分布式永磁极的设计及其光整加工不锈钢薄板的实验研究

摘要

磁性磨粒光整加工是将磁场能有效的应用到零件表面精密抛光中的加工技术，可以实现平面、自由曲面和回转体表面的光整加工。其中，光整加工效率直接影响到磁性磨粒光整加工质量和应用范围，特别是光整加工不锈钢等难加工材料时，加工效率显得尤为重要。本文将从提高磁性磨粒光整加工平面的加工效率出发，通过理论计算和仿真分析的方法来设计磁性磨粒光整加工磁极，然后应用设计的新磁极对304不锈钢薄板进行表面光整加工实验研究。本文主要的研究内容如下：
　　1.提高磁性磨粒光整加工效率的理论分析
　　由Preston经验公式分析得出，材料去除效率与“磁刷”对工件的压力和磨粒与工件的相对速度成正比。通过计算得到磁性磨粒光整加工平板工件时，“磁刷”对工件的作用力和磨粒飞散的临界速度公式，从公式中明显看出两者都很大程度的受加工区域的磁感应强度大小的影响，通过设计聚磁效果好的磁极能够有效提高磁性磨粒光整加工的效率。
　　2.分布式永磁极的仿真与设计
　　通过对比分析，选择性能优良的钕铁硼作为磁极的材料。为了提高磁极的聚磁能力，采用磁路定律对磁极的尺寸进行了计算。然后，应用ANSYS Maxwell仿真软件对永磁磁极进行仿真分析，发现相对于圆环磁极，分布式磁极聚磁效果较好。接着，对分布式磁极上镶嵌的小磁极的尺寸、间距和开槽尺寸进行仿真分析。最终，将磁性磨粒光整加工不锈钢薄板的磁极头设计为分布式磁极头，主体采用不导磁的尼龙材料，而镶嵌小磁极为底面半径为10mm、高为8mm的圆柱体。相邻圆柱小磁极头之间间隙为35mm，并且小磁极的端面沿圆周开矩形槽，其中槽宽和槽深都是2mm。最后，对分布式磁极在加工区域的磁场强度的进行测量，当镶嵌4个小磁极时加工区域的磁场强度较强。
　　3.分布式磁极磁性磨粒光整加工不锈钢薄板的实验研究
　　首先，通过实验验证了采用分布式磁极头能提高磁性磨料光整加工效率。然后，实验分析研究加工中各参数对工件表面粗糙度的影响情况。接着，采用四因素三水平的正交实验，研究了磨粒相类型、主轴转速、磨粒粒径和加工间隙四个参数对实验结果影响程度的主次关系，找出磁性磨粒光整加工不锈钢薄板的最优因素水平组合方案，并对该方案进行了实验验证。
　　4.磁性磨粒光整加工不锈钢薄板表面显微硬度变化情况的研究。
　　首先，使用Hm-102维氏硬度计测量，并通过实验研究304不锈钢薄板表面显微硬度随加工时间的变化情况。然后，通过测量获得加工后工件沿层深方向上显微硬度的变化情况。对磁性磨粒光整加工不锈钢薄板的加工硬化现象进行分析研究。