磁力研磨徑向磁極的光整加工方法研究

磁力研磨徑向磁極的光整加工方法研究

隨著航空航天行業(yè)的快速發(fā)展，全葉盤零件的應用越來越廣泛，呈現出多樣性、復雜性的發(fā)展趨勢。整個葉盤通常由5個軸控制，并且不可避免地在葉片表面產生不可避免的尺寸結構。只有經過進一步的研磨和處理才能穩(wěn)定使用。然而，整個葉片腔的形狀結構非常復雜，相鄰葉片之間的氣流通道距離較小。本文通過用徑向磁極代替軸向磁極加工以避免干涉碰撞,同時在磁極表面開矩形槽來提高磁力研磨效率.利用3-D超景深顯微鏡觀察工件表面形貌,用表面粗糙度測量儀測量葉片表面粗糙度值.目前的實驗結果表明:該方法比其他加工技術更能有效地降低整體葉盤葉片表面粗糙度值,提高零件的表面質量和加工效率.加工葉根區(qū)域時換用軸向磁極研磨壓力較大,加工工藝略有差別,本文不再做進一步介紹.1徑向磁粉機和效率分析1.1徑向磁力研磨機理磁力研磨光整工藝的基本原理是磁性磨粒受到磁場力作用,會沿磁力線方向有規(guī)律地排列,形成磁粒刷仿形壓附在工件表面,同時磁粒刷會在工件表面產生一定的研磨壓力.當磁極帶動磁粒刷高速旋轉時,磁性磨粒在工件表面產生擠壓、摩擦,從而實現對工件表面的研磨拋光.綜合分析整體葉盤的結構復雜性和磁力研磨的工藝特點,本文打破磁力研磨常用軸向磁極加工的研磨定式,用徑向磁極代替軸向磁極進行研磨,原因是徑向磁極磁力線沿半徑方向分布,磁性磨粒在磁極側面圓周聚集成刷,既可實現研磨加工又能很好地避免產生干涉.如圖1所示為徑向磁力研磨機理,將整體葉盤固定在回轉工作臺上,徑向磁極靠近葉片表面并與其保持1~2mm的加工間隙,將磁性磨粒與油性研磨液均勻混合后添加到加工間隙內.受磁極磁場作用,磁性磨粒會在加工間隙內沿著磁力線方向整齊排列聚集在磁極圓周表面,形成具有一定剛性的磁粒刷壓附在葉片表面上.當磁極高速旋轉時,磁場力作用抑制了磁性磨粒因離心力的作用向外飛散,使磁粒刷的剛性得到保持.與此同時,磁粒刷與葉片表面產生相對進給運動,從而實現對整體葉盤的研磨拋光.徑向磁力研磨加工時,磁極無論是做進給或者旋轉運動,均是在機械手臂的帶動下不斷調整姿態(tài),使磁極軸線始終與葉片表面保持近似平行,不會出現加工工具與工件表面干涉碰撞的現象,干涉問題最終得到解決.但該方法與軸向磁力研磨加工相比,研磨壓力明顯減小,研磨效率相對較低.1.2磁力磨粒的結構圖2為徑向磁力研磨時,單個磁性磨粒在研磨加工過程中的微觀受力情況.由于磁性磨粒形狀不規(guī)則,特將其簡化為質點.相鄰磁性磨粒間的相互作用力與磁場力相比較小,可忽略不計.圖中向下的虛線表示磁場磁力線,橫向的虛線表示垂直磁力線.假設沿磁力線方向為x方向,與磁力線垂直的方向為y方向,則單個磁性磨粒在磁場中所受到的磁場力F可分解為沿磁力線方向的力F式中V為磁性磨粒的體積(m設總的磁場強度變化率為則磁性磨粒在磁場作用下所受到的磁場力F可表示為式中磁場力F不僅使磁性磨粒大量聚集形成具有一定剛度的磁粒刷,而且多個磁場力相互疊加共同作用使磁粒刷緊密壓附在工件表面產生引起磨削效果的研磨壓力P和周向力F式中μ研磨壓力P使磁性磨粒壓入工件,周向力F式中R(x,y)為磁粒刷在某加工點處的材料去除量(mg);k為與加工條件相關的比例常數;P(x,y)為磁粒刷作用在工件上的研磨壓力(N);v(x,y)為磁粒刷與工件之間的相對運動速度(mm/s).由式(7)可知,在允許的范圍內,研磨壓力P越大,磁性磨粒對整體葉盤表面的磨削力越大,單位時間工件材料去除量越大,工件的研磨效率也越高.因此,增大研磨壓力P是提高徑向研磨效率的關鍵手段由式(8)分析得到:可通過增大磁場強度變化率ue014H/ue014l的方法增大研磨壓力P,進而提高整體葉盤的研磨效率.由此,本文提出在徑向磁極表面沿軸向開多個凹槽以改變磁極表面磁場分布,增大磁場強度梯度和磁場強度變化率.1.3槽肩磁極開槽前后磁場分析典型磁極開槽方式有矩形槽和V形槽,用Ansys軟件模擬分析徑向磁極開槽前和開不同槽時磁場的變化情況如圖3所示,圖中中心圓為徑向磁極端面,外圓為磁介質即空氣層,觀察磁極周圍磁場發(fā)現磁極開槽前后磁場變化明顯,開槽形狀不同,磁場分布也不相同.圖3(a)為磁極開槽前磁場分布,最大磁感應強度在磁極兩側對稱分布并向中間遞減,圖3(b)和圖3(c)分別為磁極開矩形槽和V形槽時的磁場分布,圖中磁極開槽后最大磁感應強度散亂分布在所開槽的兩側槽肩,局部磁感應強度較大.由于磁力研磨時磁極與工件之間通常保留1mm左右的加工間隙,因此距磁極表面1mm處設定路徑,求得該路徑上磁感應強度合矢量變化情況如圖4所示.圖中以曲線波峰、波谷的數量和變化幅度表示平均磁感應強度變化率的大小.磁極開槽前,除去磁感應強度最大處磁場變化較為劇烈,其他區(qū)域磁感應強度無明顯變化,平均磁場變化率較小;磁極開槽后,整個磁極圓周區(qū)域均有明顯的局部磁感應強度變化.且比較發(fā)現:磁極開矩形槽比開V形槽局部磁感應強度大,且磁場變化更為劇烈,平均磁感應強度變化率較大.磁極表面開矩形槽時,槽不同的寬深比也會影響徑向磁極的磁感應強度和研磨壓力的大小,根據有限元分析模擬數值計算得到磁極開矩形槽時不同寬深比的局部磁感應強度B和研磨壓力P大小如表1所示.比較發(fā)現當磁極表面所開矩形槽的寬深比為1∶1時,磁極的局部磁感應強度最大為0.80T,研磨壓力為0.318N.由于磁感應強度分布不均,磁極產生局部聚磁效果,使得磁性磨粒更容易聚集成團,當工件與磁極間隙一定時,磁性磨粒聚集得越多,該點處的局部研磨壓力越大;其次,槽肩處磁場強度變化越大,越不均勻,磁場強度梯度增大,磁場強度變化率增大.由式(8),磁場強度變化率增大使研磨壓力P產生增量ΔP,則單位時間某點處材料去除量R變?yōu)樽詈?由圖3中模擬數據顯示,磁極開矩形槽以后最大磁感應強度由0.68T增大至0.80T,增量值為0.12T,代入式(5)計算得到磁極開槽前后局部最大研磨壓力分別為P將P2磁粉研磨和加工的實驗2.1磁力研磨法本實驗研究中使用的磁力研磨法加工整體葉盤的裝置主體結構如圖5所示,整個裝置主要由六自由度機械手和徑向磁力研磨機構組成.在加工整體葉盤時,整體葉盤經定位后固定在回轉工作臺上,調速電動機通過軟軸把動力傳遞給磁力研磨系統(tǒng),經內部錐齒輪改變傳動方向使徑向磁極產生高速旋轉運動;同時通過控制機械手臂不斷調整磁極的姿態(tài)來避免磁極與工件發(fā)生干涉碰撞;磁極帶動磁粒刷做旋轉和矩形往復的復合運動,實現對整體葉盤葉片表面的研磨拋光.該裝置結構簡單,操作方便,并且能夠對整體葉盤表面起到良好研磨拋光效果.2.2徑向現實磁極本實驗的實驗對象為鎳基高溫合金GH4169整體葉盤;拋光裝置的磁極轉速為1500r/min,磁極沿葉片表面的進給速度為1mm/s;磁極圓周與葉片表面之間的加工間隙為1mm;磁性磨粒采用粒徑為45μm的碳化硅與粒徑為75μm的鐵粒子燒結而成,經破碎篩分后取粒徑為150μm的燒結磁性磨粒5g;油性研磨液2mL;3種徑向磁鐵采用強磁性材料銣鐵硼制成,分別為不開槽磁極、矩形槽磁極和V形槽磁極;加工時間均為45min,具體實驗參數如表2所示.3結果分析3.1表面粗糙度值下降速度較快分別用不開槽磁極和開槽磁極研磨加工整體葉盤45min,用表面粗糙度測量儀測得葉片表面粗糙度值隨加工時間的變化關系如圖6所示.從圖中看出研磨前5min,研磨效率均較高,這是因為初始加工階段,工件表面紋理較深,波峰波谷明顯,磁力研磨存在的尖點效應使工件表面的波峰被優(yōu)先去除,與波谷高度趨于一致,表面粗糙度值下降速度較快;加工5min后,由于表面紋理的波峰已被明顯去除,剩余待加工的波峰寬度增大,需被去除的材料增多,尖點效應逐漸減弱甚至消失,因此磁極開槽前磁力研磨加工葉片表面,表面粗糙度值的變化率逐漸趨于緩慢.而在磁極表面開槽后局部磁場強度增大,聚磁效果明顯.且磁場變化率增大使得磁力研磨壓力增大,工件表面去除率提高.磁場強度梯度增大,磁性磨料在加工間隙內更替更加頻繁,翻滾、摩擦加劇.此外,開槽后磁粒刷與磁極間摩擦阻力增大,磨粒對磁極的附著作用增強,因此在以后的40min開槽磁極研磨效率明顯優(yōu)于不開槽磁極,且矩形槽磁極的研磨效率高于V形槽磁極.由圖6可知,用矩形槽磁極加工整體葉盤,加工時間為45min,葉片表面粗糙度值由R將圖6中各段曲線斜率分別代入式(11)求得平均斜率變化為0.31,即磁力研磨效率實際提高了31%,實驗值與理論計算值相比有所減小,這是由于在磁性磨粒微觀受力中,磁場力作用被重新分解為沿曲面法線的研磨壓力P和沿曲面切線的周向力F3.2表面形貌特征如圖7所示為整體葉盤經顯微鏡200倍放大后葉片的原始表面和研磨45min后葉片表面形貌變化情況對比.通過對比圖7(a)和圖7(b)可以看出,研磨前銑削紋理清晰可見,葉片表面整體輪廓模糊;經磁力研磨45min后,整體葉盤葉片表面的微小裂紋被基本消除,銑削紋理變淺或消失,表面質量變得更加細密、均勻,葉片表面整體輪廓清晰,數學特征更加明顯,表面質量得到明顯提高.葉片原始表面是經過銑削加工完成,由于銑削刀具作用面窄及相鄰刀軌之間行距的存在,必然導致等殘留高度的產生.大量等殘留高度相互疊加形成規(guī)律性的波峰和波谷,加上銑削過程中產生的微裂紋使得工件表面的加工紋理更為清晰,局部區(qū)域微裂紋明顯,這種表面形貌也直接導致葉面輪廓模糊不清,形狀精度較差;用徑向磁力研磨法對整體葉盤原始表面光整加工后,其尖點效應使葉片表面高凸部分被優(yōu)先去除,這樣因殘留高度所產生的波峰、波谷高度差被有效降低,表面加工紋理得到明顯改善.葉片的表面加工形貌變得更加細密、均勻,葉面輪廓清晰,形狀精度得到提高,葉盤工作時氣流運行通暢、氣動效率得到明顯提高,工作性能更加穩(wěn)定.圖8為整體葉盤葉片研磨前和經45min研磨后的實物效果對比.從圖8(a)中可以看出研磨前葉片表面顏色灰暗,加工紋理清晰;圖8(b)經過磁力研磨光整加工后,整體葉盤葉片表面較為光亮,加工紋理得到明顯去除,進一步驗證了磁力研磨法對整體葉盤表面拋光效果顯著.4磁力研磨柔性加工實驗分析本文針對形狀結構復雜整體葉盤的研磨拋光這一加工難題,提出利用非傳統(tǒng)的磁力研磨加工方法進行光整處理.利用徑向磁極代替軸向磁極以避免磁極與工件發(fā)生干涉,同時在磁極表面開槽,達到提高磁力研磨效率和研磨質量的目的,以實驗結果為依據加以分析,