張萍萍，張桂香

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255091）

現(xiàn)代制造加工技術(shù)尤其是模具表面加工朝著精密和超精密、微細(xì)和超微細(xì)加工技術(shù)方向發(fā)展．模具表面光整加工通常要求微小加工去除量，精密加工，這也就限制了自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)和加工方式的運(yùn)用，而磁力光整加工就是針對(duì)這些加工難題所做的研究．由于磁力研磨加工效率高、加工質(zhì)量好，且磁性磨粒具有良好的自銳性，加工工具不需修形，因此此種加工方法受到越來(lái)越多的關(guān)注．這項(xiàng)加工技術(shù)能夠?qū)⒋判圆牧虾头谴判圆牧系募庸ぞ瓤刂圃?．01mm以下，實(shí)現(xiàn)精密研磨、拋光以及棱邊去毛刺加工，這是其他加工工藝難以實(shí)現(xiàn)的．在三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行相關(guān)改造，就可以將其改裝成為一臺(tái)磁力研磨加工裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件微量切削［6]精密光整加工．目前這項(xiàng)技術(shù)中大多采用電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，使工件和磁極間的磁性磨料在磁場(chǎng)力的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的光整加工．但在實(shí)際加工中，采用電磁線圈會(huì)導(dǎo)致其與磁極、工件構(gòu)成的磁空間過(guò)大［7]，且電磁線圈內(nèi)部在研磨加工過(guò)程中產(chǎn)生的渦流熱［8]會(huì)使加工區(qū)域與工件溫度上升，致使工件表面燒傷，降低研磨加工精度．永磁鐵是不用從外部供給電能就能產(chǎn)生磁場(chǎng)的材料，將設(shè)計(jì)的磁力研磨附件安裝在數(shù)控機(jī)床主軸上，具有體積小、無(wú)需線圈、安裝便攜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，并且永磁鐵磁路可靠性高，維修方便，有優(yōu)越的適應(yīng)性，可以拋光研磨工件的任何型面［9]．本裝置就是在XK7136C三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控立式銑床上加裝設(shè)計(jì)的磁極，并采用永久磁體作為磁極材料，代替電磁鐵，對(duì)加工工件表面進(jìn)行平面磁力光整加工．

1 精密磁力研磨裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為研制的精密平面磁力研磨加工機(jī)床，通過(guò)在數(shù)控立式銑床上加裝磁力研磨附件來(lái)實(shí)現(xiàn)其精密研磨拋光功能．該裝置通過(guò)接桿將永磁磁極固定在立式銑床上，磁極隨主軸旋轉(zhuǎn)，在磁極跟工件之間的加工區(qū)域放入適量的磁性磨料，工件安裝在卡盤夾具上，利用電機(jī)帶動(dòng)機(jī)床的工作部件實(shí)現(xiàn)精密的平面磁力研磨光整加工．

圖1 平面磁力研磨機(jī)床

在卡盤夾具上要安放強(qiáng)磁體，其主要作用是強(qiáng)化與永磁磁極形成的磁場(chǎng)．將被加工工件直接裝夾在強(qiáng)磁體上，再通過(guò)接桿將彈性?shī)A頭和永磁磁極連接起來(lái)，磁性磨料在強(qiáng)磁體和永磁磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)中沿磁力線方向形成磁性研磨刷，在磁場(chǎng)力的作用下壓向工件表面，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁極運(yùn)轉(zhuǎn)，就會(huì)在磁性磨料跟工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的精密光整加工．

由于永磁體材料質(zhì)地較脆，所以在數(shù)控機(jī)床主軸上的彈簧夾頭處設(shè)計(jì)了一個(gè)接桿，將永磁磁極跟機(jī)床主軸連接起來(lái)，接桿材料為黃銅，它既起到連接作用又起到隔磁作用，隔磁主要是防止磁性磨料在加工過(guò)程中被拋飛到磁極周圍將其他部件磁化，從而削弱加工區(qū)域磁場(chǎng)．永磁磁極表面形狀也很重要，因?yàn)檫@會(huì)影響到加工區(qū)域的磁場(chǎng)、磁性磨料的受力，進(jìn)而影響加工質(zhì)量和加工效率．平面磁力研磨加工示意圖如圖2所示．圖3為磁極結(jié)構(gòu)圖，在永磁體磁極表面開槽，會(huì)改變加工區(qū)域磁場(chǎng)分布，使間隙小的地方磁阻小，磁場(chǎng)強(qiáng)度大；反之，間隙大的地方磁阻大磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)變小，從而增加了磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度，間接增大了磨削力．同時(shí)，在磁極表面開槽也有助于磁性磨粒的流動(dòng)，增加磨粒的切削加工性能．這樣磁性磨料就會(huì)在一個(gè)不斷變化的磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的高效率光整加工．但是要注意的是磁極開槽后磨削力增大的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致磨粒對(duì)工件表面研磨壓力的減小，所以要同時(shí)兼顧兩者，獲取最優(yōu)加工效果．

圖2 平面磁力研磨加工示意圖

圖3 磁極結(jié)構(gòu)圖

2 磁極設(shè)計(jì)方法與計(jì)算步驟

用磁粒研磨加工方法對(duì)工件表面進(jìn)行光整加工或者去毛刺時(shí)，選用稀土釹鐵硼永磁材料（NbFeB）做磁極材料．永磁磁體矯頑力大，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度高，其工作狀態(tài)在磁滯回線的第二象限［10]，即在退磁曲線上，并且在磁能積（BH）最大值的狀態(tài)下使用效果最好．

稀土釹鐵硼（NbFeB）合金主要有Nb2Fe14B相、富Nb相、富B相．其中Nb2Fe14B是主要來(lái)源，其體積分?jǐn)?shù)通常為85%～90%，其最大磁能積（BH）能達(dá)到400kJ／m，并且其矯頑力也高達(dá)2 400kA／m，表1為燒結(jié)釹鐵硼永磁材料與其他永磁材料性能比較．在表1中，Br為磁性材料剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，Hcb為矯頑力，Hci為內(nèi)稟矯頑力，（BH）max為最大磁能積，urec為相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率．

表1 燒結(jié)釹鐵硼永磁材料與其他永磁材料性能比較

要想計(jì)算永磁體的尺寸大小就得用到永磁體磁路的相關(guān)計(jì)算．而合理使用永磁體的磁能成了磁路設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題．永磁體磁路包括鐵磁材料、永磁材料、空氣氣隙．根據(jù)永磁體和空氣氣隙組成的磁路，由基爾霍夫第一定律：在磁回路中任一節(jié)點(diǎn)流入的磁通量與流出的磁通量之和總是為0，即

可知

由基爾霍夫第二定律：磁回路中磁勢(shì)的總和為0，即永磁體的磁勢(shì)與其他部位的磁壓降總是相互抵消的，即可知

式中：Bm、Hm、Lm、Sm分別為永磁體工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）、工作點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度（A／m）、長(zhǎng)度（m）、橫截面積（m2）；Bq、Hq、Lq、Sq分別為氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）、磁場(chǎng)強(qiáng)度（A／m）、氣隙長(zhǎng)度（m）、橫截面積（m2）；Kr為磁阻系數(shù)，其變化范圍很小，取值與磁軛的長(zhǎng)短、接觸面的面積以及工作間隙大小有關(guān)，對(duì)于永磁體，取值1．05～1．55；Kf為漏磁系數(shù)，變化范圍較大，取值1～20，在此磁路中可以取值為1．3～5．在實(shí)際磁路中總存在磁漏和內(nèi)阻，故需相應(yīng)地引入漏磁系數(shù)Kf和磁阻系數(shù)Kr．

將（1）（2）兩式相乘得

也可以表達(dá)為

式中：Vm為永磁體的體積；Vq為氣隙的體積；BmHm值為永磁體單位體積所存儲(chǔ)的能量．由于空氣氣隙Bq＝μHq，而空氣的磁導(dǎo)率為1，所以Bq＝Hq，所以（3）式可整理為

即為空氣氣隙的計(jì)算公式．

大多數(shù)永磁材料的工作點(diǎn)可以通過(guò)退磁曲線來(lái)確定．如圖4所示，在退磁曲線上用永磁材料剩磁感應(yīng)強(qiáng)度Br和其矯頑力Hcb為鄰邊做矩形，退磁曲線跟所作矩形對(duì)角線（即永磁體的負(fù)載線OP）的交點(diǎn)即是永磁材料的工作點(diǎn)．工作點(diǎn)選在Bm＝0．64T，Hm＝518．75kA／m．

圖4 退磁曲線和磁能積示意圖（P點(diǎn)為工作點(diǎn)）

首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給漏磁系數(shù)Kf、磁阻系數(shù)Kr賦值并代入式（1）和式（2），計(jì)算出磁體的尺寸大小Sm和Lm，并由公式（4）得出氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，由計(jì)算出的結(jié)果跟起初設(shè)定值作比較，如果誤差在5%～10%這個(gè)范圍即滿足要求．

為了增大加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度，需要磁極與工件之間的加工間隙小一些，同時(shí)還需要保證磁性磨料有充足的工作空間，這也就要求控制好加工間隙［11]，由資料經(jīng)驗(yàn)值可知：加工間隙為2mm，Kr＝1．55，Kf＝1．30，Bq＝1．0T時(shí)，研磨效果最好．由以上公式得

3 開槽磁極磁場(chǎng)仿真分析

在磁極表面開槽可使得磁極表面相對(duì)于工件表面的空隙不相同，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)不同．用MATLAB編程進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)磁極開矩形槽時(shí)磁位線分布，結(jié)果如圖5所示．從圖5中可以看出，磁極開槽改變了加工區(qū)域磁場(chǎng)分布，由不開槽的均勻磁場(chǎng)變化為非均勻磁場(chǎng)，增加了磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度，這也間接增大了磁極對(duì)磁性磨粒的帶動(dòng)能力以及研磨力，大大提高了磁力研磨加工效率．

圖5 開槽磁極磁位的等值分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

精密磁力研磨機(jī)床可以利用各種機(jī)床改裝，只需在主軸上加裝產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力研磨附件就可完成高效高精加工，實(shí)現(xiàn)平面、內(nèi)外圓柱面以及各種復(fù)雜型面的精加工．本文研制的是精密平面磁力研磨加工機(jī)床，但對(duì)研究?jī)?nèi)外圓磁力研磨以及自由曲面磁力研磨具有重要參考價(jià)值．磁力研磨試驗(yàn)裝置上的磁極采用稀土釹鐵硼永磁材料代替電磁線圈，沒(méi)有供電設(shè)施，裝置體積小，操作便攜，容易安裝，適用性較強(qiáng)，在其表面上的開槽，可大大提高研磨加工能力．

［1] 徐立軍，王文，楊誠(chéng)．磁力研磨加工技術(shù)綜述［J] ．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2003（1）：41－43．

［2] 馮寶富，蓋全芳，趙萬(wàn)勝，等．磁力研磨頭形狀對(duì)研磨效果的影響［J] ．中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，6（1）：101－104．

［3] 趙玉剛，江世成，周錦進(jìn)．新型的復(fù)雜曲面磁力光整加工機(jī)床［J] ．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36（3）：100－103．

［4] 李學(xué)全，李駿，胡得全，等．磁力研磨技術(shù)［J] ．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2001，29（1）：53－54．

［5] Lin C T，Yang L D，Chow H M．Study of magnetic abrasive finishing in free－form surface operations using the Taguchi method［J] ．Int J Adv Manuf Technol，2007，34：122－130．

［6] Wang Y，Hu D J．Study on the inner surface finishing of tubing by magnetic abrasive finishing［J] ．International Journal of Machine Tools ＆Manufacture，2005，45：43－49．

［7] 姚新改，景毅，張銀喜．用強(qiáng)永磁磁極實(shí)現(xiàn)磁性研磨的研究［J] ．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35（6）：655－656．

［8] Yao X G，Ding Y H．Study of magnetic finishing for an internal surface using apermanent magnetic pole［J] ．Key Engineering Materials，2009，416：391－395．

［9] Shinmara T，Yamaguchi H．Study on a mew finishing process by the application of magnetic abrasive machining［J] ．Trans Jpn Soc Mech Eng Part C，1993，59：293－299．

［10] 賈向義，張宇，陳敏．永久磁體在磁力研磨中的應(yīng)用［J] ．機(jī)械工程師，2003（1）：64－65．

［11] Jae－Seob Kwak．Enhanced magnetic abrasive polishing of nonferrous metals utilizing apermanent magnet［J] ．International Journal of Machine Tools ＆Manufacture，2009，49：613－618．