趙雪峰 游科 袁銀 殷小龍

磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化仿真與實驗研究

趙雪峰 游科?袁銀 殷小龍

（貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

磁彈磨粒具有磁性、低彈性模量以及優(yōu)良的研磨性能，能夠提高加工效率和加工質(zhì)量。首先，基于磁場基本理論和磁彈磨粒特性，分析了磁彈磨粒雙磁盤磁力刀具鈍化機(jī)制；然后，基于磁場中磁彈磨粒的磁場力對離散元軟件EDEM進(jìn)行二次開發(fā)，建立了磁彈磨粒雙磁盤磁力刀具鈍化過程仿真模型，研究了磨粒粒度、磁化率和磁盤間距對刃口碰撞次數(shù)和磨粒旋轉(zhuǎn)速度的影響規(guī)律；最后，采用Matlab軟件對刀具刃口輪廓進(jìn)行重建，提出了基于鈍化面積的改進(jìn)形狀因子表征方法，通過正交實驗研究了磨粒粒度、磁化率和磁盤間距對刃口鈍化量的影響規(guī)律，并驗證了所提改進(jìn)形狀因子表征方法的可行性。結(jié)果表明：隨著磁彈磨粒粒度的增大、磁化率的增加和磁盤間距的減小，刃口碰撞次數(shù)和磨粒旋轉(zhuǎn)速度增大；鈍化參數(shù)對刃口鈍化量的影響程度大小依次為磨粒粒度、磁盤間距、磁化率，最優(yōu)鈍化參數(shù)組合為磨粒粒度40目、磁化率0.1、磁盤間距15 mm；仿真與實驗鈍化面積的最大相對誤差為16.33%，最小相對誤差為0.42%，仿真能夠較好地預(yù)測刃口鈍化形貌，且改進(jìn)的刃口形狀因子能夠較好地表征刀具刃口鈍化形貌。

磁彈磨粒；刀具；磁力鈍化；EDEM二次開發(fā)；改進(jìn)形狀因子

刀具鈍化能夠獲得光滑的刃口輪廓，并且消除刃口微觀缺陷，提高刀具使用壽命和切削性能［1-3］。刀具磁力鈍化是一種先進(jìn)的刀具鈍化方法。磁力加工通常使用磁性磨粒，由于柔性研磨刷隨工件形狀的變化而變化，并且可以進(jìn)入任意形狀的內(nèi)部，因此，磁力光整加工不僅可以加工外圓、球面、平面等型面，而且可以加工自由曲面、內(nèi)圓、內(nèi)壁、微型凹槽面和管狀等，使其在精密加工領(lǐng)域起著重要的作用［4-5］。

磁彈磨粒是將磁介質(zhì)相、磨粒相和彈性聚合物基體按照比例以一定形式形成的一種新型復(fù)合磨粒，相對于普通的磁性磨粒，具有磁性、低彈性模量以及優(yōu)良的研磨性能，能夠提高加工效率和加工質(zhì)量。Sankar等［6］將軟苯乙烯聚合物、硅酮聚合物、添加劑和碳化硅研磨?；旌现瞥山橘|(zhì)進(jìn)行磨粒流加工，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)成分和數(shù)量的不同，流變性能和光整能力也有所不同，并且軟化劑、增塑劑改變了磨料顆粒的黏性和彈性性能，在對鋁合金/SiC（10%）金屬基體復(fù)合材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)拋光實驗中，混合磨粒獲得的鋁合金表面光潔度最佳。Chen等［7］制備了由磁性納米顆粒（四氧化三鐵）和彈性復(fù)合粒子（HIPS和碳化硅經(jīng)過熔融處理的混合物）混合而成的一種新型磁彈性磨粒，研究了加工時間、磨粒粒徑、工作間隙和旋轉(zhuǎn)速度等對表面形貌的影響規(guī)律，實驗結(jié)果表明，磁通量和磨粒配比影響表面粗糙度，并且使得研磨效率提高94%。Sooraj等［8-10］采用混合磁磨粒進(jìn)行超精密拋光，通過實驗研究了研磨力、研磨力矩、磨粒配比、磨粒粒徑和加工時間等加工參數(shù)對材料去除率和表面粗糙度的影響規(guī)律，并采用混合磁磨粒對黃銅內(nèi)表面進(jìn)行拋光，使得表面粗糙度從0.168 μm降至0.064 μm。Li等［11］提出了采用半固體狀態(tài)的磁性磨粒對6061鋁合金進(jìn)行研磨，根據(jù)磨損理論建立了材料去除率的數(shù)學(xué)模型，研究了磁通量、質(zhì)量比率、旋轉(zhuǎn)速度和粒徑比對表面粗糙度的影響規(guī)律，結(jié)果表明最大粗糙度降低96.67%，材料去除率為1.916 mg/s。

磁力加工過程中，大量磨粒之間以及磨粒與工件的相互作用極為復(fù)雜，這種復(fù)雜性對磁力加工仿真造成了相當(dāng)大的困難。采用離散元法（DEM）能夠?qū)︻w粒系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)、動力學(xué)模型進(jìn)行分析，模擬和分析顆粒物料的力學(xué)行為及其對處理設(shè)備性能的影響［12］。Sun等［13］利用EDEM仿真軟件對鉆孔過程中顆粒的速度和力進(jìn)行分析，獲得了鉆孔過程中不同螺旋角下顆粒的最大排出速度、作用力以及最佳參數(shù)。Kim等［14］采用EDEM研究了球粉直徑比（BPDR）和粉末顆粒形狀對行星球磨仿真的影響，發(fā)現(xiàn)粉末顆粒形狀越復(fù)雜，模擬時間越長，且模擬時間與組成粒子的球數(shù)呈線性關(guān)系。周大鵬等［15］利用EDEM-Fluent軟件耦合對噴砂噴嘴內(nèi)氣固兩相流運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行仿真，獲得了噴砂平均速度和出砂總量與噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，驗證了耦合模擬的可行性。

文中將磁彈磨粒引入雙磁盤磁力鈍化中，分析了磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化機(jī)制，通過仿真和實驗研究了磨粒粒度、磁化率和磁盤間距等鈍化參數(shù)對刃口碰撞次數(shù)、磨粒旋轉(zhuǎn)速度和刃口鈍化量的影響規(guī)律。

1　磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化機(jī)制分析

刀具磁力鈍化是將磨粒填充于磁極與工件之間，采用磁場產(chǎn)生的磁力吸引磨粒形成柔性磨粒刷。通過柔性磨粒刷與刀具之間的相對運(yùn)動，以及磁性磨粒刷的可變性和柔性，能夠?qū)?fù)雜的刃口進(jìn)行鈍化，獲得合適的刃口輪廓和刃口形貌，同時降低刃口表面粗糙度。雙磁盤的同軸配置適合不同直徑刀具的加工，刀具在磁盤間隙中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動使得可以同時加工所有刃口，極大地提高了鈍化效率。磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化機(jī)制如圖1所示。

圖1　磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化機(jī)制

磁彈磨粒在加工過程中由多個磨粒共同參與，不僅會產(chǎn)生變形，而且具有滾動或滑動的趨勢。磁彈磨粒擁有低彈性模量，在接觸刀具時產(chǎn)生形變，如圖2所示，增大了接觸面積，從而減小磨粒切入深度，避免鈍化時產(chǎn)生深劃痕，提高了表面質(zhì)量。與此同時，由于變形后磨粒與刀具的接觸面積增大，并且新磨粒不斷更替，多個磨粒共同參與，提高了鈍化效率。

圖2　磁彈磨粒的形變

Fig.2　Deformation of magneto-elastic abrasive

磨粒旋轉(zhuǎn)是影響材料去除的重要因素之一。當(dāng)磁彈磨粒與刀具刃口發(fā)生碰撞時，如果磨粒擁有不為0的旋轉(zhuǎn)角速度，那么磨粒在切入刀具表面的同時，會與表面材料發(fā)生相對滾動，如圖3所示。磁彈磨粒在滾動過程去除的刀具刃口材料比沒有滾動的磨粒去除的刀具刃口材料更多，鈍化效率更高。

圖3　磁彈磨粒旋轉(zhuǎn)對鈍化的影響

磁彈磨粒在刀具鈍化過程，不斷地恢復(fù)接觸前的形狀，并在工作間隙中自由翻滾，等待下次參與刀具切削，如圖4所示。磁彈磨粒在接觸工件表面時存儲的部分彈性勢能在磁彈磨粒與刀具表面分離后釋放，產(chǎn)生動能。但是，由于磁彈磨粒切入材料需要消耗能量，因此，回彈動能將小于磁彈磨粒接觸工件表面前的動能。

圖4　磁彈磨粒作用機(jī)制

2　磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化仿真分析

2.1　仿真模型的建立及API二次開發(fā)

由于刀具模型比較復(fù)雜，先采用軟件SolidWorks建立三維模型，再將模型導(dǎo)入離散元軟件EDEM，建立磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化仿真模型。磁盤直徑、厚度、轉(zhuǎn)速分別為35 mm、70 mm、360 r/min，刀具直徑、刀刃長度、刀具轉(zhuǎn)速分別為10 mm、35 mm、60 r/min。

根據(jù)掃描電鏡獲得磁彈磨粒圖像，將磁彈磨粒簡化為理想球體，如圖5所示。接觸模型為Hertz-Midlin模型，模型考慮了彈性實體在接觸時產(chǎn)生的橢圓形接觸區(qū)域?qū)αεc位移的影響，能夠較好地表示彈性實體的接觸情況。磁彈磨粒與刀具之間的動摩擦系數(shù)為0.08，靜摩擦系數(shù)為0.10，碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.35；磁彈磨粒與磁盤之間的動摩擦系數(shù)為0.38，靜摩擦系數(shù)為0.40。磁彈磨粒的剪切模量為1.15 MPa，密度為1.45 g/cm3，泊松比為0.34。刀具的剪切模量為610 GPa，密度為14.5 g/cm3，泊松比為0.25。設(shè)置合適的求解區(qū)域以及合適的解算步長和仿真時間，在求解器中，求解步長不能大于Rayleigh步長的35%，否則誤差將增大，甚至導(dǎo)致結(jié)果失真。

圖5　單顆磁彈磨粒模型

磁場是實現(xiàn)磁彈磨粒磁力鈍化的前提，由于EDEM軟件無磁場模塊，不能計算磁場。因此，需要通過EDEM軟件的API二次開發(fā)接口進(jìn)行磁彈磨粒磁場體積力插件的開發(fā)［18］。基于等效電荷模型建立的雙磁盤磁場強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型為

結(jié)合磁彈磨粒磁力鈍化機(jī)制，計算磁彈磨粒在永磁體空間磁場中所受到的磁場力。磁彈磨粒磁場體積力的導(dǎo)入結(jié)果如圖6所示，紅點代表磁場矢量。

圖6　磁場導(dǎo)入結(jié)果

2.2　磁彈磨粒運(yùn)動分析

磁彈磨粒運(yùn)動仿真結(jié)果如圖7所示。磁彈磨粒在磁場中的運(yùn)動軌跡分為以下3個階段：

（1）磁彈磨粒吸附階段。磨粒由顆粒工廠生成，并在磁場力作用下向N、S磁極移動，如圖8（a）所示。磨粒顏色越深表示速度越大，在靠近磁極時速度最大，但受到磁極的阻礙，最終吸附到磁極表面。

（2）磁彈磨粒堆積階段。當(dāng)磁極表面吸滿磁彈磨粒后，磨粒逐漸向兩個磁極中心堆積。磨粒的磁場力使得磨粒排列形成柔性磨粒刷，此時磨粒的速度有所降低，如圖8（b）所示。

（3）刀具鈍化階段。如圖8（c）所示，刀具進(jìn)入鈍化空間，同時做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。磨粒與刀具刃口發(fā)生相對運(yùn)動，實現(xiàn)刀具刃口鈍化。

圖7　磁彈磨粒運(yùn)動仿真結(jié)果

圖8　磁彈磨粒運(yùn)動軌跡

鈍化階段的單顆磁彈磨粒運(yùn)動軌跡如圖9所示。磁彈磨粒在刀具刃口進(jìn)行螺旋運(yùn)動，實現(xiàn)材料去除的目的。當(dāng)磁彈磨粒離開刀具刃口后，受到磁場力作用，被重新吸附到磁盤，實現(xiàn)堆積，進(jìn)入下一次鈍化過程。

圖9　單顆磁彈磨粒運(yùn)動軌跡

2.3　鈍化參數(shù)對刃口碰撞次數(shù)的影響

磨粒粒度對刃口碰撞次數(shù)的影響如圖10（a）所示，磨粒碰撞刀具的次數(shù)隨著磨粒粒度的增加而增加。50目的磁彈磨粒碰撞刃口次數(shù)是30目磁彈磨粒碰撞刃口次數(shù)的3倍。因為磨粒粒度越大，磨粒粒徑越小，受刀具表面積的限制，粒徑小的磨粒碰撞刀具刃口的總次數(shù)更多。

磁化率對刃口碰撞次數(shù)的影響如圖10（b）所示，當(dāng)磁化率為0.10時，磨粒與刀具刃口的碰撞次數(shù)最多；當(dāng)磁化率為0.06時，磨粒與刀具刃口的碰撞次數(shù)最少。

磁盤間距對刃口碰撞次數(shù)的影響如圖10（c）所示，磁盤間距越小，刀具刃口碰撞次數(shù)越多。這是因為磁盤間距的減小，使得單位空間的磨粒數(shù)量增多，磨粒與刀具刃口碰撞的次數(shù)增加。

2.4　鈍化參數(shù)對磨粒旋轉(zhuǎn)速度的影響

磨粒粒度對磨粒旋轉(zhuǎn)速度的影響如圖11（a）所示，磨粒旋轉(zhuǎn)速度為鈍化空間內(nèi)所有磨粒的速度之和。隨著磨粒粒徑的減小，磨粒旋轉(zhuǎn)速度將會增大。

磁化率對磨粒旋轉(zhuǎn)速度的影響如圖11（b）所示。隨著磁化率的增加，磨粒在鈍化空間中堆積，排列狀態(tài)發(fā)生改變，磨粒旋轉(zhuǎn)速度增加。在0.02 s時曲線出現(xiàn)最高點，可能是因為此時刀具進(jìn)入鈍化空間，迫使磁彈磨粒運(yùn)動，導(dǎo)致磨粒轉(zhuǎn)速增加。

如圖11（c）所示，磁盤間距為15 mm時的磨粒轉(zhuǎn)速高出磁盤間距為20 mm和25 mm時的磨粒轉(zhuǎn)速。由式（6）可知，磁盤間距減小時，磁場強(qiáng)度將會增大，因此，磁彈磨粒在工作空間受到的磁場力增大，轉(zhuǎn)速相應(yīng)增大。

3　磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化實驗研究

3.1　改進(jìn)的刃口形狀因子表征

基于雙磁盤磁力鈍化仿真分析，刀具鈍化情況如圖12所示。由于目前仿真軟件僅采用磨損量表示磨損結(jié)果，而對于刃口鈍化前后的輪廓不能展現(xiàn)。為更好地描述刀具刃口鈍化效果，將EDEM結(jié)果文件中的磨損數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件，對鈍化后的刃口輪廓進(jìn)行三維重建，重建過程如圖13所示。

圖12　刀具鈍化情況

圖13　刃口輪廓重建

圖14　形狀因子表征示意圖

圖15　改進(jìn)的形狀因子表征的鈍化面積

3.2　磁力鈍化實驗方案與結(jié)果分析

雙磁盤磁力鈍化設(shè)備如圖16所示。采用環(huán)氧樹脂型磁彈磨粒對硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)行鈍化，鐵顆粒、碳化硅磨粒和環(huán)氧樹脂的比例根據(jù)磁化率的不同進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)鈍化參數(shù)設(shè)計三因素三水平正交實驗，實驗方案如表1所示。鈍化后的刃口形貌采用Alicona公司的三維形貌測繪儀進(jìn)行測量。

圖16　雙磁盤磁力鈍化設(shè)備

表1　正交實驗方案

Table 1　Orthogonal experimental scheme

實驗編號磨粒粒度/目磁化率磁盤間距/mm 1300.0615 2300.0820 3300.1025 4400.0620 5400.0825 6400.1015 7500.0625 8500.0815 9500.1020

三維形貌測繪儀以及掃描電子顯微鏡（SEM）測量得到的鈍化前后刀具刃口如圖17所示，未鈍化的刀具刃口存在微觀缺陷，這些缺陷在加工時逐漸擴(kuò)展，產(chǎn)生微崩刃，加快刀具磨損，影響加工表面的完整性［20］?？梢悦黠@觀察到，經(jīng)過磁力鈍化后的刀具表面粗糙度顯著降低，刃口處變得平滑，過渡圓弧半徑更大。

圖17　鈍化前后刃口形貌

對磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化實驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表2所示。磨粒粒度、磁化率、磁盤間距的極差分別為0.372、0.053、0.219，故對刀具刃口鈍化量的影響程度順序依次為磨粒粒度、磁盤間距、磁化率。

表2　刀具刃口鈍化量極差分析

Table 2　Extreme difference analysis of tool edge preparation value

水平磨粒粒度磁化率磁盤間距 k10.9720.7360.841 k20.7280.7750.836 k30.6000.7890.622 極差0.3720.0530.219

磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化參數(shù)對刃口鈍化量的影響如圖18所示。由圖中可知，隨著磨粒粒度的增大，磨粒粒徑減小，刀具刃口鈍化量減小。雖然磨粒粒徑減小使得單顆磁彈磨粒每次碰撞刀具刃口切入的深度減小，刃口鈍化量減小，但是，磨粒粒徑減小使得刃口碰撞次數(shù)增多（如圖10（a）所示），更小的切入面積和更多的碰撞次數(shù)也意味著刃口鈍化表面質(zhì)量的提高。刃口鈍化量隨著磁彈磨粒磁化率的增加而增加，但磁彈磨粒磁化率對鈍化量的影響相對較小，這與圖10（b）刃口碰撞次數(shù)表現(xiàn)一致。隨著磁盤間距的增大，鈍化量逐漸減小，特別是當(dāng)磁盤間距增加到20 mm以上時，刃口去除量劇烈降低，并且磁盤間距越大，磨粒旋轉(zhuǎn)速度越?。ㄈ鐖D11（c）所示），與鈍化量變化一致。這是因為磁盤間距過大導(dǎo)致磁場強(qiáng)度太小，磁彈磨粒受到的磁場力過小，以至于磨粒與刀具刃口發(fā)生碰撞時的法向力太小，小于磨粒切入刀具刃口發(fā)生塑性形變的最小法向力，使得磁彈磨粒不能較好地切入刀具刃口。因此，為獲得較大刃口鈍化量并且同時提高表面質(zhì)量，最優(yōu)鈍化參數(shù)組合為磨粒粒度40目、磁化率0.1、磁盤間距15 mm。

圖18　鈍化參數(shù)對鈍化量的影響

刀具刃口鈍化前后刃口輪廓如圖19所示，鈍化后刃口變得平滑，在切削中不易發(fā)生微崩刃，使得刀具壽命延長。仿真鈍化面積與實驗鈍化面積如表3所示，實驗最大鈍化面積為75.69 μm2、最小鈍化面積為8.85 μm2，仿真最大鈍化面積為80.77 μm2、最小鈍化面積為9.39 μm2。由此可知，磨粒粒度對刃口的影響較大，刃口輪廓的變化與鈍化量的變化一致。第7、8組實驗中，刃口的非對稱性也能很好地預(yù)測，且在對稱刃口組中，仿真效果更佳。仿真與實驗鈍化面積的最大相對誤差為16.33%，最小相對誤差為0.42%，表明仿真能夠較好地預(yù)測刃口鈍化形貌，且改進(jìn)的刃口形狀因子能夠較好地表征刀具刃口鈍化形貌。

表3　仿真與實驗鈍化面積比較

Table 3　Comparison of preparation area between simulation and experiment

實驗編號仿真鈍化面積/μm2實驗鈍化面積/μm2相對誤差/% 128.6928.6657.3531.2732.3363.609.83 240.3740.4080.7735.8639.8475.696.71 317.7617.7435.5017.5017.5135.011.40 49.679.6519.329.629.6219.240.42 517.9417.9135.8517.2017.0034.214.79 629.9229.9059.8229.2930.2859.570.42 75.684.6210.307.105.2112.3116.33 87.326.7214.048.627.2815.9011.70 94.804.599.394.584.278.856.10

4　結(jié)論

基于磁場基本理論和磁彈磨粒特性，文中分析了磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化機(jī)制，采用離散元軟件EDEM建立磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化過程仿真模型，研究鈍化參數(shù)對刃口碰撞次數(shù)和磨粒旋轉(zhuǎn)速度的影響規(guī)律；基于離散元軟件獲得刃口鈍化量，采用Matlab對刀具刃口輪廓進(jìn)行重建，提出了基于鈍化面積的改進(jìn)形狀因子表征方法；通過磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化實驗，研究了鈍化參數(shù)對刀具鈍化的影響。仿真和實驗結(jié)果表明：隨著磁彈磨粒粒度的增大、磁化率的增加和磁盤間距的減小，刃口碰撞次數(shù)和磨粒旋轉(zhuǎn)速度增大；鈍化參數(shù)對刃口磨損量的影響程度大小依次為磨粒粒度、磁盤間距、磁化率，最優(yōu)鈍化參數(shù)組合為磨粒粒度40目、磁化率0.1、磁盤間距15 mm；仿真與實驗鈍化面積的相對誤差最大為16.33%，最小為0.42%，說明仿真能夠較好地預(yù)測刀具刃口鈍化形貌，且改進(jìn)的刃口形狀因子能夠較好地表征刃口的實際輪廓和定量研究刀具刃口的鈍化程度。

［1］ 高航，郭天博，彭燦，等．絲錐刀具旋轉(zhuǎn)磨粒流去毛刺和鈍化拋光技術(shù)［J］．表面技術(shù)，2023，52（3）：299-307.

GAO Hang，GUO Tian-bo，PENG Can，et al．Deburring and passivation polishing technology of tap tool with rotary abrasive flow ［J］．Surface Technology，2023，52（3）：299-307.

［2］ HARTIG J，KIRSCH B，AURICH J C．Analysis of the grinding wheel wear and machining result during cutting edge preparation with elastic bonded grinding wheels ［J］．Journal of Manufacturing Processes，2022，75：181-202.

［3］ BERGS T，SCHNEIDER S A M，AMARA M，et al．Preparation of symmetrical and asymmetrical cutting edges on solid cutting tools using brushing tools with filament-integrated diamond grits［J］．Procedia CIRP，2020，93：873-878.

［4］ CAITANO T L，da SILVA L R R，MACHADO á R，et al．Influence of finishing post-treatment on drill rake and margin surfaces in the drilling of SAE 4144M steel［J］．CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，2022，37：81-91.

［5］ FERNANDO M B，RODRIGO P Z．Effect of the cutting edge preparation on the surface integrity after dry drilling ［J］．Procedia CIRP，2014，13：103-107.

［6］ SANKAR M R，JAIN V K，RAJURKAR K P．Nano-finishing studies using elastically dominant polymers blend abrasive flow finishing medium ［J］．Procedia CIRP，2018，68：529-534.

［7］ CHEN Wei-Chan，WU Kun-Ling，YAN Biing-Hwa．A study on the application of newly developed magneto-elastic abrasive to improving the surface roughness of the bore ［J］．International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2014，73：9-12.

［8］ SOORAJ V S，RADHAKRISHNAN V．A study on fine finishing of hard workpiece surfaces using fluidized elastic abrasives ［J］．International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2014，73：1495- 1509.

［9］ SOORAJ V S，RADHAKRISHNAN V．Investigations on the application of elastomagnetic abrasive balls for fine finishing ［J］．Journal of Manufacturing Science and Engineering，2015，137（2）：021018/1-9.

［10］ SOORAJ V．Concept and mechanics of fine finishing circular internal surfaces using deployable magneto- elastic abrasive tool fine ［J］．Journal of Manufacturing Science and Engineering，2017，139（8）：1-11.

［11］ LI Wenhui，LI Xiuhong，YANG Shengqiang，et al．A newly developed media for magnetic abrasive finishing process：material removal behavior and finishing performance［J］．Journal of Materials Processing Technology，2018，260：20-29.

［12］ 胡國明.顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真［M］．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.

［13］ SUN Jianfeng，CHEN Huaming，DUAN Jieli，et al．Mechanical properties of the grooved-wheel drilling particles under multivariate interaction influenced based on 3D printing and EDEM simulation ［J］．Computers and Electronics in Agriculture，2020，172：105329/1-11.

［14］ KIM Kyong-Chol，JIANG Tao，KIM Nam-Il，et al．Effects of ball-to-powder diameter ratio and powder particle shape on EDEM simulation in a planetary ball mill ［J］．Journal of the Indian Chemical Society，2022，99（1）：100300/1-7.

［15］ 周大鵬，馬學(xué)東，杜昱霖，等．噴砂工藝的EDEM-Fluent耦合模擬噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究［J］．表面技術(shù)，2022，51（1）：192-201.

ZHOU Da-peng，MA Xue-dong，DU Yu-lin，et al．Study on EDEM-fluent coupling simulation of nozzle structure parameters in sandblasting process ［J］．Surface Technology，2022，51（1）：192-201.

［16］ KIM Jeong-Du．Polishing of ultra-clean inner surfaces using magnetic force ［J］．International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2003，21（2）：91-97.

［17］ KALA P，SHARMA V，PANDEY P M．Surface roughness modelling for double disk magnetic abrasive finishing process［J］．Journal of Manufacturing Processes，2017，25：37-48.

［18］ 胡建平，周春健，侯沖，等．磁吸板式排種器充種性能離散元仿真［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014，45（2）：94-98.

HU Jianping，ZHOU Chunjian，HOU Chong，et al．Simulation analysis of seed-filling performance of magnetic plate seed-metering device by discrete element method ［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45（2）：94-98.

［19］ DENKENA B，LUCAS A，BASSETT E．Effects of the cutting edge microgeometry on tool wear and its thermo-mechanical load［J］．CIRP Annals：Manufacturing Technology，2011，60（1）：73-76.

［20］ 孔金星，胡錕，夏志輝，等．純鐵車削刀具磨損對表面完整性的影響［J］．華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，44（2）：74-80.

KONG Jin-xing，HU Kun，XIA Zhi-hui，et al．Effects of tool wear on surface integrity of pure iron material under finish turning［J］．Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2016，44（2）：74-80.

Simulation and Experimental Research on Dual-Disk Magnetic Preparation Based on Magneto-Elastic Abrasive

（School of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China）

Magneto-elastic abrasive is magnetic and has low elastic modulus as well as excellent grinding performance. It can improve the quality and efficiency of process. Firstly, the magnetic edge preparation mechanism was analyzed based on the theory of magnetic field and magneto-elastic abrasive characteristics. Secondly, secondary development for discrete element software EDEM was carried out based on magnetic force of magneto-elastic abrasive in magnetic field, and a simulation model of dual-disk magnetic edge preparation process was established. The effects of particle size, magnetic susceptibility and disk spacing on the number of edge collisions and abrasive rotation velocity were studied. Finally, Matlab software was used to reconstruct the edge contour and an improved shape factor characterization method based on preparation area was proposed. The influence of particle size, magnetic susceptibility and disk spacing on edge preparation value was studied by orthogonal experiment, and the feasibility of proposed improved shape factor characterization was verified. The results show that, the number of edge collisions and the rotation speed of abrasive increase with the increase of particle size, the increase of magnetic susceptibility and the decrease of disk spacing. In addition, the degree of influence of preparation parameters on the preparation amount of the cutting edge in descending order is particle size, disk spacing and magnetic susceptibility, and the optimal preparation parameter groups are particle size 40 mesh, magnetic susceptibility 0.1, and disk spacing 15 mm. The maximum relative error of preparation area between simulation and experiment is 16.33% and the minimum relative error is 0.42%. Simulation can better predict preparation morphology of the cutting edge, and the improved edge shape factor can better characterize the preparation morphology of the cutting edge.

magneto-elastic abrasive；cutting tools；magnetic preparation；EDEM secondary development；improved shape factor

Supported by the National Natural Science Foundation of China （52065012）

10.12141/j.issn.1000-565X.220404

2022?06?24

國家自然科學(xué)基金資助項目（52065012）；貴州省“千層次”創(chuàng)新型人才項目（黔財教［2018］190）

趙雪峰（1979-），女，博士，教授，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)及工藝研究。E-mail：zxf801112@163.com

游科（1998-），男，碩士生，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)及工藝研究。E-mail：330466576@qq.com

TG71；TG669

1000-565X（2023）05-0130-11