新型電磁永磁振動研磨機理及應用

夏 昂，楊斌堂

（上海交通大學 機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240）

隨著制造技術的快速發展，各種復雜形狀零件的加工方法備受關注，尤其是在航空航天、船舶、汽車和國防等領域，許多核心零件結構復雜，傳統的加工工藝和工具難于精密加工。手工研磨拋光是最常見的光整加工方法，但是勞動強度大，效率低，表面質量難以保證。常用的磨削加工方法多屬剛性加工，加工時易出現表面燒傷、表面完整性降低、形狀精度破壞等缺陷。磁力研磨、磁流變拋光都是利用磁力加工的新方法[1]。磁流變拋光利用高梯度磁場使磁流變液聚結并具有一定硬度，形成一緞帶凸起，成為有黏塑性的Bingham介質，這種高速運動的介質通過窄小間隙，產生很大的剪切力，對工件表面進行材料去除。但是存在裝置復雜，成本高，加工效率低等問題[2]。磁力研磨法（MAF）作為一種非傳統的光整加工工藝，是利用磁性研磨粒子在磁場的作用下沿著磁力線分布排列并形成具有一定剛性的磁粒刷，通過磁粒刷與工件之間的相對運動實現對工件表面研磨的加工方法[3]。磁力研磨的優點是加工具有柔性和自適應性，適合于平面、球面、圓柱面和其它復雜形狀零件的加工，利于實現光整加工的自動化。相比于磁流變拋光，研磨裝置簡單，成本低。Yin S提出的振動輔助磁力研磨加工[4]，相比于單純的磁力研磨，大大提高了研磨效率和表面質量，但是，結構裝置復雜，磁路長，漏磁現象嚴重。在此基礎上，本文設計了一種新型的電磁永磁振動頭，結構簡單，將復雜的磁路內置于簡單的振動頭上，同時，振動頭可置于數控機床或者機械手上，方便實現各種復雜形面加工。

1 電磁永磁振動研磨加工機理

1.1 結構形式

傳統的磁力研磨加工，如圖1所示，采用永磁體磁極，研磨顆粒吸附在磁極上，在磁場作用下，有規律排列形成磨粒刷，其仿形壓覆在工件表面，并跟隨磁極工作頭高速旋轉，對工件擠壓摩擦，實現研磨加工。

圖1 磁力研磨原理圖

本文設計的新型電磁永磁振動頭，置于圖2所示的數控機床上，由于振動頭體積小，結構簡單，也可置于機械臂上，實現復雜軌跡和復雜曲面的加工。

如圖3所示，電磁永磁振動頭由連接頭，汝鐵硼，電磁線圈，彈性體，加工部，外殼，端蓋等組成。連接頭連接機床主軸，帶動整個振動頭高速旋轉。在高頻電流激勵下，磁性加工部在電磁力、永磁力和重力綜合作用下，做高頻機械振動。

新型振動頭高速旋轉的同時產生高頻振動，磁性磨粒吸附在工作頭表面，形成磨粒刷，并跟隨振動頭振動和旋轉，一方面，高頻振動對工件表面產生脈沖壓力，提高了瞬時研磨壓力，改善工件表面的應力狀態；另一方面，磁性磨粒的工作狀態，由單純磁力研磨的簡單水平旋轉運動，變成旋轉運動與垂直沖擊擠壓復合運動，對工件原始表面波峰波谷的材料去除更均勻、更快速。同時，磨粒在交變磁場力的作用下，會自動翻轉更新。綜上，磁性磨粒會在旋轉運動、磁場力、高頻振動這三種能量的綜合作用下，實現對工件表面的光整加工。

圖2 裝有電磁永磁振動頭的數控機床

圖3 電磁永磁振動頭

1.2 研磨機理

1.2.1 單個磨粒受力

線圈驅動電流為正弦信號I(ω,t)=I0e-jwt，頻率ω=2πf，幅值I0。磁場中某點A，則A點磁場強度H由電磁線圈在A點場強和永磁體在A點場強復合合成。其中，永磁體在A點場強H0是定值，不隨時間變化。電磁線圈在A點場強H1(ω，t)是頻率ω和時間t的函數。

單個磨粒在A點受力如圖1所示，假設磁力線方向為x方向，與磁力線垂直方向（等磁位線方向）為y方向，則單個磁性磨粒受力F可分解成沿磁力線方向的Fx和等磁位線方向的Fy，磁場作用力表示為

式中：μ0為真空磁導率，χ為磁性磨粒的磁化率，V為磁性磨粒體積，H(ω,t)為A點的磁場強度。

磁性磨粒受到的磁力大小正比于磁性磨粒的體積、磁化率、磁場的強度和磁場梯度。通過提高電流強度以增大磁場強度，從而提高磁性磨粒受力。當磨粒脫離加工區域時，力F會把磨料拉向加工區域，使磨粒不會脫離加工區域。

1.2.1 材料去除率模型

在某一點處材料去除量與研磨壓力的關系可根據Preston方程[6]表示為

式中：R為材料去除率，k為比例常數，由研磨壓力和速度以外的其他因素決定，p為研磨壓力，v為研磨速度。

根據方程（4），提高研磨效率，即提高材料去除率R的可能方式為增大研磨壓力p或者提高研磨速度v，但是由于離心力作用，轉速太高會導致磨粒脫離加工區域，所以提高研磨壓力是更加可行的方案。

普通磁力研磨加工過程中，磁粒刷對工件表面產生的壓力p可表示為[5]

μ0為真空磁導率，μm為磨粒的相對磁導率，H為A點磁場強度。

由式（6）可知，研磨壓力由外部磁場決定，可通過增大磁場強度和磁性磨粒的相對磁導率來提高研磨壓力，但是，材料的相對磁導率是有限的，當達到磁場飽和強度以后，無法再通過提高磁場強度提高研磨壓力。因此，單純地通過提高磁場強度來提高研磨壓力存在局限性。

本文使用電磁永磁振動頭，即磁極上施加高頻振動，驅動電流頻率f，振動頭振動頻率為f，振動頭振動振幅為A，頻率ω=2πf，振動產生脈沖壓力pz，增大了研磨壓力p。此時材料去除率方程修正為

磨粒振動方向位移，加速度和脈沖壓力

式中：m為單個磨粒質量，S為磨粒與工件接觸面積。

由式（2）、式（3）、式（9）、式（10）可知，通過增大電流強度、頻率，可以增加脈沖壓力，從而增大研磨效率。

2 試驗裝置與條件

2.1 試驗裝置

將電磁永磁振動頭安裝在機床上，如圖4、圖5所示，工件固定在工作臺夾具上。采用ZEISS的體視顯微鏡觀察工件加工前后表面質量，采用北京時代檢測公司生產TR220便攜式表面粗糙度儀對工件的表面粗糙度進行測量，在工件表面加工區域測量5次并求取平均值，作為最終的測量結果。振動頭采用雙極性電源供電。

圖4 裝有電磁永磁振動頭的數控機床

圖5 數控機床局部視圖

2.2 試驗條件

數控機床主軸轉速1 000 r/min，加工頭與工件表面加工間隙2 mm，加工所采用的磁性磨粒由磨粒相的SiC與鐵磁相的鐵粉燒結而成，粒度60#，工件材料為45鋼。振動頭不施加激勵時即為傳統的磁力研磨。在保持轉速1 000 r/min，電流1.2A，加工間隙2 mm時，分別在0 Hz，50 Hz，100 Hz，200 Hz，300 Hz的條件下進行研磨實驗，研磨時間20 min；在保持轉速1 000 r/min，電流頻率100 Hz，加工間隙2 mm時，分別再0 A，0.4 A，0.8 A，1.2 A，1.6 A的條件下進行研磨實驗，研磨時間20 min。

3 試驗結果分析與討論

3.1 電磁永磁振動研磨與磁力研磨加工對比

圖7（a）為經體視顯微鏡50倍放大后原始加工表面圖，表面粗糙度Ra 2.122?？梢钥吹皆嫉墓ぜ砻婕庸ぜy理十分清晰，這是因為表面由銑削加工而成，刀具作用面窄，相鄰刀軌間存在行距，產生殘留高度，大量殘留高度相互疊加，形成大量波峰和波谷，加上銑削過程中產生的微裂紋導致加工紋理十分清晰。

圖7為在加工過程中純磁力研磨和100 Hz振動研磨時表面粗糙度隨時間變化的曲線，可以看到，在前五分鐘，振動研磨與純磁力研磨加工后的表面粗糙度差不多，因為二者均具有研磨尖端效應，優先去除磁力線密集的明顯突起處，該處研磨壓力大，二者去除率差不多。但是在10分鐘后，振動研磨加工的優越性開始逐步體現出來，磁粒刷對工件表面高頻沖擊擠壓，瞬時研磨壓力大，對剩余凸起不明顯部分去除率高。

圖7是電磁永磁振動研磨和普通磁力研磨分別在5 min，10 min，15 min，20 min時具體的50倍顯微放大圖像，其粗糙度數據見圖6。

圖6表面粗糙度與時間關系

圖7（e）上是單純磁力研磨加工20 min，磁性研磨顆粒在磁場作用下仿形壓覆在工件表面，由于尖端效應，波峰處磁力線密集，研磨壓力大，波峰會被優先去除，與波谷高度一致，相對于原始工件表面，表面加工紋理得到明顯改善，表面粗糙度為Ra 1.069。

圖7（e）下為電磁永磁振動研磨加工，相比于單純磁力研磨，由于引入高頻振動對工件表面產生脈沖壓力，波峰處的研磨壓力更大，被去除得更明顯，表面質量變得更加細密、均勻，表面加工紋理得到進一步改善。經測量，表面粗糙度為Ra 0.574。

由于工件表面的加工紋理和微裂紋被明顯去除，表面質量變得更加細密、均勻，使得工件的疲勞強度、耐磨性、抗腐蝕能力等都得到大大增強，工件的使用性能和使用壽命得到顯著提高。

綜上，對比圖7，振動研磨相比于磁力研磨，表面質量表面更加均勻，表面粗糙度降低。

3.2 電磁永磁振動研磨加工特性分析

圖8是電磁永磁振動研磨中表面粗糙度與勵磁電流的關系（其他參數保持一定），具體表面顯微圖像見圖10?？梢钥吹剑砻尜|量基本與勵磁電流呈正相關，這是因為增大電流，即增大了磁場強度，增大了研磨壓力。但當電流增大到一定程度之后，再增大電流，加工質量的提升甚微，這是因為材料的相對磁導率有限的，達到磁場飽和強度以后，研磨壓力不再增加。圖9是電磁永磁振動研磨中表面粗糙度與電流頻率的關系（其他參數保持一定），具體表面顯微圖像見圖10。

可以看到，表面質量基本與頻率正相關，因為磁粒刷不斷沖擊表面，增加了對表面的脈沖壓力，高頻的沖擊，在相同時間內，材料去除率高，表面質量提升。當達到一定頻率之后，再增加頻率對表面粗糙度下降作用不再明顯。

4 結語

（1）本文設計一種基于電磁力和永磁力的高頻振動頭，電流和頻率方便可調，實現研磨粒子的高頻振動。振動頭可方便置于數控機床和機械臂上，實現復雜形面加工。

（2）由材料去除率模型可知，增大研磨壓力可以提高研磨效率。高頻振動的引入，使磁性磨粒在受磁場力同時對工件表面產生脈沖壓力，提高了研磨效率。

圖7 電磁永磁振動研磨和普通磁力研磨20 min中加工效果圖

圖8 電磁永磁振動研磨表面粗糙度與勵磁電流關系（100 Hz時）

圖9 電磁永磁振動研磨表面粗糙度與頻率關系（電流1.2A）

圖10 不同電流和不同頻率時電磁永磁振動研磨20 min中加工效果圖

（3）在電磁永磁振動研磨加工時，磁性磨粒由磁力研磨的水平旋轉運動，變為水平旋轉和垂直沖擊擠壓的合成運動。復合運動對工件表面材料去除更均勻、更快速，與純磁力研磨加工進行比較，加工后的工件表面形貌更加均勻，表面粗糙度降低。

（4）分析了電磁永磁振動研磨加工表面質量與勵磁電流和頻率的關系，實際加工過程中，在電流源功率允許的情況下，應盡可能增大電流和頻率。