彎管磁粒研磨的差異化加工工藝試驗(yàn)研究＊

徐進(jìn)文，陳 松，胡菁華，張 磊，楊 歡，陳 燕

（1.遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114501）

（2.MCC中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000）

隨著航空航天、汽車和其他機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展，為使設(shè)備內(nèi)部空間得到合理利用，對(duì)其內(nèi)部空間進(jìn)行合理優(yōu)化，減少空間占有率，常用的方法是利用彎管來傳輸設(shè)備使用的油氣等，以節(jié)省其空間。在不同的使用工況下，空間彎管的曲率半徑復(fù)雜多變。同時(shí)，受現(xiàn)有工況及工藝水平的影響，彎管在加工時(shí)或使用一段時(shí)間后，其內(nèi)表面會(huì)產(chǎn)生微裂紋和凹坑等缺陷，且在其彎折處尤其明顯，致使彎管內(nèi)部流通的氣體或液體產(chǎn)生湍流，引起振動(dòng)，繼而影響設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，降低其使用壽命[1-3]。

由于彎管結(jié)構(gòu)的特殊性，彎頭相較于彎管其他部分更容易受到?jīng)_蝕磨損，其沖蝕磨損率約是直管沖蝕磨損率的50倍[4]。KRUGGEL-EMDEN等[5]研究了不同形狀顆粒撞擊管道內(nèi)壁的受力情況，發(fā)現(xiàn)外弧處受到的沖擊最大。張儷安等[6]通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）進(jìn)行氣固兩相彎管沖蝕建模，得出彎管外弧內(nèi)表面受到的流體沖蝕最大。曹學(xué)文等[7-9]通過CFD建模探究了彎管液固兩相流體沖蝕的失效模擬，得出彎頭靠近內(nèi)弧內(nèi)表面的沖蝕較輕微，而外弧內(nèi)表面的沖蝕破壞現(xiàn)象較嚴(yán)重。

圖1為彎管缺陷圖。從圖1中可以看出：彎管在折彎過程中，外弧受到拉力作用，產(chǎn)生微小的裂痕和壁厚減薄；內(nèi)弧受到壓力作用，相互擠壓產(chǎn)生褶皺和壁面增厚現(xiàn)象。外弧內(nèi)表面的裂紋受到液體的沖擊會(huì)逐漸擴(kuò)大，直到破裂；內(nèi)弧內(nèi)表面的褶皺會(huì)引起流體的湍流現(xiàn)象，進(jìn)而影響到輸送流體的穩(wěn)定。根據(jù)彎管的這種缺陷，提出彎管加工應(yīng)在保障外弧的內(nèi)表面粗糙度的基礎(chǔ)上，同時(shí)降低內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度。

圖1 彎管缺陷圖Fig.1 Elbow defect diagram

現(xiàn)階段，常用磨料流法對(duì)彎管的內(nèi)表面進(jìn)行加工，但磨料流受液體流動(dòng)的影響，不能很好地對(duì)彎管內(nèi)外弧的內(nèi)表面同時(shí)進(jìn)行研磨加工。電化學(xué)拋光可以很好地對(duì)彎管內(nèi)外弧的內(nèi)表面進(jìn)行加工，但存在易殘留液體于管內(nèi)的問題。磁粒研磨加工工藝可以很好地克服這些加工局限性，對(duì)彎管的內(nèi)表面進(jìn)行研磨加工[10-15]。但利用磁粒研磨加工彎管時(shí)，常常只研究單側(cè)的粗糙度，對(duì)彎管內(nèi)壁內(nèi)外側(cè)的缺陷不一致現(xiàn)象討論較少。故提出特殊研磨裝置，同時(shí)調(diào)節(jié)彎管內(nèi)外弧的研磨間隙，使其實(shí)現(xiàn)差異化研磨，以期在保障外弧內(nèi)表面粗糙度較低的基礎(chǔ)上，同時(shí)降低內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度。

1 彎管加工原理及分析

1.1 彎管加工原理

彎管磁粒研磨的原理如圖2所示。利用kuka機(jī)器臂對(duì)彎管進(jìn)行研磨加工，加工時(shí)夾持工件保持不動(dòng)，管內(nèi)磨料被磁軛上的磁鐵形成的磁回路緊緊吸附在管內(nèi)壁上。磁軛旋轉(zhuǎn)時(shí)，外部磁極形成的磁場也隨之旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)磨料旋轉(zhuǎn)，同時(shí)磁軛沿管的軸線移動(dòng)，使磨料在管內(nèi)做螺旋線狀的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彎管內(nèi)壁的研磨加工。

圖2 彎管磁粒研磨原理Fig.2 Magnetic particle grinding principle of bending tube

研磨時(shí)磨粒的受力如圖3所示：放置管中的磁性磨粒受到磁力ΔFm，重力mg，切削阻力Ft的共同作用。在旋轉(zhuǎn)磁場作用下，彎管內(nèi)任意一顆磁性粒子均受沿磁力線方向的磁場力ΔFx和沿等磁位線方向的磁場力ΔFy作用，二者的合力即為單顆磁性粒子在磁場中受到的磁力ΔFm，可用式（1）和式（2）表示：

圖3 磨粒受力分析Fig.3 Force analysis of abrasive particles

式中：V為磨粒的體積，m3； χ為磨粒的磁化率，m3/kg；H為磨粒在磁場所處位置的磁場強(qiáng)度，A/m；分別為沿x，y方向的磁場強(qiáng)度變化率。

磁性磨粒在磁場作用下產(chǎn)生的研磨壓力p為[13]：

式中：B為磁場在導(dǎo)磁材料作用處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；μm為磁性磨料的相對(duì)導(dǎo)磁率；μ0為空氣的絕對(duì)導(dǎo)磁率，其數(shù)值大小為 4π×10-7H/m 。

由式（3）可知，研磨壓力p與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。因而可通過調(diào)節(jié)研磨區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度，對(duì)研磨壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 彎管磁粒研磨加工的缺陷及改進(jìn)方法

圖4為彎管的研磨軌跡示意圖。由圖4可知：當(dāng)加工復(fù)雜彎管時(shí)，磁軛吸附的磨料在管內(nèi)研磨形成的軌跡會(huì)由于彎管內(nèi)外側(cè)的弧長不一致，形成內(nèi)密外疏現(xiàn)象。造成的后果是當(dāng)彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面研磨效果達(dá)到最好時(shí)，其外弧的內(nèi)表面還缺磨；而當(dāng)外弧的內(nèi)表面研磨效果達(dá)到最好時(shí)，研磨時(shí)間會(huì)隨之延長，影響加工效率。此時(shí)，彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面在加工效果最好的基礎(chǔ)上又增加了加工時(shí)間，導(dǎo)致之前已經(jīng)加工好的內(nèi)表面的研磨紋理被加深加粗，而產(chǎn)生過磨現(xiàn)象。

圖4 研磨軌跡示意圖Fig.4 Lapping trajectory diagram

根據(jù)圖4中的幾何關(guān)系，可得出彎管的外弧長l外弧、內(nèi)弧長l內(nèi)弧及外弧長與內(nèi)弧長的比值l比式（4）、式（5）和式（6）為：

式中：h為彎管的中心高，a為彎管的中線到壁面的距離，θ為彎管的彎曲角度。

當(dāng)彎管的中心高越小、彎曲角度越大時(shí)，磁粒研磨受彎管半徑的影響就越明顯，特別是在航空、汽車等密閉空間中的大曲率彎管中較明顯。

當(dāng)磨粒內(nèi)外行走軌跡確定后，直接補(bǔ)償其相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較難，但可通過補(bǔ)償研磨壓力來進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[2]：

式中：R(x，y)為磁性研磨粒子與工件接觸區(qū)域中(x，y)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)的材料去除量，k為磁性研磨粒子與加工有關(guān)的比例常數(shù)，v(x，y)為磁性研磨粒子和工件(x，y)點(diǎn)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，p1(x，y)為磁性研磨粒子作用于工件上(x，y)點(diǎn)的研磨壓力。

利用Maxwell仿真軟件對(duì)彎管加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析。磁極（Maxwell材料庫中代號(hào)為N35，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.099）吸附在磁軛上，各個(gè)磁極之間按NSSN順序排布，每個(gè)磁極的前段安裝鐵質(zhì)聚磁頭（Maxwell材料庫中代號(hào)為iron，相對(duì)磁導(dǎo)率為4 000.000）。聚磁頭端面到管件外表面之間的距離為2.0 mm，得到磁極在彎管（Maxwell材料庫中代號(hào)為brass，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.000）加工時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，見圖5。圖5中2處紅圈處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為加工時(shí)的主要區(qū)域，其中左側(cè)的紅圈區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)離磁場端，右側(cè)的紅圈區(qū)域?yàn)榭拷艌龆恕Ｍㄟ^向左側(cè)整體移動(dòng)3次磁軛，每次移動(dòng)0.5 mm，那么左側(cè)可獲得加工間隙分別為3.5，3.0 和2.5 mm時(shí)的3組磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)；而右側(cè)則可同時(shí)獲得加工間隙分別為0.5，1.0 和1.5 mm時(shí)的3組磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。同時(shí)，未移動(dòng)磁軛時(shí)，獲得左右側(cè)加工間隙均為2.0 mm時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖6為這7個(gè)加工間隙下的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線。其中：圖6是以圖5中的2個(gè)紅圈處為0點(diǎn)，0～30.0 mm距離時(shí)為圖5中左右側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，30.0～60.0 mm距離時(shí)為圖5中上下側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.5 Magnetic induction intensity nephogram

圖6 磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線Fig.6 Magnetic induction intensity curve

從圖6中可以看出：當(dāng)間隙為0.5 mm時(shí)，左右側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，隨著間隙逐漸增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小，最大差值為64 mT；而上下側(cè)間隙增大或減小時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化不明顯，其最大值與最小值之差為9 mT。根據(jù)式（3）可知，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B越大時(shí)，研磨壓力越大，材料去除量越多，故可在移動(dòng)速度未發(fā)生改變時(shí)，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B，增大其研磨效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)裝置

磁粒研磨裝置主體如圖7所示，由伺服電機(jī)、磁軛、永磁鐵磁極、銷釘和聚磁頭等組裝而成。用磁粒研磨裝置對(duì)彎管進(jìn)行加工時(shí)，伺服電機(jī)啟動(dòng)，皮帶帶動(dòng)磁軛旋轉(zhuǎn)，磁軛上安裝有永磁鐵，永磁鐵一頭連接磁軛、一頭裝有聚磁頭，通過銷釘調(diào)節(jié)每一個(gè)磁極的加工間隙。聚磁頭可將磁力線聚集在小截面內(nèi)，即可增大研磨區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度，又可改善彎管彎折處磁力線出現(xiàn)干涉的問題。永磁鐵帶動(dòng)彎管內(nèi)的磨料對(duì)彎管內(nèi)表面進(jìn)行研磨加工，從而改善彎管的內(nèi)表面質(zhì)量。

圖7 磁粒研磨裝置Fig.7 Magnetic particle grinding device

利用磁粒研磨裝置加工的優(yōu)勢在于可通過偏置彎管加工中線的方法，來調(diào)節(jié)彎管內(nèi)外弧處的加工間隙。圖8為傳統(tǒng)磁粒研磨加工示意圖。從圖8中可以看出：彎管中線與機(jī)械手的加工中線重合，此時(shí)h1=h2。圖9為彎管偏置加工中線后的加工示意圖。從圖9中可以看出：彎管中線與機(jī)械手的加工中線存在一定距離，通過此方法，使得外弧處間隙小于內(nèi)弧處間隙，即H1＜H2，從而可增大外弧管壁處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，減少內(nèi)弧管壁處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖8 傳統(tǒng)磁粒研磨加工示意圖Fig.8 Schematic diagram of traditional magnetic particle grinding

圖9 彎管偏置加工中線后的加工示意圖Fig.9 Machining schematic diagram of elbow after offsetting the machining center line

磁粒研磨加工裝置試驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示，其由六軸機(jī)械手和安裝在其上的磁粒研磨裝置構(gòu)成。在彎管加工時(shí)，彎管通過三爪卡盤及磁力座固定在工作臺(tái)上，在其內(nèi)部填充磁性磨料，同時(shí)添加適當(dāng)?shù)乃心ヒ海徽{(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)通過同步帶將動(dòng)力傳遞到磁粒研磨裝置上，使其產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)六軸機(jī)械手帶動(dòng)研磨裝置沿已經(jīng)規(guī)劃好的路線進(jìn)行往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)；磁極帶動(dòng)磨料做螺旋往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)管內(nèi)表面的研磨，消除內(nèi)表面缺陷等。

圖10 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experimental platform

2.2 彎管間隙加工試驗(yàn)

為探求加工間隙與表面粗糙度間的關(guān)系，使彎管內(nèi)外側(cè)在同等間隙下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用GH63銅彎管，其研磨區(qū)域大小為23 mm（外徑）×20 mm（內(nèi)徑），中心高為230 mm；磁極選用釹鐵硼N35永久磁體，其尺寸為15 mm×15 mm×10 mm；選取直徑為8 mm的球形磁鐵，放置于彎管內(nèi)部作為輔助磁極來提高加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度；研磨液采用勞力恩SR-9911水基研磨液；磁性磨料由Fe粉和α-Al2O3燒結(jié)而成，其質(zhì)量比為2∶1。彎管加工試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 彎管加工試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters of elbow machining

通過線切割切割出彎管內(nèi)外弧，然后用粗糙度儀對(duì)試驗(yàn)前后彎管內(nèi)外弧的內(nèi)表面取3點(diǎn)測量其粗糙度，并取平均值為最終結(jié)果。彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同加工間隙下的彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度Fig.11 Inner surface roughness of inner arc of elbow under different machining gaps

從圖11可知：彎管內(nèi)弧內(nèi)表面的原始表面粗糙度均為0.82 μm。在加工50 min后，間隙為1.0 mm時(shí)，彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度從0.82 μm下降到0.28 μm，粗糙度降低了66%；間隙為1.5 mm時(shí)，彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度從0.82 μm下降到0.31 μm，粗糙度降低了62%；間隙為2.0 mm時(shí)，彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度從0.82 μm下降到0.35 μm，粗糙度降低了57%；間隙為2.5 mm時(shí)，彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度從0.82 μm下降到0.39 μm，粗糙度降低了52%；間隙為3.0 mm時(shí)，彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度從0.82 μm下降到0.43 μm，粗糙度降低了48%。因此，間隙越小時(shí)，彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度越低，工件的加工效率越高。原因是當(dāng)加工間隙過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致研磨壓力較小，研磨效率下降，且隨著研磨時(shí)間延長，彎管內(nèi)表面大凸起的表面被去除，而小凸起的表面長且寬，需要更長的時(shí)間來加工，使得加工效率進(jìn)一步下降。

2.3 彎管內(nèi)外側(cè)間隙試驗(yàn)

為驗(yàn)證前文提出的調(diào)節(jié)彎管內(nèi)外側(cè)間隙可在保障彎管外弧內(nèi)表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上，同時(shí)提高其內(nèi)弧內(nèi)表面質(zhì)量，開展內(nèi)外弧加工間隙試驗(yàn)。彎管試驗(yàn)的材料及尺寸等與2.2中的相同。根據(jù)彎管尺寸并結(jié)合式（6）可計(jì)算出彎管的外側(cè)弧長是內(nèi)側(cè)弧長的1.2倍。由2.2可知彎管內(nèi)弧內(nèi)表面原始粗糙度為0.82 μm，同樣測量彎管外弧內(nèi)表面的原始粗糙度，其值為0.70 μm，二者彼此間相差1.17倍。且2.2中加工間隙為1.5 mm時(shí)的粗糙度降低是加工間隙為2.0 mm時(shí)的1.09倍。基于以上數(shù)據(jù)，選取彎管內(nèi)外弧加工間隙均為2.0 mm以及調(diào)節(jié)外弧加工間隙為1.5 mm，內(nèi)弧保持原有加工間隙為2.0 mm不變時(shí)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

圖12為不同間隙下彎管內(nèi)表面粗糙度變化曲線。其中：彎管內(nèi)壁研磨區(qū)域每研磨15 min后取下彎管，與2.2中一樣處理彎管，從彎管內(nèi)弧和外弧的內(nèi)表面上各取3個(gè)點(diǎn)測量其表面粗糙度，最后取平均值。

圖12 彎管內(nèi)表面的粗糙度變化曲線Fig.12 Roughness variation curve of inner surface of elbow

如圖12所示：在同樣加工75 min的情況下，內(nèi)外側(cè)加工間隙均為2.0 mm時(shí)，彎管外弧的內(nèi)表面粗糙度從0.70 μm下降到0.34 μm，彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度從0.82 μm下降到0.32 μm；通過彎管研磨間隙的差異化，使外弧處加工間隙為1.5 mm，內(nèi)弧處保持為2.0 mm不變時(shí)，彎管外弧內(nèi)表面粗糙度從0.70 μm下降到0.26 μm，彎管內(nèi)弧內(nèi)表面粗糙度從0.82 μm下降到0.29 μm。因此，在同等加工時(shí)間下，彎管研磨間隙的差異化有助于提高彎管外弧內(nèi)表面的研磨壓力，使其表面質(zhì)量進(jìn)一步提升，同時(shí)也提高了加工效率。實(shí)現(xiàn)了在保障彎管外弧內(nèi)壁表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上，同時(shí)提高了內(nèi)弧內(nèi)表面的質(zhì)量。

2.4 彎管加工前后表面形貌分析

圖13是用超景深顯微鏡拍攝的GH63銅管內(nèi)壁加工前后的表面形貌。從圖13中可以看出：銅管未加工時(shí)，管內(nèi)壁因彎管加工工藝產(chǎn)生溝壑、裂紋、凹坑等表面缺陷，發(fā)生銹化反應(yīng)，造成其表面高度差較大，表面銹跡突出等；加工后，彎管表面的銹跡、褶皺、裂紋基本得到去除，表面質(zhì)量顯著提高。

圖13 間隙調(diào)節(jié)后彎管的內(nèi)表面微觀形貌Fig.13 Micro morphology of inner surface of elbow after gap adjustment

圖14是75 min加工前后的銅管內(nèi)表面宏觀圖。圖14中：內(nèi)表面銹跡等得到去除，表面形貌得到改善，其內(nèi)外側(cè)表面質(zhì)量均較好，且調(diào)整間隙一側(cè)的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于未調(diào)整間隙一側(cè)的表面質(zhì)量。

圖14 彎管加工前后的內(nèi)表面宏觀形貌Fig.14 Inner surface macro view of elbow before and after grinding

3 結(jié)論

（1）在同等加工時(shí)間下，加工間隙越小，表面粗糙度越低，工件加工效率越高。

（2）差異化研磨可以有效改善彎管內(nèi)部的表面質(zhì)量。在加工時(shí)間為75 min，彎管內(nèi)外側(cè)加工間隙均為2.0 mm時(shí)，彎管外弧的內(nèi)表面粗糙度從0.70 μm下降到0.34 μm，彎管內(nèi)弧的內(nèi)表面粗糙度從0.82 μm下降到0.32 μm；差異化研磨使彎管外弧處加工間隙為1.5 mm，內(nèi)弧處保持為2.0 mm不變，彎管外弧的內(nèi)表面粗糙度從0.70 μm下降到0.26 μm，彎管內(nèi)弧內(nèi)表面粗糙度從0.82 μm下降到0.29 μm。

（3）銅管未加工時(shí)，管內(nèi)壁因彎管加工工藝產(chǎn)生溝壑、裂紋、凹坑等表面缺陷，并發(fā)生銹化反應(yīng)，其表面高度差較大，表面銹跡突出等；加工后，彎管表面的銹跡、褶皺、裂紋基本得到去除，其表面質(zhì)量顯著提高。