瓦形磁極對磁粒研磨加工管件內表面的影響

王金龍，陳燕，張澤群，李文龍

瓦形磁極對磁粒研磨加工管件內表面的影響

王金龍，陳燕，張澤群，李文龍

（遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051）

提高磁粒研磨加工厚壁管內表面的表面質量與表面粗糙度改善率。采用聚磁盤與瓦形磁極相配合的方式，通過仿真軟件對不同數量的瓦形磁極與聚磁盤的多種組合進行模擬仿真，并分析其磁感應強度變化與磁力線分布。利用磁粒研磨法對管件內表面進行研磨試驗驗證，研磨后對工件表面粗糙度進行測量，并觀察工件表面微觀形貌。分析瓦型磁極數量、主軸轉速以及磁性磨粒粒徑對管件內壁表面質量的影響。不設置瓦形磁極時，在主軸轉速為600 r/min、磨粒粒徑為185 μm、研磨時間為15 min的條件下，管件內表面粗糙度由原始的0.42 μm 左右降低至0.14 μm左右，表面粗糙度改善率為67.05%，表面質量有所改善。設置2個瓦形磁極時，在主軸轉速、磨粒粒徑、研磨時間與不設置瓦形磁極相同的條件下，管件內表面粗糙度從原始的0.42 μm 左右降低至0.09 μm，表面粗糙度改善率為78.57%，表面缺陷被完全去除。聚磁盤與瓦形磁極相配合的磁極排布方式，使得管件內外形成封閉磁回路，增大了加工區域的磁感應強度并改善了磁場分布，工件內表面的微裂紋、凹坑等表面缺陷基本被去除，獲得良好的表面加工質量和較高的表面粗糙度改善率。

磁粒研磨；聚磁盤；SS304不銹鋼；瓦形磁極；磁極排布；表面粗糙度

管件是航天、石油、核電等領域中最常見的運輸載體，在高溫、高壓情況下，管件表面質量直接影響其服役壽命、運輸效率及設備的穩定性和安全性[1-3]。近年來，隨著國家加大對上述領域的投入，提升管件表面質量的相關研究逐漸成為熱點[4-5]。以磨頭、砂紙等人工打磨的傳統加工方法，加工效率低；用砂輪磨削，需定期對砂輪進行修整，且表面質量的均勻性無法保證[6]。

磁粒研磨光整加工技術可有效提高管件表面質量[7-9]，與傳統研磨方法相比，磁粒研磨法具有較好的適應性，利用磨粒的切削刃對表面進行磨削，工作時溫升小，且不需要進行補償工具磨損等優點，已成功應用于不同材質的各種形狀表面加工[10-17]。磁粒研磨所使用的磨料是一種具有導磁性能與研磨性能的新型磨料，它由鐵磁基體和研磨相組合而成[18-20]。

磁粒研磨法拋光管件內表面時，通常在管件內部填充磁性磨粒，在管件外部根據不同角度調整放置磁極的數量，受管件外部放置磁極的磁場力作用，使磁性磨粒作用被壓附在管件內表面上，形成柔性的“磁粒刷”，通過它與管件間產生的相互運動，“磁粒刷”對表面進行滑擦、刻劃，從而達到對表面進行拋光的目的[21-22]。當磁性磨粒與磁極距離增大時，磁性磨粒受到的磁場力減小，管件壁厚對磁粒研磨加工有一定的影響，導致無法提供足夠的磁感應強度。韓冰等[23]提出在研磨介質中放置輔助性的球狀磁極作為拋光工具，可以促進磨粒更替，但球狀磁極與管件內壁是點接觸，會出現互磨現象。李文龍等[24]在管件內放置兩個相斥磁極，相斥磁極間放置一個聚磁盤，通過聚磁盤吸附磁性磨粒對管間內表面進行拋光。雖然解決了厚壁管中磁場強度不足的問題，但是聚磁盤中間處因為同極相斥，會出現一部分無磁性的區域，磁性磨料與管件內表面接觸面積變小，加工效率變低。為此，提出了在管內加入一對磁極，讓它們的相斥端通過聚磁盤連接，在管外聚磁盤位置放置瓦形磁極，瓦形磁極徑向充磁且瓦形磁極內弧面磁性與聚磁盤磁性相反。聚磁盤與瓦形磁極之間形成封閉磁回路，這種瓦形磁極與聚磁盤組合的磁極排布方式，使加工裝置有良好的磁感線分布，且大大增強了磁感應強度，增強對管件內表面的研磨壓力，獲得較高的表面粗糙度改善率與良好的表面質量。

1 磁粒研磨加工機理

1.1 加工原理

加工原理如圖1所示，管件內表面為聚磁盤連接的一對相斥磁極，聚磁盤材料為純鐵，其直徑與黃銅管2直徑相同，兩黃銅管與聚磁盤粘接在一起。管件外表面為瓦形磁極，瓦形磁極徑向充磁，其磁性與聚磁盤磁性相反，瓦形磁極固定在黃銅管1內表面。磁力線如圖2所示，瓦形磁極與聚磁盤形成閉合磁回路，磁回路區域內的磁力線更密集，磁感應強度顯著增強，非磁回路區域與磁回路區域之間存在磁感應強度梯度，有利于磁性磨料的翻滾、更替。將磁性磨料與研磨液以質量比為1∶3混合后放入管件內表面之間，聚磁盤在管件內部，瓦形磁極在管件外部，管件做旋轉運動，磁場力和離心力共同作用磁性磨粒，使磨粒壓附在管件內表面，管件與磁極做相對運動，此時磁性磨粒對管件內表面進行滑擦、切削，降低表面粗糙度，得到良好的表面質量。

圖1 加工工具原理圖

圖2 相斥磁極與瓦形磁極的磁力線

1.2 力的分析

磁性磨粒受到離心力作用，對管件內表面的瞬時壓力為：

式中：m為磨粒質量，kg；v為磁性磨粒線速度，m/s；R為磨粒旋轉半徑，m。

1.3 磁場強度理論分析

為了得到更高的磁感應強度與更好的磁場分布，在管件內部放置聚磁盤，管件外部放置瓦形磁極。為了探究瓦形磁極的數量對加工區域磁感應強度的影響，通過SolidWorks軟件1∶1比例建立模型。圓柱磁極的直徑為30mm，厚度為20 mm，兩圓柱磁極通過厚度為5 mm的純鐵連接。瓦形磁極的外徑為51mm，內徑為43 mm，高度為40 mm，瓦形磁極左右兩端面的夾角為90°。圓柱磁極與瓦形磁極固定在不同內徑的黃銅管內壁且材料均為釹鐵硼，兩圓柱磁極的充磁方向為軸向充磁，充磁方向相反，瓦型磁極徑向充磁。待加工管件的外徑為40mm，內徑為36 mm。用ANSYS Electronics Desktop軟件對不同瓦形磁極數量的多種組合進行模擬仿真，且在管件內表面設置1條圓形曲線，用于測量不同方案中管件內表面磁感應強度的變化，并繪出曲線圖。

圖4—8分別為在管件外部不放置瓦形磁極，放置1、2、3個瓦形磁極與環形磁極的模擬分析圖以及對應的建模截面圖。可以觀察到圖4與圖5—8相比，圖4的磁感應強度明顯更低。圖4c的磁力線分布云圖在工件加工區域相較其他方案的磁力線更稀疏，且在對稱中心區域存在無磁力線現象，導致吸附在聚磁盤表面的磁性磨料分布不合理，出現磁性磨料空白區域，減少磨料與管件內表面的接觸面積，降低研磨效率。對比圖5—8，可以看出強磁場（圖中紅色區域）都集中在聚磁盤靠近瓦形磁極附近，磁感線分布明顯更為合理。觀察得出圖6a、b的磁感應強度最高，高磁場區域最大。由于永磁材料的磁感應強度有限，對于管件來說，隨著壁厚的增加，使磁性磨粒與磁極之間的距離增大，磁極的有效磁力降低，導致磨粒對管件的研磨壓力減小，故對于厚壁管來說，提高磁極的磁感應強度，相同距離下的磁性磨粒對管件內壁的研磨壓力也會增大，可提高材料去除速度，減少加工時間。圖6c中加工區域的磁力線分布最密集，單位面積內的磁力線越密集，磁感應強度越高，且由于磁性磨粒會沿著磁力線分布，磁力線在加工區域越集中，在加工區域可以吸附的磨粒越多，單位時間內加工的面積越大。因此，在加工過程中，爭取做到加工區域具有更高的磁感應強度和更密集的磁力線分布。

圖4 無瓦形磁極磁場分析

圖5 1個瓦形磁極磁場分析

圖6 2個瓦形磁極磁場分析

圖7 3個瓦形磁極磁場分析

圖8 環形磁極磁場分析

在管件內壁添加圓形輔助曲線，得到了各方案對管件內表面加工時的磁感應強度曲線見圖9—10。圖9為在管件外部不放置瓦形磁極，放置1、2、3個瓦形磁極的磁感應強度曲線圖。由圖9可以看出，2個瓦形磁極與3個瓦形磁極相較于其他方案的磁感應強度更高，2個瓦形磁極的磁感應強度的峰值、均值、谷值都高于3個瓦形磁極，且3個瓦形磁極的波谷并沒有磁感應強度梯度，2個瓦形磁極的磁感應強度的波峰與波谷都存在較好的磁感應強度梯度，梯度效應更加明顯，使吸附在聚磁盤上的磁性磨料更容易翻滾、更替，防止磁性磨料的切削刃發生鈍化，更有利于提高管件內表面的表面質量。圖10為在管件外部放置2個瓦形磁極和環形磁極的磁感應強度曲線，對比發現在管件外部放置2個瓦形磁極的磁感應強度更好。因此，通過圖4—10的仿真結果可以得出：在管件內部放置聚磁盤，外部放置2個瓦形磁極理論上具有更高的磁感應強度，更好的磁力線分布，有利于減少加工時間，提高管件內表面質量。

圖9 管件外部放置不同數量瓦形磁極的磁感應強度曲線

圖10 2個瓦形磁極與環形磁極的磁感應強度曲線

2 試驗與分析

2.1 試驗裝置

試驗通過自主研發的磁粒研磨設備進行，裝置如圖11所示。將管件通過三爪卡盤安裝在數控車床主軸上，聚磁盤由小三爪卡盤夾持，小三爪卡盤由固定裝置固定在刀具架上，瓦形磁極粘接在黃銅管內壁，黃銅管由懸臂梁固定在刀具架上，聚磁盤與黃銅管同軸。試驗開始前，將磨料與研磨液均勻混合后放置在管件內表面，試驗過程中，磁性磨粒在聚磁盤與瓦形磁極共同作用下將磨粒壓附在管件內表面，管件與磁極做相對運動，磨粒不斷磨削、滑擦管件內壁，最終改善管件的表面質量。

圖11 試驗裝置

2.2 試驗條件

以SS304不銹鋼材料的管件作為試驗對象，圓柱磁極與瓦形磁極均為釹鐵硼磁極。加工間隙為2 mm，研磨液為水溶性研磨液，試驗參數見表1。使用觸針式表面粗糙度測量儀與超景深3D顯微鏡，測量實驗前后管件內表面的表面粗糙度與微觀形貌。

表1 試驗參數

Tab.1 Experimental parameters

2.3 瓦形磁極數量對管件表面粗糙度的影響

設定主軸轉速為600 r/min，磨粒粒徑為185 μm，其他加工條件見表1。在無瓦形磁極、1個瓦形磁極、2個瓦形磁極、3個瓦形磁極的情況下進行試驗。圖12為不同瓦形磁極數量下表面粗糙度的變化曲線。由圖12可知，放置瓦形磁極后，管件表面粗糙度的降低速度更快，表面粗糙度更低。不放置瓦形磁極及放置1、2、3個瓦形磁極時，最終得到的表面粗糙度分別為0.13、0.12、0.09、0.12 μm。設置2個瓦形磁極時，管件得到最好的表面粗糙度，與仿真結果相符合，2個瓦形磁極時會有更高的磁感應強度與更好的磁場分布。

圖12 不同磁極數量對表面粗糙度的影響

2.4 轉速對管件表面粗糙度的影響

將瓦形磁極數量設定為2個，磨粒粒徑為185 μm，其他加工條件見表1。在主軸轉速分別為400、600、800 r/min的情況下進行試驗。圖13為不同主軸轉速下表面粗糙度的變化曲線。由圖13可知，主軸轉速為400 r/min時，由于轉速較低，單位時間內每顆磨粒對管件研磨的次數少，研磨后管件內表面的粗糙度最高；主軸轉速為600 r/min時，研磨后的表面粗糙度最低，表面粗糙度的下降速度較快；而主軸轉速為800 r/min時，雖然初始階段表面粗糙度下降較快，但由于轉速過高，磨粒間相互研磨過多，導致磨粒磨損嚴重，對管件進行有效研磨的效果變低。由試驗得出，主軸轉速為600 r/min時，對管件研磨的效果最佳。

圖13 不同主軸轉速對表面粗糙度的影響

2.5 磁性磨粒粒徑對管件表面粗糙度的影響

將瓦形磁極數量設定為2個，主軸轉速為600 r/min，其他加工條件見表1。在磨粒平均粒徑分別為150、185、250 μm的情況下進行試驗。圖14為不同磨粒粒徑下表面粗糙度的變化曲線。由圖14可知，磁性磨粒粒徑越大，所受的磁場力越大，對管件的研磨壓力就會越大，所以在初始加工階段，粒徑為250 μm的磁性磨粒使管件表面粗糙度下降得更快，但研磨壓力過大會使研磨后的表面出現劃痕，導致管件表面的研磨效果不佳。粒徑為150 μm的磁性磨粒，粒徑過小，受到的磁場力更小，研磨壓力不足，進而導致管件表面的研磨效果不佳。經過試驗得出，粒徑為185 μm的磁性磨粒對管件的研磨效果最好，使管件內表面的表面粗糙度由0.42 μm降低至0.09 μm。

圖14 不同粒徑對表面粗糙度的影響

3 結果與分析

圖15為未放置瓦形磁極的聚磁盤與放置2個瓦形磁極的聚磁盤加工前后管件內壁的表面形貌對比圖與表面粗糙度對比圖。由圖15a可以看出，管件原始內表面存在凸起、凹坑、微裂紋以及較深的溝壑；經過聚磁盤加工后，如圖15b所示，基本去除了管件微裂紋，表面質量有所改善，但管件表面仍然存在少量凹坑、溝壑等；經過放置了2個瓦形磁極的聚磁盤加工后，如圖15c所示，有效地消除了管件表面的原始紋理，凸起、凹坑、微裂紋完全消失，與模擬仿真相吻合。圖16為未放置瓦形磁極的聚磁盤與放置2個瓦形磁極的聚磁盤加工后的管件內壁的表面粗糙度改善率對比圖，可以看出，設置2個瓦形磁極使加工后的管件內壁的表面粗糙度改善率由67.05%提高至78.57%。因此，放置2個瓦形磁極的聚磁盤短時間內可以有效地去除管件表面的原始缺陷，得到了良好的管件表面質量。

圖15 研磨前后工件的表面形貌

圖16 研磨后工件的表面粗糙度改善率

4 結論

1）在管內加入一對相斥磁極，讓它們相斥端通過聚磁盤連接，在管外聚磁盤位置放置瓦形磁極，聚磁盤與瓦形磁極之間形成封閉磁回路，這種瓦形磁極與聚磁盤組合的磁極排布方式，使加工裝置有更好的磁感應線分布，且大大增強了磁感應強度，增強對管件內表面的研磨壓力，提高表面粗糙度改善率，獲得較好的表面質量。

2）通過仿真軟件對不同瓦形磁極數量的多種組合進行了模擬仿真，從仿真結果可以得出，當設置2個瓦形磁極時，獲得了最佳的磁場強度與磁場分布。

3）管件內部放置聚磁盤，外部放置2個瓦形磁極，當管件轉速為600 r/min、磨粒粒徑為185 μm、研磨時間為15 min時，可將SS304不銹鋼管表面粗糙度由0.42 μm左右降低到0.09 μm 左右，表面粗糙度改善率達到78.57%。

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Influence of Tile Type Magnetic Pole on Inner Surface of Magnetic Abrasive Finishing Grinding Pipe Fittings

,,,

(School of Mechanical Engineering and Automation, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China)

The work aims to improve the surface quality and surface roughness improvement rate of the inner surface of the thick-wall tube processed by magnetic abrasive finishing, the magnetic induction intensity change and magnetic field line distribution of cooperation between the different number of tile poles and clustered disk were simulated and analyzed by the method of combining clustered disk and tile type magnetic poles with simulation software. The inner surface of the pipe fittings was tested and verified by the magnetic abrasive finishing method. After grinding, the surface roughness of the workpiece was measured, and the microscopic morphology of the workpiece surface was observed. The influence of the number of shoe-shaped magnetic poles, the spindle speed and the particle size of magnetic abrasive finishing on the surface quality of the inner wall of the pipe was analyzed. The results show that under the conditions of no tile magnetic poles were set, spindle speed of 600 r/min, the abrasive particle size of 185 μm and grinding time of 15 min, the original surface roughness of the inner surface of pipe fittings decreased from about 0.42 μm to about 0.14 μm, surface roughness improvement rate was 67.05% and the surface quality was improved; under setting two tile magnetic poles, and the same conditions of, pipe rotation speed, the surface roughness of pipe fittings decreased from 0.42 μm to 0.09 μm, surface roughness improvement rate was 78.57% and the surface defects were completely removed. The magnetic pole distribution with the combination of clustered disk and magnetic tile can form a closed magnetic loop inside and outside the pipe fitting, which magnetic induction intensity of the processing area is improved and the processing efficiency is improved. Surface defects such as micro-cracks and pits on the inner surface of the workpiece are basically removed, and good surface machining quality and higher surface roughness improvement rate is obtained.

magnetic abrasive finishing; clustered disk; SS304 stainless steel; tile type magnetic poles; magnetic pole distribution; surface roughness

2021-07-13；

2021-11-15

WANG Jin-long (1995—), Male, Postgraduate, Research focus: precision and special processing.

陳燕（1963—），女，博士，教授，主要研究方向為精密加工與特種加工。

CHEN Yan (1963—), Female, Doctor, Professor, Research focus: precision and special processing.

王金龍，陳燕，張澤群, 等. 瓦形磁極對磁粒研磨加工管件內表面的影響[J]. 表面技術, 2022, 51(3): 158-166.

TG356.28

A

1001-3660(2022)03-0158-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.016

2021-07-13；

2021-11-15

國家自然科學基金（51775258）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51775258)

王金龍（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為精密加工與特種加工。

WANG Jin-long, CHEN Yan, ZHANG Ze-qun, et al. Influence of Tile Type Magnetic Pole on Inner Surface of Magnetic Abrasive Finishing Grinding Pipe Fittings[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 158-166.