輔助磁力研磨技術(shù)的工作原理，對(duì)比了未添加振動(dòng)的磁力研磨與振動(dòng)輔助磁力研磨兩種加工方法對(duì)噴油嘴的兩孔相貫線處毛刺去除效率和加工質(zhì)量的影響。同時(shí)，采用單因素變量法研究了振幅對(duì)振動(dòng)輔助磁力研磨法的加工效率的影響，為微細(xì)孔相貫線處毛刺去除提供了一種新方法。

1　振動(dòng)輔助磁力研磨的理論分析

1.1　加工原理

振動(dòng)輔助磁力研磨機(jī)是在普通永磁研磨機(jī)的基礎(chǔ)上，將普通交流電機(jī)改變?yōu)檎駝?dòng)電機(jī)，從而使容器桶產(chǎn)生上下振動(dòng)，進(jìn)而改變磁針相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)工件進(jìn)行高效精密研磨的一種方法。如圖1所示，通過下端電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)永久磁極回轉(zhuǎn)從而生成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，將磁針、研磨液和工件按一定比例混合后盛放在容器桶內(nèi)并加蓋，容器置于凹形桶座內(nèi)，桶座下面是磁極圓盤，將永久磁極按照一定的方式排布在磁極盤上，磁極盤的中心軸與電機(jī)軸相聯(lián)，通過電機(jī)帶動(dòng)磁極圓盤旋轉(zhuǎn)從而使永磁極旋轉(zhuǎn)生成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，容器桶內(nèi)的磁性研磨介質(zhì)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與工件產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到研磨工件的目的。電機(jī)主軸下端安裝有偏心塊，通過改變偏心塊的有無及大小從而產(chǎn)生大小不同的振幅。

圖1　振動(dòng)輔助磁力研磨機(jī)加工原理圖

1.2　實(shí)現(xiàn)研磨的必要條件

如圖2所示為磁針在打磨工件毛刺瞬間時(shí)的示意圖，在研磨介質(zhì)對(duì)工件進(jìn)行磨削的過程中，兩者之間必須產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)磨削。也就是說，磁針與工件之間，必須存在轉(zhuǎn)速的差值。

根據(jù)動(dòng)量定律，磁針與工件之間產(chǎn)生的作用力可由公式(1)表示。作用力的大小與撞擊前后的動(dòng)量有關(guān)，也就是撞擊前后工件和磁針之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)越劇烈，對(duì)研磨越有利。在實(shí)際研磨過程中，可以通過設(shè)計(jì)夾具的方法迫使工件固定，從而增大工件與磁針之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度來提高研磨效率。

∑F=(mv′-mv)/Δt=Δp/Δt

(1)

式中，m— 單個(gè)磁針的質(zhì)量；

v′— 磁針與工件撞擊結(jié)束后瞬間磁針相對(duì)于工件的速度，其值為0；

v— 磁針撞擊工件前瞬間相對(duì)于工件的速度；

Δt— 磁針與工件的作用時(shí)間；

Δp— 磁針撞擊工件瞬間的動(dòng)量變化。

雖然磁針的質(zhì)量較小，但由于磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)速可達(dá)1500r/min，所以磁針撞擊工件的瞬間仍可以獲得較大的動(dòng)能變化，而磁針與工件的作用時(shí)間很短的，因此磁針撞擊工件得力度很大，滿足去除毛刺的要求。

2　振動(dòng)輔助磁力研磨機(jī)加工實(shí)驗(yàn)

2.1　試驗(yàn)裝置

圖3為振動(dòng)式永磁研磨機(jī)加工微細(xì)孔相貫線處毛刺的實(shí)驗(yàn)裝置圖。將工件、磁針與混合溶液按一定比例混合后裝入容器桶內(nèi)，通過控制面板設(shè)置轉(zhuǎn)速、研磨時(shí)間等，且實(shí)時(shí)將反饋信息顯示在控制面板上；將加速度測(cè)量?jī)x的測(cè)頭吸附在容器桶上，用于測(cè)量研磨過程中容器桶振幅的大??；設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后啟動(dòng)振動(dòng)式永磁研磨機(jī)，對(duì)工件進(jìn)行研磨。研磨結(jié)束后可以通過改變振動(dòng)電機(jī)偏心塊的有無和大小以及兩偏心塊之間的夾角來改變激振力的大小從而改變研磨桶振幅的大小。

混合溶液主要是由水和研磨液按一定比例混合而成的，在研磨過程中混合溶液主要起兩方面的作用：第一，研磨液具有輔助研磨的作用，可以提高研磨效率；第二，在清水中添加研磨液可以增大溶液的粘度，從而增加混合溶液對(duì)工件和磁針的浮力，有利于擴(kuò)大研磨空間，使工件得到更充分的研磨。

2.2　試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選用被研磨的對(duì)象為某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴，工件材料為鋁合金，屬于非導(dǎo)磁材料，形成相貫線的兩孔的直徑大小分別為φ2.3mm和φ3mm ；噴油嘴的形狀示意圖如圖4所示。試驗(yàn)時(shí)為了觀察孔相貫線處研磨前后表面形貌，試驗(yàn)前利用線切割機(jī)將工件沿軸向分割成兩部分，用超景深電子顯微鏡觀察加工部位1的原始形貌，用X射線衍射儀測(cè)量加工部位2的原始?xì)堄鄳?yīng)力，然后再用粘結(jié)劑將工件粘結(jié)在一起恢復(fù)原貌。

試驗(yàn)時(shí)，首先將噴油嘴、混合溶液與磁針按一定比例分別加入容器桶內(nèi)，研磨液為30ml勞力恩SR-9912水溶性研磨液。打開振動(dòng)式永磁研磨機(jī)進(jìn)行研磨設(shè)置研磨時(shí)間為10min,且每隔2min改變一次旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，研磨完成后用VHX-500E型超景深3D電子顯微鏡觀測(cè)表面形貌。其它實(shí)驗(yàn)條件見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)條件

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1　振幅對(duì)噴油嘴的材料去除量的影響

實(shí)驗(yàn)中通過改變偏心塊的有無及大小來調(diào)節(jié)振動(dòng)式永磁研磨機(jī)的振幅大小，通過ICP加速度測(cè)量?jī)x來測(cè)量振幅的大小。試驗(yàn)分3組進(jìn)行，振幅分別為0mm、4mm、8mm，研磨時(shí)間均為10min，其它條件如表1所示。如圖5所示，不同條件下的振幅大小對(duì)材料去除量的影響圖可以看出振幅為4mm時(shí)在相同時(shí)間內(nèi)材料去除量最大為25mg,且在6min內(nèi)已基本完成對(duì)毛刺的去除；振幅為8mm時(shí)在10min內(nèi)材料去除量為23mg；普通磁力研磨機(jī)在10min內(nèi)材料去除量為18mg，且后兩者毛刺未被完全去除。這是因?yàn)榕c普通磁力研磨機(jī)相比，振動(dòng)式永磁研磨機(jī)由于帶動(dòng)工件一起上下振動(dòng)，使磁針相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡更加復(fù)雜，使更多的磁針撞擊在兩孔相貫線處，因此加工效率更高，但隨著振幅的加大，工件被間歇的甩離磁針的工作區(qū)域，磁針不能很好的與工件接觸，因此加工效率也會(huì)下降。

圖5　不同振幅對(duì)材料去除量的影響

從圖上可以看出隨著時(shí)間的進(jìn)行，直線的斜率均在減小，這是因?yàn)榧庸こ跗诿涛⒂^輪廓呈尖峰狀，容易被磁針去除，隨著加工的時(shí)間的進(jìn)行，毛刺幾何輪廓逐漸呈圓角形或圓弧形，去除量難度逐漸增加。因此，對(duì)于噴油嘴的兩孔相貫線處毛刺的去除，振動(dòng)式永磁研磨機(jī)加工效率更高，且振幅在4mm左右最為適合。

3.2　振幅對(duì)噴油嘴表面顯微形貌的影響

研磨完成后，使用3D超景深電子顯微鏡觀察研磨后部位1的表面形貌并與研磨前進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示，從圖中可以看出當(dāng)振幅為0mm時(shí)毛刺去除率最少，振幅為8mm次之，振幅為4mm最佳，當(dāng)振幅為4mm時(shí)研磨10min后，兩孔的相貫線處的毛刺去除效果非常明顯，兩孔的相貫線的棱邊變得光滑、規(guī)整，表面質(zhì)量顯著提高。這是因?yàn)檎駝?dòng)輔助磁力研磨機(jī)與普通磁力研磨機(jī)(振幅為0mm)相比，由于振動(dòng)的作用使工件上下跳動(dòng)，而不是單純的在磁針的擊打作用下做圓周運(yùn)動(dòng)，因此能夠使更多的磁針擊打在兩孔相貫線處，因此振動(dòng)輔助磁力研磨機(jī)加工效果更好；隨著振幅的增大，工件間歇性的被甩離最佳研磨區(qū)域，使在相同的時(shí)間內(nèi)磁針與工件間接觸次數(shù)減少，因此振幅過大反而使研磨效率降低，當(dāng)振幅為4mm左右時(shí)，研磨效果較好。

(a)振幅為0mm時(shí)部位1研磨前后表面形貌對(duì)比圖

(b)振幅為4mm時(shí)部位1研磨前后表面形貌對(duì)比圖

(c)振幅為8mm時(shí)部位1研磨前后表面形貌對(duì)比圖圖6　孔相貫線處不同振幅研磨前后表面形貌對(duì)比圖

3.3　振幅對(duì)噴油嘴表面殘余應(yīng)力的影響

研磨完成后用X射線衍射儀測(cè)量部位2的應(yīng)力狀態(tài)，首先在20°～140°范圍內(nèi)全掃，確定116.46°～120.26°范圍內(nèi)的衍射峰為基準(zhǔn)，在0°～20°角范圍內(nèi)選取6個(gè)點(diǎn)測(cè)定晶面間距d并繪制出相應(yīng)的點(diǎn)圖并擬合成直線，如圖7a所示，通過公式(2)計(jì)算出表面的殘余應(yīng)力：

(2)

式中，σφ為φ反向上的應(yīng)力，MPa；E為材料的楊氏模量，GPa；ν為材料的泊松比；ψ為傾斜的角度，°；dψ為傾斜角的晶面間距，μm；dn為初始傾斜角(0°)的晶面間距。計(jì)算結(jié)果如圖7b所示，結(jié)果表明，材料初始表面由于受到初加工時(shí)的塑性變形和加工溫度的影響，殘余應(yīng)力為+101.5 MPa拉應(yīng)力；普通磁力研磨(振幅為0mm)加工后的表面，由于磁針的擊打撞擊作用使得表面殘余應(yīng)力得到部分改善變?yōu)?65.1 MPa拉應(yīng)力；振動(dòng)輔助磁力研磨由于振動(dòng)的輔助作用，使磁針與工件的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，使磁針與工件間接觸更加充分，在相同時(shí)間內(nèi)研磨更加均勻，撞擊次數(shù)更多，因此振動(dòng)輔助磁力研磨后殘余應(yīng)力分別達(dá)到了-115.5 MPa和-86.1MPa的壓應(yīng)力，這是因?yàn)殡S著振幅的增大，工件間歇性的被甩離最佳研磨區(qū)域，使在相同的時(shí)間內(nèi)磁針與工件間接觸次數(shù)減少，因此在相同時(shí)間內(nèi)，振幅增大殘余應(yīng)力反而增大。根據(jù)資料顯示，殘余壓應(yīng)力可以有效地提高零件表面的抗疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕及抗蠕變開裂的能力；此外，良好的壓應(yīng)力狀態(tài)可以在零件受力時(shí)釋放自身的殘余壓應(yīng)力以達(dá)到保護(hù)零件的目的[14]。

(a)殘余應(yīng)力相應(yīng)點(diǎn)圖擬合直線

(b)殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖7　加工前后的表面殘余應(yīng)力

4　結(jié)論

本文針對(duì)某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴上兩孔相貫線處毛刺難以去除這一加工難題，提出利用振動(dòng)輔助磁力研磨技術(shù)，即利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)磁針旋轉(zhuǎn)飛躍撞擊工件，達(dá)到去除毛刺的目的。通過磁力研磨加工試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)用傳統(tǒng)拋光方法很難對(duì)微細(xì)孔相貫線處毛刺進(jìn)行高效率去除，而使用振動(dòng)輔助磁力研磨拋光方法可以有效解決這個(gè)加工難題。

(2)振動(dòng)輔助磁力研磨機(jī)與非振動(dòng)磁力研磨機(jī)相比，加工效率更高，加工質(zhì)量更好，且振幅為4mm左右時(shí)為最佳振幅，研磨10min后，兩孔的相貫線處的毛刺去除效果非常明顯，棱邊變得光滑、規(guī)整，表面質(zhì)量顯著提高。

(3)振動(dòng)輔助磁力研磨復(fù)合加工能夠使得工件表面殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，與傳統(tǒng)磁力研磨機(jī)加工相比，振動(dòng)輔助磁力研磨復(fù)合加工能夠獲得更好的表面應(yīng)力狀態(tài)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 楊勝強(qiáng)，李文輝，陳紅玲，等. 表面光整加工理論與新技術(shù)[M] . 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[2] 陳燕，劉昭前，王顯康. 超聲波振動(dòng)輔助磁力研磨加工研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(10): 294-298.

[3] 甘露華. 小孔相貫線超聲去毛刺工藝試驗(yàn)研究和數(shù)值分析[D]. 太原:太原理工大學(xué),2015.

[4] 徐支鳳. 機(jī)械零件毛刺去除工藝現(xiàn)狀[J]. 機(jī)床與液壓，2010 , 38(8):111-113.

[5] 朱勛鵬，郭艷玲，李健，等. 圓周陣列孔去毛刺機(jī)床設(shè)計(jì)與研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014(8): 134-136.

[6] 張文俊，夏亮，段瑞永. 一種浮動(dòng)研磨裝置的設(shè)計(jì)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2017(2): 140-141.

[7] 溫從眾，耿艷娟，李蘋. 液壓腔體零件交接孔熱能去毛刺工藝研究[J]. 機(jī)床與液壓，2016,44(16): 33-35.

[8] 湯銘權(quán). 特種加工方法在去毛刺技術(shù)中的應(yīng)用[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，1987(11): 20-24.

[9] 陳靖. 發(fā)動(dòng)機(jī)及管路零件去毛刺[J]. 航天制造技術(shù)，2002(2): 16-18.

[10] 方建成，金洙吉，徐文驥，等. 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁粒光整加工研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2001，12(11)：1304-1306.

[11] Jeong-Du Kim. Polishing of Ulrta-clean inner surfaces Using Magnetic Force [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2003(21):91-97.

[12] Yin S H, 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.

[13] 李彥俊，陳燕，郭龍文. 磁研磨法去除微小噴嘴棱邊處毛刺的研究[J]. 航空制造技術(shù)，2014(9):88-90.

[14] 廖明，韓冰，陳燕，等. 鈦合金管內(nèi)表面的電化學(xué)磁力研磨復(fù)合光整試驗(yàn)[J]. 中國(guó)表面工程, 2016，29 (3) :123-131.

(編輯李秀敏)