磁力研磨法應(yīng)用于不同材質(zhì)工件的光整加工*

孫 巖 陳 燕 蘭 勇

(①遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧鞍山 114051;②鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧鞍山 114021)

磁力研磨加工技術(shù)是光整加工的新工藝、新技術(shù)，由于其獨特的加工特點，即磁力研磨法具有很好的加工柔性、自適應(yīng)性和自銳性，能夠?qū)崿F(xiàn)微小去除量，并且磁性研磨粒子可以進(jìn)入普通刀具無法介入的特殊加工領(lǐng)域，因此通過磁力研磨法可以實現(xiàn)精密加工和難加工工件表面的加工，磁力研磨技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景［1－2］。影響磁力研磨質(zhì)量和研磨加工效率的因素有很多，其中包括工件材質(zhì)和各種研磨加工條件。本文主要解析工件材質(zhì)的不同對磁力研磨加工特性的影響，并通過磁力研磨實驗加以驗證。

1 磁力研磨法的加工原理

磁力研磨法就是將磁性研磨粒子(強(qiáng)磁性的鐵粒子和具有研磨功能的粒狀研磨料)加入到磁極與工件之間，如圖1所示，磁極與工件之間可以有1～3 mm的間隙(稱為加工間隙)。由于磁場中磁力的作用，磁性研磨粒子在加工間隙中沿磁力線整齊排列，形成磁性磨粒刷，并壓附在工件表面，加工工件與磁極的相對運動，對工件表面進(jìn)行研磨加工［3－4］。

磁力的大小和方向是影響磁力研磨加工效率和質(zhì)量的最重要的一個因素。磁場域內(nèi)單個磨粒的受力如圖1所示。

受以下因素影響:

式中:F為等磁位方向的磁力Fy和磁力線方向的磁力Fx的合力;(?H/?x)/(?H/?y)為磁場強(qiáng)度變化率;D為磁性磨粒的直徑;k為磁性磨粒的磁化率;H為磁場強(qiáng)度。

由公式(1)可知，分布在磁場中的磁性磨粒所受到的磁力F主要由磁場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度變化率、磁性磨粒的直徑以及磁性磨粒的磁化率大小所決定［2］。磁極形狀能影響磁力線方向和磁場的分布，磁極開槽以后，開槽表面各處的工作間隙不同，磁場強(qiáng)度也就不同，因此可通過在磁極表面開槽的方式獲得磁場強(qiáng)度變化率［5］。

2 磁力線和磁場強(qiáng)度的有限元分析

在ANSYS中建立有限元模型，針對磁性材料模具鋼NAK80和非磁性材料不銹鋼SUS304分別進(jìn)行磁場強(qiáng)度和磁力線分布模擬，工件尺寸50 mm×50 mm×15 mm，磁極采用圓柱永磁鐵φ15 mm×30 mm，磁極表面開一字槽，加工間隙為2 mm，工作臺為鑄鐵工作臺。模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖2b和圖2d可以看出:當(dāng)工件是磁性材料時，工件在磁場中被磁化，成為新的磁極，工件與磁極間的間隙就是工作間隙，工作間隙小，加工區(qū)域磁力線密度較大，磁場強(qiáng)度較大，“磁性磨粒刷”剛度較大;由圖2a和圖2c可以看出:當(dāng)工件是非磁性材料時，工件不能被磁化，當(dāng)工作臺采用強(qiáng)磁材料制成時，工作臺則成為另一個磁極，磁力線象X射線一樣穿過工件，此時的工作間隙是磁極與工作臺之間的距離，工作間隙大，加工區(qū)域磁力線密度較小，磁場強(qiáng)度?。?］。

3 磁力研磨實驗與結(jié)果分析

通過實驗驗證模擬結(jié)果，如圖3所示，實驗裝置在普通銑床上改裝完成［7］，主軸由電動機(jī)驅(qū)動，用開一字槽永磁鐵替換銑刀并固定在主軸上，永磁鐵隨主軸旋轉(zhuǎn)。取磁性材料模具鋼NAK80和非磁性材料不銹鋼SUS304為被加工工件分別進(jìn)行磁力研磨實驗，工件表面凸凹不平，并存在原始加工微小裂紋。在加工間隙處放入適量的磁性磨料(鐵粉和氧化鋁粉燒結(jié)經(jīng)破碎后的粉體)，工件裝卡在鑄鐵工作臺上，實驗條件如表1所示。在加工過程中，由于磁力的作用，磁性磨粒沿磁力線排列成具有剛性的磁性磨粒刷，壓附在工件表面。主軸旋轉(zhuǎn)，工件往復(fù)移動，磁極和工件表面產(chǎn)生相對運動，從而完成對工件表面的光整加工。

表面粗糙度能夠定量表征加工表面的微觀不平度，被加工工件表面粗糙度隨研磨加工時間的變化情況如圖4所示。

由圖4可以看出，研磨加工90 s后，模具鋼NAK80工件的表面粗糙度從Ra1.35 μm降到Ra0.08 μm，而不銹鋼SUS304工件的表面粗糙度從Ra1.35 μm降到Ra0.62 μm，可見在研磨加工初始階段磁性材料工件的金屬去除率較快，表面粗糙度變化率較大，驗證了研磨加工磁性材料工件時磁場強(qiáng)度大，導(dǎo)致磁性磨料對工件表面的研磨壓力大，磁性磨料與工件間的摩擦力也很大，使工件表面的突起和毛刺等缺陷快速被去除，研磨效率高，實驗結(jié)果與前述模擬結(jié)果相符;在相同加工條件下，不銹鋼SUS304在研磨540 s后能達(dá)到最佳研磨效果，表面粗糙度為Ra0.09 μm，模具鋼NAK80在研磨90 s后能達(dá)到最佳研磨效果，表面粗糙度為Ra0.08 μm，可見相同加工條件下，磁性材料工件的最佳研磨時間比非磁性材料短，并且磁性材料工件的最佳研磨質(zhì)量比非磁性材料工件好，說明磁力研磨磁性材料工件比非磁性材料工件效率更高，質(zhì)量更好;同時超過最佳研磨時間后繼續(xù)研磨加工，兩種材質(zhì)的工件表面粗糙度都稍微有所回升，表面質(zhì)量下降，說明磁力研磨加工存在一個最佳的研磨加工時間，如果超過這個時間，加工效果也不會因加工時間的延長而進(jìn)一步改善。

表1 實驗條件

采用表面粗糙度儀測量工件表面粗糙度，采用超景深3D顯微鏡測量工件表面形貌。研磨加工60 s后，不銹鋼SUS304和模具鋼NAK80的表面質(zhì)量相差最懸殊，此時兩種材質(zhì)的表面粗糙度和表面紋理如圖5所示。

由圖可見，加工60 s后，模具鋼NAK80能達(dá)到表面粗糙度Ra0.104 μm，而不銹鋼SUS304只能達(dá)到表面粗糙度Ra0.729 μm，并且模具鋼NAK80的表面形貌要比不銹鋼SUS304更平整，表面質(zhì)地更均勻，原始加工紋理去除得更好。

4 結(jié)語

(1)通過ANSYS模擬分析得出，相同條件下，磁力研磨加工磁性材料工件與非磁性材料工件相比，加工磁性材料工件時工作間隙較小，加工區(qū)域的磁力線密度較大，磁場強(qiáng)度也較大。通過磁力研磨實驗，驗證了在相同加工條件下，磁力研磨加工磁性材料工件比加工非磁性材料工件研磨效率更高，研磨質(zhì)量更好。

(2)研磨加工時間越長，工件表面粗糙度越小，但超過最佳研磨加工時間后，不僅不能繼續(xù)降低工件表面粗糙度反而還會降低研磨加工效率，甚至破壞加工過的表面。因此研磨加工時要根據(jù)材料的磁導(dǎo)率，適當(dāng)設(shè)置研磨時間，以達(dá)到最佳的研磨效果。

［1］賀美云，白增樹，孟麗霞.磁性磨料的制備技術(shù)［J］.表面技術(shù)，2005(4):76－77.

［2］宋慶環(huán)，董瑞寶，張悅.磁研磨加工中工件的不同材質(zhì)對表面粗糙度的影響［J］.煤礦機(jī)械，2012(8):141－142.

［3］Girma Berhanu，Joshi Suhas S，Raghuram M V G S，et al.An experimental analysis of magnetic abrasives finishing of plane surfaces［J］.Machining Science and Technology l 2006，10(3):323 －340.

［4］陳燕.磁研磨法在復(fù)雜形狀軸類零件加工中的應(yīng)用［J］.機(jī)械制造，2005(3):53－55.

［5］宋慶環(huán).磁研磨法應(yīng)用于模具型腔的光整加工［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2009(2):248－250.

［6］陳燕，巨東英.磁研磨裝置設(shè)計中的磁力線分析［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2005(8):101－103.

［7］張萍萍，張桂香.平面磁力研磨裝置及磁極設(shè)計［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報，2011(11):67－70.