基于恒壓的平面磁力研磨效果分析*

焦安源 李宗澤 鄒艷華

(①遼寧科技大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 鞍山114051;②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;③宇都宮大學(xué)大學(xué)院工學(xué)部，日本 宇都宮321-8585)

磁力研磨法因具有研磨效果好、自適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種工件的拋光加工。以磁場(chǎng)束縛磁性磨粒對(duì)工件表面進(jìn)行光整的方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但研磨效率相對(duì)低，耗時(shí)長(zhǎng)。為此，本文試圖以恒壓的方式改善效率，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用自行設(shè)計(jì)的平面研磨裝置，在旋轉(zhuǎn)磁極的軸向施加一定質(zhì)量的載荷。針對(duì)SUS304鋼板進(jìn)行磁力研磨對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析了加工效果差異產(chǎn)生的原因，并總結(jié)了恒壓對(duì)平面磁力研磨效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

平面磁力研磨裝置如圖1所示，磁極固定在磁極軸上，磁極軸由調(diào)速電動(dòng)機(jī)通過(guò)軟軸驅(qū)動(dòng)，其利用線性滾珠襯套與支架聯(lián)接，磁極軸上配重可直接對(duì)磁極施加軸向靜載。XY工作臺(tái)使轉(zhuǎn)動(dòng)的磁極在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，磁極運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。工件采用真空吸附定位在底座上，底座則由電動(dòng)滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)工件直線往復(fù)移動(dòng)。XY工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡，以及電動(dòng)滑臺(tái)的速度、行程和往復(fù)次數(shù)都可以通過(guò)控制電腦進(jìn)行預(yù)設(shè)定。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

由于影響磁力研磨效果的因素很多，如磁極大小、形狀、轉(zhuǎn)速，磁粒成分和粒徑，研磨間隙等。所以為了對(duì)比施加恒壓前后平面研磨效果，首先確定了實(shí)驗(yàn)條件，如表1所示。傳統(tǒng)方案，即磁極軸向施加恒壓力P=0、研磨間隙C=0.5 mm;改善方案，即施加恒壓力P=37.5 kPa、研磨間隙自由時(shí)對(duì)工件進(jìn)行研磨加工。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用超聲波、醫(yī)用酒精對(duì)研磨后的工件進(jìn)行清洗，并用暖風(fēng)吹干后，分別對(duì)工件表面粗糙度、工件重量、研磨區(qū)域橫截面形狀和3D表面輪廓進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)區(qū)域如圖3所示。

(1)表面粗糙度與材料去除量

使用表面粗糙度測(cè)量?jī)x(SE-2300)檢測(cè)兩種方案下工件表面A、B及C處的表面粗糙度，可得表面粗糙度變化曲線圖4a、圖4b及圖4c。由表面粗糙度變化曲線可看出，在研磨初期，兩種研磨方案工件的表面粗糙度變化均較大，并且在研磨開(kāi)始的6 min內(nèi)尤為突出，但是，隨著研磨時(shí)間的延續(xù)，施加壓力后表面粗糙度的變化趨勢(shì)明顯趨緩，且在隨后的一段研磨時(shí)間內(nèi)A、B、C這3處的平均表面粗糙度值僅減小至Ra0.7μm，且逐漸趨穩(wěn)，與之對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)方案，表面粗糙度值可進(jìn)一步減小至Ra0.5μm才趨于穩(wěn)定。可見(jiàn)施加恒壓力對(duì)于表面粗糙度在研磨初期與傳統(tǒng)方法一致，但到后期其值要較無(wú)載荷研磨時(shí)大很多。由A、B、C這3處的表面粗糙度變化曲線圖還可知，在研磨過(guò)程中，兩種方案中A、C兩區(qū)域的表面粗糙度變化趨勢(shì)基本一致，而B(niǎo)區(qū)域的表面粗糙度變化始終相對(duì)較快，且經(jīng)過(guò)36 min研磨，B區(qū)域表面粗糙度值較其他兩處也較小，其現(xiàn)象與參考文獻(xiàn)［2］所做分析相符。

使用精密電子天平測(cè)量材料去除量，得到材料去除量對(duì)比圖，如圖4d所示。可看出，在研磨初期，兩種方案材料去除量相當(dāng)，隨著研磨時(shí)間的增加傳統(tǒng)方案研磨的工件材料去除量逐漸多于改善方案。累計(jì)36 min研磨后，改善方案的材料去除總量較傳統(tǒng)方案明顯減少，且僅為傳統(tǒng)方案的69%。

(2)橫截面形狀

利用表面粗糙度測(cè)量?jī)x(MITSUTOYO SV-624-3D)對(duì)圖3中P-P處進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖5所示。傳統(tǒng)方案時(shí)，研磨后的橫截面輪廓顯示有些區(qū)域研磨去除量較其它區(qū)域明顯偏大，其研磨寬度λ的表面不夠平整。而改善方案時(shí)，研磨寬度λ的表面相對(duì)比較平滑且最大高度差值也較傳統(tǒng)方案研磨減小近36%(0.7/1.1)，可知在相同工藝條件下，施加恒壓力研磨使截面更加平滑，高度差明顯減小。另外，改善方案加工深度明顯小于傳統(tǒng)方案，平均加工深度僅為后者的70%左右，這也與前面所述材料去除量的減少相互驗(yàn)證。

(3)3D表面輪廓

利用光學(xué)輪廓儀(wyko)檢測(cè)兩個(gè)試件中A、B和C處的3D微觀形貌，如圖6所示。從圖6a可以看出，A、C處的表面粗糙度值比較接近，B處的表面粗糙度變化得更快且最終值小于A、C處，這與直接利用粗糙度儀檢測(cè)的規(guī)律基本一致，其原因與研磨軌跡有關(guān)。如圖6b，在磁極軸上施加恒壓力后，較傳統(tǒng)方案研磨所得到的表面粗糙度值偏大，這與利用粗糙度儀直接檢測(cè)結(jié)果一致。對(duì)比圖6，可以看出施加恒壓力研磨后表面光滑程度下降，但研磨紋理卻更不明顯。

3 理論分析

傳統(tǒng)磁力研磨工藝對(duì)平面進(jìn)行研磨加工主要依靠磁場(chǎng)對(duì)磁性磨粒束縛，使其在工件表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磨粒就會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生微切削、滑擦、摩擦、碰撞作用，起到研磨加工的作用，根據(jù)Preston經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:M為材料去除量;k為去除因數(shù);P為壓力;v為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度;t為時(shí)間。

未施加恒壓力之前，壓力P與磁場(chǎng)強(qiáng)度分布有關(guān)，具體值可以通過(guò)公式(2)計(jì)算得出。利用有限元軟件ANSYS對(duì)研磨過(guò)程中的磁場(chǎng)分布進(jìn)行模擬分析，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖如圖7，可以看出工件上磁極中心區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度值較高。但材料去除量M還與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v有關(guān)，在磁極的外邊緣處相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v最大，磁極中心最小，綜合來(lái)看磁極外周邊緣處為平面磁力研磨的主要加工部位，表面粗糙度、材料去除量、斷面形貌和3D微觀輪廓等均與其運(yùn)動(dòng)軌跡相關(guān)。當(dāng)軸向施加恒壓力后，壓力P則為恒壓力與公式(2)計(jì)算值之和。此時(shí)，磁極與工件之間的作用力在接觸區(qū)域內(nèi)分布相對(duì)較為均勻。圖8為研磨6 min后，磁極形狀的對(duì)比，可看出施加壓力后，整個(gè)磁極除中心很小范圍外都與工件接觸，接觸區(qū)域明顯要多于無(wú)載荷狀況，而無(wú)載荷狀況的接觸區(qū)域僅為Ф6～10 mm的圓環(huán)。

式中:P0為磁場(chǎng)力;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;μ0為空氣磁導(dǎo)率;μm為磁性磨粒磁導(dǎo)率。

(1)施加恒壓力后，壓力P增大，當(dāng)其他因素不變時(shí)，磨粒在工件表面切削、滑擦，產(chǎn)生的劃痕深度要大于傳統(tǒng)方案，導(dǎo)致A、B、C這3處平均表面粗糙度值在加工18 min后就趨于穩(wěn)定在Ra0.7μm左右，而未施加軸向壓力時(shí)，表面粗糙度值可以進(jìn)一步減小。

(2)由公式(1)可知，其他參數(shù)不變的前提下，材料去除量M與壓力P呈正比例關(guān)系，施加恒壓力后，壓力P雖增大，去除量M也應(yīng)顯著提高，但恒壓力對(duì)磁極與工件之間的磨粒起到了擠出作用，這使得磨粒在離心力作用下更容易脫離，導(dǎo)致研磨后期磨粒數(shù)量減少;并且恒壓力使得磁場(chǎng)作用下磨粒的翻滾、更新能力變?nèi)酰チ涎心ツ芰χ饾u下降。綜上原因，改善方案最終導(dǎo)致材料去除量減小，工件表面的傳統(tǒng)方案時(shí)更加清晰明顯。

(3)根據(jù)磁力研磨原理，傳統(tǒng)方案時(shí)，磁極的外周為主加工區(qū)域。由參考文獻(xiàn)［2］可知，分析磁極外周的運(yùn)行軌跡，可以預(yù)測(cè)最終的磁力研磨效果。而施加恒壓力后，磨粒與工件接觸區(qū)域得以擴(kuò)大，此時(shí)整個(gè)接觸區(qū)域均對(duì)工件進(jìn)行研磨，研磨效果不能延續(xù)傳統(tǒng)方法進(jìn)行判定，使得最終所獲斷面形貌、3D微觀輪廓較傳統(tǒng)方案有顯著改善。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)兩種方案的試驗(yàn)對(duì)比，分析恒壓力對(duì)平面磁力研磨的影響，得到如下結(jié)論:

(1)施加恒壓力進(jìn)行平面磁力研磨時(shí)，研磨初期工件表面粗糙度值減小較快，但隨著研磨時(shí)間的增加，表面粗糙度值最終趨于穩(wěn)定，但仍大于傳統(tǒng)方案。在研磨初期材料去除量較大，但是A、B和C這3處的平均表面粗糙度值減小至Ra0.7μm后，材料去除量逐漸減少，36 min后，最終材料總?cè)コ績(jī)H為傳統(tǒng)方案的69%。

(2)施加恒壓力進(jìn)行平面磁力研磨時(shí)，磁極有效加工區(qū)域增加，研磨后得到的工件橫截面輪廓更均勻，橫截面輪廓中的最大高度差也較未施加壓力減小近36%，且施加壓力的平均研磨深度也僅為傳統(tǒng)方案的70%。

(3)施加恒壓力進(jìn)行平面磁力研磨時(shí)，表面光滑程度較傳統(tǒng)方案有所下降，但研磨紋理卻得以顯著改善。

(4)研磨壓力影響到平面磁力研磨的最終效果，而磁性磨粒的翻滾、更新作用也起著至關(guān)重要的作用。

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