平面磁力研磨軌跡的研究與分析

焦安源 鄒艷華

（①遼寧科技大學高等職業技術學院，遼寧鞍山 114051;②宇都宮大學大學院工學部，日本宇都宮321－ 8585）

平面磁力研磨技術屬于超精密加工技術的一種，具有加工品質高、柔性好、自適應性強等優點。磁力研磨能夠去除殘留在表面的各種痕跡，改善表面粗糙度，具有其他加工方法不可替代的優勢。對于較大平面進行磁研磨精加工時，除了考察其表面粗糙度外，還有必要研究其平面的微觀輪廓、加工紋理和截面形狀等，以便進一步提高平面度和表面精度。磁力刷的運動方式對研磨效果有很大的影響，所以本文主要研究目的是通過改善磁力刷軌跡的方式，來提高平面研磨精度。

1 實驗方案

傳統平面磁力研磨加工方法中，磁力刷軌跡如圖1a所示，主要以磁力刷的自轉與工件的平移運動結合為主。本文利用自行設計的試驗裝置，可以改善磁力刷軌跡，能夠研究磁力刷研磨軌跡對平面精加工效果的影響。該裝置能夠使工件實現直線往復移動，還能使磁力刷在自轉的同時在水平面內直線移動或公轉。改善后的加工軌跡為磁力刷自轉、公轉與工件的直線移動結合，具體如圖1b所示。

2 試驗過程

2．1 實驗裝置

圖2為平面磁力研磨裝置的結構圖，磁極由電動機通過軟軸驅動，工作臺可以使轉動的磁極在水平面內直線移動或者做圓周運動。工件底座則由電動滑臺驅動，滑臺帶動工件實現直線往復移動。工作臺的運動速度和運動軌跡，以及電動滑臺的速度、行程和往復次數都可以通過電腦進行預設定。工件采用真空吸附定位，固定在底座上，真空度的大小可以通過數字真空表顯示，設定壓縮氣泵蓄壓器壓力為0.70～0.80 MPa時，真空度值可基本穩定在－88 kPa。本文主要以SUS304鋼板為研究對象，經過有限元軟件分析，當真空度為－88 kPa時，工件的最大變形為9.0 μm，該值與磁力刷和工件的間隙0.5 mm相比，相差近50倍，可見其影響微乎其微，這也說明采用真空對工件進行定位是可行的。

2．2 實驗條件

影響磁力研磨效果的因素有很多，如磁極大小、形狀、轉速;磁粒成分和粒徑;研磨間隙;研磨液種類和工件材質等。因此在研究軌跡之前首先要確定實驗條件。在預先進行了一系列的對比實驗后，最終確定實驗條件如表1所示。采用φ10 mm×10 mm永久磁石。因傳統方法1個單程加工的寬度10 mm，改善軌跡后單程加工寬度為20 mm，為了使研磨刷在單位區域內加工時間基本相等，以便對比兩種方法的效果差異，所以延長改善軌跡后的加工時間至傳統方法的2倍。

表1 實驗條件

2．3 實驗步驟

（1）將SUS304鋼板按需求尺寸切割，超聲波清洗10 min后，利用高壓氣體吹干待用。

（2）根據實驗條件，利用筆記本電腦連接工作臺的控制器，并進行如下設定:工作臺上X、Y兩個位移電動機速度;工作臺的運行軌跡;并根據運行時間設定運行循環次數。對于電動滑臺，同樣需要通過電腦對滑臺控制器進行編程，設定其運行速度和單程運行長度以及往復循環次數。

（3）利用電子天平稱取試劑，并充分混勻后待用。

（4）啟動壓縮氣泵，設定蓄壓器壓力范圍，利用真空將工件定位，調節磁石與工件間隙后，將混合好的試劑均勻地充填到磁石與工件之間，并添加適量研磨液。

（5）啟動驅動電動機、電動滑臺、工作臺開始實驗，然后測量結果。

3 結果和討論

3．1 實驗結果

研磨完畢后，分別對工件粗糙度、材料去除量、橫截面形狀和3D表面輪廓進行檢測，具體檢測位置如圖3所示。

（1）粗糙度與材料去除量

使用Surfcorder表面粗糙度測定儀SE－2300進行粗糙度的測定，評定長度為4.0 mm。傳統方法與改善軌跡后的研磨方法相比較，其粗糙度和材料去除量隨研磨時間的變化規律分別如圖4、5所示。材料的去除量均隨著研磨時間的增加而增加，改善軌跡后材料去除量接近于傳統方法的2倍，這主要是由于改善軌跡后的研磨區域是傳統方法加工區域的2倍所致。圖4可知，采用傳統研磨軌跡，加工完成的區域中，粗糙度值在兩側A、C處較中間B處的下降速度快很多，累計耗時18 min后，最終A、C處的粗糙度分別為0.04 μm和0.05 μm;B處的粗糙度為0.07 μm。而改善研磨軌跡后，粗糙度值在B處的下降速度明顯高于A、C處，但是當研磨時間到30 min后，A、B、C處的粗糙度值均在0.05 μm附近，且36 min后仍無明顯變化。

結果表明:改善軌跡后，材料去處量變化規律與傳統磁研磨方法一致;A、B和C處的粗糙度值比較接近，但是在研磨區域的不同位置處表面粗糙度值下降速度不同。

（2）橫截面形狀

P－P處利用表面粗糙度測量儀（MITSUTOYO SV－624－3D）進行橫截面形狀檢測，結果如圖6所示。從圖6的橫截面形狀可以看出，傳統研磨方法的A、C處磨損最深，研磨區內輪廓最大高度差值約為2.8 μm;而新研磨方案中B處磨損明顯最深，研磨區域內輪廓最大高度差值約為1.1 μm，其次為A、C兩處。

結果表明:改善軌跡后，研磨區域在橫截面內的輪廓更加平滑，最大高度差值較傳統研磨方法減小60%。

（3）3D表面輪廓

利用光學輪廓儀（WYKO）檢測2個工件A、B和C處的3D微觀形貌，如圖7和圖8所示。比較各個研磨區域的粗糙度Ra值發現與前面粗糙度測定儀的測量值基本一致。但傳統研磨方法加工區域中，紋理比較明顯，A區域的紋理為右上至左下，B區域紋理水平，而C區域紋理為左上至右下。改善軌跡后，紋理并不明顯。原因是在傳統方法中，A、B、C各個區域在進行研磨加工時，研磨刷與工件間的相對運動方向始終不變，所以導致出現紋理。而改善后的方法，研磨刷軌跡復雜，所以不易在工件表面形成有規律的紋理。

兩種方法的最終加工結果照片如圖9所示。

結果表明:改善軌跡后，研磨區域內的表面輪廓紋理并不清晰，而傳統研磨方法中，磁力刷運行軌跡簡單，會導致研磨區域內不同位置處均會產生清晰的紋理。

3．2 理論分析

圖10為磁刷軌跡改善后的分析圖，磁力刷上一點Q經過任意時間t后到達Q'位置，可得任意時刻該點的坐標方程為:

式中:r1為公轉半徑，mm;ωW為公轉速度，rad/s;r2為自轉半徑，mm;ωP為自轉速度，rad/s;v為電動滑臺速度，mm/s;α 為Q點初始角，rad。

傳統研磨方法時，即公轉半徑r1=0;公轉速度ωW=0。則公式（1）變為

根據磁力場分布原理，可知圓柱形磁石，其最外周處磁力最強，即當平面研磨時，磁石外周的磨粒對工件的壓力高于中間部分，參照研磨材料去除量的公式（3）可以確定:磁力刷外周部分材料去除量最大，所以選取外周上對稱2點Q1和Q2并通過軟件繪出其研磨軌跡，通過對研磨軌跡的分析可以對研磨結果進行預測。

式中:M為材料去除量;k為去除因數;P為壓力;V為相對運動速度;t為時間。

4 結語

（1）設計了平面磁研磨實驗裝置，使磁力刷能夠實現復雜軌跡研磨。

（2）改善磁力刷研磨軌跡后，材料去處量變化規律與傳統磁研磨方法一致;盡管在研磨區域的不同位置處表面粗糙度值減小速度也不相同，但平面內各處粗糙度值接近。

（3）改善磁力刷研磨軌跡后，橫截面的形狀更加平滑，最大高度差值較傳統研磨方法減小60%，而且研磨區域內的表面輪廓紋理并不清晰，不會產生清晰的研磨紋理，平面精度更高。

（4）通過理論方法合理規劃研磨刷的運行軌跡可以預測研磨效果。

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