楊海吉，韓 冰，陳 燕，應(yīng) 駿

(遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

旋轉(zhuǎn)磁極在SUS304管內(nèi)表面精密拋光中的應(yīng)用*

楊海吉，韓 冰，陳 燕，應(yīng) 駿

(遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

用傳統(tǒng)磁力研磨方法對(duì)管內(nèi)表面進(jìn)行拋光處理時(shí)，加工效率低且加工后表面質(zhì)量差。針對(duì)該問(wèn)題，文章采用旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨裝置，對(duì)SUS304管內(nèi)表面進(jìn)行拋光試驗(yàn)研究。分析了3種不同加工方式下工件內(nèi)表面的表面質(zhì)量、表面微觀形貌以及材料去除量的變化。結(jié)果表明：添加旋轉(zhuǎn)輔助磁極后管內(nèi)表面上無(wú)“彗尾”劃痕現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)40min的加工，工件內(nèi)表面質(zhì)量得到明顯改善，表面粗糙度值由Ra1.3μm降至Ra0.2μm，加工效率顯著提升，材料去除量可達(dá)到100mg。

磁力研磨；旋轉(zhuǎn)磁極；表面質(zhì)量；加工效率

0 引言

在航空航天領(lǐng)域中，油路中高壓高速流體的輸送對(duì)管件的內(nèi)表面光潔度的要求高。若管件內(nèi)表面存在細(xì)小裂紋，凹坑等缺陷，在高壓的作用下這些缺陷就會(huì)逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致管件的表層材料脫落，耐腐蝕性能下降，因此對(duì)管件內(nèi)表面進(jìn)行超精密拋光尤為重要[1]。磁力研磨光整加工技術(shù)是磁場(chǎng)輔助加工技術(shù)的一種，可以有效地提高工件的表面質(zhì)量，與傳統(tǒng)方法相比具有較高的自適應(yīng)性、自銳性強(qiáng)、溫升小及無(wú)需進(jìn)行工具補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段已較好的應(yīng)用于復(fù)雜曲面、平面、內(nèi)外圓表面[2-4]。若單純地使用磁力研磨法對(duì)工件內(nèi)部進(jìn)行拋光，不僅研磨壓力小，而且會(huì)有部分磁性磨粒黏附在工件的內(nèi)壁或堆積在工件的兩端，致使拋光效率較低，從而限制了磁力研磨法的應(yīng)用[5]。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，通常在工件內(nèi)部添加輔助拋光工具來(lái)提高加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度，增大研磨時(shí)所需要的壓力。但由于添加輔助拋光工具后，由磁性磨粒組成的“磁粒刷”的剛性得到提高以及磁性磨粒的軌跡單一，導(dǎo)致加工后工件內(nèi)表面易出現(xiàn)較深劃痕，表面質(zhì)量不易控制，加工效果不理想[6-8]。

本文提出在管件內(nèi)部增加一個(gè)徑向旋轉(zhuǎn)的輔助磁極，這樣不僅可以增大磁性磨粒與管件內(nèi)表面間的有效研磨面積，還可以使磁性磨粒均勻的分布。在旋轉(zhuǎn)作用下，促進(jìn)了磁性磨粒的翻滾與更替，改變單一的研磨軌跡，在提高加工效率的同時(shí)改善其內(nèi)表面質(zhì)量[9]。

1 磁力研磨加工機(jī)理

1.1 旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨加工機(jī)理

圖1為旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨管內(nèi)表面的加工原理圖，通過(guò)在輔助磁極上添加一個(gè)沿管件徑向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)改變輔助磁極的運(yùn)動(dòng)特性，從而改善磁性磨粒軌跡的單一性及整個(gè)“磁粒刷”的柔性。輔助磁極的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由直流電機(jī)帶動(dòng)，在直流電機(jī)的主軸末端安裝導(dǎo)磁圓盤(pán)，輔助磁極吸附在導(dǎo)磁圓盤(pán)上，通過(guò)電機(jī)主軸帶動(dòng)輔助磁極進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，輔助磁極及電機(jī)由支撐桿帶動(dòng)與外圍磁極進(jìn)行同步循環(huán)進(jìn)給。加工時(shí)，通過(guò)工件旋轉(zhuǎn)、輔助磁極旋轉(zhuǎn)、輔助磁極與外圍磁極的同步進(jìn)給，形成獨(dú)特的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管件內(nèi)表面的精密拋光。

圖1 旋轉(zhuǎn)磁極拋光管內(nèi)表面加工示意圖

使用靜止輔助磁極進(jìn)行研磨加工時(shí)，磁性磨粒會(huì)在摩擦力的作用下與管件內(nèi)表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，堆積在輔助磁極的一側(cè)，無(wú)法有效地參與研磨加工。如圖2所示，當(dāng)輔助磁極帶動(dòng)磁性磨粒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，受離心力和磁場(chǎng)力的共同作用，磁性磨粒會(huì)沿著輔助磁極旋轉(zhuǎn)的切線方向飛出，并沿著輔助磁極的外側(cè)壓附在工件的內(nèi)表面，增大了磁性磨粒與管件內(nèi)表面間的研磨面積。研磨時(shí)，磁性磨粒會(huì)向輔助磁極的外側(cè)擴(kuò)散，“磁粒刷”的柔性增加，磁性磨粒間不斷發(fā)生碰撞，“磁粒刷”斷裂并得到重組，這一過(guò)程促進(jìn)了磁性磨粒的翻滾更替，提高了磁性磨粒的利用率。

圖2 旋轉(zhuǎn)輔助磁極拋光管內(nèi)表面原理圖

1.2 磁性磨粒相對(duì)工件表面的速度矢量模擬

利用ANSYS對(duì)輔助磁極上各點(diǎn)的磁性磨粒進(jìn)行速度矢量模擬，通過(guò)模擬輔助磁極上各點(diǎn)磁性磨粒相對(duì)于工件內(nèi)表面的相對(duì)速度矢量，分析磁性磨粒在各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)果如圖3所示。圖3a為靜止輔助磁極上各點(diǎn)磁性磨粒的速度矢量，由于添加靜止輔助磁極時(shí)，磁性磨粒相對(duì)工件內(nèi)表面的速度矢量為輔助磁極的軸向進(jìn)給速度與工件旋轉(zhuǎn)速度的合成速度矢量，輔助磁極上各點(diǎn)磁性磨粒的磨削方向單一，研磨后易出現(xiàn)研磨軌跡間的疊加，從而出現(xiàn)較深的劃痕；圖3b為旋轉(zhuǎn)輔助磁極上各點(diǎn)磁性磨粒的速度矢量，輔助磁極的旋轉(zhuǎn)速度為1200r/min，在旋轉(zhuǎn)的作用下磁性磨粒在各點(diǎn)的速度矢量不斷發(fā)生變化，這不僅增加了磁性磨粒的翻滾作用，促進(jìn)了磁性磨粒的更替，同時(shí)由于各點(diǎn)速度方向的改變，軌跡間容易形成交叉，加工后所形成的研磨軌跡為密集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于對(duì)材料波峰的去除。

(a) 靜止輔助磁極 (b) 旋轉(zhuǎn)輔助磁極圖3 輔助磁極上各點(diǎn)磁性磨粒的速度矢量模擬

1.3 “彗尾”劃痕的產(chǎn)生

傳統(tǒng)磁力研磨法對(duì)工件進(jìn)行精密拋光后，其內(nèi)表面會(huì)產(chǎn)生劃痕，這是因?yàn)榧庸ず笃鋬?nèi)表面會(huì)產(chǎn)生程度不同的“彗尾”劃痕?！板缥病眲澓凼恰板缥病爆F(xiàn)象的一種，它主要是由于材料的不均勻去除引起，通常表現(xiàn)為工件表面出現(xiàn)一種類(lèi)似彗星尾巴狀的劃痕?！板缥病眲澓塾蓛刹糠纸M成：尾部和頭部。尾部是一個(gè)長(zhǎng)的凹槽，頭部是一個(gè)更深的凹坑。“彗尾”劃痕現(xiàn)象嚴(yán)重影響了被加工工件的表面粗糙度以及表面質(zhì)量[10]。圖4所示為“彗尾”劃痕在顯微鏡下的形貌圖，由于上一道工序加工后，工件內(nèi)表面會(huì)產(chǎn)生凹坑和微裂紋，經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)磁力研磨拋光后，磁性磨粒在單一的加工方向下，對(duì)凹坑或微裂紋的一側(cè)邊緣不斷地進(jìn)行切削，不斷地?cái)U(kuò)展缺陷，最后形成了較深的加工痕跡。

圖4 “彗尾”劃痕的形貌圖

圖5為“彗尾”劃痕的形成過(guò)程示意圖，當(dāng)磁性磨粒的切削刃嵌入到工件表面的微裂紋中時(shí)，磁性磨粒的翻滾作用變差，磁性磨粒之間的擠壓力增大，磁性磨粒對(duì)微裂紋邊緣會(huì)形成嵌入式切削，同時(shí)切削深度和切削力會(huì)逐漸增大。當(dāng)磁性磨粒切到凹坑的最深點(diǎn)時(shí)就會(huì)相對(duì)于工件靜止，并停止對(duì)工件的磨削。隨著加工的進(jìn)行，嵌入的磁性磨粒逐漸顯露，恢復(fù)到正常的拋光狀態(tài)，繼續(xù)對(duì)工件進(jìn)行劃擦，形成“彗尾”劃痕的頭部。磁性磨粒在經(jīng)過(guò)凹坑處時(shí)就會(huì)由彎曲狀態(tài)改變?yōu)橹本€狀態(tài)，這種直線狀態(tài)會(huì)使得磁性磨粒對(duì)凹坑邊緣處產(chǎn)生較大的切削力，從而形成“彗尾”劃痕的尾部結(jié)構(gòu)。隨著加工的進(jìn)行，“彗尾”劃痕的尾部繼續(xù)擴(kuò)張并且深度不斷增加，最終形成難以去除的劃痕，影響工件表面質(zhì)量。

圖5 “彗尾”劃痕形成過(guò)程示意圖

2 試驗(yàn)條件與方法

圖6為試驗(yàn)裝置圖，工件裝夾在車(chē)床主軸上做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，放置在管內(nèi)部的輔助磁極在直流電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，外圍磁極與支撐桿同步往復(fù)進(jìn)給，通過(guò)多種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，達(dá)到復(fù)雜其研磨軌跡的效果。試驗(yàn)中采用燒結(jié)法制備的磁性磨料，平均粒徑大小為200μm，輔助磁極與管內(nèi)表面最小間隙1.5mm，外圍磁極與輔助磁極間隙為20mm。試驗(yàn)條件如表1所示。

1.外圍磁極 2.磁性磨料 3.輔助磁極 4.工件 5.直流電機(jī) 6.支撐桿圖6 試驗(yàn)裝置

表1 試驗(yàn)條件

為了觀察旋轉(zhuǎn)輔助磁極在磁力研磨中的效果，試驗(yàn)選取3種試驗(yàn)條件進(jìn)行對(duì)比，分別為無(wú)輔助磁極拋光、使用靜止輔助磁極拋光以及使用旋轉(zhuǎn)輔助磁極拋光。試驗(yàn)結(jié)束后，使用精密電子天平測(cè)量材料去除量；使用JB-8E觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量表面粗糙度；使用VHX-500F超景深3D電子顯微鏡觀測(cè)微觀表面形貌。

3 試驗(yàn)結(jié)果與理論分析

3.1 不同加工方式對(duì)表面粗糙度和材料去除量的影響

工件內(nèi)表面粗糙度和材料去除量與研磨時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。在加工前期，材料表面的突起優(yōu)先被去除，表面粗糙度和材料去除量變化比較明顯。對(duì)比3組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)40min的加工，未使用輔助磁極進(jìn)行加工時(shí)，工件的材料去除量要遠(yuǎn)小于使用輔助磁極，且表面粗糙度值降到Ra0.8μm后幾乎不再降低。添加靜止輔助磁極后，研磨壓力提高，前20min表面粗糙度變化較大，隨著加工的進(jìn)行，由于磁極振動(dòng)等原因，磁性磨粒與工件表面不能較好的接觸，導(dǎo)致材料去除量較低，并且由于加工時(shí)研磨不均勻，表面材料的去除不均勻，表面粗糙度值無(wú)法有效的降低，使其最終穩(wěn)定至Ra0.48μm；添加旋轉(zhuǎn)輔助磁極進(jìn)行加工后，在旋轉(zhuǎn)作用下，“磁粒刷”的剛性減弱，輔助磁極的振動(dòng)現(xiàn)象基本消失，磁性磨粒與工件表面充分接觸，因此表面粗糙度以及材料去除量在前20min得到明顯下降，表面粗糙度值趨于穩(wěn)定至Ra0.2μm，材料去除量可達(dá)到100mg。

圖7 表面粗糙度和材料去除量與研磨時(shí)間的關(guān)系

3.2 不同加工方式對(duì)表面形貌的影響

利用超景深電子顯微鏡觀察SUS304管件研磨前后的內(nèi)表面形貌如圖8所示。磁力研磨加工前，工件內(nèi)表面呈環(huán)狀紋理，環(huán)狀紋理與加工方向相同，表面波峰波谷高度差較大，表面紋理分布不均勻且加工缺陷較多，其表面形貌如圖8a所示。圖8b為未添加輔助磁極拋光后的表面形貌，未添加輔助磁極時(shí)，由于研磨壓力小，表面材料去除較少，原始紋理基本未去除，加工效果不明顯。圖8c為使用靜止輔助磁極拋光后的表面形貌，加工后的研磨痕跡明顯，存在程度不同的“彗尾”劃痕現(xiàn)象，工件表面的原始紋理未完全去除，這是由于添加靜止輔助磁極進(jìn)行拋光后，磁性磨粒組成的“磁粒刷”剛性提高，單個(gè)磁性磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡單一，磁性磨粒得不到更新，參與研磨的磁性磨粒失效快，加工時(shí)表面質(zhì)量不易控制；圖8d為工件經(jīng)使用旋轉(zhuǎn)輔助磁極拋光后的表面形貌，工件表面缺陷基本完全去除，研磨痕跡細(xì)密均勻，“彗尾”劃痕現(xiàn)象完全消失，工件表面無(wú)劃傷，表面質(zhì)量得到顯著提高，這是由于給輔助磁極添加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后，磁性磨粒的翻滾作用得到大幅度增強(qiáng)，單個(gè)磁性磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡變得復(fù)雜，磁性磨粒的更替變得頻繁且自銳性增強(qiáng)，有利于表面材料的去除。

(a) 原始形貌

(b) 未添加輔助磁極

(c)靜止輔助磁極

(d)旋轉(zhuǎn)輔助磁極圖8 工件研磨前后的內(nèi)表面微觀形貌(×300)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比無(wú)輔助磁極研磨、使用靜止輔助磁極研磨以及使用旋轉(zhuǎn)輔助磁極研磨SUS304管內(nèi)表面時(shí)的三種工況并分析其加工特點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

(1)在對(duì)SUS304管件內(nèi)表面進(jìn)行磁力研磨加工時(shí)，為了解決加工效率低的問(wèn)題，可以在管的內(nèi)部增加一個(gè)徑向旋轉(zhuǎn)的輔助磁極。輔助磁極的旋轉(zhuǎn)作用可以使磁性磨粒的翻滾作用得到增強(qiáng)，加工效率顯著提升。

(2)采用旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨法加工SUS304管內(nèi)表面時(shí)，可以改善由添加靜止輔助磁極后研磨壓力過(guò)大造成的表面缺陷問(wèn)題。對(duì)比三種試驗(yàn)條件研磨后的表面微觀形貌，使用旋轉(zhuǎn)磁極研磨后的工件內(nèi)表面“彗尾”劃痕現(xiàn)象完全消失，原始紋理全部去除，研磨痕跡細(xì)密均勻，無(wú)加工缺陷，表面微觀裂紋完全去除。

(3)使用旋轉(zhuǎn)輔助磁極研磨SUS304管內(nèi)表面后，經(jīng)過(guò)40min的研磨加工，工件內(nèi)表面的表面粗糙度從Ra1.3μm降至Ra0.2μm，材料去除量可達(dá)到100mg。

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(編輯李秀敏)

ApplicationofRotatingMagnetinPrecisionPolishingofInnerSurfaceofSUS304Tube

YANG Hai-Ji，HAN Bing，CHEN Yan，YING Jun

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

When the traditional magnetic abrasive finishing is used to polish the inner surface of the tube, the machining efficiency is low and the surface quality is poor. In order to solve this problem, a rotating magnetic pole assisted magnetic abrasive finishing device was proposed for polishing the inner surface of SUS304 tube. The surface quality, surface micro morphology and material removal of 3 different machining modes were analyzed. The results show that the “tail” scratch phenomenon on the inner surface of the workpiece disappears after adding the rotating magnet. After 40min processing, the inner surface quality of the workpiece was improved significantly, the surface roughness value decreased from Ra1.3μm to Ra0.2μm, the processing efficiency was significantly improved, the material removal amount could reach 100mg.

magnetic abrasive finishing; rotating magnet; surface quality; processing efficiency

TH166;TG506

：A

1001-2265(2017)09-0118-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.030

2016-12-28；

：2017-01-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105187)；遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(LJQ2011025)

楊海吉(1991—)，男，遼寧鞍山人，遼寧科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榫芗庸ぃ?E-mail)15444936@qq.com；通訊作者：韓冰(1975—)，男，沈陽(yáng)人，遼寧科技大學(xué)教授，博士，研究領(lǐng)域?yàn)榫芗庸ぃ?E-mail)hanb75@126.com。