李亞鋒 姚新改 梁 星 董志國(guó)

(①太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西太原030024；②精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030024)

磁性珩磨技術(shù)利用磁場(chǎng)力提供珩磨壓力，同時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子磨具在不銹鋼管內(nèi)腔做旋轉(zhuǎn)及往復(fù)運(yùn)動(dòng)，解決了長(zhǎng)直不銹鋼管內(nèi)表面珩磨時(shí)對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)要求和珩磨桿剛度、長(zhǎng)度受限等問題[1］。前期基于?76 mm口徑壁厚4 mm的0Cr18Ni9不銹鋼管的實(shí)驗(yàn)研究表明，磁性珩磨技術(shù)能夠有效去中徑不銹鋼管內(nèi)壁氧化皮，改善內(nèi)表面粗糙度，提高表面質(zhì)量[2］。為了滿足上海某公司需求，本文以?25 mm×1.5 mm不銹鋼管的內(nèi)表面磁性珩磨為基礎(chǔ)，研發(fā)適用于?19～30 mm小徑不銹鋼管加工要求的新型轉(zhuǎn)子磨具，通過Ansoft有限元分析軟件優(yōu)化磨具的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)，并對(duì)磨具進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)以及試驗(yàn)分析。

1 轉(zhuǎn)子磨具的研發(fā)

1.1 轉(zhuǎn)子磨具結(jié)構(gòu)的確定

磁性珩磨轉(zhuǎn)子磨具需要同時(shí)具備良好的磨削能力和較強(qiáng)的導(dǎo)磁性能，主要由珩磨條組件、永磁鐵和磁路連接組件三部分組成[3］。由于磁性珩磨小徑工件時(shí)內(nèi)部空間小，且磨具需要較高轉(zhuǎn)速，前期研制的磨具已無法適用，故確立了如下目標(biāo):

(1)結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，裝配方便，自重小。

(2)優(yōu)化刀具磁路，滿足加工要求及運(yùn)動(dòng)要求。

(3)磨具具有較高轉(zhuǎn)速，滿足動(dòng)平衡條件。

(4)便于排屑和冷卻。

基于以上目標(biāo)，確定如圖1所示的磨具結(jié)構(gòu):磨具整體為對(duì)稱平衡結(jié)構(gòu)，使用兩根鋁制軸連接；鋼座珩磨條組件分別嵌入永磁鐵凹槽中；磨條組件與永磁鐵之間、上下兩塊永磁鐵之間只依靠磁吸引力進(jìn)行裝配；通過調(diào)換不同尺寸連接軸可以滿足?19～30 mm不同工件的加工要求。

1.2 珩磨條組件的研發(fā)

1.2.1 珩磨油石材料及參數(shù)的選取

根據(jù)前期研究選取的珩磨油石具體參數(shù)見表1[3］。

表1 珩磨油石參數(shù)表

1.2.2 磨條組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，鋼座與珩磨油石采用膠粘固接，形成鋼座珩磨條組件[4］。鋼座采用強(qiáng)導(dǎo)磁材料45鋼制成，利用磁力把磨條組件裝配在永磁鐵上，同時(shí)強(qiáng)化磁路，提高磨削效果[4］；磨條頂部為與加工面同曲率的弧型，以增大磨削的接觸弧長(zhǎng)。

1.3 磨具永磁鐵材料選取及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 永磁材料選擇

轉(zhuǎn)子磨具中永磁鐵受到外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的吸引力，為磨具組件提供了沿回轉(zhuǎn)中心的徑向珩磨壓力以及拉動(dòng)轉(zhuǎn)子磨具在工件內(nèi)腔旋轉(zhuǎn)的切向力。依照加工條件，永磁鐵尺寸要小，同時(shí)能夠提供足夠的磁場(chǎng)力，故選用強(qiáng)永磁材料釹鐵硼 N38H，其具體參數(shù)如表2所示。

表2 釹鐵硼N38H參數(shù)表

1.3.2 永磁磁極結(jié)構(gòu)的確定

當(dāng)工作間隙和外磁場(chǎng)一定時(shí)，實(shí)際工作點(diǎn)的磁力大小取決于永磁鐵的尺寸[5］。參照永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論，轉(zhuǎn)子磨具永磁鐵徑向充磁長(zhǎng)度可用以下公式估算[6］:

式中:hM為永磁鐵徑向充磁長(zhǎng)度；ur為材料的相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率，取 1.051 8；Br為剩磁；Bδ為氣隙磁密取1.32；δi為氣隙長(zhǎng)度，實(shí)際加工中為3 mm。

由上式得hM為9.75 mm。受限于工件內(nèi)腔空間，考慮磨削過程所需扭矩較小，且在保證永磁鐵不產(chǎn)生不可逆退磁時(shí)hM可適當(dāng)減小[6］，將hM暫定為5 mm。

永磁鐵軸向長(zhǎng)度與外磁路相匹配，取22 mm；永磁鐵上開槽以便安裝珩磨條；徑向充磁，且兩塊永磁鐵反向充磁即可。磨具永磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3。

1.4 轉(zhuǎn)子磨具的連接組件與裝配制作

依據(jù)工件內(nèi)徑選擇相配套的連接軸進(jìn)行裝配。新型轉(zhuǎn)子磨具如圖4所示。

2 小徑工件磁性珩磨系統(tǒng)有限元分析

2.1 外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與幾何模型的建立

針對(duì)小管徑磁性珩磨的特點(diǎn)對(duì)外部勵(lì)磁磁路進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)定初始角為26.6°。利用Ansoft軟件構(gòu)建系統(tǒng)的二維模型如圖5所示。在勵(lì)磁永磁鐵上加裝磁極靴，可以通過更換磁極靴調(diào)整工作間隙長(zhǎng)度及磁場(chǎng)力的大小，以適配?19～30 mm工件加工要求。

2.2 設(shè)定材料屬性

使用軟件自帶的材料管理器添加材料，并給模型中各組件設(shè)置材料屬性。添加永磁材料N38H，輸入矯頑力Hc＝-88 000 A/m，剩磁Br＝1.25 T，充磁方向?yàn)閅軸正方向；添加45鋼材料，因?yàn)樵摬牧蠟榉蔷€性材料，其導(dǎo)磁性能通過逐點(diǎn)輸入其B-H曲線進(jìn)行定義，見圖6。

所需材料全部定義完成后，具體材料分配情況如表3所示。

表3 模型材料分配表

2.3 激勵(lì)源的添加與邊界條件的加載

該系統(tǒng)的激勵(lì)源為永磁鐵，永磁鐵的勵(lì)磁方向采用局部坐標(biāo)進(jìn)行確定，使得四塊永磁鐵相鄰兩極為不同極性即可。假設(shè)磁場(chǎng)發(fā)生器外無漏磁，選中模型最外層，添加平行邊界條件。

2.4 網(wǎng)格劃分和求解設(shè)置

本試驗(yàn)磁性珩磨系統(tǒng)模型較為簡(jiǎn)單，故采用較小網(wǎng)格以提高仿真精度。采用一般網(wǎng)格，磁場(chǎng)發(fā)生器部分尺寸較大，取L1＝5 mm，工件及轉(zhuǎn)子磨具部分取L2＝1 mm。

進(jìn)行求解設(shè)置。設(shè)定求解殘差，最大收斂步數(shù)為10，Refinement Per Rass取10%，其他選項(xiàng)默認(rèn)；選中磨具中一塊珩磨條面域執(zhí)行Maxwell2D/Parameters/Assign/Force命令，求解珩磨條受力情況。

2.5 仿真結(jié)果與分析

自檢后執(zhí)行運(yùn)算，得到如圖7所示的磁性珩磨系統(tǒng)仿真結(jié)果。

由圖7可見，系統(tǒng)磁力線分布較合理，工作點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B＝1.212 T，矢量磁位為A＝0.00277 Wb/m；查看Force1，單個(gè)珩磨條所受磁力徑向力Fy＝14.18 N，切向力Fx＝12.199 N。計(jì)算得磨條所珩磨壓力為0.24 MPa，滿足精珩時(shí)壓力要求(0.2～0.5 MPa)；切向力矩為0.268 N·m，磨條與工件間摩擦因數(shù)μ為0.3～0.5，取μ＝0.5，磨具所需轉(zhuǎn)矩為 0.156 N·m，滿足珩磨轉(zhuǎn)矩要求。

3 轉(zhuǎn)子磨具試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)?zāi)康?采用新型轉(zhuǎn)子磨具對(duì)?25 mm×1.5 mm不銹鋼管進(jìn)行加工試驗(yàn)，對(duì)比加工前后工件內(nèi)表面粗糙度值，驗(yàn)證轉(zhuǎn)子磨具加工穩(wěn)定性及磨削性能。

試驗(yàn)裝置:磁性珩磨系統(tǒng)加工機(jī)床，如圖8所示。

加工對(duì)象:?25 mm×1.5 mm管徑0Cr18Ni9不銹鋼圓管。

測(cè)量裝置:TR200粗糙度儀。

加工試驗(yàn)的具體工藝參數(shù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

使用手持式TR200粗糙度儀測(cè)量加工前后工件內(nèi)壁粗糙度值Ra，測(cè)量數(shù)值如表5所示。

表5 樣本粗糙度值比較

由表5可知，使用該套轉(zhuǎn)子磨具珩磨加工的不銹鋼管內(nèi)壁Ra由0.866 μm降低到0.474 μm，實(shí)驗(yàn)過程平穩(wěn)可持續(xù)，驗(yàn)證了該轉(zhuǎn)子磨具能夠應(yīng)用于?19～30 mm小管徑不銹鋼管內(nèi)壁加工，且具有良好的加工效果。

4 結(jié)語

(1)研發(fā)了一套用于?19～30 mm小徑不銹鋼管內(nèi)壁磁性珩磨的新型磨具，并通過有限元軟件得到系統(tǒng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度、珩磨壓力、旋轉(zhuǎn)力矩等參數(shù)的理論數(shù)據(jù)，確定了方案的可行性。

(2)進(jìn)行磁性珩磨加工試驗(yàn)，得到采用該轉(zhuǎn)子磨具加工的工件表面粗糙度加工前后對(duì)比值，驗(yàn)證了該磨具能夠穩(wěn)定運(yùn)行并具有良好的珩削能力。

(3)擴(kuò)大了磁性珩磨的加工范圍，為小管徑不銹鋼管磁性珩磨的后續(xù)研究提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。