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遼寧科技大學應用技術學院，遼寧 鞍山114051;②遼寧科技大學機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山114051;③宇都宮大學大學院工學部，日本 宇都宮321-8585)

磁力研磨法因具有研磨效果好、自適應性強等優(yōu)點而廣泛應用于各種工件的拋光加工。以磁場束縛磁性磨粒對工件表面進行光整的方法結構簡單、成本低廉，但研磨效率相對低，耗時長。為此，本文試圖以恒壓的方式改善效率，并進行了實驗研究。利用自行設計的平面研磨裝置，在旋轉磁極的軸向施加一定質(zhì)量的載荷。針對SUS304鋼板進行磁力研磨對比實驗，分析了加工效果差異產(chǎn)生的原因，并總結了恒壓對平面磁力研磨效果的影響。

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

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)速電動機通過軟軸驅動，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磁極施加軸向靜載。XY工作臺使轉動的磁極在水平面內(nèi)做圓周運動，磁極運動軌跡如圖2所示。工件采用真空吸附定位在底座上，底座則由電動滑臺驅動從而實現(xiàn)工件直線往復移動。XY工作臺的運動速度和運動軌跡，以及電動滑臺的速度、行程和往復次數(shù)都可以通過控制電腦進行預設定。

1.2 實驗條件

由于影響磁力研磨效果的因素很多，如磁極大小、形狀、轉速，磁粒成分和粒徑，研磨間隙等。所以為了對比施加恒壓前后平面研磨效果，首先確定了實驗條件，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、研磨間隙自由時對工件進行研磨加工。

表1 實驗條件

2 實驗結果與分析

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

(1)表面粗糙度與材料去除量

使用表面粗糙度測量儀(SE-2300)檢測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，并且在研磨開始的6 min內(nèi)尤為突出，但是，隨著研磨時間的延續(xù)，施加壓力后表面粗糙度的變化趨勢明顯趨緩，且在隨后的一段研磨時間內(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)，與之對應的傳統(tǒng)方案，表面粗糙度值可進一步減小至Ra0.5μm才趨于穩(wěn)定?？梢娛┘雍銐毫τ诒砻娲植诙仍谘心コ跗谂c傳統(tǒng)方法一致，但到后期其值要較無載荷研磨時大很多。由A、B、C這3處的表面粗糙度變化曲線圖還可知，在研磨過程中，兩種方案中A、C兩區(qū)域的表面粗糙度變化趨勢基本一致，而B區(qū)域的表面粗糙度變化始終相對較快，且經(jīng)過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［2］所做分析相符。

使用精密電子天平測量材料去除量，得到材料去除量對比圖，如圖4d所示?？煽闯?，在研磨初期，兩種方案材料去除量相當，隨著研磨時間的增加傳統(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

利用表面粗糙度測量儀(MITSUTOYO SV-624-3D)對圖3中P-P處進行檢測，結果如圖5所示。傳統(tǒng)方案時，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，研磨寬度λ的表面相對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證。

(3)3D表面輪廓

利用光學輪廓儀(wyko)檢測兩個試件中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的規(guī)律基本一致，其原因與研磨軌跡有關。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結果一致。對比圖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)磁力研磨工藝對平面進行研磨加工主要依靠磁場對磁性磨粒束縛，使其在工件表面產(chǎn)生相對運動，磨粒就會對工件表面產(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為相對運動速度;t為時間。

未施加恒壓力之前，壓力P與磁場強度分布有關，具體值可以通過公式(2)計算得出。利用有限元軟件ANSYS對研磨過程中的磁場分布進行模擬分析，得到磁感應強度分布云圖如圖7，可以看出工件上磁極中心區(qū)域磁感應強度值較高。但材料去除量M還與相對運動速度v有關，在磁極的外邊緣處相對運動速度v最大，磁極中心最小，綜合來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動軌跡相關。當軸向施加恒壓力后，壓力P則為恒壓力與公式(2)計算值之和。此時，磁極與工件之間的作用力在接觸區(qū)域內(nèi)分布相對較為均勻。圖8為研磨6 min后，磁極形狀的對比，可看出施加壓力后，整個磁極除中心很小范圍外都與工件接觸，接觸區(qū)域明顯要多于無載荷狀況，而無載荷狀況的接觸區(qū)域僅為Ф6～10 mm的圓環(huán)。

式中:P0為磁場力;H為磁場強度;μ0為空氣磁導率;μm為磁性磨粒磁導率。

(1)施加恒壓力后，壓力P增大，當其他因素不變時，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，表面粗糙度值可以進一步減小。

(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呈正比例關系，施加恒壓力后，壓力P雖增大，去除量M也應顯著提高，但恒壓力對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，導致研磨后期磨粒數(shù)量減少;并且恒壓力使得磁場作用下磨粒的翻滾、更新能力變?nèi)?，磨料研磨能力逐漸下降。綜上原因，改善方案最終導致材料去除量減小，工件表面的傳統(tǒng)方案時更加清晰明顯。

(3)根據(jù)磁力研磨原理，傳統(tǒng)方案時，磁極的外周為主加工區(qū)域。由參考文獻［2］可知，分析磁極外周的運行軌跡，可以預測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)域得以擴大，此時整個接觸區(qū)域均對工件進行研磨，研磨效果不能延續(xù)傳統(tǒng)方法進行判定，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 結語

通過兩種方案的試驗對比，分析恒壓力對平面磁力研磨的影響，得到如下結論:

(1)施加恒壓力進行平面磁力研磨時，研磨初期工件表面粗糙度值減小較快，但隨著研磨時間的增加，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，最終材料總去除量僅為傳統(tǒng)方案的69%。

(2)施加恒壓力進行平面磁力研磨時，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)施加恒壓力進行平面磁力研磨時，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重要的作用。

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