磁力光整加工鋁鎂合金永磁極研究

張 鵬 張桂香 梁 偉 秦 璞 姜林志

山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淄博，255049

0 引言

21世紀(jì)以來，人們?nèi)找嬉庾R(shí)到資源匱乏與環(huán)境惡化的嚴(yán)峻性，擁有較高比強(qiáng)度、比剛度的各類變形鋁鎂合金越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)制造中，如航空航天與汽車制造領(lǐng)域的輕量化制造等［1］。近幾年，3C產(chǎn)品（即計(jì)算機(jī)、通信和消費(fèi)類電子產(chǎn)品）的需求量與日俱增，由于高強(qiáng)度鋁鎂合金外觀件具有觸感光滑、美觀質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)，故被大量應(yīng)用于數(shù)碼家電與手機(jī)等通信設(shè)備外殼［2］。但對于鋁鎂合金，傳統(tǒng)的拋光方法工序繁雜，很難獲得較高的表面質(zhì)量，其主要表現(xiàn)為表面粗糙度不均勻，以及存在無法有效避免的劃痕、刀痕、麻點(diǎn)等。光整加工作為機(jī)械加工的最后一道工序，其質(zhì)量不僅關(guān)乎零件的使用壽命和各項(xiàng)性能指標(biāo)，還直接影響到下一步的表面處理效果。磁力光整加工中，在磁場作用下，磁力研磨刷具有極大的彈性，磁性磨粒具有良好的流動(dòng)性，工作區(qū)域溫度較低［3-4］，因此磁力完整加工非常適用于鋁鎂合金的研磨拋光。

為使鋁鎂合金具備均勻一致的高質(zhì)量表面，筆者采用端面開矩形槽的方式，對平面永磁磁極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［5］。通過尺寸計(jì)算，采用有限元分析工具模擬加工區(qū)域內(nèi)磁場分布，以獲得最終開槽方案；制作磁極實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對被加工表面進(jìn)行檢測分析對比。最終結(jié)果表明，被加工表面質(zhì)量獲得極大提高，霧化快凝球形磁性磨粒性能優(yōu)良［6］、加工效率高，因此磁力光整加工此類鋁鎂合金是一種值得推廣應(yīng)用的拋光方法。

1 永磁極設(shè)計(jì)理論與參數(shù)

磁力光整加工中，磁極的各項(xiàng)參數(shù)將直接影響到研磨線速度、研磨壓力［7］等，進(jìn)而影響加工效果。永磁極材料各項(xiàng)磁性能越強(qiáng)，同等間隙內(nèi)磁力研磨刷的磨削力相應(yīng)越大，研磨效率越高［8］。對各類永磁材料進(jìn)行對比后，磁極材質(zhì)選用各項(xiàng)磁性能優(yōu)良、成本較低、牌號(hào)為N35的稀土系燒結(jié)永磁材料釹鐵硼（Nd-Fe-B），各項(xiàng)性能見表1。

表1 燒結(jié)釹鐵硼（Nd-Fe-B）N35磁性能與密度Tab.1 The magnetic energy and density of sintered（Nd-Fe-B）N35

根據(jù)基爾霍夫第一定律及第二定律可得永磁體長度 Lm和橫截面積Sm分別為［9］

式中，Lg為氣隙長度；Bg為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；Sg為氣隙橫截面積。

根據(jù)磁場理論，取 Lg=2 mm，Bg=1.12 T，磁阻系數(shù) f=1.6，真空磁導(dǎo)率 μ0=4π×10-7H?m，磁漏系數(shù)σ=1.45。整理計(jì)算可得，當(dāng)端面直徑為 D=25 mm時(shí)，永磁體長度 Lm≥6.7 mm，才能在2 mm加工間隙內(nèi)保證氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.12 T。

考慮到加工使用中的實(shí)際情況，選擇總長度為30 mm的圓柱磁極，設(shè)定底部圓臺(tái)高度為13 mm，如圖1所示。

圖1 未開槽磁極Fig.1 Unplugged pole

2 端面開槽設(shè)計(jì)及仿真分析

為增強(qiáng)磁極底面對磨粒的吸附能力，改善加工間隙內(nèi)磁場梯度分布［10］，最大限度保證被加工表面質(zhì)量的均勻一致，選擇在磁極底面開矩形槽的設(shè)計(jì)方式，本研究設(shè)計(jì)“米字槽”、“田字槽”兩種開槽形式，如圖2所示。

圖2“米字槽”磁極和“田字槽”磁極Fig.2 “Mi word slot”pole and“ Tian word slot”pole

2.1 確定開槽尺寸

根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)及大量仿真分析發(fā)現(xiàn)，開矩形槽的槽深寬比為1∶1，槽寬與齒寬比為1∶2時(shí)，磁極齒既不會(huì)因釹鐵硼材料過脆發(fā)生斷裂，同時(shí)磨粒也可獲得充足的驅(qū)動(dòng)力與流動(dòng)性，如圖3所示。由圖3可以看出，開槽磁極矩形齒處的磁力線更加密集，而槽內(nèi)磁力線相對稀疏。當(dāng)吸附磨料后的磁極沿軸向快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，開槽設(shè)計(jì)既增大了端面磁場強(qiáng)度，防止磨粒徑向飛濺，又保證了磨粒在齒與槽之間的流動(dòng)性。

圖3 未開槽磁極與開槽磁極磁力線分布對比Fig.3 Magnetic line distribution comparison of unslotted magnetic pole and slotted magnetic pole

2.2 開槽類型選擇

釹鐵硼材料具有磁性強(qiáng)、硬度高、脆性大的特點(diǎn)，一般采用線切割加工方式，故設(shè)計(jì)便于加工的八齒“米字槽”及十二齒“田字槽”兩種開槽類型，選用ANSYS Workbench 15.0對未開槽磁極和開槽磁極進(jìn)行仿真對比，如圖4所示。

由圖4可看出，未開槽磁極端面磁通密度總體較小，“米字槽”及“田字槽”兩種端面開槽類型使磁通密度得到極大改善。分析端面磁通密度分布可知，未開槽磁極端面磁通密度越靠近圓心處越小，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，端面中心位置由于磁性較弱、研磨線速度極小，極易造成磁性磨粒與切屑堆積，使磁力研磨刷的剛性增強(qiáng)，進(jìn)而影響表面質(zhì)量?！懊鬃帧毙痛艠O去除了中心部分材料，“田字”型磁極則增大了中心處開槽密度，通過這兩種不同方式可有效避免磨料與切屑的堆積。圖5為“米字槽”與“田字槽”的截面磁通密度等值云圖。由圖5可以看出，磁齒越密集，磁通密度越大?！懊鬃帧毙痛艠O開槽處磁通密度在0.6～0.8 T范圍內(nèi)，“田字”型磁極開槽處磁通密度則在0.9～1.0 T范圍內(nèi)。

圖4 三維磁通密度等值云圖Fig.4 Three-dimensional magnetic flux density

圖5“米字槽”與“田字槽”截面磁通密度等值云圖Fig.5 “Mi word slot”and“Tian word slot”magnetic flux density of the section

通過在模型周邊添加空氣介質(zhì)，得到磁通密度矢量圖（圖6），可以看出，開槽處理可使磁極在端面外一定間隙內(nèi)產(chǎn)生更大的磁感應(yīng)強(qiáng)度，“田字”型開槽的磁極端面磁場分布更均勻，磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度更小。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

圖7所示為平面研磨實(shí)驗(yàn)裝置，使用兩個(gè)磁極（圖8），分別對AZ31系鎂合金和7075-T651鋁合金進(jìn)行平面研磨實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 添加空氣介質(zhì)的磁通密度矢量圖Fig.6 The vector magnetic flux density add air medium

圖7 平面研磨實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Test device for plane grinding

圖8 磁極實(shí)物圖Fig.8 The pictures of magnetic pole

依次選用 80～100目、100～200目、200～300目的SiC霧化快凝球形磁性磨料，分別對兩種合金進(jìn)行梯度研磨，設(shè)定以下實(shí)驗(yàn)參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速vn=1 200 r/min，加工間隙 L=2 mm，進(jìn)給速度vF=15 mm/min ，磨料填充量 M=2.5 g［11-12］。研磨過程中，使用白光干涉儀檢測兩種材料的表面粗糙度，并記錄工件材料去除量，得到表面粗糙度和材料去除量隨時(shí)間變化的曲線，如圖9所示。兩種材料加工前后的表面紋理如圖10、圖11所示。

圖9 表面粗糙度和材料去除量隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Curve of surface roughness and material removal over time

圖10 AZ31加工前后表面紋理Fig.10 Surface texture before and after grinding of AZ31

圖11 7075-T651加工前后表面紋理Fig.11 Surface texture before and after grinding of 7075-T651

由圖9可以看出，無論是加工AZ31系鎂合金還是7075-T651鋁合金，兩種磁極都可以達(dá)到理想的研磨效果，最終都獲得了均勻一致、較小粗糙度的表面。研磨后的AZ31系鎂合金Ra約為0.126 μm ，7075-T651鋁合金 Ra 約為 0.148 μm 。觀察材料去除量變化曲線，發(fā)現(xiàn)材料去除量與表面粗糙度值成反比，“田字槽”磁極材料去除能力略強(qiáng)于“米字槽”磁極的材料去除能力。在前4 min內(nèi)，“田字槽”磁極所研磨工件表面粗糙度值減小速度明顯更快，研磨效率高于“米字槽”磁極。由圖10、圖11可以看出，拋光前的工件表面使用砂紙打磨，兩種合金表面均有較深的劃痕與麻點(diǎn)；磁力光整加工后，劃痕與麻點(diǎn)消失，表面紋理更加均勻，最終研磨后工件外觀如圖12所示，達(dá)到了霧狀鏡面效果。

圖12 研磨后工件外觀Fig.12 The appearance after grinding of the workpiece

此外，由于釹鐵硼材料具有脆硬性特點(diǎn)，磁齒體積較小的“田字槽”磁極，相對更脆，不耐磕碰，故受損概率相對較高。

4 結(jié)論

（1）磁力光整加工方法可以對性能特點(diǎn)與AZ31系鎂合金與7075-T651鋁合金類似的輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行高效的研磨拋光，并得到高質(zhì)量的光亮表面。

（2）對磁極端面進(jìn)行開槽設(shè)計(jì)，可通過改變加工間隙內(nèi)磁力線分布來增大端面磁通密度，進(jìn)而可防止切屑與磨料堆積，提高加工效率。

（3）“田字槽”磁極由于磁齒具有更大的磁通密度，前期所研磨工件表面粗糙度值減小更快，效率優(yōu)于“米字槽”磁極。

［1］ 左鐵鏞.21世紀(jì)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料——鎂及鎂合金發(fā)展［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2007（12）：22-26.ZUO Tieyong.Lightweight Structural Materials for the 21st Century—Magnesium and Magnesium Alloy Development［J］.Advanced Materials Industry，2007（12）：22-26.

［2］ KIM S O，KWAK J S.Magnetic Force Improvement and Parameter Optimization for Magnetic Abrasive Polishing of AZ31 Magnesium Alloy［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2008，18（s1）：369-373.

［3］ LIU Z Q，CHEN Y，LI Y J，ZHANG X.Comprehensive Performance Evaluation of the Magnetic Abrasive Particles［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，68（1/4）：631-640.

［4］ 陳春增，張桂香，趙玉剛，等.磁力研磨鎳基高溫合金實(shí)驗(yàn)研究［J］.電鍍與精飾，2016，38（4）：6-9.CHEN Chunzeng，ZHANG Guixiang，ZHAO Yugang，et al.The Experimental Research on Magnetic Abrasive Finishing of Inconel718［J］.Plating&Finishing，2016，38（4）：6-9.

［5］ 趙玉剛，江世成，周錦進(jìn).磁極開槽形狀和尺寸對磁場分布和磁力光整加工能力影響的研究［J］.中國機(jī)械工程，1999，10（6）：685-688.ZHAO Yugang，JIANG Shicheng，ZHOU Jinjin.Study on the Influence of the Shape and Size of Grooves of Magnetic Pole Surface on Magnetic Field Distributing and Magnetic Abrasive Finishing Capability［J］.China Mechanical Engineering，1999，10（6）：685-688.

［6］ LIU Z Q，CHEN Y，LI Y J，et al.Comprehensive Performance Evaluation of the Magnetic Abrasive Particles［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，68（1）：631-640.

［7］ YIN S，SHINMURA T.A Comparative Study：Polishing Characteristics and Its Mechanisms of Three Vibration Modes in Vibration-assisted Magnetic Abrasive Polishing［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2004，44（4）：383-390.

［8］ 陳燕.磁研磨法在自由曲面模具型腔拋光中的應(yīng)用［J］.模具制造，2004（7）：61-63.CHEN Yan.Application of Magnetic Grinding Method in Cavity Surface Cleaning of Free-form Surface［J］.Die&Mould Manufacture，2004（7）：61-63.

［9］ 劉文祎，張桂香.磁力光整加工平面磁極頭設(shè)計(jì)及仿真［J］.現(xiàn)代制造工程，2013（7）：76-81.LIU Wenyi，ZHANG Guixiang.Design and Simulation of Planemagnet Pole on Magnetic Abrasive Finishing［J］.Modern Manufacturing Engineering，2013（7）：76-81.

［10］ KWAK J S.Enhanced Magnetic Abrasive Polishing of Nonferrous Metals Utilizing a Permanent Magnet［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2009，49（7）：613-618.

［11］ 張桂香.霧化快凝磁性磨料制備及其磁力光整加工性能研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.ZHANG Guixiang.Study on Preparation of Magnetic Abrasives by Gas Atomization with Rapid Solidification and Their Finishing Performance［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School，2012.

［12］ 陳春增，張桂香，趙玉剛.磁力研磨對Inconel718合金表面質(zhì)量的影響［J］.電鍍與涂飾，2016，35（1）：23-27.CHEN Chunzeng，ZHANG Guixiang，ZHAO Yugang.Effect of Magnetic Abrasive Finishing on Surface Quality of Inconel718 Alloy［J］.Plating&Finishing，2016，35（1）：23-27.