研磨時間對永磁交變磁場磁粒研磨效果影響研究

王清陽 安王本禹 韓宇陽 姜佳琦

摘 要：隨著制造加工技術(shù)的發(fā)展，以及醫(yī)療、軍工等重要領(lǐng)域?qū)ζ矫骖惲慵庸さ谋砻婢纫筇岣撸壳皩ζ矫骖惲慵鄶?shù)采用研磨盤進行加工，成本高且操作復(fù)雜。磁粒研磨作為一種新型研磨方式具有精度高、易自動化等特點。為提高平面磁粒研磨效果，建立一種永磁交變磁場磁粒研磨新裝置，該裝置添加永磁交變磁場，能夠更加精確地控制磁場強度和磁性磨料的收散狀態(tài)，豐富磁性磨料的運動方式，使研磨軌跡復(fù)雜化，進而提高表面質(zhì)量。在實驗中，磁性磨料會受磁感線分布的影響而做往復(fù)運動，使用SUS304不銹鋼板代替平面零件，使主軸以250 r/min的轉(zhuǎn)速分別研磨20、30、40 min，磁性磨料粒徑為80目。最后使用超景深顯微鏡對前后表面形貌進行檢測，可知在研磨時間為30 min時工件的表面研磨效果最佳。

關(guān)鍵詞：磁粒研磨；永磁交變磁場；磁性磨料

中圖分類號：TG580.68? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0056-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.014

0? ? 引言

磁粒研磨加工技術(shù)[1]（Magnetic Abrasive Finishing）是一種先進的光整形加工技術(shù)，其由于加工效率和精度高、加工質(zhì)量好，適用于平面、球面、圓柱面和復(fù)雜形狀零件的加工，并能控制研磨效率和精度，且磁性磨粒具有良好的自銳性、自適應(yīng)性，因此該加工方法越來越受到關(guān)注。磁力研磨不僅可以應(yīng)用于模具的精加工，而且在航空航天、精密儀器和精密量具、軍工等重要行業(yè)也將有很好的應(yīng)用前景。值得一提的是，磁粒研磨加工技術(shù)可以很好地與數(shù)控機床、加工中心和機器人技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)光整加工的自動化。

目前磁粒研磨光整加工技術(shù)大多采用永磁或電磁場，在磁場力的作用下工件和磁極間填充磁性磨粒，調(diào)整研磨間隙可以控制研磨壓力，通過產(chǎn)生相對運動，磁粒刷對工件進行研磨加工。但在實際加工中，采用電磁線圈會導(dǎo)致其與磁極、工件構(gòu)成的磁空間過大，且電磁線圈內(nèi)部在研磨加工過程中產(chǎn)生的渦流熱將導(dǎo)致電磁線圈發(fā)熱嚴重，無法長時間持續(xù)使用，從而降低研磨加工效率。而采用傳統(tǒng)的永磁極[2]無法實現(xiàn)磁場的梯度變化來促進磁性磨粒頻繁翻滾更新磨削刃，研磨軌跡也相對簡單，也會影響研磨效果。

本文對SUS304不銹鋼板研磨加工進行研究，使永磁交變磁場控制磁性磨料在主軸磨頭徑向做往復(fù)運動，加速了磨料的翻滾更新，減少了磨料的區(qū)域性聚集，提高了研磨質(zhì)量和效率。

1? ? 試驗裝置建立

1.1? ? 試驗裝置結(jié)構(gòu)

交變磁場平面磁粒研磨裝置[3]是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密設(shè)備，如圖1所示，主要組件包括主軸進給裝置、X-Y軸螺桿移動滑臺和交變永磁極等，這些部件相互協(xié)作，確保研磨過程的穩(wěn)定性和高效性。主軸進給裝置是該裝置的核心部分，它包括手搖輪、Z軸移動滑臺、電機和電機支架、永磁體等部件。通過轉(zhuǎn)動手搖輪，可以調(diào)節(jié)電機的上下進給，從而精確控制研磨間隙和研磨壓力。這種精確的控制方式對于保證研磨質(zhì)量和效率至關(guān)重要。

在主軸進給裝置的幫助下，永磁極部分形成了穩(wěn)定的磁場。該部分包括上部固定導(dǎo)磁支架、下部旋轉(zhuǎn)交變研磨頭和環(huán)形徑向磁鐵等部件，這些部件協(xié)同工作，使磁場保持穩(wěn)定，確保平面磁粒研磨的效率和質(zhì)量。在研磨過程中，在工件下方放置導(dǎo)磁塊，可以起到牽引磁場向下穿過工件的作用，進而增強研磨過程中作用到工件表面的研磨壓力，提高研磨效率和效果。與工件表面直接接觸的磨料粒子在磁極頭所產(chǎn)生的永磁交變磁場作用下，隨著磁極頭進行沿Z軸的回轉(zhuǎn)運動，進而對工件表面進行研磨。通過手搖輪控制Z軸磨頭的上下運動，可調(diào)整研磨間隙，X-Y軸移動滑臺控制工件沿X軸和Y軸做往復(fù)進給運動，使工件表面得到均勻研磨。

總的來說，交變磁場平面磁粒研磨裝置憑借其獨特的結(jié)構(gòu)和精密的控制方式，實現(xiàn)了高效、高質(zhì)量和更加自動化的平面磁粒研磨。它的出現(xiàn)，不僅提高了研磨效率，還為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。

1.2? ? 試驗裝置工作原理

研磨裝置中的主軸旋轉(zhuǎn)，帶動旋轉(zhuǎn)交變研磨頭運動，研磨頭與導(dǎo)磁支架產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)運動，進而形成磁力回路[4]。對此過程進行有序控制，實現(xiàn)了磁力回路的產(chǎn)生與消失以及極性的轉(zhuǎn)變。

如圖2所示，磁性磨料[5]在加工區(qū)域內(nèi)沿磁感線分布，并呈現(xiàn)周期性地旋轉(zhuǎn)翻滾變化，相比恒定永磁場，永磁交變磁場使磁性磨料狀態(tài)更加容易控制，加速了磨料的翻滾更新，這種變化主動加速了研磨時磁性磨粒的循環(huán)，使其得到充分、高效的利用，可以顯著提高研磨的效率與效果。

2? ? 試驗條件與試驗結(jié)果

2.1? ? 試驗參數(shù)

工件為SUS304不銹鋼平板，長寬尺寸150 mm×150 mm。磁性磨料目數(shù)選擇80目，使用水基研磨液與磁性磨料混合，以減少加工過程中產(chǎn)生的熱量，且混合磨料[6]具有潤滑作用，有利于對工件的微量去除并減少損傷。永磁交變磁極在研磨過程中交變時會有一瞬間對外不顯磁性，因此磁性磨料會因受到離心力的作用被甩離研磨區(qū)域，經(jīng)多次試驗證實，在轉(zhuǎn)速為250 r/min以下時磁性磨料可以始終保持團聚狀態(tài)[7]，所以將轉(zhuǎn)速選為250 r/min，以保證試驗成功。永磁交變磁極完成一次顯磁性到不顯磁性的變化過程為一個周期，所以一個周期磁極轉(zhuǎn)動一周，可計算出對應(yīng)的交變頻率4.16 Hz[8]。設(shè)置研磨時間，順次取20、30、40 min，研磨試驗后使用基恩士3D超景深電子顯微鏡對工件表面形貌進行觀察與評價[9]。

2.2? ? 試驗結(jié)果

從研磨前后表面形貌圖（圖3～6）可以看出，在磨料目數(shù)為80目，主軸轉(zhuǎn)速250 r/min時，隨著研磨時間的增加，加工形貌質(zhì)量得到了明顯提高，表面形貌更加光滑，加工劃痕越來越少，但研磨時間超過30 min后，隨著研磨時間增加，加工形貌質(zhì)量下降，表面形貌圖中加工劃痕增多，研磨效果下降。試驗證明，研磨時間在30 min時工件表面研磨效果達到最佳。

3? ? 結(jié)論

本文所述裝置在傳統(tǒng)恒定永磁場磁粒研磨基礎(chǔ)上設(shè)計永磁鐵結(jié)構(gòu)，使永磁場實現(xiàn)交替變化，豐富磁性磨料運動方式，使研磨軌跡復(fù)雜化?；趯υ囼灲Y(jié)果的分析和總結(jié)得出以下結(jié)論：

1）該裝置通過X-Y軸移動滑臺控制工件沿X軸和Y軸做往復(fù)運動，可以確保工件表面被均勻研磨。

2）永磁交變磁場能夠帶動磁性磨粒進行周期性反轉(zhuǎn)更新，使研磨軌跡更為復(fù)雜，有助于提高研磨加工的表面質(zhì)量及磨料的利用率，減少研磨過程中的浪費。

3）在主軸轉(zhuǎn)速為250 r/min，磨料目數(shù)為80目，研磨時間為30 min時，SUS304不銹鋼板的表面形貌達到最佳，為實際應(yīng)用中設(shè)定合理的研磨條件提供了依據(jù)。

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收稿日期：2024-01-22

作者簡介：王清陽（2004—），男，遼寧鐵嶺人，研究方向：磁粒研磨光整加工。

基金項目：本文為2024年遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“永磁交變磁場磁粒研磨實驗研究”研究成果之一