球形磁鐵在空間彎管內(nèi)表面研磨中的應(yīng)用

球形磁鐵在空間彎管內(nèi)表面研磨中的應(yīng)用

由于彎曲變形，內(nèi)表面存在微裂縫等表面微缺陷，在交變壓力的作用下，微裂縫很容易擴展。同時，很容易積累雜質(zhì)和腐蝕，因此，去除表面缺陷，減少彎管內(nèi)表面的粗糙度具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。本文作者采用磁力研磨加工方法在彎管內(nèi)部投入一枚球形磁鐵作為輔助拋光工具,對TB8合金彎管進行磁力研磨試驗.試驗中觀察到球形磁鐵在外部的旋轉(zhuǎn)磁場的作用下沿著彎管內(nèi)壁滾動,不會因為曲率半徑的改變而阻礙其通過彎曲處,試驗結(jié)果也驗證了添加球形磁鐵對提高加工效率的作用和貢獻.1加工原理和技術(shù)分析1.1磁力研磨壓力的計算如圖1所示,球型磁鐵的兩個磁極(N,S)分別與外部磁鐵的磁極(S,N)形成閉合的磁回路,增大吸附在球型磁鐵磁極端部的磁性磨料對管件內(nèi)表面的研磨壓力.研磨加工時,工件固定不動,將裹有磁性磨料的球形磁鐵投入彎管中,此時受彎管外部磁場力的作用裹有磁性磨料的球形磁鐵對彎管內(nèi)表面產(chǎn)生一定的壓力貼附在工件表面.當彎管外部磁極轉(zhuǎn)動時,產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場將驅(qū)動裹有磁性磨料的球形磁鐵與工件內(nèi)表面產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動,同時整個拋光裝置沿著彎管軸線方向往復(fù)移動,使磁性磨粒在工件內(nèi)表面上形成螺旋狀的復(fù)合運動,從而達到對彎管內(nèi)表面拋光效果.在磁力、離心力和摩擦力的共同作用下,球形磁鐵在彎管內(nèi)部產(chǎn)生自身旋轉(zhuǎn)運動,使得磁性磨料產(chǎn)生自發(fā)攪拌現(xiàn)象利用研磨拋光等加工工藝的數(shù)學模型Preston經(jīng)驗公式得:式中R(x,y)為柔性磁性研磨粒子與工件接觸區(qū)域某點(x,y)單位時間內(nèi)材料去除量;k為磁性研磨粒子與加工有關(guān)的比例常數(shù);V(x,y)為磁性研磨粒子與工件之間的相對旋轉(zhuǎn)的速度;P(x,y)為柔性磁性研磨粒子與工件間的研磨壓力.為了提高磁力研磨加工效率,由式1得出材料的去除量與研磨壓力和研磨速度呈正比.所以增加磁力研磨過程中工件材料去除量的方法有兩種:一是增加彎管內(nèi)表面與磁性磨料之間的相對運動速度,另一種是提高磁性磨料對彎管內(nèi)表面的研磨壓力.由于磁場轉(zhuǎn)速過高,磁性研磨粒子受到離心力的作用使得磁性磨料會貼附在彎管內(nèi)表面上(離心力大于磁場力),則外部旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不易過高.所以在試驗過程中,旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不變的情況下,提高研磨壓力成為提高材料去除量有效的方法,從而提高研磨效率.磁力研磨所產(chǎn)生的研磨壓力由式(2)計算.式中B為作用面處的磁感應(yīng)強度;μ由式2可知研磨壓力p與磁感應(yīng)強度B的平方呈正比.在研磨過程中引入球形磁鐵輔助研磨彎管內(nèi)表面,即提高加工區(qū)域的磁感應(yīng)強度,增大了研磨壓力,最終提高了工件材料的去除量和研磨效率.1.2磁場強度理論分析為了解析實際參與磨削的磁性磨粒的受力情況,通過AnsoftMaxwell軟件分別對管內(nèi)未加球形磁鐵和加球形磁鐵兩種模型的磁感應(yīng)強度進行有限元分析,如圖2所示.模擬結(jié)果表明在管內(nèi)部不加球形磁鐵時,加工區(qū)域的磁感應(yīng)強度只有0.4T左右;加有球形磁鐵時,不僅產(chǎn)生了磁場梯度,而且在加工區(qū)域的磁感應(yīng)強度達到0.8T左右.由公式(2)可知:當磁感應(yīng)強度增加時,研磨壓力隨之增大,去除量也隨之增大,研磨效率得到提高.1.3試驗技術(shù)的比較Yamaguchi2磁力研磨試驗為了驗證以上分析,將一枚直徑ue7886.35mm球形磁鐵作為輔助拋光工具放入ue78818mm的彎管內(nèi),通過磁力研磨試驗來解析增大磁感應(yīng)強度(即增大研磨壓力),提高研磨效率的實際效果.2.1實驗材料及尺寸試驗中選用釹鐵硼(Nd-Fe-B)永磁體,尺寸為15mm×15mm×10mm;磁極的形狀及尺寸如圖3所示,磁極頭材料為Q235;選取4g磁性磨料;磁極旋轉(zhuǎn)速度為600r/min,軸向運動速度1mm/s;磨粉液體積為1.4mL;加工時間為40min.本文中所用彎管材料為鈦合金,其牌號為TB8(成分為Ti-3Al-15Mo-2.7Nb-0.25Si).該合金機械性能好,抗磨性差,切削加工困難.在試驗過程中研磨的尺寸大小為ф20mm×ф18mm×120mm;所使用磁性研磨粒子采用燒結(jié)法2.2電機的軟軸,使磁極高速旋轉(zhuǎn)本研究中使用的磁力研磨彎管內(nèi)表面加工裝置如圖4所示.在加工彎管時,彎管工件被固定在工作臺上,電機通過軟軸把動力傳遞到拋光系統(tǒng),使磁極高速旋轉(zhuǎn);通過外部計算機控制六自由度機械手臂沿其彎管軸心線作往復(fù)移動,兩種運動的合成帶動內(nèi)部磁性磨料做螺旋運動,實現(xiàn)對彎管內(nèi)表面的研磨加工.2.3u3000離心強、研磨壓力圖5(a)所示為沒有球形磁鐵時磁性磨料的運動狀態(tài).磁性磨料在磁鐵處于靜止狀態(tài)時,由于外部兩對磁鐵的作用被分為兩個部分并貼附在工件表面.當外部磁極高速旋轉(zhuǎn)時,磁性磨料隨著外部磁鐵旋轉(zhuǎn)與彎管內(nèi)表面產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)運動.但是由于磁性磨料粒徑小(平均直徑約150μm),所能接收到的磁感應(yīng)強度較小,使得部分磁性磨料所受到的離心力大于磁場力.在試驗過程中觀察到一部分磁性磨料在管內(nèi)壁上處于靜止狀態(tài),還有一部分處于懸空狀態(tài)沒有參與磨削,僅有少部分磁性磨料參加磨削,使得研磨效率降低.如圖5(b)所示,加有球形磁鐵時,由于球形磁鐵的兩極與外部磁場重新形成封閉磁回路,兩磁極間距離減小且球形磁鐵的體積大,可以增大吸附在球形磁鐵表面的磁性研磨粒子的研磨壓力,且遠大于磁性研磨粒子所受到的離心力,此時磁性研磨粒子在磁場力的作用下會隨著球形磁鐵追隨外部磁極沿著管內(nèi)表面旋轉(zhuǎn),同時球形磁鐵在外部旋轉(zhuǎn)磁場的作用下自身產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動,磁性磨料又被重新吸附到球形磁鐵周圍,使磁性磨料在磨削過程中不斷地攪拌,有利于磁性研磨粒子更替對工件內(nèi)表面進行拋光.同時由式(1)可知,在外部旋轉(zhuǎn)磁場的速度不變的情況下,研磨壓力增大,其去除量隨之增加,研磨效率大幅度提高.2.4材料去除量曲線為了驗證在研磨過程中有無球形磁鐵對管件內(nèi)表面拋光效率的影響,在外部旋轉(zhuǎn)磁場速度一定的條件下,分別對兩種條件下對鈦合金彎管內(nèi)表面研磨進行試驗研究.得到如圖6所示的粗糙度值、材料去除量隨研磨時間變化關(guān)系圖.在研磨過程中沒有使用球形磁鐵時,經(jīng)40min研磨后彎管內(nèi)表面粗糙度R從圖6中可以看出:材料去除量與磁力研磨加工時間主要呈線性變化關(guān)系.在40min的研磨過程中,未使用球形磁鐵時,研磨后其內(nèi)表的材料去除量曲線的斜率變化比較平穩(wěn);使用球形磁鐵后,曲線的斜率變化明顯增大,表明材料去除量大.由式(1)和式(2)可知:當使用球形磁鐵時,加工區(qū)域的磁場強度增大,則裹附球形磁鐵的磁性磨料(即“磁粒刷”)對彎管內(nèi)表面的壓力增大,當外部磁場旋轉(zhuǎn)的速度不變的情況下,彎管內(nèi)表面的材料去除量增加,研磨效率得到提高,使得表面粗糙度值迅速下降.圖7(a)為研磨前鈦合金彎管原始內(nèi)表面的形貌,在圖中可以清晰地看出原始內(nèi)表面存在許多微裂紋等缺陷.圖7(b)為沒有球形磁鐵研磨后表面形貌的變化情況,研磨后原始表面上的微裂紋缺陷基本去除,但是在顯微鏡下可以清楚觀察到研磨后與原始表面正交方向上的加工紋理.圖7(c)為使用球形磁鐵時,研磨后表面形貌,不僅去除了原始表面上的缺陷,得到較好的表面粗糙度值,而且從加工紋理上看也要比沒有使用球形磁鐵時加工紋理要平滑很多,且在三維形貌上可以看出在加有球形磁鐵時,鈦合金彎管內(nèi)表面的顏色過度均勻,說明在研磨后鈦合金彎管內(nèi)表面上幾乎沒有凸凹不平以及微裂紋顯現(xiàn),基本消除了由于加工紋理較深容易使污垢雜質(zhì)等積存造成腐蝕等問題,延長了彎管的服役時間.因此,采用球形磁鐵輔助彎管內(nèi)表面進行研磨,有效去除鈦合金彎管內(nèi)表面上的微裂紋,同時得到較好的表面質(zhì)量.3輔助拋光球形強化磁研磨a.利用磁力研磨加工方