磁力光整加工铝镁合金永磁极研究

张 鹏 张桂香 梁 伟 秦 璞 姜林志

山东理工大学机械工程学院，淄博，255049

0 引言

21世纪以来，人们日益意识到资源匮乏与环境恶化的严峻性，拥有较高比强度、比刚度的各类变形铝镁合金越来越多地被应用于工业生产制造中，如航空航天与汽车制造领域的轻量化制造等［1］。近几年，3C产品（即计算机、通信和消费类电子产品）的需求量与日俱增，由于高强度铝镁合金外观件具有触感光滑、美观质轻的优点，故被大量应用于数码家电与手机等通信设备外壳［2］。但对于铝镁合金，传统的抛光方法工序繁杂，很难获得较高的表面质量，其主要表现为表面粗糙度不均匀，以及存在无法有效避免的划痕、刀痕、麻点等。光整加工作为机械加工的最后一道工序，其质量不仅关乎零件的使用寿命和各项性能指标，还直接影响到下一步的表面处理效果。磁力光整加工中，在磁场作用下，磁力研磨刷具有极大的弹性，磁性磨粒具有良好的流动性，工作区域温度较低［3-4］，因此磁力完整加工非常适用于铝镁合金的研磨抛光。

为使铝镁合金具备均匀一致的高质量表面，笔者采用端面开矩形槽的方式，对平面永磁磁极进行优化设计［5］。通过尺寸计算，采用有限元分析工具模拟加工区域内磁场分布，以获得最终开槽方案；制作磁极实物进行试验验证，并对被加工表面进行检测分析对比。最终结果表明，被加工表面质量获得极大提高，雾化快凝球形磁性磨粒性能优良［6］、加工效率高，因此磁力光整加工此类铝镁合金是一种值得推广应用的抛光方法。

1 永磁极设计理论与参数

磁力光整加工中，磁极的各项参数将直接影响到研磨线速度、研磨压力［7］等，进而影响加工效果。永磁极材料各项磁性能越强，同等间隙内磁力研磨刷的磨削力相应越大，研磨效率越高［8］。对各类永磁材料进行对比后，磁极材质选用各项磁性能优良、成本较低、牌号为N35的稀土系烧结永磁材料钕铁硼（Nd-Fe-B），各项性能见表1。

表1 烧结钕铁硼（Nd-Fe-B）N35磁性能与密度Tab.1 The magnetic energy and density of sintered（Nd-Fe-B）N35

根据基尔霍夫第一定律及第二定律可得永磁体长度 Lm和横截面积Sm分别为［9］

式中，Lg为气隙长度；Bg为气隙磁感应强度；Sg为气隙横截面积。

根据磁场理论，取 Lg=2 mm，Bg=1.12 T，磁阻系数 f=1.6，真空磁导率 μ0=4π×10-7H⋅m，磁漏系数σ=1.45。整理计算可得，当端面直径为 D=25 mm时，永磁体长度 Lm≥6.7 mm，才能在2 mm加工间隙内保证气隙磁感应强度达到1.12 T。

考虑到加工使用中的实际情况，选择总长度为30 mm的圆柱磁极，设定底部圆台高度为13 mm，如图1所示。

图1 未开槽磁极Fig.1 Unplugged pole

2 端面开槽设计及仿真分析

为增强磁极底面对磨粒的吸附能力，改善加工间隙内磁场梯度分布［10］，最大限度保证被加工表面质量的均匀一致，选择在磁极底面开矩形槽的设计方式，本研究设计“米字槽”、“田字槽”两种开槽形式，如图2所示。

图2“米字槽”磁极和“田字槽”磁极Fig.2 “Mi word slot”pole and“ Tian word slot”pole

2.1 确定开槽尺寸

根据以往实验经验及大量仿真分析发现，开矩形槽的槽深宽比为1∶1，槽宽与齿宽比为1∶2时，磁极齿既不会因钕铁硼材料过脆发生断裂，同时磨粒也可获得充足的驱动力与流动性，如图3所示。由图3可以看出，开槽磁极矩形齿处的磁力线更加密集，而槽内磁力线相对稀疏。当吸附磨料后的磁极沿轴向快速旋转时，开槽设计既增大了端面磁场强度，防止磨粒径向飞溅，又保证了磨粒在齿与槽之间的流动性。

图3 未开槽磁极与开槽磁极磁力线分布对比Fig.3 Magnetic line distribution comparison of unslotted magnetic pole and slotted magnetic pole

2.2 开槽类型选择

钕铁硼材料具有磁性强、硬度高、脆性大的特点，一般采用线切割加工方式，故设计便于加工的八齿“米字槽”及十二齿“田字槽”两种开槽类型，选用ANSYS Workbench 15.0对未开槽磁极和开槽磁极进行仿真对比，如图4所示。

由图4可看出，未开槽磁极端面磁通密度总体较小，“米字槽”及“田字槽”两种端面开槽类型使磁通密度得到极大改善。分析端面磁通密度分布可知，未开槽磁极端面磁通密度越靠近圆心处越小，根据以往经验，端面中心位置由于磁性较弱、研磨线速度极小，极易造成磁性磨粒与切屑堆积，使磁力研磨刷的刚性增强，进而影响表面质量。“米字”型磁极去除了中心部分材料，“田字”型磁极则增大了中心处开槽密度，通过这两种不同方式可有效避免磨料与切屑的堆积。图5为“米字槽”与“田字槽”的截面磁通密度等值云图。由图5可以看出，磁齿越密集，磁通密度越大。“米字”型磁极开槽处磁通密度在0.6～0.8 T范围内，“田字”型磁极开槽处磁通密度则在0.9～1.0 T范围内。

图4 三维磁通密度等值云图Fig.4 Three-dimensional magnetic flux density

图5“米字槽”与“田字槽”截面磁通密度等值云图Fig.5 “Mi word slot”and“Tian word slot”magnetic flux density of the section

通过在模型周边添加空气介质，得到磁通密度矢量图（图6），可以看出，开槽处理可使磁极在端面外一定间隙内产生更大的磁感应强度，“田字”型开槽的磁极端面磁场分布更均匀，磁感应强度梯度更小。

3 实验验证与结果分析

图7所示为平面研磨实验装置，使用两个磁极（图8），分别对AZ31系镁合金和7075-T651铝合金进行平面研磨实验验证。

图6 添加空气介质的磁通密度矢量图Fig.6 The vector magnetic flux density add air medium

图7 平面研磨实验装置Fig.7 Test device for plane grinding

图8 磁极实物图Fig.8 The pictures of magnetic pole

依次选用 80～100目、100～200目、200～300目的SiC雾化快凝球形磁性磨料，分别对两种合金进行梯度研磨，设定以下实验参数：主轴转速vn=1 200 r/min，加工间隙 L=2 mm，进给速度vF=15 mm/min ，磨料填充量 M=2.5 g［11-12］。研磨过程中，使用白光干涉仪检测两种材料的表面粗糙度，并记录工件材料去除量，得到表面粗糙度和材料去除量随时间变化的曲线，如图9所示。两种材料加工前后的表面纹理如图10、图11所示。

图9 表面粗糙度和材料去除量随时间变化曲线Fig.9 Curve of surface roughness and material removal over time

图10 AZ31加工前后表面纹理Fig.10 Surface texture before and after grinding of AZ31

图11 7075-T651加工前后表面纹理Fig.11 Surface texture before and after grinding of 7075-T651

由图9可以看出，无论是加工AZ31系镁合金还是7075-T651铝合金，两种磁极都可以达到理想的研磨效果，最终都获得了均匀一致、较小粗糙度的表面。研磨后的AZ31系镁合金Ra约为0.126 μm ，7075-T651铝合金 Ra 约为 0.148 μm 。观察材料去除量变化曲线，发现材料去除量与表面粗糙度值成反比，“田字槽”磁极材料去除能力略强于“米字槽”磁极的材料去除能力。在前4 min内，“田字槽”磁极所研磨工件表面粗糙度值减小速度明显更快，研磨效率高于“米字槽”磁极。由图10、图11可以看出，抛光前的工件表面使用砂纸打磨，两种合金表面均有较深的划痕与麻点；磁力光整加工后，划痕与麻点消失，表面纹理更加均匀，最终研磨后工件外观如图12所示，达到了雾状镜面效果。

图12 研磨后工件外观Fig.12 The appearance after grinding of the workpiece

此外，由于钕铁硼材料具有脆硬性特点，磁齿体积较小的“田字槽”磁极，相对更脆，不耐磕碰，故受损概率相对较高。

4 结论

（1）磁力光整加工方法可以对性能特点与AZ31系镁合金与7075-T651铝合金类似的轻质金属结构材料进行高效的研磨抛光，并得到高质量的光亮表面。

（2）对磁极端面进行开槽设计，可通过改变加工间隙内磁力线分布来增大端面磁通密度，进而可防止切屑与磨料堆积，提高加工效率。

（3）“田字槽”磁极由于磁齿具有更大的磁通密度，前期所研磨工件表面粗糙度值减小更快，效率优于“米字槽”磁极。

［1］ 左铁镛.21世纪的轻质结构材料——镁及镁合金发展［J］.新材料产业，2007（12）：22-26.ZUO Tieyong.Lightweight Structural Materials for the 21st Century—Magnesium and Magnesium Alloy Development［J］.Advanced Materials Industry，2007（12）：22-26.

［2］ KIM S O，KWAK J S.Magnetic Force Improvement and Parameter Optimization for Magnetic Abrasive Polishing of AZ31 Magnesium Alloy［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2008，18（s1）：369-373.

［3］ LIU Z Q，CHEN Y，LI Y J，ZHANG X.Comprehensive Performance Evaluation of the Magnetic Abrasive Particles［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，68（1/4）：631-640.

［4］ 陈春增，张桂香，赵玉刚，等.磁力研磨镍基高温合金实验研究［J］.电镀与精饰，2016，38（4）：6-9.CHEN Chunzeng，ZHANG Guixiang，ZHAO Yugang，et al.The Experimental Research on Magnetic Abrasive Finishing of Inconel718［J］.Plating&Finishing，2016，38（4）：6-9.

［5］ 赵玉刚，江世成，周锦进.磁极开槽形状和尺寸对磁场分布和磁力光整加工能力影响的研究［J］.中国机械工程，1999，10（6）：685-688.ZHAO Yugang，JIANG Shicheng，ZHOU Jinjin.Study on the Influence of the Shape and Size of Grooves of Magnetic Pole Surface on Magnetic Field Distributing and Magnetic Abrasive Finishing Capability［J］.China Mechanical Engineering，1999，10（6）：685-688.

［6］ LIU Z Q，CHEN Y，LI Y J，et al.Comprehensive Performance Evaluation of the Magnetic Abrasive Particles［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，68（1）：631-640.

［7］ YIN S，SHINMURA T.A Comparative Study：Polishing Characteristics and Its Mechanisms of Three Vibration Modes in Vibration-assisted Magnetic Abrasive Polishing［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2004，44（4）：383-390.

［8］ 陈燕.磁研磨法在自由曲面模具型腔抛光中的应用［J］.模具制造，2004（7）：61-63.CHEN Yan.Application of Magnetic Grinding Method in Cavity Surface Cleaning of Free-form Surface［J］.Die&Mould Manufacture，2004（7）：61-63.

［9］ 刘文祎，张桂香.磁力光整加工平面磁极头设计及仿真［J］.现代制造工程，2013（7）：76-81.LIU Wenyi，ZHANG Guixiang.Design and Simulation of Planemagnet Pole on Magnetic Abrasive Finishing［J］.Modern Manufacturing Engineering，2013（7）：76-81.

［10］ KWAK J S.Enhanced Magnetic Abrasive Polishing of Nonferrous Metals Utilizing a Permanent Magnet［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2009，49（7）：613-618.

［11］ 张桂香.雾化快凝磁性磨料制备及其磁力光整加工性能研究［D］.南京：南京航空航天大学，2012.ZHANG Guixiang.Study on Preparation of Magnetic Abrasives by Gas Atomization with Rapid Solidification and Their Finishing Performance［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School，2012.

［12］ 陈春增，张桂香，赵玉刚.磁力研磨对Inconel718合金表面质量的影响［J］.电镀与涂饰，2016，35（1）：23-27.CHEN Chunzeng，ZHANG Guixiang，ZHAO Yugang.Effect of Magnetic Abrasive Finishing on Surface Quality of Inconel718 Alloy［J］.Plating&Finishing，2016，35（1）：23-27.