梁 星，姚新改*，李 昂

（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）

0 引 言

磁力滾壓技術(shù)，一種新型無切屑光整加工工藝。長型非導(dǎo)磁不銹鋼管內(nèi)表面加工的特殊要求催生了磁力滾壓技術(shù)。磁力滾壓技術(shù)借助磁場變換來完成力和力矩的加載，使得刀具能夠?qū)崿F(xiàn)對工件的表面光整，主要體現(xiàn)為表面粗糙度值Ra的降低。前期研究主要是針對磁力滾壓的機(jī)理進(jìn)行的探索[1]，研發(fā)了一代磁力滾壓系統(tǒng)和滾壓刀具，并驗(yàn)證了其可行性；申金龍[2]基于基爾霍夫第二定律做出了等效磁路圖，對磁力系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并研發(fā)了第二代滾壓刀具，使得工件表面粗糙度Ra降到了0.3。

但是磁場強(qiáng)度的不均勻性、刀具安裝誤差、工件內(nèi)表面工況變化，都會(huì)導(dǎo)致在滾壓過程中工件受力不均，加工效果難以達(dá)到要求。

根據(jù)以上現(xiàn)狀，本文提出一種內(nèi)置液性塑料式磁力滾壓刀具，利用其均勻傳壓的特性，以保證滾壓過程中滾壓力分布均勻。

1 磁力滾壓加工機(jī)理分析

影響磁力滾壓加工效果的因素主要分兩部分。內(nèi)部因素主要包括工件材料表面層狀態(tài)、前加工表面微觀形貌及粗糙度值。外部因素包括軸向進(jìn)給速度、永磁鐵規(guī)格、滾壓轉(zhuǎn)速、滾壓次數(shù)、冷卻液的影響等。滾壓力是影響磁力滾壓加工效果的最直接的參數(shù)，本文擬從滾壓受力機(jī)理出發(fā)，對磁力滾壓的影響因素進(jìn)行分析。

滾壓受力機(jī)理圖如圖1所示。

圖1 滾壓受力機(jī)理圖

圖1中的滾壓加工中，滾壓力最終表現(xiàn)為滾壓過盈量[3]。磁力滾壓過盈量存在一個(gè)最適區(qū)間，過盈量過大則工件表面出現(xiàn)波紋，過盈量過小，加工效果不明顯。

磁力滾珠滾壓過盈量關(guān)系式如下：

（1）

式中：d—滾壓過盈量；Fm—磁引力；m—滾壓刀具質(zhì)量；r1—運(yùn)動(dòng)半徑；ω—滾壓刀具轉(zhuǎn)速；μ—工件材料泊松比；σ—工件材料屈服強(qiáng)度。

由上式可知，滾壓過盈量d與磁引力Fm及滾壓工具轉(zhuǎn)速ω正相關(guān)，其中，F(xiàn)m是其主要影響因素。

現(xiàn)有的第二代磁力滾壓刀具，其軸向分布的不同的滾珠的滾壓力存在差異，使得各滾珠受力時(shí)滾壓過盈量不一致，從而引起塑性變形的不均勻。晶粒細(xì)化分布差異，一定程度上制約了表面粗糙度值Ra的進(jìn)一步降低。內(nèi)置液性塑料式滾壓刀具的提出均衡了各滾珠滾壓力，以獲得更優(yōu)的表面質(zhì)量。

2 內(nèi)置液性塑料式滾壓刀具設(shè)計(jì)

2.1 液性塑料優(yōu)化機(jī)理

液性塑料，一種自行配置的化學(xué)制品，常溫下呈凍膠態(tài)，具備一定的彈性和機(jī)械強(qiáng)度，兼具流動(dòng)性與成形性，傳遞壓力性能良好。

液性塑料成分表如表1所示。

表1 液性塑料成分表

根據(jù)液性塑料的不可壓縮、均勻傳壓的特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一套內(nèi)置液性塑料式新型滾壓刀具。

滾壓刀具結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 滾壓刀具結(jié)構(gòu)示意圖1-工件；2-滾珠；3-永磁鐵；4-尼龍；5-液性塑料；6-頂銷

滾壓加工中，在磁場分布、工況變化等多因素的共同作用下，致使軸向排布的兩個(gè)滾珠在滾壓過程中受到不同的滾壓力。根據(jù)帕斯卡定律，加在密閉液體上的壓強(qiáng)，能夠大小不變地傳遞到液體的各個(gè)方向。將液性塑料安置于滾珠下腔體，滾珠滾壓過程中受到不同的滾壓力，工件對滾珠的滾壓力通過頂銷傳遞至液性塑料，控制體受力進(jìn)行非定常流動(dòng)，再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，各滾珠與工件接觸處所受應(yīng)力均勻。

2.2 滾壓刀具主要參數(shù)

新型滾壓刀具主要包含以下4個(gè)部件：

（1）永磁鐵。永磁鐵作為場源，直接決定磁磁力線分布和磁力的大小，為保證滾壓加工效果，控制磁力使工件處于塑性變形區(qū)。本文以小徑不銹鋼管為具體研究對象，其結(jié)構(gòu)的特殊性要求在有限空間內(nèi)容納盡可能多的永磁鐵，提高氣隙磁密，故選用矩形永磁鐵[4]。

永磁鐵徑向充磁長度計(jì)算公式如下[5]：

（2）

式中：hM—永磁鐵徑向充磁長度，取hM=5 mm；ur—相對回復(fù)磁導(dǎo)率；Br—剩磁；Bδ—?dú)庀洞琶埽沪膇—?dú)庀堕L度。

（2）滾珠。小管幾何外形制約了永磁鐵的使用，磁引力調(diào)節(jié)范圍有限，要獲得理想的壓力，接觸面積要求盡量小，故優(yōu)先選用滾珠滾壓。磁力滾壓對滾珠要求要有較高的硬度、耐磨性、低導(dǎo)磁率，故本文選用SIC陶瓷滾珠。

加工表面粗糙度與滾珠直徑的解析式為[6]：

（3）

式中：Ra—表面粗糙度；fz—軸向進(jìn)給速度；rw—滾珠直徑。

由上述解析式可知，滾壓加工表面粗糙度值Ra與滾珠直徑rw負(fù)相關(guān)。滾珠直徑可根據(jù)管徑和具體實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行選取，本文選取滾珠直徑為2 mm。

（3）頂銷。液性塑料只能承受表面力與體積力，故須在滾珠與液性塑料之間安置頂銷，使點(diǎn)接觸傳力轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|傳力。

根據(jù)赫茲接觸理論可知[7]：

（4）

式中：σHmax—最大接觸應(yīng)力；r1—滾珠半徑；r2—頂銷半徑。

考慮到小管空間有限，r2不宜過大，故筆者取r2=1.5 mm。

（4）液性塑料。液性塑料與頂銷直接接觸，為保證受力均勻減少泄露，此處取直徑r3=1.5 mm。同時(shí)，為了減少壓力損失，筆者采用U形等截面結(jié)構(gòu)，過渡部分采用圓弧過渡。

3 新型滾壓刀具的滾壓力仿真

3.1 滾壓刀具電磁場分析

筆者將上述所建立好的刀具模型導(dǎo)入Ansoft Maxwell，在瞬態(tài)場下進(jìn)行磁路仿真。

所獲得的滾壓磁力仿真圖如圖3所示。

圖3 滾壓磁力仿真圖

從圖3可以看出：（1）磁力線分布較為合理，漏磁較少；（2）仿真后刀具單磁極徑向壓力Fn始終保持在92.72 N左右。

徑向壓力Fw為：

（5）

式中：N—單磁極滾珠個(gè)數(shù)；Kw[8]—工況系數(shù)，取2.4。

根據(jù)式（5）可計(jì)算出單個(gè)滾珠的徑向壓力Fw=111.26 N。

工件最小滾徑向滾壓力Pn為[9]：

（6）

式中：d—滾壓過盈量；σ—材料屈服極限，取207 MPa；μ—材料泊松比，取0.31。

根據(jù)式（6）可求得工件的最小滾壓力為41.65 N。

由Fw>Pn可知，滾壓力高于工件最小滾壓力，故滿足加工要求。

3.2 滾壓刀具瞬態(tài)場分析

圖4 工件內(nèi)壁應(yīng)力分布圖

由圖4可知：工件內(nèi)表面局部應(yīng)力可達(dá)216 MPa～278 MPa，高于工件屈服應(yīng)力207 MPa，故可知滾壓力合適，刀具結(jié)構(gòu)合理。

3.3 滾壓刀具流場分析

刀具實(shí)際工況十分復(fù)雜，傳力涉及固流雙向作用，為簡化模型以提高建模的針對性，筆者以液性塑料為研究對象，利用Fluent進(jìn)行流場分析。

Fluent仿真分析參數(shù)設(shè)置如下：

（1）液性塑料采用高粘度液壓油[10]代替，其密度為875 kg/m3,動(dòng)力粘度取1.34×10-6kg/m·s；

（2）模型運(yùn)算采用標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算方法采用SIMPLE算法，求解離散方程組；

（3）入口邊界條件如表2所示。

表2 入口邊界條件

表2中，A組為工件預(yù)應(yīng)力條件下的工況，B組為模擬工況變化時(shí)，引起滾壓力變化的情況。

為探究控制體的應(yīng)力分布情況和傳力響應(yīng)速度，筆者截取控制體的應(yīng)力瞬時(shí)分布圖，如圖5所示。

企業(yè)的營運(yùn)能力反映的是企業(yè)的資金周轉(zhuǎn)狀況，對此進(jìn)行分析，可以了解企業(yè)的營業(yè)狀況及經(jīng)營管理水平。企業(yè)營運(yùn)能力的財(cái)務(wù)分析比率有：存貨周轉(zhuǎn)率、應(yīng)收賬款周轉(zhuǎn)率、營業(yè)周期、流動(dòng)資產(chǎn)周轉(zhuǎn)率和總資產(chǎn)周轉(zhuǎn)率等。這些比率揭示了企業(yè)資金運(yùn)營周轉(zhuǎn)的情況，反映了企業(yè)對經(jīng)濟(jì)資源管理、運(yùn)用的效率高低。

圖5 控制體應(yīng)力瞬時(shí)分布圖

從圖5可以看出：當(dāng)滾壓力發(fā)生變化時(shí)，由于液性塑料的均勻傳力，使得兩滾珠工作壓力趨于平衡，當(dāng)t=0.008 s后應(yīng)力分布穩(wěn)定，不再發(fā)生明顯變化，工件受力均勻，響應(yīng)速度較快。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）試驗(yàn)?zāi)康模翰捎脙?nèi)置液性塑料式磁力滾壓刀具對不銹鋼管進(jìn)行試驗(yàn)，與第二代磁力滾壓刀具的加工效果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證其滾壓性能。

（2）試驗(yàn)裝置：磁力滾壓加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。

（3）加工對象：304不銹鋼管。

（4）測量裝置：TR200手持式粗糙度儀。

圖6 磁力滾壓加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1-變頻器；2-進(jìn)給電機(jī)；3-工件；4-絲杠；5-滾壓油；6-電機(jī)；7-磁場發(fā)生器

ASMB6-60靜態(tài)應(yīng)變儀。

（5）試驗(yàn)參數(shù)：試驗(yàn)工藝參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)工藝參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

筆者使用手持式TR200粗糙度儀測量加工前、后工件內(nèi)壁粗糙度值Ra，粗糙度值比較如表4所示。

表4 粗糙度值比較

筆者使用ASMB6-60靜態(tài)應(yīng)變儀測量加工前后工件內(nèi)表面殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力比較如表5所示。

表5 殘余應(yīng)力比較

由表（4,5）可知：使用內(nèi)置液性塑料式磁力滾壓刀具，可使得不銹鋼管內(nèi)壁Ra由0.828降低到0.187，各采樣點(diǎn)粗糙度值分布較為均勻，有效降低了工件內(nèi)表面殘余應(yīng)力；同時(shí)，周向殘余應(yīng)力分布更優(yōu)，加工效果明顯優(yōu)于第二代滾壓刀具。

5 結(jié)束語

本文針對磁力滾壓加工過程中出現(xiàn)的載荷傳力不均的問題，提出了一種內(nèi)置液性塑料式新型滾壓刀具；通過對磁力滾壓加工進(jìn)行理論剖析和有限元仿真，結(jié)果表明：內(nèi)置液性塑料式新型刀具結(jié)構(gòu)合理，滾壓力滿足加工要求，傳力響應(yīng)較快；

本文利用磁力滾壓加工試驗(yàn)平臺(tái)對新型刀具的加工效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示：新型刀具加工后試件粗糙度Ra由0.828降低到0.187，殘余應(yīng)力進(jìn)一步降低；同時(shí)，周向殘余應(yīng)力分布均勻，較第二代刀具有明顯提升。

本文為后續(xù)的磁力滾壓工具的試驗(yàn)研究提供有效的指導(dǎo)和借鑒。