長小徑不銹鋼管內(nèi)表面的磁性珩磨工藝*

燕昭錕,姚新改,2*,郭瑞鵬,3,陳洪勝,2

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運載工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.精密加工山西省重點實驗室,山西 太原 030024;3.太原理工大學(xué) 材料工程學(xué)院,山西 太原 030024)

0 引 言

在實際生產(chǎn)中,長小徑不銹鋼管內(nèi)徑尺寸小、軸向尺寸長,國內(nèi)外尚未有較好的方法對其內(nèi)表面進(jìn)行光整加工。

隨著各個行業(yè)對長小徑不銹鋼管的內(nèi)表面質(zhì)量要求越來越高,很多專家學(xué)者就此展開研究。楊建橋等人[1]提出了一種電解加工方法,并通過大量試驗得到了拋光液的最佳成分配比,以及其最優(yōu)的工藝條件。周錦進(jìn)、安曉剛等人[2,3]進(jìn)一步研究了電解加工在碳鋼管內(nèi)孔光整中的應(yīng)用,分析了電解加工主要工藝參數(shù)對碳鋼管內(nèi)孔光整效果的影響,并把內(nèi)表面粗糙度控制在0.2 μm以內(nèi);但電解加工不銹鋼內(nèi)表面時,由于電極安裝困難、易短路,溶液污染嚴(yán)重等問題,不符合排放標(biāo)準(zhǔn)。張海鷗等人[4]提出了一種等離子熔積高溫法光整加工合金件表面的方法,通過系統(tǒng)研究分析了激光表面去除加工的激光功率、調(diào)Q頻率、掃描速度、保護(hù)氣體氣壓等主要工藝參數(shù)對高溫合金零件表面光整加工質(zhì)量的影響;采用該方法可使零件的表面粗糙度從Ra11.28 μm降低到Ra2.26 μm。

該方法雖然可以有效降低內(nèi)表面粗糙度值,提升表面質(zhì)量。但由于其成本較為昂貴,不適合企業(yè)大批量加工生產(chǎn),且不適合管類零件的加工。

為此,筆者提出長小徑不銹鋼管內(nèi)表面磁性珩磨新工藝。首先,設(shè)計出一套磁性珩磨頭,采用有限元法對磁性珩磨系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算,確定永磁體的高度和加工間隙;接著,分析影響長小徑不銹鋼管內(nèi)表面磁性珩磨新工藝加工的因素,確定轉(zhuǎn)子頻率和加工行程的影響;最后,進(jìn)行工藝試驗,確定加工環(huán)境對磁性珩磨粗糙度的影響,并證實該工藝的可行性。

1 磁性珩磨加工原理及珩磨頭

1.1 加工原理

磁性珩磨[5]通過電機(jī)帶動外部永磁體的旋轉(zhuǎn)和軸向運動,內(nèi)部的轉(zhuǎn)子在外磁場吸引力的作用下,轉(zhuǎn)子上的珩磨條可以緊緊作用在工件內(nèi)表面,并做同步的旋轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給的運動,從而實現(xiàn)對工件內(nèi)表面的磁性珩磨加工,進(jìn)而降低不銹鋼內(nèi)表面粗糙度的值,提升其表面質(zhì)量[6,7]。

磁性珩磨加工原理如圖1所示。

圖1 磁性珩磨加工原理圖1—磁場發(fā)生器;2—工件;3—磨條;4—永磁體

1.2 磁性珩磨頭

1.2.1 珩磨頭結(jié)構(gòu)

磁性珩磨頭主體分為磁性磨條、永磁體和連接軸3個部分。磁性珩磨頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 磁性珩磨頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 梯度復(fù)合磁性磨條的制備

受梯度復(fù)合材料的啟發(fā)[8,9],筆者通過熱壓燒結(jié)法制備出厚度1 mm,3層等厚,長和寬分別為22 mm和5 mm的梯度復(fù)合磁性磨條。

該磨條一共分為3層,第1層全部由純鐵粉燒結(jié)而成,用于與轉(zhuǎn)子的永磁體配合;第3層由20%的CBN和80%的鐵基結(jié)合劑構(gòu)成,用于珩磨工件內(nèi)表面。

為了預(yù)防在燒結(jié)過程中不會因兩相材料膨脹系數(shù)差異過大而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不均勻,筆者在兩層之間加入了過渡層,該層由10%的CBN、45%的鐵基結(jié)合劑和45%鐵粉構(gòu)成。

梯度復(fù)合磁性磨條的制備流程如圖3所示。

圖3 磁性珩磨條制備流程圖

筆者通過放電等離子燒結(jié)法[10]制備出直徑為30 mm梯度復(fù)合磁性磨條毛坯。

放電等離子燒結(jié)分為兩個階段:首先,以100 ℃/min的升溫速度升至500 ℃,并在500 ℃、壓強(qiáng)20 MPa條件下保溫保壓60 s;隨后,開始升溫,在5 min內(nèi)升溫至850 ℃的同時,壓強(qiáng)升至30 MPa。保溫保壓6 min,保溫保壓后隨爐冷卻至室溫。

熱壓燒結(jié)工藝曲線如圖4所示。

圖4 熱壓燒結(jié)工藝曲線

根據(jù)磁性珩磨頭尺寸的要求,筆者用線切割工藝加工出22 mm×5 mm×3 mm的梯度復(fù)合磁性磨條,并根據(jù)試驗要求制備出W14和W28兩種粒度的梯度復(fù)合磁性磨條。

磨條實物如圖5所示。

圖5 磨條實物圖

1.2.3 永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計

珩磨頭的永磁體在磁性珩磨系統(tǒng)中有兩個作用:(1)當(dāng)磁性珩磨頭裝配到磁性珩磨系統(tǒng)中,有足夠的吸引力保證兩個永磁鐵漲開;(2)通過磁力較好地固定磁性磨條,同時在旋轉(zhuǎn)過程中保障磁性磨條不脫落。

永磁鐵的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

圖6 永磁體結(jié)構(gòu)

永磁體的核心參數(shù)為高度[11],永磁鐵高度過低會導(dǎo)致磨條在磁性珩磨系統(tǒng)中所受的徑向力不足,難以提供珩磨壓力;永磁鐵高度過高時則磁性珩磨頭的兩個永磁鐵吸引力過大,從而導(dǎo)致其無法漲開。

因此,下面筆者要對永磁體的高度進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2 磁場對珩磨壓力的影響

影響磁場的主要因素為永磁體高度和加工間隙,采用Ansoft軟件進(jìn)行模擬及優(yōu)化分析。首先,筆者設(shè)置加工間隙為5 mm,得出永磁體高度與力的關(guān)系;其次,設(shè)置不銹鋼管到外磁極的距離為變量,得到磁場力與加工間隙之間的關(guān)系。

磁性珩磨系統(tǒng)二維模型與劃分網(wǎng)格后的效果圖如圖7所示。

圖7 磁性珩磨系統(tǒng)二維圖1—調(diào)整法蘭;2—外磁路;3—隔磁板;4—外磁極;5—磁性磨條;6—轉(zhuǎn)子

磁性珩磨系統(tǒng)計算時材料屬性如表1所示。

表1 模型材料屬性

筆者設(shè)置磨條的徑向力為Force1,以永磁體的高度h作為掃描變量,得到永磁體高度h與徑向力Fy的關(guān)系曲線,結(jié)果如圖8所示。

圖8 h-Fy關(guān)系曲線

當(dāng)磁性珩磨系統(tǒng)外部磁場發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T=0.147 N·m,筆者取磁性磨條與不銹鋼管內(nèi)壁的摩擦系數(shù)為μ=0.5,安全系數(shù)K=2,鋼管內(nèi)徑d=17 mm。為使外部磁場能夠有效帶動磁性珩磨頭轉(zhuǎn)動,需滿足:K×μ×Fy×d≤T。

由上述條件可解得:Fy≤6.88 N。

終上所述,為保證磁性珩磨加工的正常進(jìn)行,徑向力Fy應(yīng)小于6.88 N,筆者最終選取永磁體高度為2.5 mm。

轉(zhuǎn)子實物圖如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)子實物圖

筆者調(diào)節(jié)外磁場永磁體到不銹鋼管的加工間隙,求解磨條的受力。

外磁場永磁體與管壁加工距離和徑向力的關(guān)系如圖10所示。

圖10 加工間隙-徑向力曲線

為了保證在珩磨過程中,磨條的工作壓力達(dá)到超精珩磨的壓力要求[13](0.05 MPa～0.1 MPa),磨條受力必須在5.96 N～11.93 N之間,且根據(jù)安全需要,加工間隙需大于2 mm。

因此,筆者在后續(xù)試驗中選取4 mm作為加工間隙。

3 試驗內(nèi)容及設(shè)備

3.1 試驗內(nèi)容

影響長小徑不銹鋼管內(nèi)表面磁性珩磨工藝的因素包括:磁場因素、工藝參數(shù)和加工條件。其中,磁場影響珩磨壓力,工藝參數(shù)和加工條件影響工件表面粗糙度。為了制定出最佳工藝,筆者以磁場因素—工藝參數(shù)—加工條件的順序進(jìn)行分析。

影響因素順序如圖11所示。

圖11 影響因素

首先,筆者使用Ansoft軟件確定永磁體高度和加工間隙(第4節(jié));其次,采用無縫不銹鋼管研究了轉(zhuǎn)子頻率和加工行程對表面粗糙度的影響;最后,采用有縫鋼管研究了磨條粒度和干濕磨的影響。

3.2 試驗設(shè)備

珩磨試驗對象為奧氏體不銹鋼管,其外徑φ19 mm,內(nèi)徑φ17 mm,長1.2 m。

奧氏體不銹鋼管待加工毛坯如圖12所示。

圖12 奧氏體不銹鋼管

奧氏體不銹鋼的部分性能參數(shù)如表2所示[14]。

表2 不銹鋼管性能參數(shù)

磁性珩磨系統(tǒng)平臺如圖13所示。

圖13 磁性珩磨平臺

此處筆者采用德國立式馬爾M200粗糙度測試儀測量加工前后表面粗糙度值的變化。

粗糙度測試儀器如圖14所示。

圖14 粗糙度測試儀

4 工藝試驗

4.1 工藝參數(shù)的影響

4.1.1 轉(zhuǎn)子頻率的影響

此處的試驗轉(zhuǎn)子頻率分別設(shè)為3 Hz、4 Hz、5 Hz、6 Hz,加工間隙取4 mm,加工行程為20個。

試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果

由表3可以看出:

轉(zhuǎn)子頻率設(shè)置為5 Hz時,粗糙度值從0.364 μm降低到0.273 μm,粗糙度降低25%,相較其他頻率,加工效果最佳。在該參數(shù)下保證了在珩磨過程中,磨粒切削軌跡呈交叉且不相重復(fù)的交叉網(wǎng)紋,同時在該參數(shù)下有較高加工效率。

4.1.2 加工行程的影響

試驗選取20、40、60、80個行程作為變量,加工間隙取4 mm,轉(zhuǎn)子頻率為5 Hz,珩磨結(jié)果如圖15所示。

圖15 加工行程對表面質(zhì)量的影響

由圖15可知:隨著加工行程數(shù)的增加,表面粗糙度Ra值逐漸減小,且減小趨勢略微放緩,達(dá)到60個行程后,粗糙度值達(dá)到最低值,隨著珩磨的繼續(xù)進(jìn)行,粗糙度值所有升高。這是因為磁性珩磨屬于定壓進(jìn)給珩磨[15],當(dāng)進(jìn)行到堵塞切削階段時,磨條和孔表面的接觸面積越來越大,極細(xì)的切屑堆積于磨條與孔壁之間不易排除,造成磨條堵塞。若繼續(xù)珩磨,磨條堵塞嚴(yán)重而產(chǎn)生粘結(jié)性堵塞時,磨條完全失去切削能力并嚴(yán)重發(fā)熱,孔的精度和表面粗糙度均會受到影響,因此粗糙度會有升高的趨勢。

綜上所述,長小徑不銹鋼管內(nèi)表面磁性珩磨新工藝參數(shù)如表4所示。

表4 工藝參數(shù)表

4.2 加工條件的影響

4.2.1 試驗內(nèi)容

為了研究磨條粒度和加工條件對長小徑不銹鋼管內(nèi)表面質(zhì)量的影響,筆者在4種加工條件下進(jìn)行磁性珩磨試驗[16,17]。加工條件如表5所示。

表5 加工條件

要注意的是,當(dāng)選用單粒度磨條時,加工行程為60個;當(dāng)選用雙粒度磨條珩磨[18]時,加工行程各30個。

為了使試驗數(shù)據(jù)精確且其便于分析,每種工藝加工前后,對于普通表面,在徑向方向每隔90°選取一個基準(zhǔn)點,再以該基準(zhǔn)點沿管壁方向隨機(jī)取6個點,即一共24個點進(jìn)行測量。對于焊縫[19]處的表面沿焊縫,隨機(jī)取6個點進(jìn)行測量。

取點的原理如圖16所示。

圖16 取點原理圖

4.2.2 結(jié)果分析

4種加工條件下,即W28+W14+干磨、W14+干磨、W28+W14+濕磨、W14+濕磨的數(shù)據(jù)散點圖,如圖17所示。

圖17 不同加工條件粗糙度結(jié)果曲線

由圖17數(shù)據(jù)可知:無論哪種加工方式,都可以降低工件的粗糙度,提升其表面質(zhì)量。當(dāng)選用干珩磨時,對比圖17(a)和圖17(b)可發(fā)現(xiàn),選用W28+W14+干磨的效果會優(yōu)于W14+干磨,這是因為干珩磨時,由于珩磨熱不能及時逸散出去,所以無論使用哪種粒度搭配,都會對珩磨的粗糙度和光潔度造成一定影響。因此,可先選擇一個粒度較大的磨條磨去余量,再使用粒度較小的磨條進(jìn)行修整,從而達(dá)到較低的粗糙度值。

通過觀察數(shù)值發(fā)現(xiàn):使用干珩磨時,總會出現(xiàn)1～2個值遠(yuǎn)大于整體平均值,主要原因是珩磨過程中會燒傷工件,從而降低了表面質(zhì)量。對比圖17(c)和圖17(d)兩圖可發(fā)現(xiàn),當(dāng)選用濕珩磨時,得到與干磨相反的結(jié)論,選用W14+濕磨的效果會優(yōu)于W28+W14+濕磨。這是因為采用濕磨基本不受珩磨熱的影響,再加上不銹鋼管在珩磨前內(nèi)表面已經(jīng)達(dá)到較不錯的精度水平,因此,直接采用W14+濕磨的方法,不僅達(dá)到了較低的粗糙度,而且避免了更換磨條所造成的影響。

對比分析圖17(a)和圖17(c),以及圖17(b)和圖17(d)這兩組圖形可發(fā)現(xiàn),當(dāng)粒度搭配方式一致時,濕磨的效果總體要優(yōu)于干磨,除了數(shù)值低于干磨外,曲線也更加平緩,沒有數(shù)值異常的點。一方面,珩磨熱會對工件造成燒傷等其他缺陷;另一方面,使用濕磨時,冷卻液在帶走熱量的同時,也會將珩磨屑沖刷出去,從而避免劃傷工件。

在4種方案中,W14+濕磨粗糙度的值是最低的,粗糙度的數(shù)值方差最小,曲線平穩(wěn)。這意味著該加工條件下的工件不僅有較高的表面質(zhì)量,并且加工效果穩(wěn)定。

W14+濕磨加工前后表面形貌圖如圖18所示。

圖18 加工前后表面形貌

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)對長小徑不銹鋼管的光整加工,筆者提出了長小徑不銹鋼管內(nèi)表面磁性珩磨新工藝,并從磁性珩磨頭的研發(fā)、工藝制定以及工藝試驗展開研究;制備了一套用于珩磨小徑不銹鋼管的磁性珩磨頭,使用熱壓燒結(jié)法制備了磁性磨條,并設(shè)計出了相匹配的永磁體。研究結(jié)果如下:

(1)影響長小徑不銹鋼管磁性加工的因素包括:磁場因素、工藝參數(shù)和加工條件。其中,磁場影響珩磨壓力,工藝參數(shù)和加工條件影響工件表面粗糙度,三者影響程度依次升高;

(2)使用Ansoft軟件確定了加工距離為4 mm;采用無縫不銹鋼管研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子頻率為5 Hz、加工行程為60個時,珩磨效果最佳;采用有縫鋼管研究了磨條粒度和干濕磨的影響,得出W14+濕磨的方法加工效果最佳,普通表面粗糙度值從0.362 μm降低到0.07 μm,焊縫粗糙度值從0.969 μm降低到0.249 μm。結(jié)果表明,長小徑不銹鋼管內(nèi)表面磁性珩磨是行之有效的新工藝。

在后續(xù)的研究工作中,筆者將通過更改更多的工藝參數(shù),使用更多不同粒度的磨條進(jìn)行試驗,從而對該工藝進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。