磁力研磨法光整内凹槽底面的工艺参数优化＊

陈法宇，孙玉利，王燎原，张 鹏，盛 一，西川尚宏,3,4

（1.南京航空航天大学 机电学院,南京 210016）

（2.南京星合精密智能制造研究院有限公司,南京 211106）

（3.岩手大学,日本 盛冈 020-8551）

（4.南京华测达精密机械有限公司,南京 211106）

波导管是一种传输高频电磁波的中空金属管件，在雷达、无线信号传输等无线电领域应用广泛[1-2]。复杂形状的波导管大多采用增材制造技术制造，但制造的尺寸精度和表面粗糙度还不能完全满足工业使用要求[3-4]。制造出的波导管内表面往往十分粗糙，在使用中会大大增加电磁波在传输时的能量损耗，降低信号的传输效率，一定程度上阻碍了无线电、军用雷达等行业的发展[5-6]。因此，对增材制造波导管的内表面进行光整加工是非常有必要的。

目前，增材制造零件常见的光整加工方法主要有机械抛光、化学与电化学抛光、激光抛光、磨粒流抛光等[7]。章媛洁等[8]研究了机械抛光增材制造不锈钢零件表面粗糙度的变化规律，零件表面粗糙度和残余拉应力经机械抛光后大幅降低，但由于抛光工具受限而无法用于抛光管径小且形状复杂的管件内表面。BHADURI 等[9]采用激光抛光的方法对增材制造零件进行后处理，有效地降低了试样表面粗糙度并保证了试样原始的几何精度，但该方法对外表面的抛光效果较好，不适用于复杂形状零件内表面的抛光。DUVALCHANEAC 等[10]利用磨粒流加工技术对增材制造模具进行抛光，高效地降低了模具内表面粗糙度，但该方法无法实现复杂形状管件内部凹槽的均匀抛光，容易产生过抛问题而影响尺寸精度。

磁力研磨加工技术是利用磁性磨粒在外部磁场作用下所产生的研磨压力，对工件内表面进行研磨加工的光整加工技术[11]。磁力研磨加工技术具有良好的柔性、自锐性、仿形性和可控性。磨粒的研磨过程属于微量切削，加工过程中产生的热量少并且能够保证工件的尺寸精度，广泛用于光整平面[12]、外圆面[13]、内圆面[14]、复杂曲面[15]以及微型零件[16]等多种场合。焦安源等[17]采用磁力研磨加工技术同时抛光管件内腔多个环槽，显著地提高了内环槽的抛光效率，但对于管径小且无法回转的管件无法进行研磨。

设计仿形夹具和试样代替波导管单个内凹槽，利用磁力研磨技术对其进行研磨，通过正交试验法探究磁力研磨过程中的主要工艺参数（钢珠直径、加工间隙、磁极盘转速）对试样表面粗糙度降低率的影响，并利用极差分析和方差分析法对工艺参数进行优化，从而得到一组提高粗糙度降低率的最佳工艺参数。采用最佳工艺参数探究粗糙度降低率和加工时间的关系，对比分析研磨前后试样表面粗糙度和表面形貌的变化。

1 磁力研磨内凹槽底面的加工原理

图1所示为磁力研磨内凹槽底面工作原理。如图1所示：在加工非铁磁性工件时，永磁铁能够在工件内部形成磁场，内凹槽中的钢珠被磁化后沿磁力线排布形成磁力刷并在磁力的作用下压覆于内凹槽底面。随着磁极盘的旋转，加工区域内的磁场强度呈强弱交替变化，钢珠在重力和磁力的作用下上下往复运动。随着钢珠和待加工表面的相对运动，钢珠对凹槽底面产生撞击、挤压等作用。同时，工件在音圈电机的带动下沿轴向高频振动，使钢珠的运动轨迹更加复杂，其挤压、碰撞等作用更加剧烈，从而实现对内凹槽底面的光整加工。

图1 磁力研磨内凹槽底面工作原理Fig.1 Working principle of finishing the bottom surface of inner groove by magnetic grinding

在磁场力的作用下，单个钢珠在磁场中的受力分析如图1所示。钢珠在磁场中受到的磁场力Fn可以分解为沿磁力线方向的FX和沿等磁位线方向的FY[18]：

式中：d为钢珠的直径，mm； χ为钢珠的磁化率；H为钢珠所在位置的磁场强度；(∂H/∂X)为沿磁力线方向的磁场强度变化率；(∂H/∂Y)为沿等磁位线方向的磁场强度变化率。

磁场力Fn为FX和FY的合力[19]：

钢珠在磁场力作用下沿磁力线排布成磁力刷，磁力刷以一定的研磨压力Pm压覆于工件内表面[20]：

式中：B为加工区域内的磁感应强度，T； µ0为真空磁导系数； µm为钢珠的相对磁导率。

由式（1）～式（4）可知：钢珠及磁力刷在磁场中的受力大小与钢珠直径、磁感应强度、磁场强度变化率有关。

2 磁力研磨试验

2.1 试验装置

图2所示为仿形夹具示意图。如图2所示：为方便试验探究，设计仿形凹槽夹具和平面试样作为凹槽底面来代替波导管工件。

图2 仿形夹具示意图Fig.2 Schematic diagram of profiling fixture

图3为磁力研磨加工装置。试验时，将试样装夹在仿形夹具一侧，试样和仿形夹具形成内凹槽，内凹槽内填充一定量的钢珠后安装于音圈电机上的夹具中。

图3 磁力研磨加工装置Fig.3 Processing device of magnetic grinding

在对试样进行加工时，磁极盘高速旋转，能够在加工区域形成磁感应强度不断交替变化的磁场，磁极仿真结果如图4所示。同时，音圈电机带动试样高频振动，凹槽内部钢珠不断撞击、挤压、划擦试样表面，完成对内凹槽底面的研磨加工。

图4 磁极仿真结果Fig.4 Magnetic pole simulation result

2.2 试验条件

试样采用AlSi10Mg 材料并通过3D 打印制成。为去除试样表面的粉尘以确保测量的准确性，试验前后均利用超声波清洗机清洗试样并用吹风机烘干，然后进行粗糙度测量。采用三丰SJ-210 手持式粗糙度测量仪测量试样粗糙度，在试样表面加工区域选择5 个不同位置进行粗糙度测量并取平均值为最终结果。钢珠材料选用导磁性能良好的Q235。钢珠称量采用精密电子天平，天平的精度为0.001 g，每组试样均采用未使用过的钢珠进行抛光试验。磁极选用磁场强度高的N52 钕铁硼永磁铁，大磁铁5 个，尺寸为20 mm×20 mm×10 mm；小磁铁4 个，尺寸为10 mm×10 mm×5 mm。试样表面形貌采用SZ6100 体视显微镜（南京江南永新光学有限公司）进行观测。

根据前期初步的工艺试验探索结果，试验的振动频率为15 Hz，振幅为0.2 mm，加工时间为30 min，钢珠的质量为0.100 g。考虑到磁极和工件干涉限制，加工间隙最小只能采用1 mm，因而加工间隙选用1，2，3 和4 mm。磁极盘转速过低时，研磨效率不佳且受额定转速限制。因此，磁极盘转速选用500，600，700 和800 r/min。当钢珠直径过小时，钢珠所具有的研磨压力过小，无法完成抛光加工；当钢珠直径过大时，钢珠可研磨的范围降低，研磨效率下降。所以，钢珠直径选用0.4，0.6，0.8和1.0 mm。

2.3 正交试验设计与试验结果

正交试验采用钢珠直径D、加工间隙E、磁极盘转速F等3 个主要的工艺参数为因素，因素和水平如表1所示。

表1 正交试验因素水平Tab.1 Factor and level of orthogonal test

由于在研磨过程中，钢珠的主要作用为挤压和撞击，试样表面产生塑性变形，材料去除量变化很小，并且试样研磨前粗糙度不一致。因此，采用粗糙度降低率ΔRa作为试验指标。采用L16(45)正交表进行试验设计，保留两列空白列用于误差分析，正交试验方案及试验结果如表2所示。

表2 正交试验方案及试验结果Tab.2 Orthogonal test plan and test results

表2中的粗糙度降低率ΔRa采用下式计算：

式中：Ra1为原始粗糙度值；Ra2为研磨后粗糙度值。

2.4 试验结果分析及优化

对试验结果分别进行极差分析和方差分析，极差分析结果如表3所示。

表3 极差分析结果Tab.3 Range analysis results

从表3中可以看出：最优的工艺参数组合为D4E1F4，即钢珠直径为1.0 mm、加工间隙为1 mm、磁极盘转速为800 r/min。因素对指标影响大小顺序：钢珠直径＞加工间隙＞磁极盘转速。

为了直观地研究各个因素对试验指标的影响情况，根据正交试验数据绘制3 个主要工艺参数对粗糙度降低率的影响趋势图，如图5所示。

从图5a 可以看出：试验选用的钢珠直径越大，所得粗糙度降低率越大。这是因为在钢珠质量一定的情况下，钢珠直径越大，单个钢珠的质量越大，钢珠的总数越少，在磁场中所受的磁力越大，在研磨过程中能够产生更大的挤压和撞击作用，进而提高研磨效率，使试样表面粗糙度下降快，因而粗糙度降低率增大。

加工间隙通过影响加工区域内的磁感应强度进而影响研磨效率[21]。从图5b 中可以看出：加工间隙越大，粗糙度降低率越小。采用较大的加工间隙会使得加工区域的磁感应强度降低，使钢珠所产生的磁力减弱。磁力的减弱使得钢珠随磁极盘往复运动的速度降低，钢珠对试样表面的挤压和碰撞作用减弱，进而导致研磨效率下降，粗糙度降低率同时下降。

从图5c 中可以看出：磁极盘转速越大，粗糙度降低率越大。这是因为磁极盘转速越大，在加工区域内所形成磁场强度的变化频率越高，钢珠的往复运动速度越大，能够增大单位时间内钢珠与试样表面的挤压和撞击次数，增强钢珠的挤压和撞击作用，从而提高研磨效率，同时增大粗糙度降低率。

图5 各因素对粗糙度降低率的影响Fig.5 Influence of various factors on the reduction rate of roughness

表4为方差分析结果。由表4可知：F值和贡献率ρ代表因素对试验指标的影响程度，F值越大，贡献率ρ越高，对指标的影响程度越大。因此，钢珠直径对研磨效果的影响最大，加工间隙次之，磁极盘转速的影响最小，方差分析结果与极差分析的结果一致。

表4 方差分析结果Tab.4 Variance results

在表3的最佳参数下，其他条件不变时，得出粗糙度降低率和加工时间的关系，如图6所示。从图6可以看出：在相同加工时间条件下，不添加振动时，试样的粗糙度降低率随着加工的进行先呈上升趋势后逐渐趋于稳定。可能的原因是随着加工时间的延长，钢珠划擦、撞击试样的次数增多，表面大量突起得到多次碾压，到30 min后表面突起基本被碾平，粗糙度降低率逐渐稳定。

图6 粗糙度降低率与加工时间的关系Fig.6 Relationship between roughness reduction rate and processing time

与不添加振动的情况相比，添加振动时，试样的粗糙度降低率大幅提高。可能的原因是振动增加了单位时间内钢珠划擦的次数，使得钢珠的划擦轨迹更加复杂，提高了研磨效率。由此可见，振动的添加有助于研磨效率的提高。在加工30 min 后，粗糙度降低率达到最大值，也验证了正交试验时所采用的最佳研磨时间的正确性。此后，随着振动的添加，试样内部由增材制造技术所残留的气孔逐渐暴露，降低了研磨加工后试样表面的粗糙度，使得粗糙度降低率产生降低趋势。

对在最佳参数下，加工30 min 时，施加振动前后试样的表面粗糙度进行测量，结果如图7所示。图7中，试样原始粗糙度值Ra1为11.059 μm，经过30 min 研磨抛光后粗糙度值Ra2为1.513 μm，粗糙度降低率ΔRa达到最大值86.3%，试样表面粗糙度明显降低。

图7 研磨前后粗糙度对比Fig.7 Roughness comparison before and after finishing

图8所示为试样研磨前后表面形貌对比。从图8a可以看出：试样的原始表面存在许多3D 打印后残留的未融球形突起，表面凸凹不平，光洁度差。从图8b 中可清晰地看出：经过30 min 研磨后，试样变得光洁，研磨区域表面平整均匀，突起得到去除，表面形貌明显改善。

图8 试样研磨前后表面形貌对比Fig.8 Comparison of the surface morphology of the sample before and after grinding

因此，采用上述最佳工艺参数进行研磨抛光，能够大幅降低试样表面粗糙度，试样表面质量得到显著提高。

3 结论

针对异形波导管内凹槽底面难光整问题，设计仿形夹具和试样开展正交试验，探究磁力研磨工艺参数对粗糙度降低率的影响规律并优化工艺参数；根据优化后的工艺参数开展验证试验，对磁力研磨前后的加工效果进行检测，得出以下结论：

（1）为了获得较高的粗糙度降低率，在采用最佳研磨时间30 min 的条件下，对影响磁力研磨的3 个主要工艺参数（钢珠直径、加工间隙、磁极盘转速）进行优化设计，确定磁力研磨内凹槽底面工艺参数的最佳组合是钢珠直径为1.0 mm，加工间隙为1 mm，磁极盘转速为800 r/min。

（2）对试验数据进行极差分析和方差分析，表明钢珠直径对研磨效率的影响最显著，加工间隙的影响次之，磁极盘转速对研磨效率的影响最小。

（3）在最佳工艺参数组合下进行验证试验，3D打印试样经磁力研磨30 min 后效果最佳，粗糙度值Ra从11.059 μm 降至1.513 μm，粗糙度降低率ΔRa达到最大值86.3%，试样表面突起得到去除，表面更加平整均匀，表面质量显著提高。