潘明詩，陳燕，程海東，張志鵬，吳炫炫，韓冰

基于線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)的黃銅管內(nèi)表面電磁拋光試驗(yàn)

潘明詩，陳燕，程海東，張志鵬，吳炫炫，韓冰

（遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

設(shè)計(jì)一種低頻交變磁場(chǎng)發(fā)生裝置，高效率地去除H62黃銅管內(nèi)的表面缺陷，提高其表面質(zhì)量，延長(zhǎng)其使用壽命。采用閉合鐵芯的方式設(shè)計(jì)一種低頻磁場(chǎng)發(fā)生裝置，利用EDEM軟件對(duì)磁場(chǎng)中的磁性磨粒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析；對(duì)電磁線圈的纏繞方式、通電方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用Ansys軟件對(duì)不同的線圈纏繞方式和通電方式所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。數(shù)控車床夾持管件旋轉(zhuǎn)，并與磁場(chǎng)發(fā)生裝置相配合，使管件中的磁性磨粒在磁場(chǎng)中磁化，并緊貼管件內(nèi)表面進(jìn)行研磨拋光。使用觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x和超景深 3D電子顯微鏡，對(duì)研磨前后的樣品進(jìn)行檢測(cè)分析?；谌死p繞方式，采用2種不同的通電方式對(duì)管件進(jìn)行研磨加工，采用相對(duì)型通電方式研磨6 min后，H62黃銅管內(nèi)的表面粗糙度由原始的0.618 μm降至0.373 μm。采用相鄰型通電方式研磨6 min后，H62黃銅管內(nèi)的表面粗糙度由原始的0.667 μm降至0.081 μm。利用低頻交變磁場(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)研磨工具（磁性磨粒）的循環(huán)更新，提高磁性磨粒的利用率。在采用三端纏繞方式通電時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度更大，更適合于磁粒研磨加工。采用相鄰型通電方式（N?N?S?S磁極排布）加工時(shí)，研磨壓力更大，大幅縮短了加工時(shí)間，去除了管件內(nèi)壁的原始缺陷。

低頻交變磁場(chǎng)；磁粒研磨；線圈設(shè)計(jì)；H62黃銅管；表面質(zhì)量

H62黃銅具有極好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和抗腐蝕性等，且可塑性、加工性均較好，常用于機(jī)械零件的加工，是應(yīng)用廣泛的普通黃銅品種之一[1-5]。在加工過程中，黃銅管的內(nèi)表面不可避免地存在內(nèi)部條狀溝痕、分層、微裂紋、凹坑等質(zhì)量缺陷。若用黃銅管輸送液體，當(dāng)液體流經(jīng)管件時(shí)會(huì)不斷地對(duì)管件內(nèi)壁進(jìn)行沖刷，導(dǎo)致管件內(nèi)表面缺陷不斷擴(kuò)展，從而出現(xiàn)湍流、喘振、破裂等現(xiàn)象。將黃銅管應(yīng)用于船舶領(lǐng)域時(shí)，由于其內(nèi)壁凹凸不平，海水中的氯離子會(huì)在凹坑、微裂紋處與管件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使管件內(nèi)部受到腐蝕，這會(huì)大大降低黃銅管的使用壽命[6-10]。由此可見，需要對(duì)黃銅管內(nèi)壁進(jìn)行精密加工，以延長(zhǎng)其使用壽命。目前，針對(duì)H62黃銅管表面處理的研究較少，針對(duì)其他材質(zhì)的管件進(jìn)行表面研磨拋光的案例較多。Yamaguchi等[11]提出了磁鐵繞管件旋轉(zhuǎn)拋光法，將內(nèi)部磁性磨粒磁化，并吸引至管件表面，與管件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到研磨去除材料的目的，該方法的研磨壓力較小、效率較低。陳燕等[12]提出了在管外放置多個(gè)磁鐵研磨內(nèi)表面的方法，采用該方法在加工時(shí)磁性磨粒對(duì)管件內(nèi)表面有著較大的研磨壓力，由于磁鐵位置相對(duì)固定，在工作一段時(shí)間后磁性磨粒在管件內(nèi)部得不到及時(shí)更新，這樣不僅縮短了磨粒的使用壽命，而且影響了磨削效率。趙楊等[13]提出了電磁鐵交替通電的方法，該方法雖然促進(jìn)了磁性磨粒的更新，但由于電磁鐵的工作方式為交替通電，因此在工作中只有1個(gè)磁鐵對(duì)管件進(jìn)行加工，與2個(gè)磁鐵形成閉合磁感線相比，磁性磨粒對(duì)管內(nèi)壁的研磨壓力相對(duì)較小。文中以H62黃銅管為加工對(duì)象，設(shè)計(jì)并提出一種新型低頻磁場(chǎng)發(fā)生裝置，針對(duì)鐵芯的形狀特征，對(duì)線圈的纏繞方式和通電方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過模擬仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的方案進(jìn)行討論，總結(jié)出最優(yōu)的加工方式，最終有效地完成H62黃銅管內(nèi)表面的光整加工。

1 管件內(nèi)表面研磨原理

1.1 磁性磨粒受力分析

采用低頻交變磁場(chǎng)輔助研磨H62黃銅管內(nèi)表面的加工原理如圖1所示，將管件穿過電磁鐵水平放置在中心的磁場(chǎng)中，電磁鐵在通電后會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。漆包線的通電方向會(huì)影響4個(gè)磁極頭的極性，從而決定磁場(chǎng)分布，不同的磁場(chǎng)分布對(duì)加工效果有著不可忽視的影響。通過改變通電方式，針對(duì)磁極頭設(shè)計(jì)了相對(duì)型排布（N–S–N–S）、相鄰型排布（N–N–S–S）等，如圖1所示。將4個(gè)磁極頭均布于管件周圍，2個(gè)磁極頭之間形成閉合磁回路，磁性磨粒被磁化，并沿著管壁附近的磁感線形成多個(gè)柔性“磁粒刷”，在磁力的作用下磁性磨粒緊密而有序地排列在管件內(nèi)壁，比磁性磨粒散亂分布時(shí)磨粒的一致性更好，研磨得更加均勻[14]，并且磁性磨粒在磁場(chǎng)力的作用下相互擠壓，提供了足夠的研磨壓力。當(dāng)管件進(jìn)行加工時(shí)，管件由機(jī)床帶動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，磁性磨粒團(tuán)受到磁場(chǎng)的牽引作用，與管件內(nèi)表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)磁性磨粒進(jìn)行受力分析可知，磁性磨粒在磁場(chǎng)力、離心力和摩擦力的共同作用下（磨粒之間的相互作用力及自身重力忽略不計(jì)）對(duì)管件內(nèi)表面進(jìn)行刻劃、摩擦、滾壓等作用。

根據(jù)Preston經(jīng)驗(yàn)公式[15]得到材料的去除量，見式（1）。

式中：R(x,y)為材料的去除量；k為磁性磨粒與加工相關(guān)的比例常數(shù)；v(x,y)為磁性磨粒與工件之間的相對(duì)速度；p(x,y)為研磨粒子與工件間的研磨壓力。

從式（1）中可以看出，若想增加材料的去除量、提高加工效率，可以增大磁性磨粒與工件之間的相對(duì)速度(,)，也可以增大研磨壓力(,)。如果增大二者之間的相對(duì)速度，則必須提高工件的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的增大將導(dǎo)致管件內(nèi)部的磁性磨粒受到的離心力變大，而離心力過大將導(dǎo)致磁性磨粒脫離磁場(chǎng)的束縛，跟隨管件轉(zhuǎn)動(dòng)，與工件表面沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)也就失去了加工的能力。當(dāng)工件轉(zhuǎn)速確定時(shí)，通過增加研磨壓力來提高材料的去除量，可以實(shí)現(xiàn)高效加工[16]。

對(duì)不同磁場(chǎng)中的磁性磨粒進(jìn)行受力分析（如圖1所示），管件所受的研磨壓力主要與磁場(chǎng)力和離心力相關(guān)，磁場(chǎng)力的計(jì)算如式（2）所示[17]。

式中：為磁性磨粒在磁場(chǎng)中所受的合力；F為合力沿磁等勢(shì)線方向的分力；F為合力沿磁力線方向的分力；為磁性磨粒的體積；r為磁性磨粒的相對(duì)磁導(dǎo)率；0為空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率；為磁性磨粒所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度；（?/?）、（?/?）分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度沿磁等勢(shì)線方向和磁力線方向的梯度分量。

磁場(chǎng)強(qiáng)度最先由磁荷觀點(diǎn)引出，后來安培提出了分子電流假說，自此磁場(chǎng)強(qiáng)度多用磁感應(yīng)強(qiáng)度表示。二者的具體關(guān)系如式（3）所示[18]。

將式（3）帶入式（2）中，得到式（4）。

在加工時(shí)，由于管件的轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)部的磁性磨粒會(huì)受到離心力的作用[19]，離心力c的表達(dá)式如式（5）所示。

式中：為磁性磨粒的質(zhì)量；為磁性磨粒對(duì)于管件的相對(duì)速度；為管件內(nèi)徑。

由上述分析可知，研磨壓力為磁性磨粒對(duì)管件內(nèi)表面的法相作用力，其值為磁性磨粒所受磁場(chǎng)合力的法相分量與離心力c之和，如式（6）所示。

式中：為合力與管件法線方向的夾角。

從式（6）可以看出，研磨壓力與磁感應(yīng)強(qiáng)度、相對(duì)速度呈正相關(guān)，因此在不改變相對(duì)速度的情況下，可以通過增大磁感應(yīng)強(qiáng)度來增大研磨壓力。

1.2 磁性磨粒運(yùn)動(dòng)分析

將磁性磨粒放入磁場(chǎng)中，使得磁性磨粒在閉合磁感線上分布。電流的變化如圖2所示，由于磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，因此磁場(chǎng)會(huì)周期性地變化。隨著電流方向的周期性改變，磁場(chǎng)方向也以一定頻率發(fā)生改變，促使磁性磨粒在管內(nèi)沿管件內(nèi)表面的圓周方向發(fā)生周期性的運(yùn)動(dòng)。

圖2 線圈電流波形

采用EDEM軟件對(duì)單周期（）內(nèi)、交變磁場(chǎng)下的磁性磨粒（磁性磨粒團(tuán)用流線代替）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如圖3所示。

圖3 單周期內(nèi)磁性磨料運(yùn)動(dòng)

將磁性磨粒置于管中，當(dāng)時(shí)間達(dá)到/4時(shí)，磁性磨粒被磁場(chǎng)吸引，從而壓覆在管件內(nèi)表面，如圖3a所示；當(dāng)時(shí)間達(dá)到/2時(shí)，線圈中的電流為0，磁場(chǎng)消失，磁性磨粒因自身重力會(huì)下滑一段距離，如圖3b所示；當(dāng)時(shí)間達(dá)到3/4時(shí)，由于電流反向，磁極頭的極性與/4時(shí)相反，磁性磨粒又被重新吸引，從而壓覆在管件內(nèi)表面，如圖3c所示；當(dāng)時(shí)間達(dá)到T時(shí)，磁性磨粒會(huì)下滑一段距離，下滑距離與圖3b的結(jié)果一致。隨著磁場(chǎng)的不斷變化，磁性磨粒不斷地進(jìn)行周期性運(yùn)動(dòng)，發(fā)生振動(dòng)、翻滾，達(dá)到自適應(yīng)更新的目的，最終實(shí)現(xiàn)管件內(nèi)部的光整加工[20-22]。

2 電磁鐵設(shè)計(jì)

2.1 電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電磁鐵由鐵芯和漆包線纏繞所成的線圈組合而成，4個(gè)E形鐵芯通過2個(gè)硅鋼塊連接起來，從而形成一個(gè)完整的閉合鐵芯，在鐵芯上均勻繞制漆包線組成電磁鐵。在E形鐵芯中部加裝矩形磁極頭，不僅縮短了磁極與管件之間的距離，減少了漏磁，而且會(huì)使磁感線聚集通過磁極頭，提高了加工區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在纏繞漆包線時(shí)，不同的纏繞方式對(duì)電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)和磁場(chǎng)分布有著較大的影響，因此把E形鐵芯分為3個(gè)區(qū)域，針對(duì)3個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)了2種不同的線圈纏繞方案，具體纏繞方案如圖4所示。

2.2 磁場(chǎng)仿真分析

為了探究不同線圈纏繞方式和通電方式對(duì)管件內(nèi)部磁場(chǎng)的影響，利用Ansys軟件對(duì)加工區(qū)域的磁場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真分析。首先根據(jù)所設(shè)計(jì)的電磁鐵利用SolidWorks軟件進(jìn)行實(shí)體建模，然后將模型導(dǎo)入Ansys軟件中，并仿真分析不同線圈的繞線方式、通電方式所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，以尋求加工區(qū)域的最優(yōu)磁場(chǎng)。

圖4 線圈纏繞方式

2.2.1 線圈纏繞方式分析

采用直徑0.77 mm的銅漆包線制作電磁線圈，線圈的電阻較小、載流量較高，可充分利用鐵芯空間提高線圈安匝數(shù)。若采用兩端纏繞的方式，每端最多可以纏繞600匝線圈。若采用三端纏繞的方式，兩端最多可以分別纏繞450匝線圈，在中部區(qū)域可以纏繞180匝線圈。在磁極頭處采用N–N–S–S排布時(shí)通入2.5 A的交流電，針對(duì)圖4中的2種線圈纏繞方式，利用Ansys軟件對(duì)管件內(nèi)壁加工區(qū)域進(jìn)行磁場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

如圖5a所示，采用兩端纏繞時(shí)，由于兩端的空間較大，可以增加線圈的匝數(shù)，進(jìn)而達(dá)到增強(qiáng)磁場(chǎng)的目的。觀察磁場(chǎng)云圖可以看出，兩端纏繞的電磁鐵在加工區(qū)域（管件內(nèi)壁）所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大可以達(dá)到0.25 T。如圖5b所示，采用三端纏繞時(shí)，可以使線圈均勻地分布在鐵芯的各個(gè)部位，使磁場(chǎng)分布得更均勻、更強(qiáng)。觀察磁場(chǎng)云圖可以看出，采用三端纏繞的方式時(shí)，加工區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以達(dá)到0.30 T。

圖5 不同線圈分布磁場(chǎng)云圖

加工區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線如圖6所示。在采用三端纏繞方式時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度在絕大多數(shù)區(qū)域大于采用兩端式纏繞時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。究其原因，兩端線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互對(duì)沖，使磁感線順著中部鐵芯發(fā)散出去，而采用三端纏繞時(shí)，鐵芯中部纏繞的線圈起到了聚攏磁感線、增強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，因此三端纏繞方式所產(chǎn)生的磁場(chǎng)優(yōu)于兩端纏繞方式。在進(jìn)行實(shí)際線圈纏繞時(shí)采用三端纏繞方式，以下研究均基于三端纏繞方式進(jìn)行。

圖6 加工區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線

2.2.2 線圈通電方式分析

將電磁鐵各區(qū)域線圈相繼連接，從而形成一個(gè)整體，各部分線圈之間首首相連，或者首尾相連，使4個(gè)磁極頭呈現(xiàn)相鄰型、相對(duì)型的磁極排布，低頻交變磁場(chǎng)的頻率為3 Hz時(shí)磁性磨粒的自銳性較好[23]，因此通過調(diào)整變頻器的電壓和頻率，使其在頻率3 Hz時(shí)的電流峰值達(dá)到最大值（3 A）。通過Ansys軟件對(duì)2種不同磁極排布方式所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖7—9所示。

通過觀察二者的磁場(chǎng)云圖（圖7）可以較為清晰地看出，采用相對(duì)型N–S–N–S磁極頭排布時(shí)，管件的加工區(qū)域全部被覆蓋于較強(qiáng)的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度較為一致。采用相鄰型N–N–S–S磁極頭排布時(shí)，較強(qiáng)的磁場(chǎng)區(qū)域只能覆蓋管件部分的加工區(qū)域，磁場(chǎng)梯度變化較大。

圖7 不同通電方式的磁場(chǎng)云圖

圖8 不同通電方式的磁感應(yīng)矢量圖

圖9 加工區(qū)域磁場(chǎng)梯度的變化情況

觀察二者的磁感應(yīng)矢量圖（圖8）可以看出，采用相鄰型N–N–S–S磁極頭排布時(shí)，在加工區(qū)域可以形成2個(gè)閉合磁回路，磁性磨粒在其中可以形成2個(gè)“磁粒刷”進(jìn)行工作；采用相對(duì)型N–S–N–S磁極頭排布時(shí)，在加工區(qū)域可以形成4個(gè)閉合磁回路，磁性磨粒在其中可以形成4個(gè)“磁粒刷”進(jìn)行工作。

由圖9可以看出，相鄰型通電方式與相對(duì)型通電方式相比，在加工區(qū)域所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度更大，磁場(chǎng)梯度變化也更大，而相對(duì)型通電方式所產(chǎn)生的磁場(chǎng)雖然在磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度變化方面不如相鄰型通電方式，但是在加工區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度較為平均，這也意味著管件各個(gè)加工區(qū)域都存在較大的研磨壓力。

在磁粒研磨加工過程中，如果磁場(chǎng)強(qiáng)度大，則磁力大，所產(chǎn)生的研磨壓力也大，能夠較快地去除材料表面缺陷；磁場(chǎng)梯度變化大可以促進(jìn)磨粒的實(shí)時(shí)更新，防止切削刃鈍化[24]。這不僅能夠提高材料的去除速度，還有利于增加磁性磨粒的使用壽命。磁場(chǎng)覆蓋面積越大，意味著有更多的磨粒同時(shí)參與加工，提高了加工效率。2種通電方式各有利弊，需通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其加工效果。

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

基于低頻交變磁場(chǎng)磁粒研磨H62黃銅管的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示，所加工的工件為厚度1 mm的H62黃銅管，管件的內(nèi)徑和外徑分別為23 mm和25 mm，長(zhǎng)度為150 mm。由于采用的加工方法為研磨加工，在加工過程中存在發(fā)熱問題，因此研磨液采用具有良好散熱性的水基研磨液，并且水基研磨液的黏度適中，且具有一定的潤(rùn)滑性。這樣既可以保證在研磨時(shí)有足夠的材料去除量，又在一定程度上減少了劃痕[25]。研磨工具為磁性磨料，磨粒粒徑不宜過大。當(dāng)粒徑過大時(shí)，雖然同等時(shí)間內(nèi)去除材料的速度更快，但是很容易出現(xiàn)過磨現(xiàn)象。當(dāng)粒徑過小時(shí)，則會(huì)嚴(yán)重影響加工效率[26]。經(jīng)過篩選，最終選用粒徑為150 μm的磨料，把研磨液和磁性磨料按一定比例混合。在加工一定時(shí)間后，使用JB–8E觸針式表面粗糙度儀測(cè)量研磨后工件的粗糙度，采用3D超景深電子顯微鏡（VHX–500F）觀察研磨后工件的表面，從而監(jiān)測(cè)管件內(nèi)壁的表面質(zhì)量變化情況。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

Tab.1 Experimental conditions

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所需裝置由數(shù)控車床、電磁裝置、檢測(cè)裝置組成，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖10所示。電磁裝置包括變頻器、銅線圈、鐵芯等。變頻器選用單項(xiàng)變頻器，對(duì)50 Hz的交流電進(jìn)行降壓調(diào)頻，將低頻電流通入電磁鐵線圈中，在加工區(qū)域形成交變磁場(chǎng)。檢測(cè)裝置由電流表和探針溫度計(jì)組成，它可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電磁裝置在加工時(shí)的電流和溫度的波動(dòng)情況。

在實(shí)驗(yàn)前，利用機(jī)床主軸的三抓卡盤水平夾持H62黃銅管，將磁性磨粒與研磨液按一定比例混合后加入管中。將電磁裝置放置在機(jī)床可移動(dòng)刀架上，使其可以隨著刀架進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電磁鐵的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。調(diào)整電磁裝置的放置高度，使其中心與管件中心位于水平直線上，確保管件處于磁場(chǎng)的中心。在進(jìn)行加工時(shí)，三抓卡盤夾持著管件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電磁裝置進(jìn)行軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)變頻器電磁鐵便產(chǎn)生了周期性的交變磁場(chǎng)，磁性磨粒不僅在管內(nèi)跟隨電磁鐵進(jìn)行軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而且還會(huì)發(fā)生周期性的翻滾，從而對(duì)管件內(nèi)表面進(jìn)行光整加工。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)量方便，將管件剖切開，采用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗并吹干，然后用 JB–8E 觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x采集管件內(nèi)表面的數(shù)據(jù)。剖切長(zhǎng)度為40 mm，從距離剖切端面10～30 mm區(qū)域，每間隔5 mm為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，并取平均值，記為原始粗糙度。在加工時(shí)，將剖分的管件粘接起來，內(nèi)部添加磁性磨料，每研磨1.5 min，測(cè)量管件內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)處的表面粗糙度，并記錄所有數(shù)據(jù)的平均值。

采用不同的通電方式研磨H62黃銅管，內(nèi)表面粗糙度的變化情況如圖11所示。采用相對(duì)型通電方式研磨1.5 min，由于管件內(nèi)壁凹凸不平，在加工過程中易產(chǎn)生尖點(diǎn)效應(yīng)，凸起部分在研磨時(shí)能夠被快速去除，表面粗糙度快速下降[27]。繼續(xù)研磨3 min，加工區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱的問題逐漸凸顯。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，導(dǎo)致研磨壓力過小，且磁性磨粒在磁場(chǎng)周期性變化的過程中易受到管件給予的離心力作用，離心力增大至一定程度后會(huì)使磁性磨粒掙脫磁場(chǎng)力的束縛，并隨著管件內(nèi)壁進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就達(dá)不到持續(xù)去除材料的目的。

采用相鄰型通電方式所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，研磨壓力相對(duì)于相對(duì)型通電方式更大，這樣大幅提高了去除材料的速度，表面粗糙度顯著下降。采用相鄰型通電方式在加工區(qū)域所產(chǎn)生的磁場(chǎng)梯度變化幅度更大，磁性磨粒翻滾得更加劇烈，會(huì)促使更多的切削刃參與加工，這樣進(jìn)一步提高了加工效率。采用相對(duì)型通電方式研磨6 min后，H62黃銅管內(nèi)的表面粗糙度從0.618 μm下降至0.373 μm。采用相鄰型通電方式研磨6 min后，管件內(nèi)的表面粗糙度由0.667 μm下降至0.081 μm?？梢姴捎孟噜徯屯姺绞窖心? min后，其表面粗糙度的變化趨于穩(wěn)定，加工效率更高。

圖11 表面粗糙度的變化情況

利用超景深3D電子顯微鏡（VHX–500F）觀測(cè)H62黃銅彎管內(nèi)表面微觀形貌變化，如圖12所示。

從圖12a可以看出，采用傳統(tǒng)工藝制成的管件，內(nèi)表面存在水平方向的溝狀加工紋理、微裂紋、凹坑、凸棱等原始表面缺陷，且在微裂紋聚集的區(qū)域形成了較深的溝壑。從圖12b可以看出，采用相對(duì)型通電方式研磨3 min后，原始表面上的污垢基本被去除，凹坑和溝狀紋理高度差有所減小。從圖12c可以看出，采用相鄰型通電方式研磨3 min后，管件內(nèi)表面的溝狀加工紋理和較淺的微裂紋均基本被去除，表面凸棱的高度差得到大幅改善，部分較深微裂紋去除得不徹底，其根部的凹坑仍殘留在表面。采用相對(duì)型通電方式繼續(xù)研磨3 min后，可以看到工件的磨削效果明顯減弱，管件表面缺陷無法被有效去除，如圖12d所示。采用相鄰型通電方式繼續(xù)研磨3 min后，如圖12e所示，微裂紋根部的凹坑已經(jīng)基本被去除，表面凸棱消失。管件在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)研磨拋光時(shí)，表面不可避免地存在輕微的豎直方向研磨痕跡，但經(jīng)過加工后管件的表面質(zhì)量得到大幅改善，且由于研磨軌跡的錯(cuò)綜復(fù)雜，使得管件內(nèi)表面在使用過程中不易產(chǎn)生裂紋、凹坑等缺陷，完全滿足使用要求。

圖12 H62黃銅管的微觀形貌

4 結(jié)論

1）在纏繞電磁鐵線圈時(shí)，三端式線圈分布由于中間線圈的存在可以有效聚集兩端線圈對(duì)沖所產(chǎn)生的磁感線，與兩端式線圈分布相比產(chǎn)生的磁場(chǎng)更強(qiáng)。

2）當(dāng)管件外部的4個(gè)磁極頭采用N–N–S–S分布時(shí)，基于同極性磁極相排斥的原則，形成了2個(gè)磁場(chǎng)更強(qiáng)的“磁粒刷”。相斥區(qū)域由于磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，使得整個(gè)加工區(qū)域的磁場(chǎng)梯度變化較大，磁性磨粒的切削刃的更新速度更快，加工效果更好。

3) 在低頻交變磁場(chǎng)下，磁感線的方向呈周期性變化，使磁性磨粒在一定范圍內(nèi)跳動(dòng)。這樣不僅促進(jìn)了切削刃的及時(shí)更新，提高了加工效率，而且延長(zhǎng)了磁性磨粒的使用壽命。

4）采用基于低頻交變磁場(chǎng)的磁粒研磨法對(duì)H62黃銅管進(jìn)行加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，在通入3 A、3 Hz的正弦電流時(shí)，采用三端式線圈纏繞方法、N–N–S–S磁極排布方式，加工區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)最大，達(dá)到0.36 T。在研磨加工6 min后，H62黃銅管的內(nèi)表面粗糙度從0.667 μm降至0.081 μm，并獲得了較好的表面質(zhì)量。

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Experiment on Electromagnetic Polishing of Inner Surface of Brass Tube Based on Coil Optimization Design

,,,,,

(School of Mechanical Engineering and Automation, University of Science and Technology Liaoning, Liaoning Anshan 114051, China)

The work aims to design a low-frequency alternating magnetic field generator to remove the inner surface defects of H62 brass tube with high efficiency, so as to improve its surface quality and prolong its service life. A low-frequency magnetic field generator was designed with closed iron core. EDEM software was used to simulate the motion of magnetic abrasive particles in the magnetic field. The magnetic field generated under different winding modes and energization modes were simulated and analyzed with Ansys software. The pipe fitting was clamped and rotated by the NC lathe in combination with the magnetic field generator. The magnetic abrasive particles in the pipe fitting were magnetized in the magnetic field and close to the inner surface of the pipe fitting for grinding and polishing. The test samples before and after grinding were detected and analyzed by stylus surface roughness measuring instrument and super depth of field 3D electron microscope. Based on the three end winding mode, two different energization modes were used to grind the pipe fittings. After grinding for 6 min by the relative energization mode, the roughness of the inner surface of H62 brass tube changed from the original0.618 μm down to0.373 μm. After grinding for 6 minutes by the adjacent energization mode, the roughness of the inner surface of H62 brass tube changed from the original0.667 μm after down to0.081 μm. The use of low-frequency alternating magnetic field can realize the cyclic renewal of grinding tools (magnetic abrasive particles) and improve the utilization rate of magnetic abrasive particles. When the iron core is energized by three end winding, the magnetic field generated by the electromagnetic device is stronger and more suitable for magnetic abrasive finishing. When the adjacent energization mode (N-N-S-S magnetic pole arrangement) is adopted, the grinding pressure is larger. It greatly shortens the processing time and removes the original defects on the inner wall of the pipe fittings.

low frequency alternating magnetic field; magnetic abrasive finishing; coil design; H62 brass tube; surface quality

2021-10-14；

2022-03-10

PAN Ming-shi (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: precision and special processing.

陳燕（1963—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)榫芗庸づc特種加工。

CHEN Yan (1963-), Female, Doctor, Professor, Research focus: precision and special processing

潘明詩, 陳燕, 程海東,等.基于線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)的黃銅管內(nèi)表面電磁拋光試驗(yàn)[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 260-270.

TG356.28

A

1001-3660(2022)09-0260-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–10–14；

2022–03–10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51775258）；遼寧省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（20170540458）；精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（B201703）

Fund：National Natural Science Foundation of China (51775258); Natural Science Foundation Plan Key Projects of Liaoning Province (20170540458); Key Laboratory Fund of Ministry of Education for Precision and Special Processing (B201703)

潘明詩（1997—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)榫芗庸づc特種加工。

PAN Ming-shi, CHEN Yan, CHENG Hai-dong, et al. Experiment on Electromagnetic Polishing of Inner Surface of Brass Tube Based on Coil Optimization Design[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 260-270.

責(zé)任編輯：彭颋