電磁式磁力滾壓工具的研發(fā)及試驗(yàn)研究

劉永紅 ，曹 宇 ，姚新改 ，3，董志國 ，3

（1.太原學(xué)院機(jī)械工程系，山西 太原 030032；2.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

磁力滾壓技術(shù)是一種將磁技術(shù)和傳統(tǒng)滾壓技術(shù)相結(jié)合的新方法、新工藝。長不銹鋼管內(nèi)表面經(jīng)過磁力滾壓加工后，降低了表面粗糙度，提高了表面硬度，延長了使用壽命[1]。磁力滾壓加工系統(tǒng)根據(jù)外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生方式的不同分為永磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)和電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)。前期的研究只針對(duì)永磁式磁力滾壓加工，但其磁力不可控、質(zhì)量過大等缺點(diǎn)限制了磁力滾壓技術(shù)的應(yīng)用與推廣，而電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)則具有磁力可控可調(diào)、重量小等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此主要探究電磁式磁力滾壓加工。為了滿足電磁式磁力滾壓加工的要求，需要設(shè)計(jì)一套與之相匹配的新型磁力滾壓工具并確定其相關(guān)的工藝參數(shù)。首先基于磁力滾壓加工機(jī)理進(jìn)行理論分析并仿真得出滾壓力的有效值，其次根據(jù)滾壓力的有效值設(shè)計(jì)并優(yōu)化磁力滾壓工具的磁路結(jié)構(gòu)并確定滾壓加工轉(zhuǎn)速的范圍，最后進(jìn)行長不銹鋼管磁力滾壓加工試驗(yàn)，得出磁力滾壓加工頻率的范圍并驗(yàn)證電磁式磁力滾壓工具的可行性。

2 電磁式磁力滾壓加工原理

電磁式磁力滾壓系統(tǒng)加工原理，如圖1所示。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器的三相繞組通入三相交流電后產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為n r/min的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極和磁力滾壓工具上相對(duì)應(yīng)的活動(dòng)異性磁極相互吸引，使磁力滾壓工具上的滾珠和長不銹鋼管內(nèi)表面接觸并產(chǎn)生正壓力，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的牽引下，磁力滾壓工具和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逐步實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)并通過滾珠對(duì)長不銹鋼管內(nèi)表面進(jìn)行滾壓彈塑性加工[2]。同時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器在進(jìn)給裝置的驅(qū)動(dòng)下軸向進(jìn)給，完成對(duì)整個(gè)長不銹鋼管內(nèi)表面的加工[3]。

圖1 滾壓加工原理圖Fig.1 Magnetic Rolling Principle Diagram

3 磁力滾壓加工滾壓力的確定

3.1 磁力滾壓加工機(jī)理分析

在電磁式磁力滾壓加工中，滾壓力直接決定工件表面硬化層的深度以及殘余應(yīng)力的大小[4]。磁力滾壓加工機(jī)理圖，若磁力滾壓工具對(duì)工件內(nèi)表面的滾壓力Fn小于工件材料的屈服極限σs，工件內(nèi)表面只發(fā)生彈性變形，滾壓后彈性變形會(huì)恢復(fù)，工件沒有產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，強(qiáng)硬度不發(fā)生變化，不能達(dá)到加工要求，如圖2所示。若滾壓力Fn超過工件材料的強(qiáng)度極限σb，工件內(nèi)表面會(huì)發(fā)生起皮剝落甚至還會(huì)造成工件的壁厚變薄、開裂等現(xiàn)象，工件內(nèi)表面的粗糙度升高、內(nèi)圓精度下降[5]，同樣無法達(dá)到加工要求；只有工件內(nèi)表面所受的滾壓力Fn使材料發(fā)生塑性變形時(shí)，表層金屬組織結(jié)構(gòu)和物理性能才會(huì)發(fā)生變化，表面粗糙度降低并產(chǎn)生殘余硬化層，從而提高內(nèi)表面質(zhì)量。由此得出磁力滾壓工具的滾壓力對(duì)工件產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)為 σs＜σ＜σb。

圖2 磁力滾壓加工機(jī)理Fig.2 Rolling Processing Mechanism

3.2 磁力滾壓加工滾壓力有限元仿真

本課題針對(duì)Φ76×4mm尺寸的0Cr18Ni9長不銹鋼管電磁式磁力滾壓加工進(jìn)行分析。工件材料參數(shù)，如表1所示。運(yùn)用Ansys Workbench建立滾壓加工有限元模型[6]，分別施加320N、400N、620N的滾壓力，得到的等效應(yīng)力，如圖3所示。

表1 工件材料參數(shù)Tab.1 The Material Parameters of Workpiece

圖3 滾壓力為320N，400N，620N的工件等效應(yīng)力圖Fig.3 Equivalent Stress of Workpiece with Rolling of 320N、400N、620N

3.3 仿真結(jié)果分析

由圖3可知，滾壓力為320N時(shí)，工件內(nèi)表面滾壓后應(yīng)力值達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度極限；隨著滾壓力的不斷增加，等效應(yīng)力不斷增大，當(dāng)滾壓力為620N時(shí)，工件等效應(yīng)力達(dá)到了材料強(qiáng)度極限，故工件滾壓力的范圍為（320～620）N。磁力滾壓加工的滾壓力為徑向磁力與離心力之和，根據(jù)前期的試驗(yàn)可知磁力滾壓工具的轉(zhuǎn)速為（120～900）R/min，故磁力滾壓工具的離心力數(shù)值估計(jì)為（7.54～271.53）N。所以系統(tǒng)需要提供的徑向磁力為（312.46～348.47）N。

4 磁力滾壓工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

磁力滾壓加工系統(tǒng)的磁路是系統(tǒng)的核心，磁路的好壞決定系統(tǒng)性能的好壞，如圖4所示。由圖4磁力滾壓加工系統(tǒng)的磁路可知，系統(tǒng)的磁路具有對(duì)稱性，選取1/4進(jìn)行研究即可。

圖4 磁力滾壓加工系統(tǒng)磁路Fig.4 Magnetic Rolling System Magnetic Circuit

基于基爾霍夫第二定律[7]，對(duì)于閉合磁路，磁路上各部件的磁位差代數(shù)和等于閉合磁路磁動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。在電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)中，將磁路中的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器等效為一個(gè)磁源永磁鐵即可，由此得出系統(tǒng)磁路的等效式如下。

式中：Φi—各部分的磁通；Ri—各部分的磁阻；Hi—各部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度；Li—各部分的長度。由于系統(tǒng)的各部分是串聯(lián)的，所以通過閉合磁路的Φi是相同的，可得各部分的磁阻是對(duì)磁通影響最大。根據(jù)磁阻的公式如式（2）可知在忽略磁路間隙以及漏磁的條件下，磁力滾壓工具中永磁鐵的厚度、支撐軸的截面尺寸以及中心孔的半徑是最重要的影響因素，磁力滾壓工具的優(yōu)化參數(shù)的示意圖，如圖5所示。

式中：Rmi—各部分的磁阻；

li—各部分磁路的長度；

μi—各部分的磁導(dǎo)率；

Si—各部分的橫截面積。

圖5 磁力滾壓工具尺寸優(yōu)化圖Fig.5 The Diagram of the Size Optimization of the Rolling Tool

本次分析有三個(gè)變量，將系統(tǒng)磁力仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交數(shù)據(jù)處理得到由表2可知，極差Rh＞Ra＞Rb。極差越大，表明變量對(duì)徑向磁力的影響越大，由此可知變量h即永磁體厚度對(duì)徑向磁力的影響最大，其次為中心孔的半徑、支撐軸的長度。故先對(duì)永磁體的厚度進(jìn)行分析，進(jìn)而確定其他尺寸。

表2 徑向磁力正交數(shù)據(jù)處理Tab.2 Electromagnetic Radial Force Orthogonal Data Processing

4.1 永磁鐵厚度尺寸優(yōu)化

永磁體是系統(tǒng)的磁源，直接決定徑向磁力的大小。永磁體的寬度方向由于工件管徑的限制，尺寸是一個(gè)定值，所以僅考慮永磁鐵厚度方向的尺寸。根據(jù)工件的徑向長度以及滾珠保持架的尺寸初選永磁鐵的厚度h=（9～13）mm。當(dāng)中心孔a=8mm，永磁體厚度的徑向磁力曲線，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)中心孔尺寸一定，支撐軸尺寸大于10.2mm時(shí)，隨著永磁體厚度的增加，徑向磁力不斷增大，但支撐軸尺寸為10.2mm時(shí)，隨著永磁體厚度的增加，徑向磁力會(huì)先增大后減小。根據(jù)磁路設(shè)計(jì)原理可知，永磁體的側(cè)面積越大，系統(tǒng)的漏磁越嚴(yán)重[8]，因此在磁力滾壓工具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在滿足徑向磁力的條件下，優(yōu)先選擇厚度小的永磁體，所以選擇永磁體的厚度為h=11mm。

圖6 永磁體的厚度徑向磁力曲線Fig.6 Radial Magnetic Force Curve of Permanent Magnet

4.2 支撐軸截面尺寸優(yōu)化

支撐軸主要作用是引導(dǎo)磁路及支撐永磁鐵。根據(jù)磁路的對(duì)稱性以及外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器極對(duì)數(shù)，將支撐軸截面設(shè)計(jì)為正方形，將邊長的一半作為變量b，初選b=（10.2～14.2）mm。當(dāng)永磁體的厚度h=11mm時(shí)支撐軸的徑向磁力曲線圖，如圖7所示。

圖7 支撐軸尺寸徑向磁力曲線Fig.7 Support Shaft Size Radial Magnetic Curve

由圖7可知，當(dāng)永磁體厚度和在支撐軸與中心孔尺寸差一定的情況下，隨著支撐軸尺寸的增加，徑向磁力先增大后減小，當(dāng)支撐軸尺寸b=11.2mm時(shí)，徑向磁力達(dá)到最大值。

4.3 中心孔半徑尺寸優(yōu)化

中心孔作用是減少磁路長度、減輕磁力滾壓工具的質(zhì)量。中心孔尺寸對(duì)徑向磁力的影響主要體現(xiàn)在磁路上的長度即支撐軸在徑向的長度與中心孔半徑尺寸差。根據(jù)磁力滾壓工具的結(jié)構(gòu)以及磁路閉合原理，中心軸孔的直徑應(yīng)當(dāng)小于支撐軸的邊長，所以初選b-a=（0～14.2）mm。當(dāng)永磁體的厚度h=11mm時(shí)中心孔的徑向磁力曲線圖，如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)永磁體厚度和支撐軸尺寸一定的條件下，隨著支撐軸和中心孔的尺寸差增大，徑向磁力先增大后減小，當(dāng)尺寸差b-a=6.5mm時(shí)，徑向磁力達(dá)到最大值。又支撐軸的尺寸b=11.2mm，故中心孔的尺寸a=4.7mm。

圖8 中心孔尺寸徑向磁力曲線Fig.8 Center Hole Size Radial Magnetic Curve

4.4 磁力滾壓工具尺寸優(yōu)選

磁力滾壓工具結(jié)構(gòu)尺寸依據(jù)徑向磁力達(dá)到要求的范圍值、磁力滾壓工具質(zhì)量最小、永磁鐵體積最小三方面進(jìn)行選擇。最終優(yōu)選出磁力滾壓工具的尺寸為永磁體的厚度11mm，支撐軸的截面尺寸22.4mm×22.4mm，中心軸孔半徑4.7mm。最終的磁力滾壓工具三維圖，如圖9所示。

圖9 磁力滾壓工具三維圖Fig.9 Rolling Tool 3D Illustration

通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行磁力仿真得出在4Hz的頻率下加工時(shí)平均徑向磁力為331.61N，如圖10所示。達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖10 徑向磁力圖Fig.10 Radial Magnetic Force Diagram

5 滾壓轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)滾壓力的影響

電磁式磁力滾壓加工是通過變頻器控制磁力滾壓工具的轉(zhuǎn)速。在不同轉(zhuǎn)速的條件下，磁力滾壓工具的離心力不同，同時(shí)由于變頻器在不同轉(zhuǎn)速條件下輸出的電流不同導(dǎo)致徑向磁力也不同，所以要通過仿真確定出加工頻率的范圍，為磁力滾壓加工試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)。

5.1 有限元模型建立

電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)有限元模型，如圖11所示。

圖11 磁力滾壓工具模型圖Fig.11 Rolling Tool Model Diagram

5.2 材料屬性定義

模型材料屬性，如表3所示。

表3 模型材料屬性Tab.3 Model Material Properties

5.3 激勵(lì)源的加載與邊界條件的定義

電磁式磁力滾壓加工試驗(yàn)是通過變頻器對(duì)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器進(jìn)行電流加載，所以設(shè)定的激勵(lì)源為繞組電流源，加載的激勵(lì)源，如式（3）所示。對(duì)磁力滾壓系統(tǒng)施加狄里克里邊界中的磁通平行邊界。

流電頻率。

5.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分決定仿真的精確度[9]。網(wǎng)格要根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和分析的重點(diǎn)進(jìn)行劃分。系統(tǒng)網(wǎng)格劃分，如圖12所示。

圖12 模型網(wǎng)格劃分圖Fig.12 Model Meshing

5.5 仿真結(jié)果分析

通過對(duì)不同加工頻率下電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)進(jìn)行仿真得出的不同轉(zhuǎn)速條件下系統(tǒng)的徑向磁力。

表4 磁力滾壓加工參數(shù)Tab.4 Model Material Properties

根據(jù)磁力滾壓加工滾壓力的有效值，結(jié)合表4可知電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)的有效加工頻率應(yīng)為（4～30）Hz。

6 電磁式磁力滾壓加工試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)?zāi)康模涸跐M足磁力滾壓轉(zhuǎn)速的加工頻率（4～30）Hz的范圍內(nèi)，驗(yàn)證磁力滾壓系統(tǒng)能否持續(xù)加工，磁力滾壓加工后的工件內(nèi)表面能否達(dá)到加工要求。

試驗(yàn)裝置：電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)，如圖13所示。

圖13 電磁式磁力滾壓加工系統(tǒng)Fig.13 Electromagnetic Magnetic Rolling Processing System

加工對(duì)象：管徑Φ67×4mm、材料0Cr18Ni9長不銹鋼管。

試驗(yàn)方法：通過西門子MICROMASTER440型變頻器將加工頻率分別調(diào)節(jié)到4HZ-30HZ進(jìn)行磁力滾壓加工試驗(yàn)，試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)定，如表5所示。

試驗(yàn)檢測(cè)：利用TES-1310實(shí)時(shí)測(cè)量定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器的溫度是否小于極限溫度80℃；利用馬爾粗糙度測(cè)量儀檢測(cè)長不銹鋼管內(nèi)表面粗糙度；利用數(shù)顯維氏硬度儀檢測(cè)長不銹鋼管內(nèi)表面硬度。

表5 試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)定Tab.5 Test Process Parameter Setting

6.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

電磁式磁力滾壓加工在不同頻率下加工的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器溫度，如表6所示。磁力滾壓加工后工件內(nèi)表面質(zhì)量相關(guān)參數(shù)，如表7所示。由表6可知，隨著磁力滾壓加工頻率的升高，系統(tǒng)啟動(dòng)瞬時(shí)最高溫度以及啟動(dòng)后持續(xù)運(yùn)行的溫度逐漸升高。在大于9Hz的頻率下啟動(dòng)瞬時(shí)最高溫度超過系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的臨界溫度80℃，不滿足系統(tǒng)持續(xù)加工的條件。所以系統(tǒng)持續(xù)加工的頻率為（4～9）Hz。

表6 不同加工頻率啟動(dòng)及啟動(dòng)后持續(xù)加工的溫度Tab.6 Temperatures for Continuous Processing After Starting and Starting at Different Processing Frequencies

表7 工件表面質(zhì)量參數(shù)Tab.7 Surface Quality Parameter of Workpiece

由表7可知，在（4～9）Hz的加工頻率范圍內(nèi)，隨著加工頻率的增加，磁力滾壓加工后工件內(nèi)表面粗糙度不斷降低，內(nèi)表面硬度不斷提高。當(dāng)磁力滾壓加工頻率為9Hz時(shí)，工件的內(nèi)表面粗糙度達(dá)到最低為0.654μm，工件的內(nèi)表面硬度達(dá)到最大為96.2HRB。

綜上所述，磁力滾壓加工系統(tǒng)的磁力滾壓加工頻率范圍為（4～9）Hz，在9Hz進(jìn)行磁力滾壓加工后得到的工件表面質(zhì)量最高，滿足加工要求。

7 結(jié)論

通過對(duì)電磁式磁力滾壓加工進(jìn)行理論分析，有限元仿真以及試驗(yàn)研究得出：

（1）通過對(duì)磁力滾壓加工機(jī)理的分析得出，磁力滾壓加工的滾壓力的有效范圍為（320～620）N。

（2）基于磁力滾壓加工滾壓力的范圍和工件結(jié)構(gòu)，對(duì)磁力滾壓工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終確定了磁力滾壓工具的尺寸。

（3）通過Ansoft仿真和理論分析確定了磁力滾壓加工頻率的范圍為（4～30）Hz。

（4）對(duì)長不銹鋼管進(jìn)行磁力滾壓加工試驗(yàn)，驗(yàn)證磁力滾壓加工頻率為（4～9）Hz，系統(tǒng)的最佳加工頻率為 9Hz。

為后續(xù)的磁力滾壓工具的設(shè)計(jì)改進(jìn)以及試驗(yàn)研究提供有效的指導(dǎo)和借鑒。