基于磁力研磨法對微型槽的精密研磨研究*

呂興國，韓 冰，陳 燕

（遼寧科技大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，鞍山 114051）

隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，微型零部件的應(yīng)用也越來越廣，且對微型工件的加工精度與使用要求變得更高，如在航空領(lǐng)域應(yīng)用的微型燃油噴嘴，在切削加工后旋流槽棱邊會殘留毛刺，同時槽底面出現(xiàn)凸凹不平的切削加工紋理。旋流槽底面不平整，將導(dǎo)致燃油的霧化油滴不均勻，造成燃燒室出口溫度場不穩(wěn)定。同時，棱邊毛刺的存在也會對噴嘴口的流量和噴霧錐角產(chǎn)生較大影響，使燃油流量及霧化不均勻，降低燃燒室的燃燒性能，對發(fā)動機的推力、耗油量和工作可靠性造成不良影響[1-3]，微型噴嘴旋流槽的光整表面質(zhì)量直接影響燃油的霧化質(zhì)量。在保證微型噴嘴旋流槽尺寸精度的情況下，對棱邊去毛刺及槽底面光整加工，已成為微型工件光整加工中亟待解決的技術(shù)難題。由于微型工件特征尺寸很?。▽挾葹?.5～2.5mm），利用傳統(tǒng)加工方法難以去除毛刺；槽底面光整加工時很有可能造成工件尺寸誤差，甚至損傷工件，對其使用性能造成很大影響。

磁力研磨法具有柔性、自適應(yīng)性好、自銳性強、升溫慢并且不需要進行工具磨損補償?shù)葍?yōu)點，已成功應(yīng)用于彎管內(nèi)外表面、平面及自由曲面光整加工等多種加工領(lǐng)域[4-7]?；诖帕ρ心シǖ墓に囂攸c及工件的結(jié)構(gòu)特征，自行設(shè)計了針對微型噴嘴窄槽光整加工的研磨裝置，實現(xiàn)對微型噴嘴旋流槽棱邊去毛刺及槽底面光整研磨 ，滿足零件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求[8]。

1 磁力研磨加工原理

1.1 加工原理

圖1為磁力研磨加工原理示意圖。在永磁鐵形成的磁場中，導(dǎo)磁的工件被磁化，與磁極形成磁回路，在磁場的作用下，磁性研磨粒子被磁化并沿著磁力線形成具有一定強度的磁粒刷。當磁極帶動磁粒刷向左進一步接近工件時，磁粒刷在磁力作用下變形擠壓在工件表面，料筒限制了磁性磨料的溢出，迫使研磨粒子沿窄槽擠出，完成對工件槽底面的研磨加工。磁極向右返回過程中，磁粒刷在磁力作用下恢復(fù)初始狀態(tài)，完成一次研磨周期，如此反復(fù)運動若干個周期，磁性磨料在磁力與料筒約束力的作用下對窄槽進行劃擦、研磨，完成對工件窄槽棱邊去毛刺及槽底面光整加工。

根據(jù)Preston經(jīng)驗公式[9]：

式中：R為材料的去除量，單位mg；K為與加工條件相關(guān)的比例常數(shù)；P為磁性磨粒在工件上的研磨壓力，單位N；v為磁極與工件之間的相對速度，單位mm/s。

由公式（1）可知，完成工件槽底面的研磨加工需具備以下兩個條件：

（1）工件與“磁粒刷”有相對運動（窄槽底面與磁粒刷有接觸研磨運動）。

（2）磁性磨料對工件研磨區(qū)域有研磨壓力。

如圖1所示，研磨壓力P是由磁場力Fm（Fx與Fy合力Fm）與外界擠壓力Fn（Fh與△Fv合力Fn）組成。根據(jù)磁力研磨靜力分析可知,磁力研磨壓力Fm為等磁位線方向的Fy和磁力線方向的磁力Fx的合力。外界擠壓力Fn由水平推力Fh與變力△Fv合力決定在水平推力Fh不變的情況下，研磨過程中磁性磨料受到的料筒約束力△Fv隨磁性磨料用量、窄槽槽底傾角（0～45°之間）的增加而增大，磁性磨料對工件窄槽底面的擠壓力Fn也會變大。同時工件自轉(zhuǎn)攪動磁性磨料，使磁性磨料粒子能充分翻滾，產(chǎn)生自發(fā)的攪拌現(xiàn)象[10]，實現(xiàn)磁性磨料粒子切削刃的更新，更有助于提高槽底面加工質(zhì)量。

圖1 磁力研磨加工原理圖Fig.1 Schematic magnetic abrasive finishing

1.2 磁場強度理論分析

圖2為靜磁場中噴嘴模型的磁場強度分布有限元模擬圖。由圖2可知噴嘴旋流槽的棱邊處磁場強度為0.975～0.709T，槽底面及其他部分在 0.709～0.310T。噴嘴棱邊處磁場強度最強。

影響棱邊毛刺去除的主要因素是研磨壓力P1。研磨壓力與磁場力相關(guān)公式如下：

式中，B為作用面處的磁感應(yīng)強度（T）；μm為磁性研磨粒子團的相對磁導(dǎo)率（H/m）；μ0為空氣磁導(dǎo)率[11]，取4π×10-7H/m。

研磨壓力P1與磁場強度B的平方成正比，磁性磨粒會在磁場作用下被磁化并在磁場強度大的區(qū)域聚集。由圖2可知棱邊處磁場強度最大，磁性粒子會在棱邊處聚集形成研磨粒子團。研磨粒子團在外部磁極的帶動下對窄槽棱邊進行往復(fù)研磨。整個研磨過程中，微小的磁性磨料粒子作為研磨工具，對窄槽棱邊毛刺進行微量磨削去除，確保了工件的尺寸精度。

圖2 工件模型表面磁場強度分布Fig.2 Workpiece surface magnetic field intensity distribution

2 試驗過程

2.1 試驗裝置

圖3為磁力研磨裝置。將磁性磨料與研磨液混合均勻并填充到料筒內(nèi)。將工件夾持于主軸夾具上，工件隨主軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為120r/min；啟動步進電機并調(diào)至試驗轉(zhuǎn)速，使磁極以140n/min頻率作往復(fù)進給運動。料筒內(nèi)磁性磨料吸附于內(nèi)置磁極上并隨其運動擠壓、研磨工件表面，完成對工件窄槽棱邊去毛刺及底面光整加工。主軸的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對磁性磨料粒子團的充分攪動，使磁性磨料粒子附加了一個外在攪動翻轉(zhuǎn)輔助功能，完成磁性磨料粒子的自銳更替，充分發(fā)揮磁性磨粒的研磨能力，提高研磨質(zhì)量。

圖3 試驗裝置Fig.3 Experimental setup

2.2 試驗條件

試驗工件為某航空發(fā)動機燃油噴嘴，硬度高、耐高溫、合金導(dǎo)磁材料。試驗條件如表1所示。磁極選用Nd-Fe-B圓柱形永磁體[12]；磁性磨料為自主研發(fā)的鐵基白剛玉磁性磨料[13]；研磨液為大連盛瑞貝爾化工有限公司生產(chǎn)的勞力恩SR-9911研磨液，在研磨過程中有潤滑、散熱、防止磨料對工件的干摩擦、有助于降低粗糙度等輔助作用[14]；每次試驗前后工件的材料去除量采用精密電子天平稱量，工件窄槽主要尺寸及微觀形貌變化由日本基恩士生產(chǎn)的VHX-500F超景深3D電子顯微鏡觀測。

表1 試驗條件

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 槽底表面形貌

按照試驗條件進行一系列研磨試驗，用3D超景深電子顯微鏡觀察、記錄工件研磨前后加工區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)。圖4為噴嘴旋流槽底面研磨前后的表面形貌變化，紅線部分為同一位置處縱向的高度差變化，由原始高度差53.5μm研磨后變?yōu)?2.1 μm，研磨前后變化顯著。由圖4（a）可知研磨前工件窄槽底面表面形貌明顯的凹凸不平，表面紋理突出，且在3D圖像中顏色的變化較大，槽底面有較高高度差，表面質(zhì)量較差。研磨3min后，如圖4（b）工件窄槽底面顏色分布均勻，工件窄槽底面趨于平整，且表面加工紋理基本去除，槽底面高度差變小，表面質(zhì)量顯著提高。

圖4 凹槽底面形貌研磨前后對比Fig.4 Comparison of groove bottom topography before and after polishing

料筒中填充的磁性磨料粒子在磁場力Fm與料筒內(nèi)壁約束力Fn合力作用下被嵌入到凹槽底面，磁性磨粒受到的合外力轉(zhuǎn)化為研磨壓力P壓附于凹槽底面，同時磨料在外部磁極帶動下以一定速度完成對凹槽底面光整研磨，最終使得凹槽底面更加平整。驗證了理論分析中對凹槽底面加工的可行性。

3.2 棱邊毛刺

圖5為3D超景深電子顯微鏡觀察工件窄槽棱邊毛刺研磨前后的表面形貌變化，可以看到其原始棱邊有明顯的毛刺（圖中紅圈區(qū)域）存在，研磨3min后，棱邊毛刺基本去除，棱刃更加圓整，棱邊3D圖像顯示研磨后棱邊趨于平直。

根據(jù)對工件表面磁場強度分布進行模擬分析，得到在凹槽棱邊處的磁場強度B最大，加工過程中磁性磨料在棱邊處聚集最多且磁場力P1最大，使得磨料對棱邊的研磨壓力最大，同時在隨磁極運動過程中對棱邊的研磨更加充分，最終去除棱邊毛刺，提高了棱邊質(zhì)量。

3.3 主要尺寸

微型工件窄槽的光整加工對尺寸要求較高，不允許窄槽尺寸有過大改變。因整個加工過程，參與各棱邊研磨光整的磁性磨料主要受磁場力作用，其研磨為柔性微量磨削研磨，尺寸變化很小。如圖6所示，槽寬由原始的592.85μm變?yōu)?16.99μm，旋流槽頂端圓周直徑從1963.38μm變?yōu)?968.55μm。各棱邊毛刺基本去除，棱邊更加平滑，主要加工后尺寸無明顯變化，符合技術(shù)要求。

圖5 棱邊毛刺去除對比Fig.5 Comparison of edge burr removing before and after polishing

圖6 工件主要尺寸變化對比Fig.6 Comparison of main dimensions

4 結(jié)論

針對微型噴嘴旋流槽的槽底面光整及棱邊毛刺難以去除這一難題，利用磁力研磨法這一研磨光整手段，借助磁極的往復(fù)運動帶動磁性磨料粒子團運動，對微型噴嘴旋流槽底面進行光整研磨，并用ANSYS有限元模擬分析了磁場強度在噴嘴表面的分布，并用試驗驗證了磁力研磨法可以很好去除噴嘴微型槽棱邊毛刺。以試驗結(jié)果為依據(jù)作分析得到以下結(jié)論：

（1）基于磁力研磨法對噴嘴旋流槽底面進行光整研磨，槽底面更加平整，槽底表面紋理被去除，表面質(zhì)量顯著提高。

（2）基于磁力研磨法對噴嘴旋流槽棱邊進行光整研磨，棱邊毛刺被去除，棱邊更加圓整。

（3）基于磁力研磨法對微型噴嘴旋流槽的光整加工效果良好且保證了工件的尺寸精度和形狀精度。

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