管件內(nèi)壁磁粒研磨時(shí)的磨粒動(dòng)力學(xué)行為仿真及分析

摘要 為探究磁性磨粒在管件研磨過程中的動(dòng)力學(xué)行為，對其研磨過程進(jìn)行離散元仿真，并分析其運(yùn)動(dòng)軌 跡和磨削力隨管件轉(zhuǎn)速和加工間隙的變化；通過單磨粒球運(yùn)動(dòng)及磁粒研磨試驗(yàn)，驗(yàn)證磁場力模型的準(zhǔn)確性 與粒子運(yùn)動(dòng)學(xué)行為可視化的可行性。結(jié)果表明：隨管件轉(zhuǎn)速提高，磁性磨粒在離心力作用下向加工區(qū)域外 運(yùn)動(dòng)，且加工間隙越大越容易被“甩飛”；在達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速之前，隨管件轉(zhuǎn)速提高，磨削力減小，材料去除效率 提升。當(dāng)管件轉(zhuǎn)速由400 r/min 提高至臨界轉(zhuǎn)速，加工間隙為2 mm和4 mm 時(shí)，磨削力分別下降5.4μN(yùn) 和2.3μN(yùn)，材料去除效率明顯提升；當(dāng)加工間隙為6 mm 時(shí)，磨削力變化較小，且當(dāng)轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速650 r/min 時(shí)，材料 去除效率下降。同時(shí)，材料去除量在達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速之前隨管件轉(zhuǎn)速提高而增大，但加工間隙的增大會(huì)使臨界轉(zhuǎn)速降低；且材料去除量的變化趨勢與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真分析的可靠性。

關(guān)鍵詞 磁性磨粒；動(dòng)力學(xué)特性；離散元法；磨削力；材料去除效率

中圖分類號 TG58; TG73; TQ176 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2024）02-0244-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0084

收稿日期 2023-04-07 修回日期 2023-08-08

磁粒研磨加工（magnetic abrasive finishing， MAF ）技術(shù)是近年來較為火熱的材料表面精密加工技術(shù)，與傳統(tǒng)精密加工手段相比，其具有良好的自適應(yīng)性、自銳性，且加工過程中無需刀具補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)[1-2]，在管材內(nèi)表面、復(fù)雜曲面、微小零件表面光整加工等領(lǐng)域得到 了廣泛應(yīng)用[3-6]。陳燕等[7-8]利用磁粒研磨方法，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金導(dǎo)管和陶瓷管內(nèi)表面進(jìn)行了光整加工，解決了管內(nèi)表面缺陷難以去除的技術(shù)難題。徐會(huì)等[9] 通過磁粒研磨技術(shù)去除了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸內(nèi)表面的 積碳，使其重新滿足使用要求。韓冰等[10]通過安裝在機(jī)械手上的磁粒研磨裝置對空間彎管內(nèi)表面進(jìn)行研磨，并對磁極轉(zhuǎn)速、加工間隙、磁性磨粒粒徑、軸向進(jìn)給速度4個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證了磁粒研磨工藝在空間彎管內(nèi)表面光整加工的可行性與可靠性。 JAYSW-AL 等[11-12]建立了磁粒研磨加工過程的有限元模型，得出由于邊緣效應(yīng)磁極邊緣附近的法向磁力相對較大，加工時(shí)工件的表面粗糙度隨著磁通密度和磁性磨料粒徑尺寸的增大而減小，隨加工間隙的減小而減小的結(jié)論。但以上研究的關(guān)注點(diǎn)集中在磁粒研磨技術(shù)的應(yīng)用及對磁場強(qiáng)度的有限元分析等，而對驅(qū)動(dòng)磁粒研磨加工的磁性磨粒動(dòng)力學(xué)特性鮮有提及。

離散元法是由美國學(xué)者 CUNDALL 基于分子動(dòng)力學(xué)原理提出的，其形成的顆粒離散元分析方法在粉末加工、混合攪拌等離散體物料的運(yùn)動(dòng)行為和力學(xué)行為分析方面有獨(dú)特的優(yōu)勢[13-14]。MISHRA 等[15]對翻滾磨機(jī)的裝料行為進(jìn)行離散元仿真模擬，得到了單顆粒子在裝料過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及粒子與粒子間的接觸力和碰撞磨損等。田雨[16]將離散元法引入曲軸滾磨拋光加工中，精確模擬了磨粒系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程，并對磨粒的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行可視化仿真分析，驗(yàn)證了 EDEM 軟件分析表面滾磨的可行性。

在磁粒研磨技術(shù)現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，基于離散元法對磁性磨粒在管件內(nèi)壁面研磨過程中的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行分析，再通過仿真試驗(yàn)分析管件轉(zhuǎn)速和加工間隙對磨粒粒子運(yùn)動(dòng)及磨削力的影響。同時(shí)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，探究管件轉(zhuǎn)速和加工間隙對管件內(nèi)壁面磁粒研磨加工質(zhì)量的影響，并對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 仿真模型

1.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

對鐵基氧化鋁磁性磨粒[17]研磨加工 TC4管件內(nèi)壁面的三維離散元仿真模型進(jìn)行簡化，僅保留產(chǎn)生梯度磁場的永磁極及試驗(yàn)管件，以便在保證仿真精度的同時(shí)提高離散元仿真的效率。 TC4管件內(nèi)壁面加工模型示意圖如圖1所示，其中永磁極為φ20 mm ×15 mm 的圓柱形釹鐵硼 N52永磁極，試驗(yàn)管件尺寸為φ25 mm ×120 mm，壁厚為1 mm。

1.2 磁場力模型

不同磁場下磁性磨粒的受力情況如圖2所示。磁性磨粒在磁場中會(huì)被磁化，其作用效果與外部磁場形式有關(guān)。如圖2a 所示：在勻強(qiáng)磁場中，磁性磨粒自身 磁場與其方向不一致時(shí)磁性磨粒僅受轉(zhuǎn)矩 M 的作用，在其作用下偏轉(zhuǎn)至自身磁場方向與外部勻強(qiáng)磁場方向一致。如圖2b 所示：在非勻強(qiáng)磁場中，磁性磨粒除了 受轉(zhuǎn)矩 M 的作用外，還受到梯度磁場力 F 的作用，磁性磨粒在偏轉(zhuǎn)的同時(shí)會(huì)向梯度較大的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。

在非勻強(qiáng)磁場作用下，單顆磁性磨粒所受的磁場力為[18-19]：

Fm = VχH?H"""""""""""" （1）

式中：V 為磨料體積，m3；χ為磨料的比磁化率，即在外加磁場下產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度與外加磁場本身的磁場強(qiáng)度之比， m3/kg；H為磁性磨粒不在時(shí)計(jì)算點(diǎn)上的磁場強(qiáng)度，A/m，此處為標(biāo)量；?H為磁性磨粒不在時(shí)計(jì)算點(diǎn)上的磁場強(qiáng)度梯度，A/m2，此處為矢量。

將 Fm 在空間坐標(biāo)系 x、y、z 3個(gè)方向上分解，如式（2）所示，F(xiàn)x、Fy、Fz 分別作為磁性磨粒在仿真過程中的磁場力模型。

Fx = VχH

Fy = VχH

gt;

Fz = VχH

基于 EDEM 軟件的現(xiàn)有模型并不能計(jì)算出磁性磨粒在梯度磁場中受到的磁場力，因此需要通過 C ++編程語言對模型進(jìn)行二次開發(fā)，利用 Microsoft Visual Stu- dio 編譯平臺進(jìn)行編譯并創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)庫文件，將其通過應(yīng)用程序接口（ API ）直接加載到 EDEM 軟件中。

在磁場力模型中，假設(shè)粒子所受磁場力的大小僅 與在梯度磁場中其所處的位置以及粒子本身的粒徑有關(guān)，不考慮粒子被磁化后粒子與粒子之間的相互作用，將式（1）中的 H?H整體作為磁場數(shù)據(jù)，由 Maxwell 軟件生成并導(dǎo)出后在 EDEM 軟件中進(jìn)行加載。圖3為仿真模型中導(dǎo)入的磁場數(shù)據(jù)矢量圖，導(dǎo)入的磁場數(shù)據(jù)文件將磁性磨粒在空間中的實(shí)際受力與所處位置的磁場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度梯度相關(guān)聯(lián)，從而提高仿真模擬的準(zhǔn)確性。

2 磁粒研磨仿真試驗(yàn)

2.1 單顆磁粒運(yùn)動(dòng)

在磁粒研磨加工過程中，磁性磨粒與工件表面進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滾壓、切削、劃擦等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件的光整加工[20]。因此，磁性磨粒的運(yùn)動(dòng)對工件加工效果有重要影響。磁性磨粒在重力、外部梯度磁場力、離心力以及摩擦力的共同作用下，具有復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)形式，且因磁性磨粒尺寸較小，很難對運(yùn)動(dòng)中的磁性磨粒進(jìn)行瞬態(tài)分析。為了更直觀地分析磁性磨粒在梯度磁場中的運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證磁場力模型的準(zhǔn)確性，將磁性磨粒放大處理。

將100 g 平均粒徑為185μm 的還原鐵粉和100 g 平均粒徑為75μm 的白剛玉粉末混合均勻后，加入 15 mL 由聚乙烯醇與蒸餾水按體積比1∶ 1配制成的結(jié) 合劑，充分混合后裝填于模具中，在80 MPa壓力下壓 制成型；在真空爐中充分干燥后，采用燒結(jié)法在1200℃下保溫2.5h 燒結(jié)，燒結(jié)體經(jīng)破碎、篩分，制得平均粒徑 為200μm 的鐵基氧化鋁磨料；使用聚乙烯醇固結(jié)劑將 多顆磁性磨粒黏接成平均直徑為6 mm 的磁性磨粒球，并在其表面開槽，使其產(chǎn)生明顯的翻滾運(yùn)動(dòng)。磁性磨 粒球可視為一個(gè)放大的磨料顆粒，在磁場的作用下具 有與單顆磨料相同的磁化性質(zhì)。按照磁性磨粒形貌及物性，建立如圖4所示的磨粒球仿真模型。

在梯度磁場力的作用下，圖4中的磁性磨粒球吸 附在管件內(nèi)壁靠近永磁極的位置。在 EDEM 軟件中設(shè)置管件在0.020 s 時(shí)開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為100 r/min，通過高速攝像機(jī)對磨粒球?qū)嶋H運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行拍攝，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

圖5所示為不同時(shí)刻下的磨粒球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在圖5a 中，管件處于靜止?fàn)顟B(tài)，磨粒球在磁場力的作用下對管壁只有擠壓作用（ t=0.004 s ）；圖5b 所示為管件開始 運(yùn)動(dòng)后（ t=0.021 s ）的磨粒球狀態(tài)，在摩擦力和離心力 的作用下磨粒球開始翻滾，沿管壁攀升并遠(yuǎn)離磁極；圖5c 中的磨粒球攀升至最高位置（ t=0.032 s ）；而后 由于磨粒球所受磁場力減小以及磁性磨料與管壁之間 的擠壓力減小，磨粒球動(dòng)能逐漸降低，在重力的作用下 向下運(yùn)動(dòng)并到達(dá)初始位置附近，如圖5d 所示（t=0.074 s ）。磨粒球重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)過程，對管內(nèi)壁進(jìn)行滾壓、切削、劃擦等，從而實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)壁的光整加工。高速攝像機(jī) 拍攝的磁性磨粒球在管內(nèi)壁的運(yùn)動(dòng)與仿真結(jié)果具有一 致性，驗(yàn)證了磁場力模型的準(zhǔn)確性。

2.2 磁粒系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)

為了探究加工過程中管件轉(zhuǎn)速和加工間隙對磁性磨粒系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的聯(lián)合影響，設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，加工間隙 h 分別為2、4和6 mm。每組試驗(yàn)中管件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)置為順時(shí)針的變速運(yùn)動(dòng)，仿真開始0～0.5 s 內(nèi)管件轉(zhuǎn)速ω由0加速至400 r/min；保持1.0 s 的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)使磨料運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；之后每0.5 s提速100 r/min 并保持1.0 s 的勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，總仿真時(shí)間設(shè)置為10.5 s。圖6所示為3組試驗(yàn)中不同管件轉(zhuǎn)速下的磁性磨粒系統(tǒng)速度場矢量圖。

當(dāng)加工間隙為2 mm，管件旋轉(zhuǎn)速度為400 r/min 時(shí)，磨粒在磁場力的作用下分布較為集中，且靠近管壁處 的磨粒流動(dòng)速度較低（圖6a），加工區(qū)域的磨粒更新 速度較慢。增加加工間隙或管件轉(zhuǎn)速，分析磨粒流動(dòng)的變化情況：

（1）當(dāng)僅增加加工間隙時(shí)，磁場強(qiáng)度減弱，磁場力對磨粒的約束作用減小，磨粒流動(dòng)性有所改善，且磨粒系統(tǒng)整體高度呈上升趨勢（圖6a、圖6d、圖6g）。

（2）當(dāng)僅提高管件轉(zhuǎn)速時(shí)，磨粒流動(dòng)性上升，但隨著管件轉(zhuǎn)速的提高，磨粒逐漸出現(xiàn)被甩飛的現(xiàn)象，導(dǎo)致有效參與研磨加工的磁粒數(shù)量減少（圖6a、圖6b、圖6c）；且加工間隙越大，發(fā)生磨粒甩飛現(xiàn)象的臨界轉(zhuǎn) 速越小（圖6c、圖6e、圖6g）。同時(shí)，過高的管件轉(zhuǎn)速使磨粒所受離心力的作用大于梯度磁場力的束縛，使 其脫離加工區(qū)域隨管壁一起做圓周運(yùn)動(dòng)，磨粒與管壁 之間的相對運(yùn)動(dòng)減少，研磨效率響應(yīng)下降（圖 6c、圖 6f、圖 6i）。

2.3" 仿真試驗(yàn)結(jié)果及分析

在磁粒研磨加工過程中，材料的去除主要通過磨 粒與工件相互作用產(chǎn)生的磨削力來實(shí)現(xiàn)，磨削力的大 小直接影響工件表面質(zhì)量和亞表面損傷程度，而管件 轉(zhuǎn)速和加工間隙是影響磨削力的主要因素[18]。因此， 探究不同試驗(yàn)參數(shù)對磨削力及材料去除效率的影響尤 為重要。

由于仿真時(shí)間與實(shí)際磁粒研磨加工時(shí)間相比較短， 因而在仿真試驗(yàn)結(jié)果分析中，以材料累計(jì)去除占比來 評價(jià)材料去除效率隨試驗(yàn)參數(shù)變化的情況，其中材料 累計(jì)去除占比=開始加工至當(dāng)前時(shí)刻材料累計(jì)去除量/ 整個(gè)加工過程中材料總?cè)コ俊?00%。圖 7 所示為加 工間隙分別為 2、4 和 6 mm 等 3 種情況下，隨著管件轉(zhuǎn) 速的提高，磁粒對管壁的磨削力及材料累計(jì)去除占比 的變化情況。

由圖 7 中的磨削力曲線可以得出：隨著管件轉(zhuǎn)速 的提高，磨削力呈現(xiàn)減小趨勢，但材料去除量逐漸增大。 這是因?yàn)殡S著管件轉(zhuǎn)速的提高，磁粒的離心力增大，磁 粒整體逐漸遠(yuǎn)離永磁極，磁場力減小，從而對管壁的研 磨壓力減小。而材料去除效率由磨削力和單位時(shí)間內(nèi) 磁粒與管壁作用次數(shù) 2 個(gè)因素共同決定，故材料去除 量持續(xù)增大，且不同加工間隙下的去除效率變化情況有所不同。當(dāng)加工間隙為2 mm 時(shí)，隨著管件轉(zhuǎn)速的提高，磨削力持續(xù)減小，管件轉(zhuǎn)速由400 r/min 提高至1000 r/min 時(shí)，磨削力下降了5.4μN(yùn)，由33.3μN(yùn) 下降至27.9μN(yùn)；當(dāng)加工間隙為4 mm 時(shí)，管件轉(zhuǎn)速提高至800 r/min 達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速，磨削力逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)管件轉(zhuǎn)速由400 r/min 提高至800 r/min 時(shí)，磨削力下降了2.7μN(yùn)，由16.0μN(yùn) 下降至13.3μN(yùn)；當(dāng)管件轉(zhuǎn)速由800 r/min 提高至1000 r/min 時(shí)，磨削力幾乎不變。

通過圖7中的材料累計(jì)去除占比曲線及其斜率的變化可以得出：隨著管件轉(zhuǎn)速的提高，材料的去除效率下降。當(dāng)加工間隙為6 mm 時(shí)，磨削力較為穩(wěn)定，變化 較小，管件的臨界轉(zhuǎn)速減小至650 r/min。當(dāng)管件轉(zhuǎn)速 由400 r/min 提高至650 r/min 時(shí)，磨削力下降了1.1μN(yùn)，由8.4μN(yùn) 下降至7.3μN(yùn)；繼續(xù)提高管件轉(zhuǎn)速，磨削力上 升幅度較小。轉(zhuǎn)速由650 r/min 提高至1000 r/min 時(shí)的 磨削力由7.3μN(yùn) 上升至8.6μN(yùn)，上升了1.3μN(yùn)，但材料 去除效率仍下降。這是因?yàn)殡S著加工間隙的增大，磁極對磨粒的吸附作用大幅減小，離心力的增大對磨削 力產(chǎn)生顯著影響，磨粒在管壁摩擦力的作用下隨管壁 做圓周運(yùn)動(dòng)，磨粒與管壁件的相互作用次數(shù)減少導(dǎo)致 材料去除效率下降。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

磁粒研磨加工試驗(yàn)裝置如圖8所示，將 TC4管件夾持在三爪卡盤上，釹鐵硼磁極固定在車床刀架位置，在加工區(qū)域產(chǎn)生靜態(tài)磁場，將鐵基氧化鋁磁性磨粒填 充于 TC4管件內(nèi)壁中，通過設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速，調(diào)整磁極與 管件間的距離，實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)參數(shù)下的研磨加工。試 驗(yàn)使用的磁性磨料為由上述工藝制造的平均粒徑為200μm 的鐵基氧化鋁磁性磨粒。工件單次加工試驗(yàn)用磨料質(zhì)量為20 g。

3.2 結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證 EDEM 軟件仿真分析磁粒研磨加工過程的準(zhǔn)確性，探究管件轉(zhuǎn)速和加工間隙對磁粒研磨加工質(zhì)量的影響，以管件的材料去除量和加工前后的微觀形貌及粗糙度為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行6組試驗(yàn)，研磨時(shí)間均為30 min。試驗(yàn)時(shí)均使用新磨料，且單次驗(yàn)證試驗(yàn)中無需更換磨料。

使用精密電子分析天平稱量不同加工間隙條件下隨管件轉(zhuǎn)速變化的材料去除量，如圖9所示。圖9中：當(dāng)加工間隙為2 mm 時(shí)，隨著管件轉(zhuǎn)速的提高，材料去除量也逐漸提高，在管件轉(zhuǎn)速為800 r/min 時(shí)達(dá)到最大值53 mg；當(dāng)加工間隙為6 mm 時(shí)，材料去除量在管件轉(zhuǎn)速為600 r/min 時(shí)達(dá)到最大值33 mg，在管件轉(zhuǎn)速為800 r/min 時(shí)，管件的材料去除量顯著降低。圖9的變化趨勢與圖7的仿真結(jié)果具有一致性。

使用 JB-8E 觸針式表面粗糙度測量儀測量工件的表面粗糙度值；使用 VHX-500F 超景深3D 電子顯微鏡觀測工件表面形貌。加工前后管件內(nèi)表面微觀形貌與表面粗糙度如圖10所示。圖10中：當(dāng)加工間隙為2 mm 時(shí)，隨著管件轉(zhuǎn)速的提高，相同加工時(shí)間下的管件表面質(zhì)量顯著提高，在最高轉(zhuǎn)速為800 r/min 時(shí)的表面粗糙度由原始的1.251μm 降至0.187μm；當(dāng)加工間隙為6 mm 時(shí)，管件表面質(zhì)量隨著管件轉(zhuǎn)速的提高呈先升高后下降的趨勢，在中間轉(zhuǎn)速為600 r/min 時(shí)的表面粗糙度最小，為0.554μm。

4 結(jié)論

通過對磁場力模型進(jìn)行二次開發(fā)，利用 EDEM 離散元分析軟件對管件內(nèi)壁磁粒研磨光整加工中的磨粒動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行仿真度驗(yàn)證性試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）隨著管件轉(zhuǎn)速的提高，磁性磨粒的流動(dòng)性上升，磨粒群由聚集態(tài)逐漸被甩飛而脫離加工區(qū)域，加工間隙越大現(xiàn)象越明顯。

（2）磨削力隨管件轉(zhuǎn)速的升高呈減小趨勢，達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速前，研磨效率隨轉(zhuǎn)速升高而增大，轉(zhuǎn)速超過臨界值時(shí)研磨效率下降，且加工間隙越大此臨界轉(zhuǎn)速越小。當(dāng)加工間隙為2 mm 時(shí)，管件轉(zhuǎn)速由400 r/min 提高至1000 r/min 時(shí)，磨削力由33.3μN(yùn) 下降至27.9μN(yùn)。當(dāng)加工間隙增大到4 mm 時(shí)，管件轉(zhuǎn)速由400 r/min 提高至相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速800 r/min，磨削力由16.0μN(yùn) 下降至13.3μN(yùn)。當(dāng)繼續(xù)增大加工間隙至6 mm 時(shí)，管件轉(zhuǎn)速由400 r/min 提高至此條件下的臨界轉(zhuǎn)速650 r/min，磨削力由8.4μN(yùn) 下降至7.3μN(yùn)。

（3）當(dāng)加工間隙為2 mm，管件轉(zhuǎn)速為800 r/min 時(shí)，材料去除量最高，為53 mg，表面粗糙度 Ra 為0.187μm；當(dāng)加工間隙為6 mm，中間轉(zhuǎn)速為600 r/min 時(shí)，最佳表 面質(zhì)量出現(xiàn)，此時(shí)的表面粗糙度 Ra 為0.554μm，材料去除量為33 mg。

（4）材料去除量的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有一致性，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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作者簡介

通信作者：馬小剛，男，1988年生，博士、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：復(fù)雜工件表面精密加工與特種加工。

E-mail：mxg_fy@163.com

Simulation and analysis of abrasive particles dynamics behavior during magneticparticles grinding on inner wall of pipe fitting

WU Chuanzong1，MA Xiaogang1，ZHANG Liang2，YANG Shirui2，XIE Zhiwen1，CHEN Yan1，DING Yunlong1

（1. School of Mechanical Engineering and Automation， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， Liaoning， China）

（2. Sheet welding center， Beijing Power Machinery Research Institute， Beijing 100074， China）

Abstract To explore the dynamic behavior of magnetic abrasive particles in the grinding process of pipe fittings， the grinding process of magnetic abrasive particles was simulated using discrete elements. The changes in motion trajectory and grinding force with the speed of pipe fittings and the processing gap were analyzed. Single abrasive particle ball motion and magnetic particle grinding test were conducted to verify the accuracy of the magnetic field force model and the feasibility of visualizing the particle kinematic behavior. The results show that as the speed of the pipe fittings in- creases， the magnetic abrasive particles move outside the processing area due to centrifugal force， and the larger the pro- cessing gap， the easier they are \"thrown away\". Before reaching the critical rotation speed， the grinding force decreases， and material removal efficiency increases with the increase in pipe rotation speed. When the pipe rotation speed in- creases from 400 r/min to the critical rotation speed and the machining gaps are 2 mm and 4 mm， the grinding forces de- crease by 5.4μN(yùn) and 2.3μN(yùn) respectively， leading to a significant improvement in material removal efficiency. However， with a machining gap of 6 mm， the grinding force changes little， and when the rotation speed exceeds the crit- ical rotation speed of 650 r/min， material removal efficiency decreases. Additionally， the material removal amount in- creases with the increase in pipe rotation speed before reaching the critical rotation speed， but increasing the processing gap reduces the critical rotation speed. The change in material removal amount aligns with the simulation results， valid- ating the reliability of the simulation analysis.

Key words magnetic abrasive particles；dynamic properties；discrete element method；grinding force；material remov- al efficiency