自旋转磁极在合金管内表面精密抛光中的应用

随着航空航天、医疗和石油等领域的迅猛发展，各种新型零件应运而生，不仅要保证零件的尺寸精度，还要求零件有良好的表面形貌、抗腐蚀及抗疲劳能力[1–3]. 同时，由各类管材组成的管路系统是设备的生命线，如果管件内表面粗糙不平，会导致液体或气体在管内形成湍流而发生喘振现象，影响其流动的稳定性，并且在一些高温饱和液相介质中，管件内表面的凹点可形成气蚀的核心，导致管件的耐腐蚀性能下降. 因此，对管件内表面的精密抛光变得尤为重要[4–5].

郝益东：听了陈雷部长的报告，感觉从粮食安全、现代农业和生态环境互相结合的角度做水利，体现了科学发展的思想。报告也抓住了北方农区产品基地缺水的主要矛盾和草原牧区水利建设滞后的一些薄弱环节，我认为是符合实际的，我对这个报告表示赞成。有一些问题，特别是对当前有效灌溉总量和节水这两方面的任务都重，都需要大量投资，但是如何协调好，把政府的有限资金用好，能够加快两方面的建设，感觉在这方面还是有一些工作应该进一步明确。

磁力研磨法利用磁性磨粒在磁场中的特性，能够克服传统方法对复杂零件抛光的局限性[6–8]. 为了提高研磨效率，通常在管腔内部添加辅助磁极，以增强单位空间内的磁感应强度，从而增大研磨压力[9–10].Han等[11]将球形磁铁作为辅助磁极对空间弯管进行研磨抛光；陈燕等[12]提出利用开V型槽磁铁对SUS304管内表面进行光整加工；Yamaguchi等[13–14]提出在对细直管进行抛光时在管腔内放置经过热处理分段导磁的奥氏体不锈钢丝，结果表明，在管腔内增加辅助磁极能够增大研磨压力，从而提高研磨效率. 但由于添加辅助磁极后，由磁性磨粒组成的磁粒刷的刚性得到提高，导致单个磁性磨粒运动轨迹过于单一，易出现轨迹间的叠加现象，不利于获得理想的表面质量[15].本文作者提出对管腔内部的辅助磁极添加一个径向旋转运动，利用辅助磁极的旋转特性来达到提高管件表面质量以及研磨效率的目的.

  

Fig.1 Schematic of rotating magnetic pole polishing by magnetic abrasive finishing图1 旋转辅助磁极磁力研磨抛光示意图

  

Fig.2 Schematic of auxiliary magnetic pole polishing inner surface of tube图2 辅助磁极抛光管内表面原理图

1 磁力研磨管内表面原理分析

1.1 自旋转磁极工作原理

在加工不导磁或弱磁性的管件时，在管腔内部添加辅助磁极，使其与外围磁极形成磁回路，可以增大单位空间内的磁场强度. 如图1所示，在辅助磁极上添加一个径向的旋转运动. 当管件旋转，外围磁极沿管件轴向做往复运动时，管腔内部的辅助磁极带动磁粒刷与外围磁极做同步轴向移动，磁性磨粒与管件内表面形成相对运动，并产生摩擦、刻划等现象，从而完成对管件内表面的精密抛光.

如图2(a)所示，当使用静止辅助磁极时，磁性磨粒的摩擦力大于磁粒刷对磁性磨粒的夹持力，磁性磨粒会在摩擦力的带动下堆积在辅助磁极的一侧，无法参与研磨. 过大的研磨压力还会使磁粒刷的刚性增强，磁性磨粒的翻滚更替性能得不到提升. 另外，受管件偏心、摩擦等因素的影响，研磨时辅助磁极会产生振颤，从而导致研磨压力不稳定，研磨不均匀，甚至产生振纹.

护理20 d后，观察组不良反应发生率8.82%低于对照组的20.58%，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

  

Fig.3 Simulation of the trajectory of a single magnetic abrasive particl图3 单个磁性磨粒的运动轨迹模拟

1.2 单个磁性磨粒的运动轨迹模拟

由于磁性磨粒相对于辅助磁极的旋转速度会随着旋转半径的增加而增加，因此选取速度最高处的(即辅助磁极边缘)单个磁性磨粒，利用ADAMS运动分析软件对其运动轨迹进行模拟. 选取管件半径r为30 mm，辅助磁极半径r为10 mm，由于管件的转速与辅助磁极的转速成比例增加时，只会改变其轨迹的疏密程度.因此，设定管件转速1 000 r/min，辅助磁极转速分别0、600、1 800和2 400 r/min. 如图3所示，左图为单个磁性磨粒在0.1 s的瞬间研磨轨迹；中图为单一方向进给30 s的完整轨迹；右图为磁性磨粒与管件内表面的相对速度矢量. 如图3(a)所示，辅助磁极转速为0 r/min时，单个磁性磨粒的运动轨迹呈规则的螺旋状，在理想状态下，研磨后的轨迹呈密集的平行纹理，管件表面的原始纹理或前一道加工纹理对磁性磨粒的运动方向形成干涉，对其他轨迹造成叠加，加工过程不易控制. 如图3(b～d)所示，辅助磁极添加旋转作用后，在辅助磁极各点上的磁性磨粒相对于管件表面的速度方向不断变化，随着辅助磁极转速的增加，磁性磨粒速度方向与竖直方向的夹角α增大，轨迹间的交叉角θ也随之增大，交叉频率得到提高，原始纹理或前一道加工纹理对磁性磨粒的运动方向干涉机率减小. 同时，由于磁性磨粒的速度矢量发生改变，在多个方向都会形成切削痕迹，研磨后所形成的运动轨迹变为网状结构，随着辅助磁极速度的增加，网状结构变得更加复杂致密，未加工区域面积减少，促使切削痕迹快速消失.

a. 利用磁力研磨法对管内表面精密抛光时，对辅助磁极添加一个径向旋转运动，辅助磁极旋转后，磁性磨粒的运动轨迹变复杂，解决了加工后管件表面易产生较深划痕的问题，有利于获得理想的表面质量.

b. 利用ADAMS运动分析软件对单个磁性磨粒的运动轨迹进行模拟得知，随着辅助磁极转速的提升，运动轨迹间的交叉角也随之增大，交叉频率得到提高，原始纹理或前一道加工纹理对磁性磨粒的运动方向干涉机率减小，研磨效果显著提升.

 

表1 单个磁性磨粒在0.1 s内运动轨迹的行程长度Table 1 Travel length of a single magnetic abrasive particle in 0.1 s

  

Auxiliary magnetic pole speed/(r·min-1) Stroke length/mm 0 314.1 600 317.7 1 800 343.3 2 400 367.3

2 试验过程及试验结果分析

2.1 试验条件

如图4所示，试验装置中辅助磁极与辅助电机采用L型锥齿轮转角器相连，传动比为1:1，辅助电机通过锥齿轮带动辅助磁极进行径向旋转. 试验所用管件材料为钛合金，其牌号为TC4，该合金机械性能良好，抗磨性差；所用磁性磨粒采用烧结法自制，平均粒径为150～350 μm，铁磁相Fe粒子与研磨相Al2O3粒子的质量比为4：1，烧结时间为3 h，烧结温度为1 200 ℃，Al2O3颗粒微刃均布于Fe粒子表面，使其兼具导磁性和磨削性；研磨液为大连盛瑞贝尔化工有限公司生产的劳力恩SR-9911；所用磁极全部采用强磁性材料钕铁硼(Nd-Fe-B)，辅助磁极与管件内表面最小间隙为1.5 mm，利用深圳市源恒通科技有限公司生产的数字特斯拉计测得外围磁极的磁场强度为0.53 T，辅助磁极的磁场强度为0.18 T，研磨时加工间隙的平均磁场强度为0.75 T.

当管件和辅助磁极的转速一定时，磁性磨料的粒径同样对研磨效果有一定影响. 在磁场中，磁粒刷所受到的磁场力与磁性磨粒的粒径成正比，当磁性磨粒的粒径过小时，磁粒刷受到的磁场力变小，对管件表面的研磨压力减小，研磨效率下降. 当磁性磨粒的粒径过大时，磁粒刷受到的磁场力变大，导致单个磁性磨粒对管件表面的切削深度增加，易在管件表面留下新的划痕. 在保证表面质量的基础上，选取管件转速为1 000 r/min，辅助磁极转速为1 800 r/min，分别与平均粒径为150、200、250和350 μm的磁性磨粒进行试验. 图8所示为磁性磨粒粒径对研磨效果的影响规律，当磁性磨粒的平均粒径为350 μm时，研磨压力最大，材料去除量增加，但过大的研磨压力会导致磁性磨粒对管件表面造成一定程度的划痕，研磨50 min后，表面粗糙度值稳定至Ra 0.13 μm，略大于平均粒径为250 μm时的Ra 0.11 μm. 因此，综合考虑研磨效率和表面质量指标，当管件转速为1 000 r/min、辅助磁极转速为1 800 r/min、磁性磨粒的平均粒径为250 μm时，研磨效果最佳，研磨50 min后，表面粗糙度值稳定至Ra 0.11 μm，材料去除量可达850 mg.

使用沈阳龙腾电子有限公司生产的JD1000-3精密电子天平测量材料去除量；使用广州市广精精密仪器有限公司生产的JB-8E触针式表面粗糙度测量仪测定表面粗糙度值；使用日本基恩士生产的VHX-500F超景深3D电子显微镜观测表面微观形貌. 表2所列为其他试验条件.

  

Fig.4 Experimental device图4 试验装置图

 

表2 试验条件Table 2 Experimental Conditions

  

Parameter Specification Peripheral magnetic pole/mm Square magnet: 50×50×25 Auxiliary magnetic pole/mm Circular magnet: φ20×5 Workpiece/mm Titanium alloy tube：φ60×φ50 Workpiece revolution/(r·min–1) 0～1 000 Auxiliary magnetic pole/(r·min–1) 0～2 400 Feed speed/(mm·s–1) 2 Feed length/mm 30

2.2 转速对研磨效果的影响

选取管件转速为1 000 r/min和500 r/min，磁性磨粒的平均粒径为250 μm，研磨时间50 min. 图6～7为两种情况下表面粗糙度值和材料去除量随加工时间的变化规律，其中管件转速为1 000 r/min的研磨效果较好. 当使用静止辅助磁极时，原始纹理或上一道加工纹理对磁性磨粒运动方向起到干涉作用，表面波峰不能有效去除，波峰与波谷的高度差增加，表面粗糙度值最终稳定至Ra 0.5 μm左右，材料去除量较低. 当辅助磁极旋转后，研磨角度不断改变，上一道加工纹理对磁性磨粒运动方向的干涉较小，表面波峰能够被有效去除，并且随着辅助磁极转速的提高，单位时间内的摩擦、刻划的次数增加，轨迹间的夹角逐渐变大，研磨效果显著提升. 但当辅助磁极转速为2 400 r/min时，磁性磨粒受到的离心力大于磁场的束缚力，脱离加工区域，不能充分参与研磨，研磨效果不理想.

图5所示为管件转速与辅助磁极转速对表面质量的影响. 当管件转速与辅助磁极转速比值较低时，单位时间内的摩擦、刻划的次数较少，研磨效率较低，并且磁性磨粒在较低线速度下的切削力较大，研磨后划痕较深. 当管件转速较高，辅助磁极转速较低时，磁性磨粒的运动轨迹过于单一，不能获得理想的表面质量.随着辅助磁极转速继续升高，受离心力的影响，磁性磨粒会挣脱磁场的束缚而脱离研磨区域，不能充分参与研磨. 综合以上因素，选取管件转速为500～1 000 r/min，辅助磁极转速为2 000 r/min(即图5中红色区域).

  

Fig.5 Effect of workpiece speed and rotating magnetic pole speed on surface quality图5 管件转速与辅助磁极转速对表面质量的影响

  

Fig.6 Variation of surface roughness with time图6 表面粗糙度值随加工时间的变化规律

  

Fig.7 Variation of material removal with time图7 材料去除量随加工时间的变化规律

2.3 磁性磨粒的粒径对研磨效果的影响

11例患者均在首都医科大学附属北京同仁医院行手术切除术。6例获得随访资料，其随访时间从3～60个月不等，平均约为37.8个月，4例完全治愈、无复发，即病例4、病例7、病例8和病例11。2例复发，1例喉部病变在原先的声门下部复发，因之前进行了气管切开术，复发后尚未出现呼吸困难的症状，该病人也在密切观察中。1例鼻部病变的患者多次复发，在外院也接受了多次手术治疗、糖皮质激素治疗和放化疗等，但病变仍顽固存在。有些遗憾的是，有5例病例在出院后失访（即病例1、病例2、病例3、病例5和病例9），详见表1。

如图2(b)所示，当辅助磁极旋转时，磁性磨粒间的碰撞频率增加，且受摩擦力及内腔形状的影响，磁粒刷会产生“搅拌”作用，研磨时断裂并重组，提高了磁性磨粒的利用率. 在旋转作用下，磁性磨粒的运动轨迹变得复杂，能减缓轨迹间的叠加现象. 同时，由于旋转时磁性磨粒间的间隙增大，磁粒刷的柔性增强，柔性特性会起到缓冲作用，减少了振颤对辅助磁极的影响.

  

Fig.8 Effect of different particle sizes on efficiency图8 磁性磨粒粒径对研磨效果的影响规律

  

Fig.9 Comparison of micro surface topography before and after finishing图9 研磨前后表面微观形貌

2.4 辅助磁极不同转速对表面形貌的影响

图9为显微镜300倍下的管件内表面微观形貌图.研磨前，管件表面纹理深浅不一，原始缺陷较多. 选取管件转速为1 000 r/min，如图9(b)所示，使用静止辅助磁极时，由于磁性磨粒的运动轨迹单一，且研磨方向与原始纹理方向相同，研磨后表面会出现较深的划痕，研磨痕迹分布不均匀. 在旋转的作用下，磁性磨粒的翻滚更替性能得到提升，对表面材料的去除能力变强. 如图9(c)所示，当辅助磁极转速为600 r/min时，研磨轨迹间的夹角较小，轨迹间出现叠加，表面加工纹理较深，存在较明显的未去除缺陷. 如图9(d)所示，当辅助磁极转速为1 800 r/min时，轨迹间的交叉角变大，表面加工纹理呈分布均匀的网状结构，表面质量显著提高.

3 结论

火电厂烟囱的防腐工程一方面能增强烟囱防渗漏、防腐蚀的能力，确保烟囱安全、机组顺利运行，降低生产维护成本，提高电厂工作效率，另一方面也存在巨大的安全隐患，需要付出相当的成本。烟囱防腐方案是权衡预期功能与成本之间的利弊后作出的选择，适合用价值工程的思想来进行分析。价值工程虽然在很大程度上避免了某些主观因素的干扰，但仍需依靠专家科学、公正、客观地对各项指标进行评价，并且要求收集的数据尽可能可靠，才能得到较准确的分析结果。实际应用表明，基于量化计算的价值工程方法与以往单纯地比较各方案优缺点的做法相比，能够更好地区分和比较各方案的优劣，更科学地选择出最优的解决方案。

表1所列为单个磁性磨粒在0.1 s内瞬间研磨轨迹的行程长度，理论上随着辅助磁极转速的提升，磁性磨粒在0.1 s内的研磨轨迹会逐渐变长，单位时间内的研磨效果得到提升.

c. 对钛合金管内表面进行精密抛光试验，当管件转速1 000 r/min、辅助磁极转速1 800 r/min、磁性磨粒的平均粒径250 μm时，研磨效果最佳，研磨50 min后，表面粗糙度值稳定至Ra 0.11 μm，材料去除量可达850 mg.

参 考 文 献

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