夏 昂，楊斌堂

（上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展，各種復(fù)雜形狀零件的加工方法備受關(guān)注，尤其是在航空航天、船舶、汽車和國(guó)防等領(lǐng)域，許多核心零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)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(dòng)強(qiáng)度大，效率低，表面質(zhì)量難以保證。常用的磨削加工方法多屬剛性加工，加工時(shí)易出現(xiàn)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(chǎng)使磁流變液聚結(jié)并具有一定硬度，形成一緞帶凸起，成為有黏塑性的Bingham介質(zhì)，這種高速運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)通過窄小間隙，產(chǎn)生很大的剪切力，對(duì)工件表面進(jìn)行材料去除。但是存在裝置復(fù)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(tǒng)的光整加工工藝，是利用磁性研磨粒子在磁場(chǎng)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(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面研磨的加工方法[3]。磁力研磨的優(yōu)點(diǎn)是加工具有柔性和自適應(yīng)性，適合于平面、球面、圓柱面和其它復(fù)雜形狀零件的加工，利于實(shí)現(xiàn)光整加工的自動(dòng)化。相比于磁流變拋光，研磨裝置簡(jiǎn)單，成本低。Yin S提出的振動(dòng)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(zhì)量，但是，結(jié)構(gòu)裝置復(fù)雜，磁路長(zhǎng)，漏磁現(xiàn)象嚴(yán)重。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種新型的電磁永磁振動(dòng)頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，將復(fù)雜的磁路內(nèi)置于簡(jiǎn)單的振動(dòng)頭上，同時(shí)，振動(dòng)頭可置于數(shù)控機(jī)床或者機(jī)械手上，方便實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜形面加工。

1 電磁永磁振動(dòng)研磨加工機(jī)理

1.1 結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)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(chǎng)作用下，有規(guī)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(zhuǎn)，對(duì)工件擠壓摩擦，實(shí)現(xiàn)研磨加工。

圖1 磁力研磨原理圖

本文設(shè)計(jì)的新型電磁永磁振動(dòng)頭，置于圖2所示的數(shù)控機(jī)床上，由于振動(dòng)頭體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也可置于機(jī)械臂上，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡和復(fù)雜曲面的加工。

如圖3所示，電磁永磁振動(dòng)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(jī)床主軸，帶動(dòng)整個(gè)振動(dòng)頭高速旋轉(zhuǎn)。在高頻電流激勵(lì)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(jī)械振動(dòng)。

新型振動(dòng)頭高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，磁性磨粒吸附在工作頭表面，形成磨粒刷，并跟隨振動(dòng)頭振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，一方面，高頻振動(dòng)對(duì)工件表面產(chǎn)生脈沖壓力，提高了瞬時(shí)研磨壓力，改善工件表面的應(yīng)力狀態(tài)；另一方面，磁性磨粒的工作狀態(tài)，由單純磁力研磨的簡(jiǎn)單水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與垂直沖擊擠壓復(fù)合運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件原始表面波峰波谷的材料去除更均勻、更快速。同時(shí)，磨粒在交變磁場(chǎng)力的作用下，會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)更新。綜上，磁性磨粒會(huì)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、磁場(chǎng)力、高頻振動(dòng)這三種能量的綜合作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的光整加工。

圖2 裝有電磁永磁振動(dòng)頭的數(shù)控機(jī)床

圖3 電磁永磁振動(dòng)頭

1.2 研磨機(jī)理

1.2.1 單個(gè)磨粒受力

線圈驅(qū)動(dòng)電流為正弦信號(hào)I(ω,t)=I0e-jwt，頻率ω=2πf，幅值I0。磁場(chǎng)中某點(diǎn)A，則A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H由電磁線圈在A點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)和永磁體在A點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)復(fù)合合成。其中，永磁體在A點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)H0是定值，不隨時(shí)間變化。電磁線圈在A點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)H1(ω，t)是頻率ω和時(shí)間t的函數(shù)。

單個(gè)磨粒在A點(diǎn)受力如圖1所示，假設(shè)磁力線方向?yàn)閤方向，與磁力線垂直方向（等磁位線方向）為y方向，則單個(gè)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(chǎng)作用力表示為

式中：μ0為真空磁導(dǎo)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(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度。通過提高電流強(qiáng)度以增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高磁性磨粒受力。當(dāng)磨粒脫離加工區(qū)域時(shí)，力F會(huì)把磨料拉向加工區(qū)域，使磨粒不會(huì)脫離加工區(qū)域。

1.2.1 材料去除率模型

在某一點(diǎn)處材料去除量與研磨壓力的關(guān)系可根據(jù)Preston方程[6]表示為

式中：R為材料去除率，k為比例常數(shù)，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(jù)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(zhuǎn)速太高會(huì)導(dǎo)致磨粒脫離加工區(qū)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(duì)工件表面產(chǎn)生的壓力p可表示為[5]

μ0為真空磁導(dǎo)率，μm為磨粒的相對(duì)磁導(dǎo)率，H為A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度。

由式（6）可知，研磨壓力由外部磁場(chǎng)決定，可通過增大磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁性磨粒的相對(duì)磁導(dǎo)率來提高研磨壓力，但是，材料的相對(duì)磁導(dǎo)率是有限的，當(dāng)達(dá)到磁場(chǎng)飽和強(qiáng)度以后，無法再通過提高磁場(chǎng)強(qiáng)度提高研磨壓力。因此，單純地通過提高磁場(chǎng)強(qiáng)度來提高研磨壓力存在局限性。

本文使用電磁永磁振動(dòng)頭，即磁極上施加高頻振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流頻率f，振動(dòng)頭振動(dòng)頻率為f，振動(dòng)頭振動(dòng)振幅為A，頻率ω=2πf，振動(dòng)產(chǎn)生脈沖壓力pz，增大了研磨壓力p。此時(shí)材料去除率方程修正為

磨粒振動(dòng)方向位移，加速度和脈沖壓力

式中：m為單個(gè)磨粒質(zhì)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(qiáng)度、頻率，可以增加脈沖壓力，從而增大研磨效率。

2 試驗(yàn)裝置與條件

2.1 試驗(yàn)裝置

將電磁永磁振動(dòng)頭安裝在機(jī)床上，如圖4、圖5所示，工件固定在工作臺(tái)夾具上。采用ZEISS的體視顯微鏡觀察工件加工前后表面質(zhì)量，采用北京時(shí)代檢測(cè)公司生產(chǎn)TR220便攜式表面粗糙度儀對(duì)工件的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，在工件表面加工區(qū)域測(cè)量5次并求取平均值，作為最終的測(cè)量結(jié)果。振動(dòng)頭采用雙極性電源供電。

圖4 裝有電磁永磁振動(dòng)頭的數(shù)控機(jī)床

圖5 數(shù)控機(jī)床局部視圖

2.2 試驗(yàn)條件

數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)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(jié)而成，粒度60#，工件材料為45鋼。振動(dòng)頭不施加激勵(lì)時(shí)即為傳統(tǒng)的磁力研磨。在保持轉(zhuǎn)速1 000 r/min，電流1.2A，加工間隙2 mm時(shí)，分別在0 Hz，50 Hz，100 Hz，200 Hz，300 Hz的條件下進(jìn)行研磨實(shí)驗(yàn)，研磨時(shí)間20 min；在保持轉(zhuǎn)速1 000 r/min，電流頻率100 Hz，加工間隙2 mm時(shí)，分別再0 A，0.4 A，0.8 A，1.2 A，1.6 A的條件下進(jìn)行研磨實(shí)驗(yàn)，研磨時(shí)間20 min。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 電磁永磁振動(dòng)研磨與磁力研磨加工對(duì)比

圖7（a）為經(jīng)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?yàn)楸砻嬗摄娤骷庸ざ?，刀具作用面窄，相鄰刀軌間存在行距，產(chǎn)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(chǎn)生的微裂紋導(dǎo)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(dòng)研磨時(shí)表面粗糙度隨時(shí)間變化的曲線，可以看到，在前五分鐘，振動(dòng)研磨與純磁力研磨加工后的表面粗糙度差不多，因?yàn)槎呔哂醒心ゼ舛诵?yīng)，優(yōu)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(dòng)研磨加工的優(yōu)越性開始逐步體現(xiàn)出來，磁粒刷對(duì)工件表面高頻沖擊擠壓，瞬時(shí)研磨壓力大，對(duì)剩余凸起不明顯部分去除率高。

圖7是電磁永磁振動(dòng)研磨和普通磁力研磨分別在5 min，10 min，15 min，20 min時(shí)具體的50倍顯微放大圖像，其粗糙度數(shù)據(jù)見圖6。

圖6表面粗糙度與時(shí)間關(guān)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(chǎng)作用下仿形壓覆在工件表面，由于尖端效應(yīng)，波峰處磁力線密集，研磨壓力大，波峰會(huì)被優(yōu)先去除，與波谷高度一致，相對(duì)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(dòng)研磨加工，相比于單純磁力研磨，由于引入高頻振動(dòng)對(duì)工件表面產(chǎn)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(zhì)量變得更加細(xì)密、均勻，表面加工紋理得到進(jìn)一步改善。經(jīng)測(cè)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(zhì)量變得更加細(xì)密、均勻，使得工件的疲勞強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕能力等都得到大大增強(qiáng)，工件的使用性能和使用壽命得到顯著提高。

綜上，對(duì)比圖7，振動(dòng)研磨相比于磁力研磨，表面質(zhì)量表面更加均勻，表面粗糙度降低。

3.2 電磁永磁振動(dòng)研磨加工特性分析

圖8是電磁永磁振動(dòng)研磨中表面粗糙度與勵(lì)磁電流的關(guān)系（其他參數(shù)保持一定），具體表面顯微圖像見圖10?？梢钥吹?，表面質(zhì)量基本與勵(lì)磁電流呈正相關(guān)，這是因?yàn)樵龃箅娏?，即增大了磁?chǎng)強(qiáng)度，增大了研磨壓力。但當(dāng)電流增大到一定程度之后，再增大電流，加工質(zhì)量的提升甚微，這是因?yàn)椴牧系南鄬?duì)磁導(dǎo)率有限的，達(dá)到磁場(chǎng)飽和強(qiáng)度以后，研磨壓力不再增加。圖9是電磁永磁振動(dòng)研磨中表面粗糙度與電流頻率的關(guān)系（其他參數(shù)保持一定），具體表面顯微圖像見圖10。

可以看到，表面質(zhì)量基本與頻率正相關(guān)，因?yàn)榇帕Ｋ⒉粩鄾_擊表面，增加了對(duì)表面的脈沖壓力，高頻的沖擊，在相同時(shí)間內(nèi)，材料去除率高，表面質(zhì)量提升。當(dāng)達(dá)到一定頻率之后，再增加頻率對(duì)表面粗糙度下降作用不再明顯。

4 結(jié)語

（1）本文設(shè)計(jì)一種基于電磁力和永磁力的高頻振動(dòng)頭，電流和頻率方便可調(diào)，實(shí)現(xiàn)研磨粒子的高頻振動(dòng)。振動(dòng)頭可方便置于數(shù)控機(jī)床和機(jī)械臂上，實(shí)現(xiàn)復(fù)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(dòng)的引入，使磁性磨粒在受磁場(chǎng)力同時(shí)對(duì)工件表面產(chǎn)生脈沖壓力，提高了研磨效率。

圖7 電磁永磁振動(dòng)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(dòng)研磨表面粗糙度與勵(lì)磁電流關(guān)系（100 Hz時(shí)）

圖9 電磁永磁振動(dòng)研磨表面粗糙度與頻率關(guān)系（電流1.2A）

圖10 不同電流和不同頻率時(shí)電磁永磁振動(dòng)研磨20 min中加工效果圖

（3）在電磁永磁振動(dòng)研磨加工時(shí)，磁性磨粒由磁力研磨的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，變?yōu)樗叫D(zhuǎn)和垂直沖擊擠壓的合成運(yùn)動(dòng)。復(fù)合運(yùn)動(dòng)對(duì)工件表面材料去除更均勻、更快速，與純磁力研磨加工進(jìn)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(dòng)研磨加工表面質(zhì)量與勵(lì)磁電流和頻率的關(guān)系，實(shí)際加工過程中，在電流源功率允許的情況下，應(yīng)盡可能增大電流和頻率。