周亞旗，王 棟，葉恒宇，楊 安

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

磁力研磨（Magnetic Abrasive Finishing）作為一種光整加工手段，是利用磁場(chǎng)將磁性磨料壓覆在工件表面，并利用磨料與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工件材料微去除的加工方法[1]。磁力研磨優(yōu)秀的加工柔性、自銳性和適應(yīng)性引起了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。

磁力研磨主要由磁力源、磁性磨料和工件三部分組成，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)這三個(gè)因素做了大量的研究。磁力源主要分為電磁鐵和永磁鐵。文獻(xiàn)[2]向激勵(lì)線圈中通入交變的電流，從而在加工區(qū)域產(chǎn)生波動(dòng)的磁場(chǎng)提高了磁力研磨的效率和效果，最終將304不銹鋼工件表面粗糙度降低至4.38nm。文獻(xiàn)[3-4]采用永磁鐵做磁力源對(duì)微細(xì)管內(nèi)表面進(jìn)行光整加工；文獻(xiàn)[5]通過(guò)永磁鐵帶動(dòng)粗粉刷去除了工件電火花加工后形成的重鑄層。此次試驗(yàn)考慮到電磁鐵易發(fā)熱，永磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、便于安裝、操作簡(jiǎn)單，因此采用永磁鐵作為磁力源。磁性磨料分為為燒結(jié)式和混合式。文獻(xiàn)[6]研究得出火花等離子燒結(jié)磁性磨料具有更高的使用壽命、效率和研磨效果。而混合式磁性磨料由于制作方便、加工成本較低應(yīng)用較多，因此選擇混合式磁性磨料。工件按其性能分為逆磁性材料和順磁性材料，按形狀可分為平面型和曲面型。由于順磁性材料可以被磁化，這使得其在相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下可以在工件表面產(chǎn)生比逆磁性材料更高的磁感應(yīng)強(qiáng)度[7]，Q345為順磁性材料。針對(duì)工件的形狀，目前，大部分學(xué)者的研究對(duì)象為平面試樣，有些學(xué)者進(jìn)行了磁力研磨曲面工件在光整加工上的研究，如文獻(xiàn)[8]利用磁力研磨外圓面；文獻(xiàn)[9]進(jìn)行的磁力研磨微管內(nèi)表面的相關(guān)研究；文獻(xiàn)[10]將磁力研磨應(yīng)用于空間自由曲面的光整加工等，但在磁力研磨對(duì)曲面工件表面完整性影響上的研究較少。

Q345是低合金鋼，廣泛應(yīng)用于橋梁、車(chē)輛、船舶、建筑、壓力容器、特種設(shè)備等。試驗(yàn)選擇Q345圓柱外圓面作為磁力研磨的對(duì)象，研究磁極設(shè)置形式以及主要工藝參數(shù)對(duì)磁力研磨效果的影響。通過(guò)對(duì)比不同試驗(yàn)參數(shù)下得到的工件表面粗糙度改善率和表面形貌，得到較優(yōu)的磁極設(shè)置形式和工藝參數(shù)組合。

2 磁極設(shè)置

磁力研磨的主要切削運(yùn)動(dòng)就是工件表面材料與磁性磨料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。工件表面材料所承受的切削作用的強(qiáng)弱則與磁極的形狀、磁極的個(gè)數(shù)、磁極與工件的相對(duì)位置以及磁極自身的磁力屬性等因素有直接的聯(lián)系。試驗(yàn)采用具有確定尺寸的長(zhǎng)方體釹鐵硼永磁鐵作為磁力源，分析磁極個(gè)數(shù)以及磁極分布對(duì)磁力研磨效果的影響。

試驗(yàn)研究四種磁極分布形式對(duì)磁力研磨的影響，分別為單N極（N）、N 極與 S極夾角 180°（N-S180）、N 極與S極夾角 90°（NS90）和 N 極-S極-N 極夾角90°（N-S-N），如圖 1所示。

圖1 磁極設(shè)置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Magnetic Pole Arrangements

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和檢測(cè)手段

試驗(yàn)將從兩個(gè)方向著手，首先進(jìn)行不同磁極設(shè)置形式對(duì)磁力研磨效果的影響實(shí)驗(yàn)，然后解決磁力研磨Q345外圓面的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)的工作臺(tái)在精密螺紋車(chē)床（J1-001）上改造完成，夾具體及N-S-N磁極設(shè)置形式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。三塊長(zhǎng)方體釹鐵硼永磁鐵分別鑲嵌在三個(gè)螺桿上；三個(gè)螺桿按照磁極設(shè)置要求安裝在指定位置，永磁鐵端面距工件外圓面的距離可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺桿進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)螺桿的自鎖性固定；工字梁通過(guò)刀柄與機(jī)床刀架固定連接。其中螺桿和工字梁為6061鋁合金材質(zhì)，刀柄為45鋼以保證結(jié)構(gòu)剛度。

圖2 夾具體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Clamping Apparatus

3.1 磁極設(shè)置試驗(yàn)

磁極設(shè)置實(shí)驗(yàn)中采用混合式磁性磨料，即120#的鑄鋼砂顆粒和180#的SiC磨粒按照7：3的比例混合制成。試驗(yàn)時(shí)在加工區(qū)域填充5g磁性磨料和2ml油酸的混合物，每次實(shí)驗(yàn)都需要徹底清除磨粒，并重新填入指定量的磨粒；加工時(shí)間10min；永磁鐵磁極端面距離工件表面1.5mm；工件轉(zhuǎn)速590r/min。另外，實(shí)驗(yàn)需要的四種磁極設(shè)置形式（N、N-S180、N-S90和N-S-N）可以通過(guò)調(diào)整夾具體上螺桿的安裝個(gè)數(shù)和位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體試驗(yàn)條件，如表1所示。

表1 試驗(yàn)條件Tab.1 Experimental Condition

3.2 磁力研磨外圓工藝參數(shù)試驗(yàn)

為得出磁力研磨Q345外圓面的優(yōu)化工藝參數(shù)，將磁極設(shè)置試驗(yàn)中得到的最優(yōu)磁極設(shè)置形式應(yīng)用于工藝參數(shù)的試驗(yàn)中，以最大程度的提高工件表面質(zhì)量，并根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)四因素（加工間隙、主軸轉(zhuǎn)速、磨料比重和磨料粒度）三水平的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，具體數(shù)據(jù)，如表2所示。其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)與表1相同。

表2 各因素水平數(shù)據(jù)表Tab.2 Various Factors and Levels Data Table

3.3 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備

采用上海亨通HT20型特斯拉計(jì)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度；VHX-2000型超景深三維顯微鏡觀察工件二維表面形貌；NPFLEX三維表面測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)工件三維表面形貌和工件表面粗糙度，粗糙度值選取工件加工部位4次測(cè)量的平均值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

工件初始表面由外圓磨床磨削得到，由于機(jī)床自身運(yùn)動(dòng)誤差以及工件的安裝誤差，導(dǎo)致工件表面不同區(qū)域的粗糙度存在差異。因此，考慮采用粗糙度改善率（%ΔSa）作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出，以更真實(shí)的反應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)條件下的工件表面粗糙度變化規(guī)律。

式中：Sa1—工件初始表面粗糙度；Sa2—加工后工件表面粗糙度；Sa1、Sa2—四次測(cè)量值得平均值。

4.1 磁極設(shè)置對(duì)表面粗糙的的影響

采用表1中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分別進(jìn)行四種磁極設(shè)置形式下的磁力研磨實(shí)驗(yàn)。對(duì)比四組實(shí)驗(yàn)后所得工件表面粗糙度改善率（%ΔSa）和表面形貌，分析四種磁極設(shè)置形式的優(yōu)劣。

從圖3中可以看出，無(wú)論采用何種磁極設(shè)置形式，均可以有效降低加工區(qū)域的表面粗糙度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，N、N-S180、N-S90和N-S-N四種磁極設(shè)置形式下所得工件表面粗糙度改善率分別為24%、23.8%、26.2%和41.4%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，N和N-S180情況下的工件表面粗糙度改善率基本相同；N-S90時(shí)的粗糙度改善率比前兩種情況稍高；采用N-S-N型磁極設(shè)置形式時(shí)粗糙度改善率最高為41.4%，工件表面粗糙度由初始的0.836μm降至0.49μm。

圖3 磁極設(shè)置對(duì)表面粗糙度的影響Fig.3 The Effect of Magnetic Pole Arrangements to Surface Roughness

磁力研磨外圓面在不同磁極設(shè)置形式情況下得到的工件的三維表面形貌，如圖4所示。由于磁力研磨屬于微量加工，因此較深的凹谷未能去除，圖4中（a）、圖4中（b）、圖4中（c）和圖4中（d）分別代表N、N-S180、N-S90和N-S-N四種磁極設(shè)置情況。從圖中可以看出工件表面尖峰與凹谷的高度差（Sz）越大，工件表面越不平整光滑。當(dāng)磁極設(shè)置形式采用N-S-N型時(shí)，工件磁力研磨后的Sz值最低。這說(shuō)明此種磁極設(shè)置形式下得到的研磨后表面最光滑，表面缺陷最少。

圖4 不同磁極設(shè)置形式下磁力研磨后的三維表面形貌Fig.4 3D Surface Morphology After MAF under Different Magnetic Pole Arrangements

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中分析認(rèn)為：磁力研磨過(guò)程中，通常使磁力源的N極正對(duì)被加工表面，此時(shí)磁極外部的磁力線方向由N極指向S極。當(dāng)磁極N極正對(duì)工件（鐵磁性材質(zhì)）時(shí)，工件表面材料在磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)為S極，磁場(chǎng)作用下的磁性磨料可以更好的貼合工件表面，進(jìn)而起到更明顯的切削作用。在相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下，NS-N型磁極設(shè)置形式中包含兩個(gè)N極磁力源，而其他三種磁極設(shè)置形式只有一個(gè)N極磁力源。因此，N-S-N型能得到更好的磁力研磨效果。

另外，有學(xué)者研究證明，較為明顯的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化梯度有利于提高磁力研磨的研磨力和研磨效率[11]。在ANSOFT軟件中根據(jù)實(shí)際工況建立三維模型并仿真不同磁極設(shè)置形式下工件表面的感應(yīng)磁場(chǎng)分布，如圖5所示。當(dāng)磁極設(shè)置形式采用N-S90時(shí)，工件加工區(qū)域的材料在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中依次承受N極和S極的作用，在N極與S極90°夾角區(qū)域形成明顯的磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度。因此，NS90型磁極設(shè)置形式得到了比單N極更高的粗糙度改善率。當(dāng)采用N-S180型時(shí)，N極與S極相對(duì)分布兩個(gè)磁極間的距離較大，并且?jiàn)A在兩磁極之間的工件也削弱了磁場(chǎng)的相互作用。這就使得N-S180型在工件表面并未形成明顯的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度，所以N-S180型和單N極情況下的工件表面粗糙度改善率基本相同。

圖5 不同磁極設(shè)置下的工件表面感應(yīng)磁場(chǎng)Fig.5 Induced Magnetic Field on Workpiece Surface under Different Magnetic Pole Arrangements

通過(guò)觀察試驗(yàn)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)N極和S極的設(shè)置形式也影響到磁性磨料的分布，如圖6所示。在N-S-N型磁極設(shè)置形式中磁性磨料在磁場(chǎng)的作用下形成了近似圓弧的磁橋。磁橋的存在增加了磁粉刷的作用面積，進(jìn)而提升了研磨效果。在N-S90型和N-S-N型兩種磁極設(shè)置形式中均可以在N極與S極之間形成磁橋。而N-S180型的N極和S極距離太大，未能形成磁橋。所以，N-S90型磁極設(shè)置形式下得到的工件表面粗糙度改善率比N-S180型稍高，而在四種磁極設(shè)置形式中N-S-N型得到的表面粗糙度改善率最高，因此最優(yōu)。

圖6 N-S-N磁極設(shè)置時(shí)的磁性磨料分布Fig.6 Distribution of Magnetic Abrasive under N-S-N Magnetic Pole Arrangement

4.2 工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述磁極設(shè)置實(shí)驗(yàn)得出：四種磁極設(shè)置形式中以N-SN型最優(yōu)。因此，在工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)中采用N-S-N型磁極設(shè)置形式，根據(jù)表1工藝參數(shù)和表2各因素水平數(shù)據(jù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，相關(guān)計(jì)算后的正交實(shí)驗(yàn)表及其結(jié)果，如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)表及結(jié)果Tab.3 Table and Results of Orthogonal Experiment

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出各因素的不同水平對(duì)工件表面粗糙度改善率的影響趨勢(shì)，如表3所示。另外，運(yùn)用極差分析法算出極差R得到各因素對(duì)工件表面粗糙度改善率提升的貢獻(xiàn)度。由表3可知四種因素對(duì)降低工件表面粗糙度的貢獻(xiàn)度從大到小依次為：加工間隙、磨料比重、磨料粒度和工件轉(zhuǎn)速。因?yàn)榧庸ず蠊ぜ砻尜|(zhì)量越高粗糙度改善率就越高，因此選擇各因素對(duì)應(yīng)的最高%ΔSa值的水平為磁力研磨外圓面優(yōu)化后的參數(shù)組合：加工間隙1mm、工件轉(zhuǎn)速830r/min、SiC比重40%和240#的SiC磨粒。從表3中可以看出，粗糙度改善率隨著加工間隙的增大而減小。這是因?yàn)楣ぜ砻娓袘?yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著磁極與工件表面的距離增大而減小。當(dāng)加工間隙為1mm時(shí)，工件表面具有較高的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，貼覆在工件表面的磁性磨料受到較高的磁場(chǎng)力作用，使得磁力研磨后的工件表面質(zhì)量更好。工件表面粗糙度隨工件轉(zhuǎn)速和磨料粒度的升高而降低。分析認(rèn)為，隨著工件轉(zhuǎn)速的升高以及磁性磨料中起到切削作用的SiC比重增大，單位時(shí)間內(nèi)工件表面材料承受的切削作用（單位時(shí)間內(nèi)工件材料受到的切削次數(shù)和單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨料數(shù)量）增強(qiáng)，使得研磨后的工件具有更好的表面質(zhì)量。

為了進(jìn)一步研究磁力研磨后工件的表面情況，選取未加工表面和正交實(shí)驗(yàn)3號(hào)參數(shù)組合得到的加工后工件表面，對(duì)比觀察加工前后工件的表面相貌。工件加工前后的二維表面形貌，如圖7（a）所示。工件初始表面由外圓磨削制成，圖中箭頭a所指方向?yàn)橥鈭A磨削產(chǎn)生的加工紋理方向。工件的初始表面分布有較多的磨削裂紋，表面有輕微的氧化現(xiàn)象，整體表面質(zhì)量較差。經(jīng)過(guò)磁力研磨后，表面質(zhì)量得到明顯提升，表面氧化層被完全去除。在本次實(shí)驗(yàn)中，磁性磨料與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與加工紋理方向平行，這種運(yùn)動(dòng)方式不利于表面紋理的去除，并且磁力研磨本身屬于微切削的范疇，這就使得表面較深的凹坑（箭頭b）和較高的尖峰不能得到完全的去除。但是，研磨后的綜合表面質(zhì)量較研磨前的表面有明顯的提升。

圖7加工前后工件二維、三維表面形貌Fig.7 Two-Dimensional and Three-Dimensional Surface Topography of Workpiece Before and After Machining

圖7 （b）中展示了磁力研磨前后工件的三維表面形貌。從加工前工件的三維表面形貌可以看出，由于磨削砂輪粒度號(hào)較大以及機(jī)床自身的振動(dòng)，導(dǎo)致磨削后的工件表面具有明顯的加工紋理，尖峰與凹谷排列密集，并且在表面中存在大量的細(xì)微毛刺，尖峰與凹谷的最大距離差Sz達(dá)10.944μm。經(jīng)過(guò)磁力研磨后，工件表面的毛刺被全部去除，尖峰與凹谷的最大高度差降至3.441μm，工件的表面平整度明顯提升。由于磁力研磨本身為光整加工工藝，只能對(duì)工件表面進(jìn)行微切削，對(duì)于較高的尖峰尚不能一次去除，需要多次加工。綜合對(duì)比加工前后工件的表面形貌（二維和三維），磁力研磨可以有效提升外圓面的表面質(zhì)量。

5 結(jié)論

（1）采用控制變量法，對(duì)磁力研磨Q345外圓面的四種磁極設(shè)置形式進(jìn)行了試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在其它參數(shù)一定的情況下N-S-N型磁極設(shè)置形式得到工件表面質(zhì)量最高，其表面粗糙度改善率達(dá)41.4%。（2）利用正交試驗(yàn)法研究磁力研磨外圓面的主要工藝參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響，通過(guò)對(duì)比和分析正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出優(yōu)化后的參數(shù)組合為：加工間隙1mm、工件轉(zhuǎn)速830r/min、SiC占磁性磨料總比重的40%、SiC磨料粒度240#。（3）從工件表面形貌中可以看出，磁力研磨后的工件表面質(zhì)量得到明顯提升。表面細(xì)微毛刺和氧化層被全部去除，尖峰與凹谷的最大高度差Sz從初始的10.944μm降至3.441μm。