磁力研磨法光整內(nèi)凹槽底面的工藝參數(shù)優(yōu)化＊

陳法宇，孫玉利，王燎原，張 鵬，盛 一，西川尚宏,3,4

（1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,南京 210016）

（2.南京星合精密智能制造研究院有限公司,南京 211106）

（3.巖手大學(xué),日本 盛岡 020-8551）

（4.南京華測(cè)達(dá)精密機(jī)械有限公司,南京 211106）

波導(dǎo)管是一種傳輸高頻電磁波的中空金屬管件，在雷達(dá)、無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)葻o(wú)線電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。復(fù)雜形狀的波導(dǎo)管大多采用增材制造技術(shù)制造，但制造的尺寸精度和表面粗糙度還不能完全滿(mǎn)足工業(yè)使用要求[3-4]。制造出的波導(dǎo)管內(nèi)表面往往十分粗糙，在使用中會(huì)大大增加電磁波在傳輸時(shí)的能量損耗，降低信號(hào)的傳輸效率，一定程度上阻礙了無(wú)線電、軍用雷達(dá)等行業(yè)的發(fā)展[5-6]。因此，對(duì)增材制造波導(dǎo)管的內(nèi)表面進(jìn)行光整加工是非常有必要的。

目前，增材制造零件常見(jiàn)的光整加工方法主要有機(jī)械拋光、化學(xué)與電化學(xué)拋光、激光拋光、磨粒流拋光等[7]。章媛潔等[8]研究了機(jī)械拋光增材制造不銹鋼零件表面粗糙度的變化規(guī)律，零件表面粗糙度和殘余拉應(yīng)力經(jīng)機(jī)械拋光后大幅降低，但由于拋光工具受限而無(wú)法用于拋光管徑小且形狀復(fù)雜的管件內(nèi)表面。BHADURI 等[9]采用激光拋光的方法對(duì)增材制造零件進(jìn)行后處理，有效地降低了試樣表面粗糙度并保證了試樣原始的幾何精度，但該方法對(duì)外表面的拋光效果較好，不適用于復(fù)雜形狀零件內(nèi)表面的拋光。DUVALCHANEAC 等[10]利用磨粒流加工技術(shù)對(duì)增材制造模具進(jìn)行拋光，高效地降低了模具內(nèi)表面粗糙度，但該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀管件內(nèi)部凹槽的均勻拋光，容易產(chǎn)生過(guò)拋問(wèn)題而影響尺寸精度。

磁力研磨加工技術(shù)是利用磁性磨粒在外部磁場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的研磨壓力，對(duì)工件內(nèi)表面進(jìn)行研磨加工的光整加工技術(shù)[11]。磁力研磨加工技術(shù)具有良好的柔性、自銳性、仿形性和可控性。磨粒的研磨過(guò)程屬于微量切削，加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量少并且能夠保證工件的尺寸精度，廣泛用于光整平面[12]、外圓面[13]、內(nèi)圓面[14]、復(fù)雜曲面[15]以及微型零件[16]等多種場(chǎng)合。焦安源等[17]采用磁力研磨加工技術(shù)同時(shí)拋光管件內(nèi)腔多個(gè)環(huán)槽，顯著地提高了內(nèi)環(huán)槽的拋光效率，但對(duì)于管徑小且無(wú)法回轉(zhuǎn)的管件無(wú)法進(jìn)行研磨。

設(shè)計(jì)仿形夾具和試樣代替波導(dǎo)管單個(gè)內(nèi)凹槽，利用磁力研磨技術(shù)對(duì)其進(jìn)行研磨，通過(guò)正交試驗(yàn)法探究磁力研磨過(guò)程中的主要工藝參數(shù)（鋼珠直徑、加工間隙、磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速）對(duì)試樣表面粗糙度降低率的影響，并利用極差分析和方差分析法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到一組提高粗糙度降低率的最佳工藝參數(shù)。采用最佳工藝參數(shù)探究粗糙度降低率和加工時(shí)間的關(guān)系，對(duì)比分析研磨前后試樣表面粗糙度和表面形貌的變化。

1 磁力研磨內(nèi)凹槽底面的加工原理

圖1所示為磁力研磨內(nèi)凹槽底面工作原理。如圖1所示：在加工非鐵磁性工件時(shí)，永磁鐵能夠在工件內(nèi)部形成磁場(chǎng)，內(nèi)凹槽中的鋼珠被磁化后沿磁力線排布形成磁力刷并在磁力的作用下壓覆于內(nèi)凹槽底面。隨著磁極盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，加工區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度呈強(qiáng)弱交替變化，鋼珠在重力和磁力的作用下上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。隨著鋼珠和待加工表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，鋼珠對(duì)凹槽底面產(chǎn)生撞擊、擠壓等作用。同時(shí)，工件在音圈電機(jī)的帶動(dòng)下沿軸向高頻振動(dòng)，使鋼珠的運(yùn)動(dòng)軌跡更加復(fù)雜，其擠壓、碰撞等作用更加劇烈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)凹槽底面的光整加工。

圖1 磁力研磨內(nèi)凹槽底面工作原理Fig.1 Working principle of finishing the bottom surface of inner groove by magnetic grinding

在磁場(chǎng)力的作用下，單個(gè)鋼珠在磁場(chǎng)中的受力分析如圖1所示。鋼珠在磁場(chǎng)中受到的磁場(chǎng)力Fn可以分解為沿磁力線方向的FX和沿等磁位線方向的FY[18]：

式中：d為鋼珠的直徑，mm； χ為鋼珠的磁化率；H為鋼珠所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度；(?H/?X)為沿磁力線方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率；(?H/?Y)為沿等磁位線方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率。

磁場(chǎng)力Fn為FX和FY的合力[19]：

鋼珠在磁場(chǎng)力作用下沿磁力線排布成磁力刷，磁力刷以一定的研磨壓力Pm壓覆于工件內(nèi)表面[20]：

式中：B為加工區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T； μ0為真空磁導(dǎo)系數(shù)； μm為鋼珠的相對(duì)磁導(dǎo)率。

由式（1）～式（4）可知：鋼珠及磁力刷在磁場(chǎng)中的受力大小與鋼珠直徑、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率有關(guān)。

2 磁力研磨試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

圖2所示為仿形夾具示意圖。如圖2所示：為方便試驗(yàn)探究，設(shè)計(jì)仿形凹槽夾具和平面試樣作為凹槽底面來(lái)代替波導(dǎo)管工件。

圖2 仿形夾具示意圖Fig.2 Schematic diagram of profiling fixture

圖3為磁力研磨加工裝置。試驗(yàn)時(shí)，將試樣裝夾在仿形夾具一側(cè)，試樣和仿形夾具形成內(nèi)凹槽，內(nèi)凹槽內(nèi)填充一定量的鋼珠后安裝于音圈電機(jī)上的夾具中。

圖3 磁力研磨加工裝置Fig.3 Processing device of magnetic grinding

在對(duì)試樣進(jìn)行加工時(shí)，磁極盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)，能夠在加工區(qū)域形成磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷交替變化的磁場(chǎng)，磁極仿真結(jié)果如圖4所示。同時(shí)，音圈電機(jī)帶動(dòng)試樣高頻振動(dòng)，凹槽內(nèi)部鋼珠不斷撞擊、擠壓、劃擦試樣表面，完成對(duì)內(nèi)凹槽底面的研磨加工。

圖4 磁極仿真結(jié)果Fig.4 Magnetic pole simulation result

2.2 試驗(yàn)條件

試樣采用AlSi10Mg 材料并通過(guò)3D 打印制成。為去除試樣表面的粉塵以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前后均利用超聲波清洗機(jī)清洗試樣并用吹風(fēng)機(jī)烘干，然后進(jìn)行粗糙度測(cè)量。采用三豐SJ-210 手持式粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量試樣粗糙度，在試樣表面加工區(qū)域選擇5 個(gè)不同位置進(jìn)行粗糙度測(cè)量并取平均值為最終結(jié)果。鋼珠材料選用導(dǎo)磁性能良好的Q235。鋼珠稱(chēng)量采用精密電子天平，天平的精度為0.001 g，每組試樣均采用未使用過(guò)的鋼珠進(jìn)行拋光試驗(yàn)。磁極選用磁場(chǎng)強(qiáng)度高的N52 釹鐵硼永磁鐵，大磁鐵5 個(gè)，尺寸為20 mm×20 mm×10 mm；小磁鐵4 個(gè)，尺寸為10 mm×10 mm×5 mm。試樣表面形貌采用SZ6100 體視顯微鏡（南京江南永新光學(xué)有限公司）進(jìn)行觀測(cè)。

根據(jù)前期初步的工藝試驗(yàn)探索結(jié)果，試驗(yàn)的振動(dòng)頻率為15 Hz，振幅為0.2 mm，加工時(shí)間為30 min，鋼珠的質(zhì)量為0.100 g?？紤]到磁極和工件干涉限制，加工間隙最小只能采用1 mm，因而加工間隙選用1，2，3 和4 mm。磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，研磨效率不佳且受額定轉(zhuǎn)速限制。因此，磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速選用500，600，700 和800 r/min。當(dāng)鋼珠直徑過(guò)小時(shí)，鋼珠所具有的研磨壓力過(guò)小，無(wú)法完成拋光加工；當(dāng)鋼珠直徑過(guò)大時(shí)，鋼珠可研磨的范圍降低，研磨效率下降。所以，鋼珠直徑選用0.4，0.6，0.8和1.0 mm。

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)采用鋼珠直徑D、加工間隙E、磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速F等3 個(gè)主要的工藝參數(shù)為因素，因素和水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平Tab.1 Factor and level of orthogonal test

由于在研磨過(guò)程中，鋼珠的主要作用為擠壓和撞擊，試樣表面產(chǎn)生塑性變形，材料去除量變化很小，并且試樣研磨前粗糙度不一致。因此，采用粗糙度降低率ΔRa作為試驗(yàn)指標(biāo)。采用L16(45)正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，保留兩列空白列用于誤差分析，正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal test plan and test results

表2中的粗糙度降低率ΔRa采用下式計(jì)算：

式中：Ra1為原始粗糙度值；Ra2為研磨后粗糙度值。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析及優(yōu)化

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行極差分析和方差分析，極差分析結(jié)果如表3所示。

表3 極差分析結(jié)果Tab.3 Range analysis results

從表3中可以看出：最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為D4E1F4，即鋼珠直徑為1.0 mm、加工間隙為1 mm、磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速為800 r/min。因素對(duì)指標(biāo)影響大小順序：鋼珠直徑＞加工間隙＞磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速。

為了直觀地研究各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響情況，根據(jù)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制3 個(gè)主要工藝參數(shù)對(duì)粗糙度降低率的影響趨勢(shì)圖，如圖5所示。

從圖5a 可以看出：試驗(yàn)選用的鋼珠直徑越大，所得粗糙度降低率越大。這是因?yàn)樵阡撝橘|(zhì)量一定的情況下，鋼珠直徑越大，單個(gè)鋼珠的質(zhì)量越大，鋼珠的總數(shù)越少，在磁場(chǎng)中所受的磁力越大，在研磨過(guò)程中能夠產(chǎn)生更大的擠壓和撞擊作用，進(jìn)而提高研磨效率，使試樣表面粗糙度下降快，因而粗糙度降低率增大。

加工間隙通過(guò)影響加工區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)而影響研磨效率[21]。從圖5b 中可以看出：加工間隙越大，粗糙度降低率越小。采用較大的加工間隙會(huì)使得加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，使鋼珠所產(chǎn)生的磁力減弱。磁力的減弱使得鋼珠隨磁極盤(pán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度降低，鋼珠對(duì)試樣表面的擠壓和碰撞作用減弱，進(jìn)而導(dǎo)致研磨效率下降，粗糙度降低率同時(shí)下降。

從圖5c 中可以看出：磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速越大，粗糙度降低率越大。這是因?yàn)榇艠O盤(pán)轉(zhuǎn)速越大，在加工區(qū)域內(nèi)所形成磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化頻率越高，鋼珠的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度越大，能夠增大單位時(shí)間內(nèi)鋼珠與試樣表面的擠壓和撞擊次數(shù)，增強(qiáng)鋼珠的擠壓和撞擊作用，從而提高研磨效率，同時(shí)增大粗糙度降低率。

圖5 各因素對(duì)粗糙度降低率的影響Fig.5 Influence of various factors on the reduction rate of roughness

表4為方差分析結(jié)果。由表4可知：F值和貢獻(xiàn)率ρ代表因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，F(xiàn)值越大，貢獻(xiàn)率ρ越高，對(duì)指標(biāo)的影響程度越大。因此，鋼珠直徑對(duì)研磨效果的影響最大，加工間隙次之，磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速的影響最小，方差分析結(jié)果與極差分析的結(jié)果一致。

表4 方差分析結(jié)果Tab.4 Variance results

在表3的最佳參數(shù)下，其他條件不變時(shí)，得出粗糙度降低率和加工時(shí)間的關(guān)系，如圖6所示。從圖6可以看出：在相同加工時(shí)間條件下，不添加振動(dòng)時(shí)，試樣的粗糙度降低率隨著加工的進(jìn)行先呈上升趨勢(shì)后逐漸趨于穩(wěn)定?？赡艿脑蚴请S著加工時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼珠劃擦、撞擊試樣的次數(shù)增多，表面大量突起得到多次碾壓，到30 min后表面突起基本被碾平，粗糙度降低率逐漸穩(wěn)定。

圖6 粗糙度降低率與加工時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between roughness reduction rate and processing time

與不添加振動(dòng)的情況相比，添加振動(dòng)時(shí)，試樣的粗糙度降低率大幅提高?？赡艿脑蚴钦駝?dòng)增加了單位時(shí)間內(nèi)鋼珠劃擦的次數(shù)，使得鋼珠的劃擦軌跡更加復(fù)雜，提高了研磨效率。由此可見(jiàn)，振動(dòng)的添加有助于研磨效率的提高。在加工30 min 后，粗糙度降低率達(dá)到最大值，也驗(yàn)證了正交試驗(yàn)時(shí)所采用的最佳研磨時(shí)間的正確性。此后，隨著振動(dòng)的添加，試樣內(nèi)部由增材制造技術(shù)所殘留的氣孔逐漸暴露，降低了研磨加工后試樣表面的粗糙度，使得粗糙度降低率產(chǎn)生降低趨勢(shì)。

對(duì)在最佳參數(shù)下，加工30 min 時(shí)，施加振動(dòng)前后試樣的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖7所示。圖7中，試樣原始粗糙度值Ra1為11.059 μm，經(jīng)過(guò)30 min 研磨拋光后粗糙度值Ra2為1.513 μm，粗糙度降低率ΔRa達(dá)到最大值86.3%，試樣表面粗糙度明顯降低。

圖7 研磨前后粗糙度對(duì)比Fig.7 Roughness comparison before and after finishing

圖8所示為試樣研磨前后表面形貌對(duì)比。從圖8a可以看出：試樣的原始表面存在許多3D 打印后殘留的未融球形突起，表面凸凹不平，光潔度差。從圖8b 中可清晰地看出：經(jīng)過(guò)30 min 研磨后，試樣變得光潔，研磨區(qū)域表面平整均勻，突起得到去除，表面形貌明顯改善。

圖8 試樣研磨前后表面形貌對(duì)比Fig.8 Comparison of the surface morphology of the sample before and after grinding

因此，采用上述最佳工藝參數(shù)進(jìn)行研磨拋光，能夠大幅降低試樣表面粗糙度，試樣表面質(zhì)量得到顯著提高。

3 結(jié)論

針對(duì)異形波導(dǎo)管內(nèi)凹槽底面難光整問(wèn)題，設(shè)計(jì)仿形夾具和試樣開(kāi)展正交試驗(yàn)，探究磁力研磨工藝參數(shù)對(duì)粗糙度降低率的影響規(guī)律并優(yōu)化工藝參數(shù)；根據(jù)優(yōu)化后的工藝參數(shù)開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)磁力研磨前后的加工效果進(jìn)行檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

（1）為了獲得較高的粗糙度降低率，在采用最佳研磨時(shí)間30 min 的條件下，對(duì)影響磁力研磨的3 個(gè)主要工藝參數(shù)（鋼珠直徑、加工間隙、磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定磁力研磨內(nèi)凹槽底面工藝參數(shù)的最佳組合是鋼珠直徑為1.0 mm，加工間隙為1 mm，磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速為800 r/min。

（2）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析和方差分析，表明鋼珠直徑對(duì)研磨效率的影響最顯著，加工間隙的影響次之，磁極盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)研磨效率的影響最小。

（3）在最佳工藝參數(shù)組合下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，3D打印試樣經(jīng)磁力研磨30 min 后效果最佳，粗糙度值Ra從11.059 μm 降至1.513 μm，粗糙度降低率ΔRa達(dá)到最大值86.3%，試樣表面突起得到去除，表面更加平整均勻，表面質(zhì)量顯著提高。