h形磁性復(fù)合流體拋光工具設(shè)計(jì)及工藝試驗(yàn)

1、h形磁性復(fù)合流體拋光工具設(shè)計(jì)及工藝試驗(yàn)隨著光學(xué)、電子、醫(yī)療、航空航天、新能源技術(shù)等高新產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)深孔零件表面質(zhì)量的要求不斷提高1，如航天航空領(lǐng)域的各類飛行器、導(dǎo)彈彈翼模具以及國(guó)防工業(yè)中的精密槍炮等2。由于深孔零件的幾何特點(diǎn)3，現(xiàn)有的深孔光整技術(shù)手段難以實(shí)現(xiàn)高效、可控的拋光加工。因此開(kāi)展高效、高質(zhì)量的深孔內(nèi)壁表面加工技術(shù)研究具有重要意義4。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)深孔零件加工進(jìn)行了各類研究。何錚、胡鳳蘭將磁化切削加工方法運(yùn)用到了深孔零件中，該方法能減小切削力，提高了工件表面質(zhì)量5。趙武等針對(duì)超大長(zhǎng)徑比汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔精度較低，解決了加工過(guò)程中工具振動(dòng)問(wèn)題6。Yang等人7通過(guò)簡(jiǎn)化多面鉆探過(guò)

2、程和分析矩形切削應(yīng)力，建立了多面鉆機(jī)的切削力模型。2022年，日本的Shimada等人8提出了磁性復(fù)合流體（Magnetic Compound Fluid，MCF）拋光加工方法，它是一種新型納米級(jí)超精密加工技術(shù)9，具有較強(qiáng)的流變性和抗沉降穩(wěn)定性10，在磁場(chǎng)作用下使MCF形成半固態(tài)Bingham流體11-12，與工件表面充分接觸且能產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)作用力，不造成亞表面損傷與形變，拋光效率高13-15，這些優(yōu)勢(shì)使其較為適用于深孔零件的拋光加工。傳統(tǒng)拋光方法例如機(jī)械拋光、電火花拋光和氣囊拋光等，由于工具頭形原因，難以滿足深孔拋光加工要求16-17。為了實(shí)現(xiàn)高效、可控的深孔內(nèi)壁表面拋光，本文在傳統(tǒng)針式拋

3、光工具頭的基礎(chǔ)上增加輔助磁場(chǎng)塊，提出h形拋光工具及拋光方法，進(jìn)一步提高拋光效率和質(zhì)量，發(fā)揮MCF拋光技術(shù)優(yōu)勢(shì)。利用COMSOL Multiphysics建立永磁鐵磁場(chǎng)組合模型，設(shè)計(jì)磁場(chǎng)均勻分布且強(qiáng)度足夠的h形拋光工具頭；建立MCF深孔拋光下的磁流場(chǎng)耦合模型，分析MCF流體流動(dòng)特性；以黃銅H62材料為樣件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取不同拋光參數(shù)下的拋光效果，對(duì)實(shí)現(xiàn)深孔類零件MCF拋光工藝技術(shù)進(jìn)行探索。2 MCF深孔拋光原理MCF深孔拋光原理如圖1所示，在傳統(tǒng)針式拋光工具頭的基礎(chǔ)上，增加輔助磁場(chǎng)磁鐵，形成h形拋光工具頭，將MCF引入到深孔工件中，MCF中磁性顆粒受h形拋光工具頭內(nèi)永磁鐵磁場(chǎng)的作用，從無(wú)序分布轉(zhuǎn)變

4、為沿著磁感線方向有序分布，并鏈化成磁性簇。磨粒分布于磁性簇內(nèi)部和間隙中，主要是對(duì)工件產(chǎn)生擠壓、切削作用；-纖維素作為MCF的一種添加劑，主要作用是有效提高M(jìn)CF的黏稠度。在動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的作用下，MCF受磁場(chǎng)鏈化動(dòng)力的作用，將磨粒壓向孔內(nèi)壁，使磨粒與孔內(nèi)壁產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)壁的材料去除。圖1MCF深孔拋光原理Fig.1MCF deep hole polishing principle3 h形拋光工具的設(shè)計(jì)h形拋光工具頭包括永磁鐵和支撐件，永磁鐵采用釹鐵硼N45，支撐件采用樹(shù)脂材料，可以有效防止拋光頭內(nèi)部的磁鐵對(duì)其本身產(chǎn)生磁化作用。設(shè)計(jì)如圖2所示的徑向充磁、徑向充磁結(jié)合軸向充磁、軸向充磁、軸向充磁

5、結(jié)合軸向充磁四種不同磁鐵充磁方式。采用COMSOL中AC/DC模塊下“磁場(chǎng)，無(wú)電流”物理場(chǎng)接口模擬磁場(chǎng)模分布。設(shè)置徑向充磁永磁鐵直徑1.5 mm，高度10 mm，軸向充磁永磁鐵直徑3.0 mm，高度2 mm。磁鐵周圍域?yàn)榭諝?，大小為半?0 mm，高度80 mm。邊界條件設(shè)置為磁絕緣條件，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化剖分網(wǎng)格，對(duì)磁鐵進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解。圖2四種不同磁鐵充磁方式Fig.2Four different methods of magnetizing magnets圖3為四種不同磁鐵充磁方式下的孔內(nèi)壁磁場(chǎng)模分布圖，從結(jié)果上看，徑向充磁方式的磁場(chǎng)?！爸虚g大，兩端小”，分布較均勻，有利于MCF在拋光工具頭內(nèi)均勻分

6、布。在此基礎(chǔ)上，為單個(gè)徑向充磁方式增加一個(gè)軸向充磁方式永磁鐵形成輔助磁場(chǎng)塊，可以有效增強(qiáng)磁場(chǎng)模。軸向充磁方式以及為其增加軸向充磁輔助磁場(chǎng)塊均呈現(xiàn)“中間小，兩端大”的磁場(chǎng)模，且中部磁場(chǎng)較小，分布不均勻。綜合來(lái)看，h形拋光工具頭結(jié)構(gòu)采用徑向充磁結(jié)合軸向充磁方式。圖3不同磁鐵充磁方式下的孔內(nèi)壁磁場(chǎng)模分布Fig.3Distribution of the magnetic field mode on the inner wall of the hole under different magnetization methods4 MCF深孔拋光數(shù)學(xué)建模4.1磁場(chǎng)建模圖4（a）為空間磁場(chǎng)計(jì)算，將永磁鐵看作

7、磁化的硬質(zhì)磁介質(zhì)。針對(duì)拋光工具頭磁體外區(qū)域的磁化強(qiáng)度，考慮小磁鐵為均勻磁化，由分子電流公式可推得V的小磁鐵在空間中產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B=4V1|LL|dVM=QM（1）其中：為真空磁導(dǎo)率，M為該磁鐵磁化強(qiáng)度，|LL|=(xx)2+(yy)2+(zz)212，Q為耦合張量。圖4磁場(chǎng)模型Fig.4Magnetic field model如圖4（b）為圓柱形永磁鐵模型，磁鐵為軸向均勻充磁，依據(jù)磁化電流理論，由式（1）可推出：B(x,y,z)=4VMRdV=QM（2）其中：Q=4VRdV（3）依據(jù)式（3）可以計(jì)算出圓柱磁鐵的九個(gè)分量。永磁鐵在空間中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：Bx=QxxMx+QxyMy+Qx

8、zMz（4）By=QyxMx+QyyMy+QyzMz（5）Bz=QzxMx+QzyMy+QzzMz（6）如圖4（c）為磁鐵的三維布局，上方的圓柱磁鐵體積為V，磁化矢量為M。下方的圓柱磁鐵塊體積為V，磁化矢量為M。如圖4（d）為軸向充磁永磁鐵和徑向充磁永磁鐵的二維布局，n1=0，n2=2a，n4=n3+2a，將（4）（6）化簡(jiǎn)為：By=QyyMy+QyzMz（7）Bz=QzyMy+QzzMz（8）又因?yàn)锽=0，所以二維平面磁場(chǎng)的公式為：By=2Myarctan(zzyy)h+2Rhn2n1+Myarctan(zzyy)h+2R2Rhn4n3+Mzln(yy)2+(zz)2h+2Rhn2n1+Mz

9、ln(yy)2+(zz)2h+2R2Rhn4n3（9）Bz=Byydz（10）在yz平面內(nèi)任意一點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小為B=B2y+B2z，通過(guò)改變參數(shù)a、n1、n2、n3、n4和h，即可以獲得較理想的磁場(chǎng)分布。4.2流場(chǎng)建模MCF流動(dòng)過(guò)程以連續(xù)性方程、動(dòng)量方程與能量方程構(gòu)建流動(dòng)模型。MCF的基液為水，有一定的導(dǎo)熱作用，但加工區(qū)域溫度不高，因此忽略能量方程。連續(xù)性方程：pux+pvy+pwz=0（11）納維斯托克斯（N-S）方程：put+div(puu)=px+xxx+yxy+zxz+Fxpvt+div(pvu)=py+xyx+yyy+zyz+Fypwt+div(pwu)=px+xzx+yzy+zzz

10、+Fz（12）本構(gòu)方程：r=0+p0,0pr,0（13）其中：p0，pr為MCF屈服前后的粘度，為剪切應(yīng)變速率，=rdwdr。本構(gòu)方程與連續(xù)性方程、動(dòng)量方程構(gòu)成封閉的方程組，用于求解流體的流動(dòng)特性。5 MCF深孔拋光仿真5.1拋光工具頭磁場(chǎng)仿真圖5顯示不同磁鐵間距下的孔內(nèi)壁磁場(chǎng)模分布，圖6顯示磁鐵間距對(duì)磁場(chǎng)模的影響。隨著磁鐵間距增大，磁場(chǎng)模呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在間距為3 mm時(shí)，磁場(chǎng)模較大，但分布不均勻，在磁鐵間距增大至8 mm時(shí)，磁場(chǎng)模最大，且分布較均勻，隨后隨著磁鐵間距的增大，磁場(chǎng)模逐漸減小。圖5不同磁鐵間距下的孔內(nèi)壁磁場(chǎng)模分布Fig.5Distribution of the magn

11、etic field mode on the inner wall of the hole under different magnet spacings圖6磁鐵間距對(duì)磁場(chǎng)模的影響Fig.6Effect of magnet spacing on magnetic field mode5.2MCF深孔拋光磁流場(chǎng)耦合仿真在求解磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上耦合流場(chǎng)，采用COMSOL中CFD模塊下的“旋轉(zhuǎn)機(jī)械，層流”物理接口模擬流場(chǎng)分布。設(shè)置h形拋光工具頭以1 400 r/min旋轉(zhuǎn)，磁鐵水平間距8 mm，深孔孔徑是3 mm，高度為10 mm，屈服應(yīng)力為10 kPa，密度為3 030 kg/m3，流體屬性定義為不可壓

12、縮層流，深孔內(nèi)壁上應(yīng)用無(wú)滑移邊界條件，細(xì)化網(wǎng)格劃分后進(jìn)行求解。圖7為拋光間隙1 mm時(shí)不同拋光轉(zhuǎn)速下的孔內(nèi)壁速度場(chǎng)分布，剪切速率隨著拋光轉(zhuǎn)速增大而增大。在拋光轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，剪切速率分布相對(duì)均勻且較大。圖8為拋光間隙1 mm時(shí)不同拋光轉(zhuǎn)速對(duì)剪切速率和壓力的影響，隨著拋光轉(zhuǎn)速的增大，深孔內(nèi)壁剪切速率和壓力逐漸增大。圖7不同拋光轉(zhuǎn)速下的孔內(nèi)壁速度場(chǎng)分布Fig.7Velocity field distribution of hole inner wall underdifferent polishing speeds圖8拋光轉(zhuǎn)速對(duì)剪切速率和壓力的影響Fig.8Effect of po

13、lishing speed on shear rate and pressure圖9為拋光轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)拋光間隙對(duì)速度和壓力的影響。隨著拋光間隙增大，深孔內(nèi)壁剪切速率和壓力均逐漸減小。在拋光間隙為0.75 mm時(shí)，剪切速率和壓力變化最快。圖9拋光間隙對(duì)剪切速率和壓力的影響Fig.9Effect of polishing gap on shear rate and pressure6 MCF拋光試驗(yàn)6.1試驗(yàn)裝置自主研制的MCF拋光試驗(yàn)裝置如圖10所示。采用樹(shù)脂9400材料通過(guò)3D打印制成的h形拋光工具頭，并將多個(gè)圓柱形磁鐵放置在拋光工具頭中，實(shí)現(xiàn)h形拋光工具頭所需磁場(chǎng)。其中徑向充

14、磁永磁鐵直徑1.5 mm，厚度為10 mm；軸向充磁小磁鐵直徑為3 mm，厚度為2 mm。試驗(yàn)時(shí)使h形拋光工具頭浸沒(méi)在MCF中，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)h形拋光工具頭旋轉(zhuǎn)，對(duì)工件進(jìn)行拋光。圖10MCF拋光工具頭試驗(yàn)裝置Fig.10MCF polishing tool head test device6.2試驗(yàn)過(guò)程MCF由氧化鋁、羰基鐵粉、去離子水和-纖維素組成，成分配比如表1所示。黃銅H62深孔零件的孔徑為5 mm，深度為20 mm。拋光工藝參數(shù)如表2所示。采用金相顯微（M230-21BLC）觀察工件拋光區(qū)域的表面形貌，粗度儀（SJ-201P）測(cè)量拋光區(qū)域的表面粗糙度，精密電子稱測(cè)量拋光前后的工件質(zhì)量，并

15、計(jì)算材料去除率。表1MCF的成分配比Tab.1Composition ratio of MCF成分粒徑質(zhì)量比氧化鋁（Al2O3）0.5 m14%羰基鐵粉300目52%去離子水31%-纖維素3%表2MCF的拋光工藝參數(shù)Tab.2Polishing process parameters of MCF工藝參數(shù)數(shù)值氧化鋁磨粒粒徑N/m0.5，1.0，2.5，5時(shí)間t/min5，10，15，20，25，30拋光轉(zhuǎn)速v/（rmin-1）1000，1200，1400，1600，1800，2000拋光間隙/mm0.5，0.75，1，1.25，1.5，1.75磁鐵間距d/mm3，5，8，10，137 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與

16、討論圖11顯示不同拋光方式對(duì)工件表面粗糙度和材料去除率的影響。隨著拋光時(shí)間的增長(zhǎng)，表面粗糙度和材料去除率都逐漸下降，前5 min下降速率較快，當(dāng)拋光時(shí)間增長(zhǎng)到30 min左右，表面粗糙度和材料去除率趨于穩(wěn)定。圖中h形拋光工具頭拋光所產(chǎn)生的拋光效果要比傳統(tǒng)針式拋光工具頭拋光產(chǎn)生的拋光效果好，表面粗糙度、材料去除率均明顯改善。因此，在傳統(tǒng)針式MCF拋光工具頭的基礎(chǔ)上增加輔助磁場(chǎng)塊，形成h形拋光工具頭，可以有效改善工件表面質(zhì)量，提高拋光效率。后續(xù)對(duì)該h形拋光工具頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖11不同拋光方式對(duì)表面粗糙度和材料去除率的影響Fig.11Effect of different polishing me

17、thods on surfaceroughness and material removal rate7.1表面形貌圖12為圖11中h形拋光工具頭拋光后的工件表面形貌，隨著拋光時(shí)間的增長(zhǎng)，工件表面形貌逐步改善，拋光表面的毛刺逐漸減少，表面缺陷在拋光前10 min內(nèi)得到明顯改善，隨著拋光時(shí)間的增長(zhǎng)，表面劃痕逐漸變淺，表面缺陷也逐漸減少至幾乎消失，表面光潔程度也大幅度提高。圖12拋光時(shí)間對(duì)表面形貌的影響Fig.12Effect of polishing time on surface morphology7.2表面粗糙度和材料去除率圖13（a）中隨著磨粒粒徑的增大，表面粗糙度逐漸增大，材料去除率逐

18、漸減小，當(dāng)磨粒粒徑為0.5 m時(shí)，表面粗糙度達(dá)到最小值326 nm，材料去除率達(dá)到最大值2.26 mg/min；當(dāng)磨粒粒徑為5 m時(shí)，表面粗糙度達(dá)到最大值451 nm，材料去除率達(dá)到最小值0.34 mg/min。圖13不同拋光參數(shù)下的表面粗糙度和材料去除率Fig.13Surface roughness and material removal rate under different polishing parameters圖13（b）13（d）分別顯示拋光轉(zhuǎn)速、拋光間隙和磁鐵間距對(duì)表面粗糙度、材料去除率的影響。表面粗糙度均先減小后增大，材料去除率先增大后減小。當(dāng)拋光轉(zhuǎn)速低于1 400 r/min時(shí)，隨著拋光轉(zhuǎn)速增大，剪切力增大，導(dǎo)致材料去除率增大，表面粗糙度減小。在拋光轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，表面粗糙度達(dá)到最小值，材料去除率達(dá)到最大值，這與拋光轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果相吻合。當(dāng)拋光轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，流速變大，比較散亂的鏈狀粒子發(fā)生剪切稀化現(xiàn)象，反而造成材料去除率減小，表面粗糙度增大。當(dāng)拋光間隙小于