磁力研磨法在航空密封圈模具研磨抛光中的应用*

孙 岩陈 燕兰 勇

(①辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山114051;②鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁 鞍山114021)

随着航空航天产业的发展，对航空零部件密封性能的要求越来越高。美国“挑战者”号航天飞机失事的原因就是其固体火箭发动机的密封O 形圈的密封失效［1］，可见，密封件的性能和密封系统的可靠性对航空业十分重要，而航空密封圈的表面质量在很大程度上取决于航空密封圈模具的表面质量。航空密封圈模具的沟槽尺寸小，圆周分布于圆锥表面，沟槽表面不仅难于加工，而且质量要求高，用传统的研磨加工方法难以实现，而磁力研磨法具有较好的柔性和自适应性［2］，在复杂形状工件内外表面的加工领域有很好的应用。

本文提出磁力研磨法研磨抛光航空密封圈模具沟槽表面，应用Ansys 模拟磁场强度和磁力线分布，并通过磁力研磨实验，验证了该种方法的可行性和有效性。

1 磁力研磨加工原理

磁力研磨法就是将磁性磨粒(强磁性的铁粒子和具有研磨功能的粒状研磨料)加入到磁极与工件之间，磁极与工件之间可以有1～3 mm 的间隙(称为加工间隙)。由于磁场中磁力的作用，磁性研磨粒子在加工间隙中沿磁力线整齐排列，形成柔性磁性磨粒刷，并压附在工件表面，加以工件与磁极的相对运动，从而实现对工件表面的光整加工［3-5］，磁力研磨加工原理以及磁场域内单个磨粒的受力如图1 所示。假设磁力线方向为x 方向，与磁力线方向垂直的方向即等磁位线方向为y 方向，单个磁性磨粒在磁场中所受到的磁场力分解为沿磁力线方向的力Fx和沿着等磁位线方向上的力Fy，即

式中:V 为磨粒中含铁的体积;χ 为磨粒的磁化率;H 为磨粒在磁场中所处位置的磁场强度分别为沿x、y 方向磁场强度变化率。

则磁性磨粒在磁场作用下所受到的磁场力F 可表达为:

但是每一磨粒所产生的磁力并不直接作用于工件表面上，各磨粒相互衔接构成磁性磨粒刷，从而对工件表面产生的研磨压力P 大小可表示为:

式中:B 为磁场与导磁材料作用面处的磁感应强度;H为磁场与导磁材料作用面处的磁场强度;μm为磨粒团的相对磁导率;μ0为空气的相对磁导率。

从式(4)可知研磨压力与磁感应强度的平方成正比［6］，随磁感应强度的增大而迅速增大。

2 基于Ansys 的模拟分析

应用Ansys 模拟采用磁力研磨法研磨沟槽表面时磁场强度和磁力线的分布，在Ansys 中建立有限元模型，磁极采用圆盘环形径向永磁铁，磁极尺寸为φ20 mm/φ10 mm×2，工件材质为45 号钢，工件表面沟槽截面为半圆形，尺寸为φ3 mm，磁极圆周表面为圆弧表面，磁极圆周表面与沟槽表面之间有0.5 mm的间隙，模拟结果如图2 所示。

由图2 可以看出:由于磁极是圆盘环形径向磁极，距离沟槽表面0.5 mm 的磁极圆周表面为N 极;工件材质为45 号钢，属于导磁材料，所以工件在磁场中被磁化，成为新的磁极S 极。工件与磁极间的间隙就是工作间隙，工作间隙小，加工区域磁力线分布密集且均匀，加工区域的磁场强度较其他位置的磁场强度大，因此采用径向磁极时，形成的“磁性磨粒刷”刚度较大，对工件表面的压力大，磨削能力强。

3 磁力研磨实验与结果分析

3.1 磁力研磨实验装置与实验条件

被加工试件为航空密封圈模具下模，模具材质为45 号钢，模具的沟槽尺寸微小，沟槽截面为半圆形，尺寸为φ2.6 mm，沟槽圆周分布于分度圆锥角为45°的圆锥表面，如图3 所示。磁极采用圆盘环形径向磁极，磁极圆周表面加工成φ1.5 mm 的圆弧表面。

如图3 所示，实验装置基于六自由度机械手，将圆盘环形径向磁极安装在机械手的前端，磁极经由软轴通过电动机驱动，可以实现磁极绕本身轴线的高速旋转;将密封圈模具用三爪卡盘固定在工作台上，使密封圈模具中心与工作台回转中心重合。调整六自由度机械手的姿态，使手臂前端的圆盘环形径向磁极端面与模具圆锥表面垂直，磁极缓慢靠近并进入沟槽内部，使磁极圆周表面与模具沟槽表面之间有0.5 mm 的间隙。将磁性磨粒(铁粉和氧化铝粉烧结经破碎后的粉体)与研磨液混合搅拌并放置于磁极圆周表面和模具沟槽表面之间。工作时工作台以一定转速旋转，磁极绕本身轴线高速旋转，加工区域磁极圆周表面和模具沟槽表面产生相对运动，使磁性磨粒既做翻滚运动又沿模具沟槽表面移动，从而完成对模具沟槽表面的研磨加工。实验条件如表1 所示。

表1 实验条件

3.2 实验过程与结果分析

如图4a 所示，研磨前密封圈模具沟槽表面有明显的加工纹理，有一道道沟痕，表面粗糙不光滑。实验过程中针对沟槽某一位置先采用平均粒径为165 μm 的磁性磨粒研磨沟槽表面10 min、20 min 直至30 min，分别采用超景深3D 显微镜观察沟槽表面形貌，研磨30 min时沟槽表面形貌如图4b 所示，可以看出沟槽表面纹理变化不大，去除量较小。因此改用平均粒径为198 μm的磁性磨粒针对沟槽未加工表面进行研磨，研磨15 min后沟槽表面形貌如图4c 所示，可以看出模具沟槽表面出现小凹坑，说明磨粒粒径增大，在磁场作用下，形成的“磁性磨粒刷”对沟槽表面的压力也增大，磨削能力增强，在很短时间内产生了过磨现象，因此大粒径磨粒适用于模具沟槽表面的初始加工，但超过一定时间后，就应该改用粒径相对较小的磁性磨粒，否则就会产生过磨现象或者达不到质量要求。因此调整研磨加工工艺，针对沟槽未加工表面先采用平均粒径为198 μm 的磁性磨粒研磨7 min，去除较大沟痕，再采用平均粒径为165 μm的磁性磨粒进行精细研磨，这样既可以减少研磨加工时间，提高研磨效率，又可以提高研磨质量，采用小粒径磨粒研磨加工13 min 后模具沟槽表面形貌如图4d 所示。可以看出，研磨后模具沟槽表面平整，质地均匀，原始加工纹理去除较好。

测量沟槽边缘处的平均原始宽度为2642. 446 μm，采用上述加工工艺过程研磨加工以后，测量沟槽边缘处的平均宽度为2649.716 μm，沟槽边缘宽度尺寸变化率为0.275%，尺寸变化非常小。模具沟槽边缘处尺寸变化情况如图5 所示，沟槽边缘棱角处原始曲率半径为R63.05 μm，研磨加工后沟槽边缘棱角处曲率半径为R71.57 μm，棱角处曲率半径变化不大，说明选取合适粒径磨粒的磁力研磨过程不会影响密封圈模具沟槽的尺寸，进而能够满足密封圈尺寸的要求，可实现精密研磨加工。

4 结语

本文针对航空密封圈模具微小尺寸沟槽表面的研磨抛光问题，提出磁力研磨法，应用Ansys 模拟磁场强度和磁力线分布，并通过具体的磁力研磨实验完成对模具沟槽表面的研磨抛光，得出以下结论:

(1)六自由度机械手手臂动作灵活，所以基于六自由度机械手的磁力研磨装置能够完成曲面上微小尺寸沟槽表面的研磨加工。

(2)通过Ansys 模拟可以看出，采用圆盘环形径向磁极研磨沟槽表面时，在加工区域内磁力线分布均匀密集，磁场强度也较磁场中其他位置大。

(3)对密封圈模具进行磁力研磨实验，先采用平均粒径为198 μm 的磁性磨粒研磨7 min，再采用平均粒径为165 μm 的磁性磨粒研磨13 min，模具沟槽表面的原始加工纹理被有效去除，沟槽表面质地均匀，表面质量得到了很好的改善;研磨前后沟槽边缘宽度尺寸变化率为0.275%，变化非常小，沟槽边缘棱角处曲率半径变化不大，说明所采用的磁力研磨工艺不仅效率高，表面质量好，而且能够满足尺寸要求，可实现精密研磨加工。

［1］赵宏宇.O 形金属橡胶密封件性能分析及应用研究［D］. 中国优秀硕士学位论文全文数据库.工程科技Ⅱ辑，2011(S1):1 -51.

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［3］陈燕.磁研磨法在复杂形状轴类零件加工中的应用［J］. 机械制造，2005(3):53-55.

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