基于環形磁場勵磁的兩面磁力拋光試驗研究

阮日新　羅虎　王永強　陳逢軍　胡天　尹韶輝

摘要：磁力拋光多數以單面拋光為主，較少有雙面同時有效拋光方式。本文提出了基于環形磁場勵磁的磁力拋光新工藝，該方法可以同時有效拋光兩個表面。通過設計能勵磁環形磁場的電磁鐵，并進行三維有限元仿真分析，搭建了環形磁場雙面拋光裝置。利用該平臺進行不銹鋼兩面拋光工藝試驗研究，探討了電流強度、磁極與工件間間隙、主軸轉速和拋光時間工藝等參數對表面粗糙度R_a的影響。得出表面粗糙度R_a隨著拋光時間、工作間隙、工件轉速的增大而減小。設計正交實驗方案得出合理的兩面磁力拋光工藝參數，并最終取得了具有良好表面粗糙度R_a的兩面工件樣品。試驗證明，該方法可以同時對工件的兩個表面進行拋光，兩個表面的表面粗糙度R_a由最初0.2μm下降到R_a（S）=0.094μm和R_a（N）=0.068μm。

關鍵詞：磁力研磨；環形磁場；兩面拋光；磁場仿真

中圖分類號：TH161 文獻標識碼：A

磁力拋光加工具有比較好的柔性、自適應性、自銳性、可控性，無須進行工具磨損補償與修形。磁力拋光克服了傳統精密研磨拋光方法在加工非規則形狀的容器內壁、彎管內表面、微細管內面，去除內孔毛刺、交叉孔毛刺，拋光模具復雜曲面等方面的不足。磁力拋光對于解決復雜型面光整加工有特定的優勢，近年來引起了廣泛重視。

國內外已研究出多種磁力研磨拋光工藝。前蘇聯于20世紀70年代，研制出了8MN系列平面磁力研磨機床，開發了平面磁力拋光工藝。日本學者Shinmura將磁力拋光工藝拓展至加工外圓、內圓、曲面、球面等難加工工件，并對相應的磁力加工原理、不同參數下光整加工特性和影響因素進行了研究。尹韶輝等借助振動與磁力拋光復合方法對復雜凹凸類零件進行拋光，認為磨料顆粒大小影響工件內部表面質量素。Jeong-DuKim等為實現自動控制磁力拋光，研制了基于計算機控制的旋轉磁場磁力研磨加工系統。胡德金等設計了新型回轉磁場裝置，能同時產生往復磁場和回轉磁場，并對多種材料管狀工件內表面進行了磁力拋光試驗。許雪峰等提出了一種磁性復合磨?；瘜W機械拋光新工藝。

另一方面，磁力拋光較低的加工效率是制約其走向工業應用的重要原因。為提高磁力拋光技術的效率，國內外學者做了一些研究。如Shinmura在對磁力拋光原理和工藝進行深入的理論分析后，研究了加工間隙、磁場強度、磁性磨粒的成分和粒度、磨料與工件的相對移動速度等因素對加工效率和質量的影響。尹韶輝等在利用振動輔助對鎂合金進行磁力拋光試驗時，加工工件的表面質量和去除量得到提高。李億勛等人借助二維振動對304不銹鋼進行磁力研磨實驗，實驗結果表明，二維振動磁力研磨不僅能提高工件的表面質量，而且能提高去除效率。

目前磁力拋光主要以單面拋光為主，對同時雙面拋光研究較少。雙面拋光能明顯縮短拋光時間，有利于生產效率的提高。本文提出一種基于環形磁場輔助的磁力拋光新工藝，可以同時對相應零件進行雙面拋光，通過采用田口法設計正交試驗方案，對電流強度、工作間隙、主軸轉速和加工時間等參數進行工藝實驗研究。

1 雙面磁力拋光原理及裝置

環形磁場兩面磁力拋光原理如圖1所示，主要包括電磁鐵、夾具、工件軸。環形間隙中填滿拋光粉。工件裝夾在一個特定尺寸圓盤形夾具上，該夾具與立式銑床的主軸相連，夾具和工件可以隨著立式銑床的主軸旋轉，并且旋轉速度可以調節。工件與電磁鐵鐵芯間的距離為工作間隙δ_w。磁力拋光加工時，電磁鐵接通直流電源后，鐵粉顆粒在環形磁場中組成一條條沿徑向分布的磁鏈，從而形成強粘度的磁力刷。當工件在環形間隙中作切割磁鏈運動時，使原來一條沿徑向分布的磁鏈斷裂成兩條，從而形成了兩個微小刷頭；這兩條暫時斷裂的磁鏈在磁場的作用下有相互愈合的趨勢，會擠壓均勻分布于這些磁力刷頭之中的磨粒，使磨粒與工件的兩個表面相互作用實現材料的去除，以達到同時光整加工工件兩個表面的目的。

勵磁系統是磁力拋光實驗裝置的關鍵，其主要包含具有環形間隙結構的電磁鐵，電磁鐵主要由直流電源、線圈、鐵芯、導磁板等組成。當提供一個直流電流給線圈后，線圈環繞的鐵芯會被磁化，形成一個圓柱形磁鐵。當鐵芯與純鐵材料制成的導磁板相連時，電磁鐵會經由導磁板間形成一個閉合回路。如果將上導磁板開一個圓孔，使圓孔與圓柱鐵芯同心且保留一定的間隙，當該間隙很小時，不會影響磁路的形成，這樣在上導磁板與鐵芯間會形成一個徑向的環形磁場。改變通往線圈電流的大小可以得到不同磁場強度的環形磁場，電流可調節的范圍是0.25A至6A。

磁力拋光試驗裝置由立式銑床和自行研制的勵磁裝置組成，如圖2所示。

2 磁場有限元分析

2.1 Maxwell有限元仿真模型及結果

使用Maxwell軟件建立勵磁電磁鐵三維有限元分析模型如圖3所示。該模型中鐵芯和導磁板的材料都選工業純鐵。線圈匝數為300，厚度為90mm，線圈的軸向長度為100mm；工業純鐵的相對磁導率根據純鐵的含鐵量分為6000到240000不等，本文選用默認值10000；空氣的相對磁導率為1。采用軟件默認方式自動生成網格，激勵源為電流，大小為3A。對于3D靜磁場分析，以空氣環境包圍整個區域的求解域，與所需要的磁場邊界條件滿足無限遠邊界條件。

經過仿真計算，得到電磁鐵的磁場強度分布如圖4所示，環形間隙的磁感應強度介于1.25T至1.43T。圖4（a）顯示電磁鐵在其環形間隙處形成的磁場強度均在1T以上，且沿徑向方向分布均勻。磁場分布越均勻，磁力拋光時形成的剪切力變化越小，對工件原有的表面形狀精度影響就越小。能使工件在保持原有形狀精度的條件下，快速提高其表面粗糙度R_a，獲得高精度、高質量的表面。圖4（b）是磁場在環形間隙中沿縱向方向的磁感應強度分布，磁感應強度可以明顯分為三個梯度，環形間隙上部縱向均勻性較好，環形間隙底部均勻性稍差。雙面磁力拋光時，工件主要位于環形磁場的上部磁場中加工，有利于提高拋光表面各點的材料去除率和表面質量的均勻性。

2.2 Maxwell有限元仿真數學基礎

麥克斯韋方程組是適用于所有宏觀電磁現象的數學模型，是電磁場理論的基礎，也是工程電磁場數學分析的出發點。麥克斯韋方程組微分形式：式中：H為磁場強度，A/m；，為電流密度，A/m²；D為電通量密度，C/w²；E為電場強度，V/m；B為磁感應強度，T；p為電荷密度，C/m³。

聯立方程（1c）和（1d）即可得電磁場靜磁場分析的方程組：

以上方程組是電磁場有限元方法分析的理論基礎。有限元法以變分原理為基礎，把要求解的微分方程型數學模型應用于有限元計算中，通常先將方程化為二階方程，再將二階方程進行有限元數值求解。三維靜磁場的二階齊次方程組為：式中ε為介質的介電常數，F/m；δ為介質的電導率，s/m；μ為介質的磁導率，H/m；Φ為標量電勢。對于各項同性介質，ε，δ和μ是標量；對于各項異性介質，ε，δ和μ是張量。

2.3 磁感應強度測量

為驗證仿真數據的可靠性，測量在離電磁鐵上端面向下5mm處，由N極向S極沿徑向方向測量環形間隙中的磁感應強度的分布情況，如圖5所示?？梢钥闯鲅貜较蚍较虼鸥袘獜姸认葴p小后增大，且關于間隙中心對稱，但靠近N極的磁場強度略大于S極。磁場在空氣中衰減很快，距離導磁板和鐵芯越遠，磁感應強度越弱，故環形間隙中心磁感應強度最小。圓柱電磁鐵形成的磁感應線從圓柱鐵芯出發，經導磁板和環形間隙，最后回到鐵芯形成一個閉合回路，在這個過程中空氣的相對磁導率遠遠小于鐵芯和導磁板，故產生的磁場在環形間隙中衰減最快，使N極附近磁場強度略大于S極，形成一個類似“V”型的磁場。

磁感應強度介于1.08T～1.26T，與仿真計算值1.25T～1.43T誤差為11.8%～13.6%。由于實際所用的材料屬性，機械加工過程中的開孔、螺紋等，與有限元模型有偏差；數學模型也不可能完全如實反映實際模型的數學關系，故該誤差是可以接受的。

3 拋光試驗條件

3.1 試驗材料

選擇不導磁材料SUS202不銹鋼薄片（25×60×3）為試驗材料。實驗工件預先用傳統方法進行拋光，使其表面粗糙度R_a值約為0.2μm。

3.2 試驗方案

為研究拋光時間對工件表面粗糙度R_a的影響，選取一不銹鋼薄片進行磁力拋光試驗。試驗前，測量其表面粗糙度R_a，隨后每加工30min后，測量其表面粗糙度R_a，直至加工時間到180min。整個過程保持試驗條件I=2A，δ_w=3mm，n=100r/min與裝夾條件不變。

選取工作間隙δ_w，轉速n，加工時間t作為試驗參數，實驗方案按照田口法設定，按照3個變量和3個水平變化，如表1所示。選用正交表L₉（3³）進行正交實驗。試驗中，將工件靠近電磁鐵是南極S面的表面粗糙度記為R_a（S），靠近電磁鐵北極N面的記為R_a（N）。

4 試驗結果與分析

4.1 拋光時間對表面粗糙度R_a的影響試驗

試驗前用砂紙對選取的不銹鋼薄片進行拋光，以保證其兩面表面粗糙度值相近，約0.3μm。試驗結果如圖6所示。

由圖知，表面粗糙度R_a隨著拋光時間的延長，先急劇減小，后減小緩慢，最后趨向于飽和。拋光初期，工件原始表面質量差，工件表面絕大部分尖銳凸起部分與磨粒相互作用被去除，表面粗糙度R_a值下降較快；隨著拋光的進行，工件表面越來越光滑，磨粒與工件的相互作用越來越弱，表面粗糙度R_a值下降放緩；隨后，受到磨粒本身粒度的限制，拋光時間增長，表面粗糙度R_a值達到飽和狀態。

60min前，R_a（S）值下降得比R_a（N）快；60min以后，R_a（S）值下降得比R_a（N）慢，并且先達到飽和狀態，且最終R_a（S）飽和值比R_a（N）飽和值大。這是因為當δ_w為3mm時，近S極面磁感應強度比近N面要大，從而磁力拋光時磨粒受到磁鏈的壓力越大，使得磨粒與工件表面相互作用的剪切力越大，使前期去除工件表面材料更多，故拋光初期近S極表面粗糙度值下降得快，拋光后期R_a（S）值先達到飽和值。表面粗糙度值與磨粒切入深度有關，切入深度越大，表面粗糙度值越大。磨粒的切人深度與磨粒所受到的壓力有關，壓力越大，磨粒切入工件表面越深，而雙面磁力拋光中，壓力受環形磁場中磁感應強度的控制，磁感應強度越強，形成的磁鏈對磨粒的壓力就越大，故R_a（S）飽和值比R_a（N）飽和值大。

4.2 不銹鋼磁力拋光優化試驗

采用正交法進行試驗，分析工藝參數δ_w，n，t對拋光后不銹鋼表面粗糙度R_a的影響，并得出三因素三水平下最優工藝參數組合。選用L₉（3³）作為試驗分析的正交表，試驗結果如表2所示。

由表2知，三個因素每個水平均出現三次，為減少試驗過程中誤差對試驗結果的影響，取三次的平均值進行分析，結果如圖2所示。

由圖7知，R_a（S）普遍比R_a（N）大，這是因為近S極加工工件表面的磁感應強度大于近N極的緣故，磁感應強度越大，磁性顆粒擠壓拋光顆粒作用于工件表面的壓力越大，故磨粒切入越深，磨粒刮擦、劃刻工件表面留下的痕跡越深，因而表面粗糙度值越大。

表面粗糙度R_a隨著拋光時間、工作間隙、工件轉速的增大而減小。拋光時間越長，磁力拋光作用越充分，故表面粗糙度R_a??；工作間隙越大，環形間隙中的磁感應強度越小，形成的磁鏈對磨粒的壓力越小，磨粒切入工件表面的深度越淺，因而磁力拋光后殘留的痕跡越淺，故表面粗糙度R_a??；工件轉速越高，單位時間內與工件表面相互作用的磨粒數量越多，提高了拋光效率，磁力拋光更充分。

工作間隙δ_w，拋光時間￡和轉速n對R_a（S）和R_a（N）的影響趨勢相同，故δ_w=3.5mm，t=60min，n=120r·min^-1時為最優。

電流強度I對R_a（S）和R_a（N）的影響不同，為獲得其最優參數，需要綜合極差分析。

定義指定電流I在i水平下對表面粗糙R_a（S）和R_a（N）的影響率C_I1，i，C_I2，i為：

其中B_I為指定電流在i水平下的表面粗糙度R_a，B_min和R_B分別為該電流和時間三個水平下的最小表面粗糙度R_a和表面粗糙度R_a極差。C_I，i越小，表示指定電流在i水平下對表面粗糙度R_a的影響程度越小，可獲得的表面粗糙度R_a越小。根據式（2），式（3）和表3計算電流在各水平下對表面粗糙度R_a的影響率，如表4所示。

定義指定電流在i水平下對表面粗糙度R_a（S）和R_a（N）的綜合影響率C_I，i為：

C_I，i越小，表示該電流強度水平下對表面粗糙度R_a（S）和R_a（N）的綜合影響率影響越小，此時，可獲得較小的R_a（S）和R_a（N）。根據式（4）對表4求和，計算電流，各水平下對表面粗糙度R_a（S）和R_a（N）的綜合影響率，如表5所示。

取綜合影響率最小值確定電流I為I₂。因此尺寸的理想組合為I₂t₃δ₁n₃，即：I=2.5A，t=60mim，δ_w=3.5mm，n=120r·min^-1。

4.3 試驗驗證

為驗證優化后工藝參數的可靠性，保持其它條件不變，在最優參數即：I=2.5A，t=60mim，δ_w=3.5mm，n=120r·min^-1條件下進行試驗。獲得了最好的試驗結果：R_a（S）=0.094μm和R_a（N）=0.068μm，小于磁力拋光工藝試驗表面粗糙度R_a。不銹鋼薄片兩面拋光后與原不銹鋼薄片實物對比圖如圖8所示。

拋光時間40min后，在VHX-1000超景深三維數碼顯微鏡2500倍下測量的結果如圖9所示。拋光前，經過粗加工的不銹鋼表面質量非常差，表面損傷嚴重，加工后殘留痕跡多。拋光40min后，絕大部分表面損傷已經被去除，僅留下少量較深的痕跡。由于近S面磁感應強度比近N面要大，故R_a（S）=0.094μm大于R_a（N）=0.068gm。

5 結論

1）提出了一種基于環形磁場的磁力拋光方法，可以同時對工件的兩個表面進行拋光，以不銹鋼薄片作為試驗材料進行試驗，兩個表面的表面粗糙度R_a得到大幅降低。

2）設計正交試驗方案，進行工藝試驗，得到環形磁場下磁力拋光最優工藝參數并進行試驗驗證，最終得到R_a（S）=0.094μm和R_a（N）=0.068μm的試驗結果。