PVA基粘彈性磁性磨具的實驗研究及加工參數(shù)優(yōu)化

閆濤，李秀紅，李文輝，楊勝強，王棟梁

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PVA基粘彈性磁性磨具的實驗研究及加工參數(shù)優(yōu)化

閆濤1,2，李秀紅1,2，李文輝1,2，楊勝強1,2，王棟梁3

（1.太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室， 太原 030024；3.中國鐵路太原局集團有限公司，太原 030000）

檢驗新研制的PVA基粘彈性磁性磨具的表面光整加工性能，掌握配比參數(shù)、加工條件等因素對加工效果的影響規(guī)律，并對加工參數(shù)進行優(yōu)化以達到最佳加工效果。以6061鋁合金管外圓表面為光整加工實驗對象，通過先導(dǎo)實驗首先確定出影響加工效果的主要因素及其參數(shù)范圍，而后基于響應(yīng)曲面法實驗，對主軸轉(zhuǎn)速、兩相質(zhì)量比、磨粒尺寸及加工時長等因素與工件表面粗糙度下降率（%?）之間的關(guān)系進行了探究分析。最后通過對實驗結(jié)果進行方差分析，建立了PVA基粘彈性磁性磨具加工鋁合金管外表面的%?預(yù)測模型，并對影響參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，得到在最佳實驗條件下（加工時間46 min、兩相質(zhì)量比1.45、主軸轉(zhuǎn)速635 r/min、磨粒尺寸65目），工件表面粗糙度下降率為92.5%，最低表面粗糙度為59 nm，顯著改善了加工效果。作為一種新型光整加工介質(zhì)PVA基粘彈性磁性磨具，其具有良好的自適應(yīng)性及流動性，能達到較好的光整加工效果。影響%?a的單因素顯著性從強到弱依次為：加工時長、主軸轉(zhuǎn)速、磨粒尺寸、兩相質(zhì)量比。交互作用顯著的因子為兩相質(zhì)量比+主軸轉(zhuǎn)速、加工時長+主軸轉(zhuǎn)速、兩相質(zhì)量比+磨粒尺寸。在主軸轉(zhuǎn)速、加工時長取高水平，兩相質(zhì)量比取中等水平，磨粒尺寸取低或高水平時，能得到較好的表面加工效果。

磁性磨具；表面完整性；粗糙度預(yù)測模型；粘彈性；聚乙烯醇

表面加工作為生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，對保障產(chǎn)品使用性能及壽命有重要意義[1]。磁性磨具光整加工是一種通過磁場吸引磁性磨粒形成“柔性磁刷”，進而實現(xiàn)對工件表面進行磨削拋光的新式加工技術(shù)，其具有良好的柔性及可控性，既不需要磨銳，也不需要修整[2]，可實現(xiàn)對復(fù)雜曲面、管壁溝槽等傳統(tǒng)方法難以加工部位的拋光[3-6]。

盡管磁性磨具光整加工有著諸多潛在優(yōu)點，但傳統(tǒng)的磁性磨具光整加工想要高效加工一些復(fù)雜、微小的表面依然十分困難[7]，且加工過程中磨具易飛濺污染環(huán)境。當(dāng)前磨具的制備及工藝優(yōu)化問題阻礙了磁性磨具光整加工技術(shù)的進一步發(fā)展[8-9]。

粘彈性磁性磨具的出現(xiàn)在很大程度上解決了上述問題。它是一種半固體磁性加工介質(zhì)，具有良好的彈性、可塑性和流動性，可實現(xiàn)對具有溝槽、窄縫等復(fù)雜形面零部件的光整加工[10-11]，很多學(xué)者相繼對此進行了研究工作。黃虎等[12]探究了磨具加工時的流變機理及材料去除原理。翟洪飛、郭曉東等[13-14]探究了磨具加工過程中加工時間、主軸轉(zhuǎn)速、工作間隙等因素對加工效果的影響。楊小朋等[15]制備了一種以PVA為基體的新型磨具，并對其進行了實驗研究。王棟梁等[16]以硅橡膠為基體研發(fā)了一種粘彈性磨具，并探究了交聯(lián)劑等因素與加工效果的關(guān)聯(lián)。Ravi等[17]研發(fā)了一種新型粘彈性加工介質(zhì)，并研究了流變性能對加工效果的影響。Saeid等[18]提出了一種借助渦流輔助進氣的磁流變磨料光整新工藝，并通過計算流體動力學(xué)進行了模擬分析。李文輝等[19]制備了一種新型磨具，并對其材料去除行為及加工效果進行了進一步研究。

上述新型基體或工藝雖然都能達到較好的加工效果，但在使用時存在很大盲目性，需要大量的實驗才能了解其最佳加工參數(shù)且準(zhǔn)確性不高。為了更好地了解磨具在不同加工條件下的加工效果，掌握各因素作用規(guī)律，優(yōu)化加工參數(shù)，指導(dǎo)實際加工需要，本文以PVA基粘彈性磁性磨具為例，通過對實驗數(shù)據(jù)進行方差分析，得到影響%?的顯著因素，并建立了PVA基粘彈性磁性磨具加工鋁合金管外圓表面的%?預(yù)測模型。

1 實驗條件

實驗試件選用外徑=38 mm、厚度=2 mm、長度=70 mm的6061鋁合金管。加工設(shè)備選用自主設(shè)計的表面加工實驗平臺，如圖1所示。加工前，將工件固定在卡盤上，通過電機4控制絲杠螺母完成磁極的進給動作，確定加工位置。加工過程中，磨具在磁場吸引下貼附在工件的被加工面上，工件在電機2的帶動下做旋轉(zhuǎn)運動。電機1負責(zé)控制磁極旋轉(zhuǎn)，振動控制電機3與動凸輪機構(gòu)實現(xiàn)磁極在水平方向的小幅振動，通過這種復(fù)雜的相對運動實現(xiàn)對工件表面的高效光整加工。

圖1 表面加工實驗平臺

加工介質(zhì)選用如圖2所示的新研制的PVA基粘彈性磁性磨具，其主要成分如表1所示。先使用硅烷偶聯(lián)劑對鐵粉及碳化硅進行表面處理，再混合均勻，以防止顆粒間出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，簡要制備流程如圖3所示。

表1 PVA基粘彈性磁性磨具主要成分

Tab.1 Main components of PVA based viscoelastic, magnetic and abrasive tools

圖2 PVA基粘彈性磁性磨具

圖3 磨具制備流程

2 實驗設(shè)計

根據(jù)實驗研究，確定影響加工效果的主要因素為：主軸轉(zhuǎn)速、磨粒尺寸、加工時長和兩相（磁介質(zhì)相與磨粒相）質(zhì)量比[15-16]。由初步實驗確定因子參數(shù)范圍如表2所示。根據(jù)響應(yīng)曲面法中的中心復(fù)合設(shè)計（CCD），以上述因素為響應(yīng)因子，設(shè)計實驗方案。

考慮到由于管件的初始表面粗糙度各不相同，難以統(tǒng)一，因此選擇表面粗糙度下降率（%?）作為響應(yīng)變量。為避免隨機誤差，測量固定6點加工前后的表面粗糙度%?后，取平均值作為最終實驗結(jié)果。%?按公式（1）計算：

確定各項實驗設(shè)計參數(shù)后，進行全因子實驗設(shè)計，按照實驗設(shè)計制備不同的粘彈性磁性磨具，并在相應(yīng)條件下進行加工實驗，實驗設(shè)計參數(shù)及結(jié)果如表3所示。

表2 實驗設(shè)計參數(shù)

表3 實驗設(shè)計參數(shù)及結(jié)果

Tab.3 Experimental design parameters and results

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 表面粗糙度預(yù)測模型

根據(jù)假設(shè)檢驗原理，選定值的顯著性水平為0.05，對實驗數(shù)據(jù)進行方差分析，初步分析結(jié)果中模型值遠小于0.05，失擬項值大于0.05，表明實驗設(shè)計效果顯著，不存在失擬現(xiàn)象，總體模型是有效的。而42、12、14和34四項的值均遠大于0.1，為非顯著項，予以去除。經(jīng)過簡化修正后，因子顯著性及模型可靠性進一步提高，最終分析結(jié)果如表4所示。為了更好地了解各因素對%?的影響，最終確定多變量回歸方程為：

其中，1、2、3、4分別代表加工時長（min）、兩相質(zhì)量比、主軸轉(zhuǎn)速（r/min）和磨粒尺寸（目）。

3.2 單因素對加工效果的影響

分析回歸方程及表4數(shù)據(jù)，得到影響%?的單因素顯著性從強到弱依次為：加工時長（1）、兩相質(zhì)量比（3）、磨粒尺寸（4）和主軸轉(zhuǎn)速（2）。圖4所示為%?的主效應(yīng)圖，是由各因子不同水平下的響應(yīng)均值連接而成的線條。從圖4a可看出，在0~30 mn區(qū)間內(nèi)，%?與加工時長近似成正比關(guān)系；30 min后，%?基本保持不變。這是由于加工初始階段伴隨著工件表面材料的快速去除，工件表面粗糙度值迅速下降，30 min后磨具切削能力幾乎飽和，粗糙度下降速度變得較為緩慢。從圖4b可看出，隨著兩相質(zhì)量比的增加，%?不斷增大，在比值為2時達到最大值，而后隨著質(zhì)量比的增加%?開始下降。這是因為當(dāng)兩相質(zhì)量比較小時，磨具所受磁力不足，磨削力偏小。較大時，一方面使磨具粘彈性、流變性變差；另一方面則加大了基體粘結(jié)負擔(dān)，甚至出現(xiàn)磨粒脫落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響磨具加工性能。從圖4c可看出，%?隨著轉(zhuǎn)速的提高，先是下降而后上升，在轉(zhuǎn)速超過500 r/min后，變化不再明顯。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，工件與磨具滑動摩擦明顯，切削速度快；速度較大時，磨具相對加工表面產(chǎn)生滾動，切削力下降使得加工效果變差；速度繼續(xù)增大后，磨具流動性突顯出來，自銳性增強，單位時間內(nèi)更多的磨粒參與到磨削運動中，加工效果得以提升。從圖4d可看出，隨著磨粒相目數(shù)的增大，%?先是下降，隨后近似保持不變，最后增大。實驗研究發(fā)現(xiàn)，在一定區(qū)間內(nèi)，磨粒目數(shù)越小，其切削刃越鋒利，因而材料去除速率快，加工效率高。目數(shù)較大時，切削精度高，能達到較低的表面粗糙度，加工效果好。

表4 分析結(jié)果

Tab.4 Analysis results

圖4 %?Ra主效應(yīng)圖

3.3 交互因素對加工效果的影響

圖5所示為%?的交互作用響應(yīng)曲面圖。由表4可知，13、24、23的值均遠小于0.05，說明其交互作用顯著，且顯著性從強到弱依次為：兩相質(zhì)量比+主軸轉(zhuǎn)速>加工時長+主軸轉(zhuǎn)速>兩相質(zhì)量比+磨粒尺寸。從圖5a可看出，在加工時間及工件轉(zhuǎn)速都取高水平值時，%?能取到最大值。從圖5b可知，鐵磁相與磨粒相比取中等水平，磨粒相粒徑取高水平時，%?能取到最大值。從圖5c可知，當(dāng)鐵磁相與磨粒相質(zhì)量比取中等水平，工件轉(zhuǎn)速取高水平時，%?能取到最大值。通過對交互作用的分析，可大致確定最佳加工參數(shù)范圍，并通過權(quán)衡、比較選出經(jīng)濟合理的加工方案。

3.4 模型驗證及工藝參數(shù)優(yōu)化

隨機選定一組實驗加工條件：加工時長為35 min，兩相質(zhì)量比為2，主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min，磨粒尺寸為150目。通過公式（2）得到表面粗糙度下降率的預(yù)測值為71.60%。進行四組檢驗實驗，得到實驗數(shù)據(jù)如表5所示，計算得預(yù)測準(zhǔn)確率均在94.6%以上，驗證了預(yù)測模型的準(zhǔn)確率及可信度。

表5 隨機實驗數(shù)據(jù)

Tab.5 Random experimental data

通過預(yù)測模型對加工參數(shù)進行優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝參數(shù)為：加工時間46 min，兩相質(zhì)量比1.45，主軸轉(zhuǎn)速635 r/min，磨粒尺寸65目。根據(jù)公式（2）得到%?的預(yù)測值為92.89%。按照最優(yōu)工藝參數(shù)進行四組驗證實驗，實驗結(jié)果如表6所示，經(jīng)計算預(yù)測準(zhǔn)確率均在97.7%以上，再次驗證了模型的可信度。采用優(yōu)化的工藝參數(shù)對鋁合金管外圓表面光整加工后，光整效果顯著，表面平滑光亮，對比結(jié)果如圖6所示。

表6 優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)

Tab.6 Optimizing experimental data

圖6 光整加工效果圖

4 結(jié)論

本文以鋁合金管外圓表面為加工對象，基于響應(yīng)曲面法進行了PVA基粘彈性磁性磨具光整加工的工藝研究，得到了%?的預(yù)測模型，具體結(jié)論如下：

1）PVA基粘彈性磁性磨具具有良好的流動性及粘彈性。加工效果好，表面粗糙度下降率能達到90%以上，并能得到較低的表面粗糙度。

2）影響%?的單因素顯著性從強到弱依次為：加工時長、主軸轉(zhuǎn)速、磨粒尺寸、兩相質(zhì)量比。

3）影響%?的交互因子顯著性從強到弱依次為：兩相質(zhì)量比+主軸轉(zhuǎn)速>加工時長+主軸轉(zhuǎn)速>兩相質(zhì)量比+磨粒尺寸。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速、加工時長取高水平，磨粒尺寸取低或高水平，兩相質(zhì)量比取中等水平時，能取得較好的加工效果。

4）通過對鋁合金管的加工試驗，驗證了粗糙度預(yù)測模型及優(yōu)化加工參數(shù)的可靠性。

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Experimental Study on PVA Based Viscoelastic, Magnetic and Abrasive Finishing and Optimization of Machining Parameters

1,2,1,2,1,2,1,2,3

(1.School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2.Shanxi Key Laboratory of Precision Machining, Taiyuan 030024, China; 3.China Rail Way Taiyuan Group Co., Ltd, Taiyuan 030000, China)

The work aims to test the surface finishing performance of the newly developed PVA-based viscoelastic, magnetic and abrasive tool, master the influence laws of the ratio parameters and processing conditions on the processing effect, and optimize the processing parameters to achieve the best processing effect. The main factors affecting the machining effect and the parameters range were determined by the pilot experiment with the outer surface of 6061 aluminum alloy tube as the experimental object. Then, based on the response surface methodology (RSM), the relationship among the spindle speed, the mass ratio of two phases, the size of abrasive grains and the processing time and the reduction rate in surface roughness (%?) was explored and analyzed. Finally, the %?prediction model of PVA-based viscoelastic, magnetic and abrasive tool for aluminum alloy tube surface was established by variance analysis of experimental results, and the influence parameters were optimized. Under the optimum experimental conditions (processing time of 46 min, two-phase mass ratio of 1.45, spindle speed of 635 r/min and abrasive size of 65 mesh), the reduction rate of surface roughness of the workpiece reached 92.5%, and the best surface finish reached 59 nm, thus significantly improving the machining effects. As a new finishing medium, PVA-based viscoelastic, magnetic and abrasive tools have good adaptability and fluidity, and can achieve good finishing effect. The significant single factor affecting %?from strong to weak is the processing time, spindle speed, abrasive particle size and two-phase mass ratio. The significant interactive factors are two-phase mass ratio+spindle speed, processing time + spindle speed and two-phase mass ratio+abrasive particle size. When the spindle speed and machining time are high, the mass ratio of two phases is middle and the abrasive grain size is low or high, a better surface finishing effect can be obtained.

magnetic abrasive media; surface integrity; roughness prediction model; viscoelasticity; polyvinyl alcohol

2018-09-12；

2018-11-09

YAN Tao (1993—), Male, Master, Research focus: finishing technology of the precision surface.

Supported by the National Natural Science Foundation (51175365), Shanxi Natural Science Foundation (201701D121073, 2017D12076)

LI Xiu-hong (1972—), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: finishing technology of the precision surface. E-mail: xhli7489@sina.com

李秀紅（1972—），女，博士，副教授，主要研究方向為零件表面精密加工。郵箱：xhli7489@sina.com

TG58

A

1001-3660(2019)02-0275-06

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.02.039

2018-09-12；

2018-11-09

國家自然科學(xué)基金（51175365）；山西省自然科學(xué)基金（201701D121073，2017D12076）

閆濤（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向為零件表面精密加工。