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(yīng)用越來(lái)越廣泛，呈現(xiàn)出多樣性、復(fù)雜性的發(fā)展趨勢(shì)。整個(gè)葉盤通常由5個(gè)軸控制，并且不可避免地在葉片表面產(chǎn)生不可避免的尺寸結(jié)構(gòu)。只有經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研磨和處理才能穩(wěn)定使用。然而，整個(gè)葉片腔的形狀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，相鄰葉片之間的氣流通道距離較小。本文通過(guò)用徑向磁極代替軸向磁極加工以避免干涉碰撞,同時(shí)在磁極表面開(kāi)矩形槽來(lái)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(cè)量?jī)x測(cè)量葉片表面粗糙度值.目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法比其他加工技術(shù)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(zhì)量和加工效率.加工葉根區(qū)域時(shí)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(jìn)一步介紹.1徑向磁粉機(jī)和效率分析1.1徑向磁力研磨機(jī)理磁力研磨光整工藝的基本原理是磁性磨粒受到磁場(chǎng)力作用,會(huì)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(shí)磁粒刷會(huì)在工件表面產(chǎn)生一定的研磨壓力.當(dāng)磁極帶動(dòng)磁粒刷高速旋轉(zhuǎn)時(shí),磁性磨粒在工件表面產(chǎn)生擠壓、摩擦,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的研磨拋光.綜合分析整體葉盤的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和磁力研磨的工藝特點(diǎn),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(jìn)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(cè)面圓周聚集成刷,既可實(shí)現(xiàn)研磨加工又能很好地避免產(chǎn)生干涉.如圖1所示為徑向磁力研磨機(jī)理,將整體葉盤固定在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)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(nèi).受磁極磁場(chǎng)作用,磁性磨粒會(huì)在加工間隙內(nèi)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(dāng)磁極高速旋轉(zhuǎn)時(shí),磁場(chǎng)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(shí),磁粒刷與葉片表面產(chǎn)生相對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體葉盤的研磨拋光.徑向磁力研磨加工時(shí),磁極無(wú)論是做進(jìn)給或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),均是在機(jī)械手臂的帶動(dòng)下不斷調(diào)整姿態(tài),使磁極軸線始終與葉片表面保持近似平行,不會(huì)出現(xiàn)加工工具與工件表面干涉碰撞的現(xiàn)象,干涉問(wèn)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(duì)較低.1.2磁力磨粒的結(jié)構(gòu)圖2為徑向磁力研磨時(shí),單個(gè)磁性磨粒在研磨加工過(guò)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(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn).相鄰磁性磨粒間的相互作用力與磁場(chǎng)力相比較小,可忽略不計(jì).圖中向下的虛線表示磁場(chǎng)磁力線,橫向的虛線表示垂直磁力線.假設(shè)沿磁力線方向?yàn)閤方向,與磁力線垂直的方向?yàn)閥方向,則單個(gè)磁性磨粒在磁場(chǎng)中所受到的磁場(chǎng)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(shè)總的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率為則磁性磨粒在磁場(chǎng)作用下所受到的磁場(chǎng)力F可表示為式中磁場(chǎng)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(gè)磁場(chǎng)力相互疊加共同作用使磁粒刷緊密壓附在工件表面產(chǎn)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(diǎn)處的材料去除量(mg);k為與加工條件相關(guān)的比例常數(shù);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(duì)運(yùn)動(dòng)速度(mm/s).由式(7)可知,在允許的范圍內(nèi),研磨壓力P越大,磁性磨粒對(duì)整體葉盤表面的磨削力越大,單位時(shí)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(guān)鍵手段由式(8)分析得到:可通過(guò)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率ue014H/ue014l的方法增大研磨壓力P,進(jìn)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(kāi)多個(gè)凹槽以改變磁極表面磁場(chǎng)分布,增大磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度和磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率.1.3槽肩磁極開(kāi)槽前后磁場(chǎng)分析典型磁極開(kāi)槽方式有矩形槽和V形槽,用Ansys軟件模擬分析徑向磁極開(kāi)槽前和開(kāi)不同槽時(shí)磁場(chǎng)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(zhì)即空氣層,觀察磁極周圍磁場(chǎng)發(fā)現(xiàn)磁極開(kāi)槽前后磁場(chǎng)變化明顯,開(kāi)槽形狀不同,磁場(chǎng)分布也不相同.圖3(a)為磁極開(kāi)槽前磁場(chǎng)分布,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁極兩側(cè)對(duì)稱分布并向中間遞減,圖3(b)和圖3(c)分別為磁極開(kāi)矩形槽和V形槽時(shí)的磁場(chǎng)分布,圖中磁極開(kāi)槽后最大磁感應(yīng)強(qiáng)度散亂分布在所開(kāi)槽的兩側(cè)槽肩,局部磁感應(yīng)強(qiáng)度較大.由于磁力研磨時(shí)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(shè)定路徑,求得該路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度合矢量變化情況如圖4所示.圖中以曲線波峰、波谷的數(shù)量和變化幅度表示平均磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率的大小.磁極開(kāi)槽前,除去磁感應(yīng)強(qiáng)度最大處磁場(chǎng)變化較為劇烈,其他區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度無(wú)明顯變化,平均磁場(chǎng)變化率較小;磁極開(kāi)槽后,整個(gè)磁極圓周區(qū)域均有明顯的局部磁感應(yīng)強(qiáng)度變化.且比較發(fā)現(xiàn):磁極開(kāi)矩形槽比開(kāi)V形槽局部磁感應(yīng)強(qiáng)度大,且磁場(chǎng)變化更為劇烈,平均磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率較大.磁極表面開(kāi)矩形槽時(shí),槽不同的寬深比也會(huì)影響徑向磁極的磁感應(yīng)強(qiáng)度和研磨壓力的大小,根據(jù)有限元分析模擬數(shù)值計(jì)算得到磁極開(kāi)矩形槽時(shí)不同寬深比的局部磁感應(yīng)強(qiáng)度B和研磨壓力P大小如表1所示.比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁極表面所開(kāi)矩形槽的寬深比為1∶1時(shí),磁極的局部磁感應(yīng)強(qiáng)度最大為0.80T,研磨壓力為0.318N.由于磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不均,磁極產(chǎn)生局部聚磁效果,使得磁性磨粒更容易聚集成團(tuán),當(dāng)工件與磁極間隙一定時(shí),磁性磨粒聚集得越多,該點(diǎn)處的局部研磨壓力越大;其次,槽肩處磁場(chǎng)強(qiáng)度變化越大,越不均勻,磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度增大,磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率增大.由式(8),磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率增大使研磨壓力P產(chǎn)生增量ΔP,則單位時(shí)間某點(diǎn)處材料去除量R變?yōu)樽詈?由圖3中模擬數(shù)據(jù)顯示,磁極開(kāi)矩形槽以后最大磁感應(yīng)強(qiáng)度由0.68T增大至0.80T,增量值為0.12T,代入式(5)計(jì)算得到磁極開(kāi)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(shí)驗(yàn)2.1磁力研磨法本實(shí)驗(yàn)研究中使用的磁力研磨法加工整體葉盤的裝置主體結(jié)構(gòu)如圖5所示,整個(gè)裝置主要由六自由度機(jī)械手和徑向磁力研磨機(jī)構(gòu)組成.在加工整體葉盤時(shí),整體葉盤經(jīng)定位后固定在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上,調(diào)速電動(dòng)機(jī)通過(guò)軟軸把動(dòng)力傳遞給磁力研磨系統(tǒng),經(jīng)內(nèi)部錐齒輪改變傳動(dòng)方向使徑向磁極產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);同時(shí)通過(guò)控制機(jī)械手臂不斷調(diào)整磁極的姿態(tài)來(lái)避免磁極與工件發(fā)生干涉碰撞;磁極帶動(dòng)磁粒刷做旋轉(zhuǎn)和矩形往復(fù)的復(fù)合運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)整體葉盤葉片表面的研磨拋光.該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,并且能夠?qū)φw葉盤表面起到良好研磨拋光效果.2.2徑向現(xiàn)實(shí)磁極本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為鎳基高溫合金GH4169整體葉盤;拋光裝置的磁極轉(zhuǎn)速為1500r/min,磁極沿葉片表面的進(jìn)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(jié)而成,經(jīng)破碎篩分后取粒徑為150μm的燒結(jié)磁性磨粒5g;油性研磨液2mL;3種徑向磁鐵采用強(qiáng)磁性材料銣鐵硼制成,分別為不開(kāi)槽磁極、矩形槽磁極和V形槽磁極;加工時(shí)間均為45min,具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示.3結(jié)果分析3.1表面粗糙度值下降速度較快分別用不開(kāi)槽磁極和開(kāi)槽磁極研磨加工整體葉盤45min,用表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)得葉片表面粗糙度值隨加工時(shí)間的變化關(guān)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?yàn)槌跏技庸るA段,工件表面紋理較深,波峰波谷明顯,磁力研磨存在的尖點(diǎn)效應(yīng)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(diǎn)效應(yīng)逐漸減弱甚至消失,因此磁極開(kāi)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(kāi)槽后局部磁場(chǎng)強(qiáng)度增大,聚磁效果明顯.且磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度梯度增大,磁性磨料在加工間隙內(nèi)更替更加頻繁,翻滾、摩擦加劇.此外,開(kāi)槽后磁粒刷與磁極間摩擦阻力增大,磨粒對(duì)磁極的附著作用增強(qiáng),因此在以后的40min開(kāi)槽磁極研磨效率明顯優(yōu)于不開(kāi)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(shí)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(shí)際提高了31%,實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值相比有所減小,這是由于在磁性磨粒微觀受力中,磁場(chǎng)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(jīng)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(duì)比.通過(guò)對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可以看出,研磨前銑削紋理清晰可見(jiàn),葉片表面整體輪廓模糊;經(jīng)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(zhì)量變得更加細(xì)密、均勻,葉片表面整體輪廓清晰,數(shù)學(xué)特征更加明顯,表面質(zhì)量得到明顯提高.葉片原始表面是經(jīng)過(guò)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(dǎo)致等殘留高度的產(chǎn)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(guò)程中產(chǎn)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(dǎo)致葉面輪廓模糊不清,形狀精度較差;用徑向磁力研磨法對(duì)整體葉盤原始表面光整加工后,其尖點(diǎn)效應(yīng)使葉片表面高凸部分被優(yōu)先去除,這樣因殘留高度所產(chǎn)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(xì)密、均勻,葉面輪廓清晰,形狀精度得到提高,葉盤工作時(shí)氣流運(yùn)行通暢、氣動(dòng)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(jīng)45min研磨后的實(shí)物效果對(duì)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(jīng)過(guò)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(jìn)一步驗(yàn)證了磁力研磨法對(duì)整體葉盤表面拋光效果顯著.4磁力研磨柔性加工實(shí)驗(yàn)分析本文針對(duì)形狀結(jié)構(gòu)復(fù)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(jìn)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(shí)在磁極表面開(kāi)槽,達(dá)到提高磁力研磨效率和研磨質(zhì)量的目的,以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)加以分析,