基于環(huán)形磁場勵磁的兩面磁力拋光試驗研究

阮日新　羅虎　王永強　陳逢軍　胡天　尹韶輝

摘要：磁力拋光多數以單面拋光為主，較少有雙面同時有效拋光方式。本文提出了基于環(huán)形磁場勵磁的磁力拋光新工藝，該方法可以同時有效拋光兩個表面。通過設計能勵磁環(huán)形磁場的電磁鐵，并進行三維有限元仿真分析，搭建了環(huán)形磁場雙面拋光裝置。利用該平臺進行不銹鋼兩面拋光工藝試驗研究，探討了電流強度、磁極與工件間間隙、主軸轉速和拋光時間工藝等參數對表面粗糙度R_a的影響。得出表面粗糙度R_a隨著拋光時間、工作間隙、工件轉速的增大而減小。設計正交實驗方案得出合理的兩面磁力拋光工藝參數，并最終取得了具有良好表面粗糙度R_a的兩面工件樣品。試驗證明，該方法可以同時對工件的兩個表面進行拋光，兩個表面的表面粗糙度R_a由最初0.2μm下降到R_a（S）=0.094μm和R_a（N）=0.068μm。

關鍵詞：磁力研磨；環(huán)形磁場；兩面拋光；磁場仿真

中圖分類號：TH161 文獻標識碼：A

磁力拋光加工具有比較好的柔性、自適應性、自銳性、可控性，無須進行工具磨損補償與修形。磁力拋光克服了傳統(tǒng)精密研磨拋光方法在加工非規(guī)則形狀的容器內壁、彎管內表面、微細管內面，去除內孔毛刺、交叉孔毛刺，拋光模具復雜曲面等方面的不足。磁力拋光對于解決復雜型面光整加工有特定的優(yōu)勢，近年來引起了廣泛重視。

國內外已研究出多種磁力研磨拋光工藝。前蘇聯于20世紀70年代，研制出了8MN系列平面磁力研磨機床，開發(fā)了平面磁力拋光工藝。日本學者Shinmura將磁力拋光工藝拓展至加工外圓、內圓、曲面、球面等難加工工件，并對相應的磁力加工原理、不同參數下光整加工特性和影響因素進行了研究。尹韶輝等借助振動與磁力拋光復合方法對復雜凹凸類零件進行拋光，認為磨料顆粒大小影響工件內部表面質量素。Jeong-DuKim等為實現自動控制磁力拋光，研制了基于計算機控制的旋轉磁場磁力研磨加工系統(tǒng)。胡德金等設計了新型回轉磁場裝置，能同時產生往復磁場和回轉磁場，并對多種材料管狀工件內表面進行了磁力拋光試驗。許雪峰等提出了一種磁性復合磨粒化學機械拋光新工藝。

另一方面，磁力拋光較低的加工效率是制約其走向工業(yè)應用的重要原因。為提高磁力拋光技術的效率，國內外學者做了一些研究。如Shinmura在對磁力拋光原理和工藝進行深入的理論分析后，研究了加工間隙、磁場強度、磁性磨粒的成分和粒度、磨料與工件的相對移動速度等因素對加工效率和質量的影響。尹韶輝等在利用振動輔助對鎂合金進行磁力拋光試驗時，加工工件的表面質量和去除量得到提高。李億勛等人借助二維振動對304不銹鋼進行磁力研磨實驗，實驗結果表明，二維振動磁力研磨不僅能提高工件的表面質量，而且能提高去除效率。

目前磁力拋光主要以單面拋光為主，對同時雙面拋光研究較少。雙面拋光能明顯縮短拋光時間，有利于生產效率的提高。本文提出一種基于環(huán)形磁場輔助的磁力拋光新工藝，可以同時對相應零件進行雙面拋光，通過采用田口法設計正交試驗方案，對電流強度、工作間隙、主軸轉速和加工時間等參數進行工藝實驗研究。

1 雙面磁力拋光原理及裝置

環(huán)形磁場兩面磁力拋光原理如圖1所示，主要包括電磁鐵、夾具、工件軸。環(huán)形間隙中填滿拋光粉。工件裝夾在一個特定尺寸圓盤形夾具上，該夾具與立式銑床的主軸相連，夾具和工件可以隨著立式銑床的主軸旋轉，并且旋轉速度可以調節(jié)。工件與電磁鐵鐵芯間的距離為工作間隙δ_w。磁力拋光加工時，電磁鐵接通直流電源后，鐵粉顆粒在環(huán)形磁場中組成一條條沿徑向分布的磁鏈，從而形成強粘度的磁力刷。當工件在環(huán)形間隙中作切割磁鏈運動時，使原來一條沿徑向分布的磁鏈斷裂成兩條，從而形成了兩個微小刷頭；這兩條暫時斷裂的磁鏈在磁場的作用下有相互愈合的趨勢，會擠壓均勻分布于這些磁力刷頭之中的磨粒，使磨粒與工件的兩個表面相互作用實現材料的去除，以達到同時光整加工工件兩個表面的目的。

勵磁系統(tǒng)是磁力拋光實驗裝置的關鍵，其主要包含具有環(huán)形間隙結構的電磁鐵，電磁鐵主要由直流電源、線圈、鐵芯、導磁板等組成。當提供一個直流電流給線圈后，線圈環(huán)繞的鐵芯會被磁化，形成一個圓柱形磁鐵。當鐵芯與純鐵材料制成的導磁板相連時，電磁鐵會經由導磁板間形成一個閉合回路。如果將上導磁板開一個圓孔，使圓孔與圓柱鐵芯同心且保留一定的間隙，當該間隙很小時，不會影響磁路的形成，這樣在上導磁板與鐵芯間會形成一個徑向的環(huán)形磁場。改變通往線圈電流的大小可以得到不同磁場強度的環(huán)形磁場，電流可調節(jié)的范圍是0.25A至6A。

磁力拋光試驗裝置由立式銑床和自行研制的勵磁裝置組成，如圖2所示。

2 磁場有限元分析

2.1 Maxwell有限元仿真模型及結果

使用Maxwell軟件建立勵磁電磁鐵三維有限元分析模型如圖3所示。該模型中鐵芯和導磁板的材料都選工業(yè)純鐵。線圈匝數為300，厚度為90mm，線圈的軸向長度為100mm；工業(yè)純鐵的相對磁導率根據純鐵的含鐵量分為6000到240000不等，本文選用默認值10000；空氣的相對磁導率為1。采用軟件默認方式自動生成網格，激勵源為電流，大小為3A。對于3D靜磁場分析，以空氣環(huán)境包圍整個區(qū)域的求解域，與所需要的磁場邊界條件滿足無限遠邊界條件。

經過仿真計算，得到電磁鐵的磁場強度分布如圖4所示，環(huán)形間隙的磁感應強度介于1.25T至1.43T。圖4（a）顯示電磁鐵在其環(huán)形間隙處形成的磁場強度均在1T以上，且沿徑向方向分布均勻。磁場分布越均勻，磁力拋光時形成的剪切力變化越小，對工件原有的表面形狀精度影響就越小。能使工件在保持原有形狀精度的條件下，快速提高其表面粗糙度R_a，獲得高精度、高質量的表面。圖4（b）是磁場在環(huán)形間隙中沿縱向方向的磁感應強度分布，磁感應強度可以明顯分為三個梯度，環(huán)形間隙上部縱向均勻性較好，環(huán)形間隙底部均勻性稍差。雙面磁力拋光時，工件主要位于環(huán)形磁場的上部磁場中加工，有利于提高拋光表面各點的材料去除率和表面質量的均勻性。

2.2 Maxwell有限元仿真數學基礎

麥克斯韋方程組是適用于所有宏觀電磁現象的數學模型，是電磁場理論的基礎，也是工程電磁場數學分析的出發(fā)點。麥克斯韋方程組微分形式：式中：H為磁場強度，A/m；，為電流密度，A/m²；D為電通量密度，C/w²；E為電場強度，V/m；B為磁感應強度，T；p為電荷密度，C/m³。

聯立方程（1c）和（1d）即可得電磁場靜磁場分析的方程組：

以上方程組是電磁場有限元方法分析的理論基礎。有限元法以變分原理為基礎，把要求解的微分方程型數學模型應用于有限元計算中，通常先將方程化為二階方程，再將二階方程進行有限元數值求解。三維靜磁場的二階齊次方程組為：式中ε為介質的介電常數，F/m；δ為介質的電導率，s/m；μ為介質的磁導率，H/m；Φ為標量電勢。對于各項同性介質，ε，δ和μ是標量；對于各項異性介質，ε，δ和μ是張量。

2.3 磁感應強度測量

為驗證仿真數據的可靠性，測量在離電磁鐵上端面向下5mm處，由N極向S極沿徑向方向測量環(huán)形間隙中的磁感應強度的分布情況，如圖5所示?？梢钥闯鲅貜较蚍较虼鸥袘獜姸认葴p小后增大，且關于間隙中心對稱，但靠近N極的磁場強度略大于S極。磁場在空氣中衰減很快，距離導磁板和鐵芯越遠，磁感應強度越弱，故環(huán)形間隙中心磁感應強度最小。圓柱電磁鐵形成的磁感應線從圓柱鐵芯出發(fā)，經導磁板和環(huán)形間隙，最后回到鐵芯形成一個閉合回路，在這個過程中空氣的相對磁導率遠遠小于鐵芯和導磁板，故產生的磁場在環(huán)形間隙中衰減最快，使N極附近磁場強度略大于S極，形成一個類似“V”型的磁場。

磁感應強度介于1.08T～1.26T，與仿真計算值1.25T～1.43T誤差為11.8%～13.6%。由于實際所用的材料屬性，機械加工過程中的開孔、螺紋等，與有限元模型有偏差；數學模型也不可能完全如實反映實際模型的數學關系，故該誤差是可以接受的。

3 拋光試驗條件

3.1 試驗材料

選擇不導磁材料SUS202不銹鋼薄片（25×60×3）為試驗材料。實驗工件預先用傳統(tǒng)方法進行拋光，使其表面粗糙度R_a值約為0.2μm。

3.2 試驗方案

為研究拋光時間對工件表面粗糙度R_a的影響，選取一不銹鋼薄片進行磁力拋光試驗。試驗前，測量其表面粗糙度R_a，隨后每加工30min后，測量其表面粗糙度R_a，直至加工時間到180min。整個過程保持試驗條件I=2A，δ_w=3mm，n=100r/min與裝夾條件不變。

選取工作間隙δ_w，轉速n，加工時間t作為試驗參數，實驗方案按照田口法設定，按照3個變量和3個水平變化，如表1所示。選用正交表L₉（3³）進行正交實驗。試驗中，將工件靠近電磁鐵是南極S面的表面粗糙度記為R_a（S），靠近電磁鐵北極N面的記為R_a（N）。

4 試驗結果與分析

4.1 拋光時間對表面粗糙度R_a的影響試驗

試驗前用砂紙對選取的不銹鋼薄片進行拋光，以保證其兩面表面粗糙度值相近，約0.3μm。試驗結果如圖6所示。

由圖知，表面粗糙度R_a隨著拋光時間的延長，先急劇減小，后減小緩慢，最后趨向于飽和。拋光初期，工件原始表面質量差，工件表面絕大部分尖銳凸起部分與磨粒相互作用被去除，表面粗糙度R_a值下降較快；隨著拋光的進行，工件表面越來越光滑，磨粒與工件的相互作用越來越弱，表面粗糙度R_a值下降放緩；隨后，受到磨粒本身粒度的限制，拋光時間增長，表面粗糙度R_a值達到飽和狀態(tài)。

60min前，R_a（S）值下降得比R_a（N）快；60min以后，R_a（S）值下降得比R_a（N）慢，并且先達到飽和狀態(tài)，且最終R_a（S）飽和值比R_a（N）飽和值大。這是因為當δ_w為3mm時，近S極面磁感應強度比近N面要大，從而磁力拋光時磨粒受到磁鏈的壓力越大，使得磨粒與工件表面相互作用的剪切力越大，使前期去除工件表面材料更多，故拋光初期近S極表面粗糙度值下降得快，拋光后期R_a（S）值先達到飽和值。表面粗糙度值與磨粒切入深度有關，切入深度越大，表面粗糙度值越大。磨粒的切人深度與磨粒所受到的壓力有關，壓力越大，磨粒切入工件表面越深，而雙面磁力拋光中，壓力受環(huán)形磁場中磁感應強度的控制，磁感應強度越強，形成的磁鏈對磨粒的壓力就越大，故R_a（S）飽和值比R_a（N）飽和值大。

4.2 不銹鋼磁力拋光優(yōu)化試驗

采用正交法進行試驗，分析工藝參數δ_w，n，t對拋光后不銹鋼表面粗糙度R_a的影響，并得出三因素三水平下最優(yōu)工藝參數組合。選用L₉（3³）作為試驗分析的正交表，試驗結果如表2所示。

由表2知，三個因素每個水平均出現三次，為減少試驗過程中誤差對試驗結果的影響，取三次的平均值進行分析，結果如圖2所示。

由圖7知，R_a（S）普遍比R_a（N）大，這是因為近S極加工工件表面的磁感應強度大于近N極的緣故，磁感應強度越大，磁性顆粒擠壓拋光顆粒作用于工件表面的壓力越大，故磨粒切入越深，磨粒刮擦、劃刻工件表面留下的痕跡越深，因而表面粗糙度值越大。

表面粗糙度R_a隨著拋光時間、工作間隙、工件轉速的增大而減小。拋光時間越長，磁力拋光作用越充分，故表面粗糙度R_a??；工作間隙越大，環(huán)形間隙中的磁感應強度越小，形成的磁鏈對磨粒的壓力越小，磨粒切入工件表面的深度越淺，因而磁力拋光后殘留的痕跡越淺，故表面粗糙度R_a?。还ぜD速越高，單位時間內與工件表面相互作用的磨粒數量越多，提高了拋光效率，磁力拋光更充分。

工作間隙δ_w，拋光時間￡和轉速n對R_a（S）和R_a（N）的影響趨勢相同，故δ_w=3.5mm，t=60min，n=120r·min^-1時為最優(yōu)。

電流強度I對R_a（S）和R_a（N）的影響不同，為獲得其最優(yōu)參數，需要綜合極差分析。

定義指定電流I在i水平下對表面粗糙R_a（S）和R_a（N）的影響率C_I1，i，C_I2，i為：

其中B_I為指定電流在i水平下的表面粗糙度R_a，B_min和R_B分別為該電流和時間三個水平下的最小表面粗糙度R_a和表面粗糙度R_a極差。C_I，i越小，表示指定電流在i水平下對表面粗糙度R_a的影響程度越小，可獲得的表面粗糙度R_a越小。根據式（2），式（3）和表3計算電流在各水平下對表面粗糙度R_a的影響率，如表4所示。

定義指定電流在i水平下對表面粗糙度R_a（S）和R_a（N）的綜合影響率C_I，i為：

C_I，i越小，表示該電流強度水平下對表面粗糙度R_a（S）和R_a（N）的綜合影響率影響越小，此時，可獲得較小的R_a（S）和R_a（N）。根據式（4）對表4求和，計算電流，各水平下對表面粗糙度R_a（S）和R_a（N）的綜合影響率，如表5所示。

取綜合影響率最小值確定電流I為I₂。因此尺寸的理想組合為I₂t₃δ₁n₃，即：I=2.5A，t=60mim，δ_w=3.5mm，n=120r·min^-1。

4.3 試驗驗證

為驗證優(yōu)化后工藝參數的可靠性，保持其它條件不變，在最優(yōu)參數即：I=2.5A，t=60mim，δ_w=3.5mm，n=120r·min^-1條件下進行試驗。獲得了最好的試驗結果：R_a（S）=0.094μm和R_a（N）=0.068μm，小于磁力拋光工藝試驗表面粗糙度R_a。不銹鋼薄片兩面拋光后與原不銹鋼薄片實物對比圖如圖8所示。

拋光時間40min后，在VHX-1000超景深三維數碼顯微鏡2500倍下測量的結果如圖9所示。拋光前，經過粗加工的不銹鋼表面質量非常差，表面損傷嚴重，加工后殘留痕跡多。拋光40min后，絕大部分表面損傷已經被去除，僅留下少量較深的痕跡。由于近S面磁感應強度比近N面要大，故R_a（S）=0.094μm大于R_a（N）=0.068gm。

5 結論

1）提出了一種基于環(huán)形磁場的磁力拋光方法，可以同時對工件的兩個表面進行拋光，以不銹鋼薄片作為試驗材料進行試驗，兩個表面的表面粗糙度R_a得到大幅降低。

2）設計正交試驗方案，進行工藝試驗，得到環(huán)形磁場下磁力拋光最優(yōu)工藝參數并進行試驗驗證，最終得到R_a（S）=0.094μm和R_a（N）=0.068μm的試驗結果。