（机械制造及其自动化专业论文）磁力磨削不锈钢管内壁转子磨具的设计与实验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 磁力磨削不锈钢管内壁转子磨具的设计与实验研究 摘要 不锈钢管广泛用于石油、化工、医疗、食品、轻工、机械仪表等工业 的输送管道以及机械结构部件。为了提高不锈钢管的高温拉伸强度、可焊 接性、抗腐蚀性、易加工性等性能，一些大型的管状类零件都要经过高温 固溶处理。由于不锈钢管经过了高温固溶处理，致使材料表面形成了一层 较厚的与基体结合的非常牢固的氧化皮，而且这类零件由于本身的特殊性 不易做高速旋转。因此采用适当的方法及时有效的去除这类工件表面的氧 化皮，并降低其表面粗糙度值，对顺利进行下道工序以及防止管道表面的 腐蚀，延长工件的使用寿命都有重大意义。 目前，国内外快速去除不锈钢管内表面坚硬氧化皮的方法有电解加工 法、酸洗法等。但是电解加工不锈钢管内壁时阴极安装困难且易出现短路， 而且在实际过程中往往难以实现控制；酸洗加工过的不锈钢表面呈高低不 平的黑色片状，且废液污染环境。本文在有限元仿真分析的基础上，设计 了一套既具有较大导磁性又具有很强磨削能力的转子磨具。该转子磨具在 外部旋转磁场的带动下，在工件内腔旋转并做轴向进给运动，从而有效的 除去工件内壁上坚硬的氧化皮，并减小其表面粗糙度值，且污染小，结构 简单，易于操作，有良好的应用前景。 本文主要从磁力磨削系统的电磁场和温度场有限元分析、转子磨具设 计、以及转子磨具加工效果的实验验证几个方面进行了研究，下面分别概 述如下： 了 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 以电机学知识为基础，利用a n s o r 有限元软件，建立了磁力磨削系 统的实体模型，仿真模拟出系统的磁场分布图和在额定转速下的电磁转矩 曲线。在电磁转矩满足切削阻力矩的基础上，验证了所建立系统模型的正 确性，为转子磨具各零件的设计提供了必要的理论依据。 2 利用a n s y s 有限元软件建立了磁力磨削系统的实体模型，并对其 温度场进行了有限元模拟仿真，找到了旋转磁场发生器的正常工作时间以 及其发热的主要原因。为保证磁力磨削系统各部件不被烧坏，其工作时间 的延长，加工效率的提高提供了参考依据。 3 以有限元软件对磁力磨削系统的电磁场和温度场仿真分析为基础， 设计了一种转子磨具。该转子磨具铁芯采用0 5 m m 厚的硅钢片叠压而成， 可大大减小加工过程中产生的磁滞损耗和涡流损耗，进而降低磁力磨削系 统内的温度；转子磨具在压缩弹簧弹力的作用下，不仅实现磨条的自动进 给，而且起到了很好的“柔性化”加工效果；磨条座与磨条采用机械式固 定，克服了传统粘结固定的缺点，使得磨条的安装与拆卸更加方便，并且 磨条座可多次使用而没有变形。 4 通过转子磨具的加工实验，验证了设计的转子磨具具有较强的磨削 性能，可有效的除去工件内壁上坚硬的氧化皮，并降低其表面粗糙度值。 确定了合适的轴向进给速度和转速以及适合磨削不锈钢内壁氧化皮的磨条 等。为以后磁力磨削系统的改进和加工工艺参数的优化提供了必要的实验 数据和技术依据。 关键词：不锈钢管，旋转磁场，仿真分析，转子磨具，氧化皮去除 d e v i c e d e s i g na n de x p e i u m e n t a lr e s e a r c ho n r o t o ra b r a d e ro fm a g n e t i cg r i n d i n g0 nt n e i n n e rs _ 【 f a c eo fs t a i 卜t l e s ss t e e lp i p e s a bs t r a c t s t a i n l e s ss t e e l p i p e s a r eb e i n g w i d e l yu s e di n 1 1 】n n i n gp i p e l i n e s a n d m e c h a n i c a ls t r u c t l l r e p a r t s o fo i l i n d u s t c h e m i c a l i n d u s t r y ， m e d i c a l d 印a r t m e n t ，f o o di n d u s t 以l i g h ti n d u s t m a c h i n e 巧a n di n s 加m e n t si n d u s t w a n ds oo n i no r d e rt o i m p r o v et e n s i l es t r e n g t hu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ， w e l d a b i l i 吼c o n 。o s i o nr e s i s t a n c e ，m a c h i n i n ge a s i l ya n ds oo n ，t h ek n do fl a r g e t u b u l a rp a r t ss h o u l db ep r o c e s s e du n d e rh i g ht e m p e r a t u r e b e c a u s es t a i n l e s s s t e e lp i p e sa r ep r o c e s s e du n d e rh i g h t e m p e r a t u r e ， t h e i rs u l l a c e sh a v eb e e n f l o m e dat h i c ka n ds o l i do x i d en l m s i n a d d i t i o n ，t h e y a r en o te a s yt od o h i g h s p e e dr o t a t i o nm o v e m e n l t h e r e f o r e ，i ti sq u i t en e c e s s a i yt ou s et h ep r o p e r m e t h o dt o e f - f e c t i v e l yr e m o v eo x i d ef i l m sa n dr e d u c et h es u r f a c er o u g h n e s s v a l u eo nt h ei i 1 e rs u r f a c eo ft u b i n g s w h a t7 s m o r e ，i ti sv e 巧s i g n i 矗c a n tt o s m o o t ht h en e x tw o r l ( i n gp r o c e d u r e ，t op r e v e n tp i p e l i n ec o r r o s i o na n de x t e n d s e i c el i f eo fw o 却i e c e s a tp r e s e n t ，p r o p e rm e t h o d st o e f 琵c t i v e l yr e m o v eo x i d ef i l m so nt h e s u r 白c eo fs t a i n l e s ss t e e lp i p e sh a v ee l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，a c i dw a s h i n g i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n ds oo n h o w e v e r ，i ti sv e r yd i 衔c u l tt oi n s t a l lc a t h o d ea n de a s yt oc a u s es h o r t c i r c u i tw h e nr e m o v i n go x i d en l m so nt h es u r f a c eo fs t a i n l e s ss t e e lp i p e su s e e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g a n dp i c l ( 1 i n gp r o c e s s e ds u r f a c e sp r e s e n tt h er u g g e d b l a c kf l a k e s i na d d i t i o n ，w a s t e1 i q u i dc o u l dp 0 1 l u t ee n v i r o n m e n t o nt h eb a s i s o fs i m u l a t i o na n a l y s iso ft h ef i n i t ee l e m e n t ， ar o t o ra b r a d e rh a v i n gs t r o n g m a g n e t i cp e n n e a b i l i t ya n dg r i n d i n gp e r f o n n a n c eh a sb e e nd e s i g n e d i nt h i s p a p e r a n d i tc o u l db er o t a t e da n dm o v e da x i a l l yo nt h ei n n e rs u r f a c eo f p i p e l i n e sw h i c ha r eh a r dt ob er o t a t e da th i g h s p e e d t h u s ，i tc o u l de 色c t i v e l y r e m o v eo x i d en l m sa n dr e d u c et h es u r f a c er o u g h n e s sv a l u eo nt h es u r f a c eo f s t a i n l e s ss t e e lp i p e s i na d d i t i o n ，i tc a u s e s1 e s sp o l l u t i o n ，h a ss i m p l es t n l c t l l r ea n d o p e r a t i o na n dh a sag o o da p p l i c a t i o np i 0 s p e c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ea n a l y s i so fe l e c t r o m a g n e t i cn e l do fm a g n e t i c g r i n d i n gs y s t e m ，t h ea n a l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l do fm a g n e t i cg r i n d i n gs y s t e m ， d e v i c ed e s i g no fr o t o ra b r a d e r ，a n dt h ev a l i d a t i o no fp r o c e s s i n ge f k c to f e x p e r i m e n t s a n dt h em a i nc o n t e n t sa r e a sf 0 1 1 0 w s ： 1 0 nt h eb a s i so f e l e c t r o m e c h a n i c s ， t h et w o d i m e n s i o nt r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o d e lo fe x p e r i m e n t a ld e v i c eh a sb e e ne s t a b l i s h e da n d s i m u l a t e db a s e do na n s o rs o r w a r e i nt h i sp 印e r ，t h em a g n e t i cf i e l d1 i n e s d i s t n b u t i o n ， t h em a g n e t i cn u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o na n dt h ee l e c t r o m a g n e t i c t o r q v ec u r v eo ft h em o u l dh a sb e e no b t a i n e d t h e nb yc o m p a r i n gs i m u l a t i o n r e s u l to fe l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eb a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw i t ht h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no fc u t t i n gt o r q u e ，i ti sp r o v e dt h a tt h ee s t a b l i s h e ds y s t e mm o d e li s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o r r e c t t h e r e f o r e ，i tc o u l do f - f e ri n d i s p e n s a b l et h e o r e t i c a lb a s i st op a r t sd e s i g e o ft h er o t o ra b r a d e r 2 t h et w o d i m e n s i o nt e m p e r a t u r e 行e l dm o d e lo f m a g n e t i cg r i n d i n gs y s t e m h a sb e e ne s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e db a s e do na n s y ss o f e w a r e a c c o r d i n gt o s i m u l a t i o na n a l y s i so fs y s t e mm o d e l ，i th a sf o u n dt h ec o n t i n u e dw o r k i n gt i m e a n dt h em a i nr e a s o nf o rt h ef e v e l t h e r e f o r e ， t h ec o n c l u s i o nc o u 】do f f e r r e f e r e n c eb a s i st oe n s u r et h e m a g n e t i cg 打n d i n gs y s t e mn o tb eb u m to u t ， l e n g t h e nw o r 至( i n gt i m ea n di m p r o v ep r o c e s s i n ge 伍c i e n c y 3 a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t so fe l e c t r o m a g n e t i cn e l da n dt e m p e r a t u r e f i e l do fm a g n e t i cg d n d i n gs y s t e mb a s e do nf i n i t ee l e m e n ts o r w a r e s ，ar o t o r a b r a d e rh a sb e e nd e s i g n e do u tw h i c hc o u l db eu s e df - o rp r o d u c t i o ne x p e r i m e n t s b e c a u s et h ei r o nc o r eo fr o t o ra b r a d e ri s c o m p o s e do f1 a m i n a t e ds i l i c o n s t e e l s h e e t s ，i th a sr e d u c e dh y s t e r e s i s1 0 s sa n de d d y c u r r e n tl o s si nt h ec o u r s eo f p r o c e s s i n g t h e r e b y ，t e m p e r a t u r ew o u l db ed r o p e di nt h ew h 0 1 em a g n e t i c g r i n d i n gs y s t e m t h er o t o ra b r a d e rn o to n l yr e a l i z et h ea u t o m a t i cf e e d ，b u ta l s o p l a y ag o o d “n e x i b i l i t y ”p r o c e s s i n ge f - f e c tu n d e rt h ea c t i o no fe l a s t i c i t yo f c o m p r e s s i o ns p r i n g s t h i sp a p e rp u t so i l 一s t o n ea n do i l 一s t o n eb a s ef i x e dt o g e t h e r b y m e c h a n i c a l m e a n s ， s o i to v e r c o m e st h et r a d i t i o n a l b i n d i n g 6 x e d s h o r t c o m i n g s t h u si ti sv e r yc o n v e n i e n tt oi n s t a l la n dr e m o v et h eo i l s t o n e m o v e o v e r ，t h eo i l 一s t o n eb a s ec o u l db eu s e dm u l t i p l et i m e sa n dh a sn o tb e e n d e f b n n a t i o n 4 a c c o r d i n gt op r o c e s s i 甥e x p e r i m e n t so ft h er o t o ra b r a d e r ，i ti sp f o v e dt h a ti t v 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o u l de f r e c t i v e l yr e m o v eo x i d ef i l m sa n dr e ( 1 u c et h es u r f a c er o u g h n e s sv a l u eo n t h es u r f a c eo fs t a i n l e s ss t e e lp i p e s a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rh a ss e tt h e a p p r o p r i a t ea x i a lf - e e d i n gs p e e da n dr e v o l v i n gs p e e d 】o v e o v e r ，i th a sf o u n dt h e s u i t a b l eo i l s t o n ew h i c hc o u l de f j c t i v e l yr e m o v eo x i d ef i l m sa n dr e d u c et h e s u r f a c er o u g l l l l e s sv a l u eo nt h es u r f a c eo fs t a i n l e s ss t e e lp i p e s t h u s ，t h e c o u c l u t i o nc o u l dp r o v i d en e c e s s a ue x p e m e n t a ld a t a sa n dt e c h n i c a lb a s i st o i m p r o v et h em a g n e t i cg n d i n gs y s t e ma n do p t i m i z ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s k e yw o i 之d s ：s t a i n l e s ss t e e lp i p e ，r o t a t i n gm a g n e t i c 矗e l d ，s i m u l a t i o na n a l y s i s ， r o t o ra t ) r a d e r ，r e m o v i n go fo x i d ef i l m s v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 本论文所用主要符号说明 p 一磁极对数 聊一对称电流相数 z 一磁场发生器槽数 d 厂一回路的极性值 ，一绕组中股线总数 f ，一流入股线绕组的总电流( a ) s 一绕组的总截面积( m m 2 ) 口一绕组的并联数 6 一模型与有限元求解域的比 卜一模型轴向深度( m m ) 彳一量磁位( 啪m ) 尺出一绕组电流电阻( q ) r 删一绕组端部电阻( q ) r 。，一电线连接的外部电阻( q ) 三删一端部绕组长度( m m ) 三州一外部电线长度( m m ) “c 一电容器上的电压降( v ) 1 ，一运动物体的速度( 州s ) ，。一源电流密度( a m m 2 ) 仃一材料电导率( s m ) 日c 一永磁体的矫顽力( k a m ) 彳一名义接触面积( m m 2 ) 彳，一实际接触面积( m m 2 ) 召一磨条宽度( m m ) 一磨条长度( m m ) 一磨条根数 ，一切削合力( n ) 乃一切削力矩( n m m ) 乃一总的切削阻力矩( n m m ) 从一相对回复磁导率 五一系统的气隙长度( m m ) 一永磁铁充磁方向长度( m m ) a p 一永磁铁极弧系数 口一永磁铁空问角度( 。) 仃6 一抗拉强度( m p a ) f 7 一扭转切应力( m p a ) 丁一轴所受的扭矩( n m m ) 崂一轴的扭转截面系数( m m 3 ) p 一轴传递的功率( k w ) 以一轴的转速( r m i n ) 一空心轴内径与外径之比 吒。一最大切削压力( n ) l i 。一最小切削压力( n ) p 7 一弹簧刚度( n m 瑚) x 太原理工大学硕士研究生学位论文 c 一弹簧环绕比， d 一弹簧中径( m m ) h 。一弹簧自由高度( m m ) g ”一热流密度( w m m 2 ) 力一对流换热系数( w ( m m 2 k ) ) b 一固体表面温度( ) 一周围流体的温度( ) ，一工件内壁半径( 珈m ) 以一转子磨具的额定转速( r m i n ) d 一工件内壁直径( m m ) 五叼一等效导热系数( w ( m m k ) ) 万i 一各种绝缘材料的厚度( m m ) 五i 一绝缘体导热系数( w ( m m k ) ) x i 七一气流吹拂效率系数 v 一空气吹拂外表面的速度( m s ) 秒一发热体外表面的温度( ) 国6 一管道内空气的平均风速( 州s ) “，一转子磨具的圆周速度( 州s ) q 一发热源的热损耗( w m m 3 ) y 一发热源的体积( m m 3 ) s 。一发生器槽的横截面积( m m 2 ) l 一磁场发生器的轴向长度( m m ) 圪。一磁场发生器的铜损耗( w ) l 一不锈钢管的磨削长度( 瑚m ) d ，一不锈钢管外径( m m ) d ，一不锈钢管内径( m m ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 x i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百v 匕 不锈钢具有高强度、耐腐蚀性、可焊接性等许多优点，并且不锈钢可加工性较好、 表面光洁度高，所以航空、汽车、仪器仪表、建筑等企业的零部件大量应用不锈钢，另 外石油、化工、医疗、食品、轻工等工业部门的输送管道以及机械结构部件也大量应用 不锈钢倒。随着科学技术的不断发展，不锈钢材料也逐渐向功能性和特殊性方向发展， 出现了超级不锈钢和为了满足各种特殊性能要求的功能性不锈钢【2 ，3 】。在实际的生产中， 一些特大型管状类零件( 如细长不锈钢管或炮管等) 都要经过高温固溶处理，这是因为 高温固溶处理可以提高不锈钢的高温拉伸强度、可焊接性、抗腐蚀性、易加工性等性能。 由于不锈钢管经过了高温固溶处理，致使材料表面形成了一层较厚的含有大量n i o 、 c r o 、c r 2 0 3 ，以及十分难容的f e 0 c r 2 0 3 的氧化皮。这层氧化皮含有很多性能各异、 结构多样的氧化物，并且其组织致密而坚韧，与基体结合的非常牢固，导致这层氧化皮 十分坚硬耐磨，去除困难【4 。采用适当的方法去除这类工件表面的氧化皮，并减小其表 面粗糙度值，对顺利进行下道工序以及防止管道表面的腐蚀，延长工件的使用寿命都有 重大意义。 目前，国内外快速去除不锈钢内表面坚硬氧化皮的方法有电解加工法、酸洗法等。 但是电解加工不锈钢管内壁时阴极安装困难且易出现短路，而且在实际过程中往往难以 实现控制” ；酸洗加工过的不锈钢表面呈高低不平的黑色片状，且废液污染环境【6 】。 近年来，有学者在不锈钢管内孔中先加入磁性磨料，然后利用外部脉冲电路控制产 生旋转磁场，使不锈钢管内孔中的磁性磨粒在外部旋转磁场的吸引下对工件内壁产生一 定的压力同时跟随旋转磁场同步旋转，在一定程度上实现了对不锈钢管内壁的光整加工 【7 】。但是脉冲电路控制产生旋转磁场由于相邻磁极对磁场的吸引会产生漏磁现象，这就 会导致旋转磁场的圆周性不好，结构也不紧凑【8 】。另外还有学者提出利用永久磁铁的旋 转产生旋转磁场，吸引事先放入不锈钢管内孔内的磁性瘩粒，使其在磁力的作用下紧压 在工件内壁上并做同步旋转，进而磨削工件内壁，减小其表面粗超度值1 9 】。这种装置的 结构简单，但是永磁铁旋转时需要有附加装置，而且很难对磁性磨粒的磁感应强度进行 调节。另外实验表明磁性磨料只是对工件内表面起到了一定的抛光作用，根本无法除去 j 太原理工大学硕士研究生学位论文 内壁上坚硬的氧化皮。本文采用磁力磨削的方法，很好的除去了不锈钢管内壁的氧化皮， 并提高了其表面质量。 1 2 磁力磨削加工技术概述 1 2 1 磁力磨削加工原理 磁力磨削加工属于特种加工技术的范畴，它主要用来加工大型的管状类零件( 如细 长不锈钢管或炮管等) ，这类零件一般长度大于2 m ，而且由于本身的特殊性不易做高速 旋转。图1 1 是磁力磨削的加工原理图，当定子式磁场发生器的绕组中通入三相对称电 流后，随着三相电流的交替变化，它们形成的合成磁场在空间按一定规律不断的旋转着， 产生了空间圆形旋转磁场【8 j 。同时磁场发生器还做轴向进给运动，这样旋转磁场的磁极 对永磁铁的异性磁极产生磁拉力，形成固定的电磁转矩，牵引着转子磨具与空间旋转磁 场同步旋转并做轴向运动。随着转子磨具的高速旋转，压在管道内壁上的四根磨条将产 生切向磨削力，能有效除去工件内表面的氧化皮，并减小其表面粗糙度值。 图l 一1 磁力磨削加工原理图 1 定子铁芯2 铜线绕组3 不锈钢管4 转子磨具 f i g 1 1p r o c e s s i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo ft 1 1 er o t o ra b r a d e r 1 s t a t o fc o r e 2 c o p p e r 、析n d i n g s 3 s t a i n l e s ss t e e lp i p e4 i t o t o ra b r a d e r 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 磁力磨削加工特点 磁力磨削加工有其独特的优势，具体总结如下： ( 1 ) 磁力磨削技术主要用来加工由于本身的特殊性不易做高速旋转的大型管状类 零件( 如细长不锈钢管或炮管等) ，这类零件一般长度大于2 m ，用传统的加工方法很难 对其内表面进行加工。 ( 2 ) 转子磨具上的磨条不仅可对细长不锈钢管内壁进行粗加工一去除坚硬的氧化 皮；而且还可以对其进行精加工一提高其表面质量。 ( 3 ) 磁力磨削系统结构简单、易于操作、加工污染小，有很好的应用前景。 1 3 文献综述 1 9 3 8 年，前苏联工程师k a r 9 0 1 0 w 正式提出磁性研磨加工这一概念。从1 9 5 0 年开 始，有不少前苏联学者如k n o o v a l o v 、h u l e v 、s a k u l e v i c h 等对磁性研磨加工进行了大量 的研究，在磁性磨料的制各和工艺等方面做了很多工作，并且在磁性磨料的组成、配比 等方面申请了很多专利【10 1 。此后，美国、德国、荷兰等国也研制开发了各种专用磁性研 磨机床。同时保加利亚也在发展磁性研磨加工技术【1 ，并举办了多次国际性的专题会议。 1 9 8 1 年，日本引入该技术后，一些科学家开始了这方面的研究。s h i m u r a 在其后 的2 0 年时间里对平面、曲面、外圆、内圆等的磁性研磨加工进行了研究，发表了很多 文章阐述它们的加工原理和加工特点【1 2 14 1 。其他代表性的研究者还有h i t o m i y a m a g u c h i 、k a t o 等，他们也对磁性研磨加工进行了深入的研究，开发了大量的实验设 备，发表了很多有影响力的文章，阐述了磁性研磨加工技术的基本原理、加工各参数对 加工效果的影响等 1 5 ，】6 。 近年来，在韩国先进科学技术研究院就职的一些学者如j e o n g d u 鼬m 等人研究开 发了一种能用计算机控制旋转磁场磁力的研磨加工系统，实现了磁性研磨加工过程自动 控制和一些参数的自动调节，而且在磁性研磨加工的理论计算中引入了有限元法7 j 。国 外磁性研磨技术已经成功用在了多个方面，如不锈钢管和净气瓶的内壁磨削，光学透镜 的研磨，超硬砂轮的修正，家用不锈钢器皿、缝纫机零件、剃须刀的去毛刺与抛光加工 等。 我国在磁性研磨方面的研究比较晚，从上世纪8 0 年代中期才开始。由于起步比较 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 晚，无论是理论研究还是生产实验方面都和国外有不小的差距。有很多的项目还处在理 论探讨和实验研究阶段，实际应用的还不是很多。不过经过这些年来，我国研究学者对 磁性研磨技术的研究与实验，也取得了许多令人骄傲的成果。 自1 9 8 6 年开始磁性研磨研究以来，太原理工大学已研制开发了粘接法和热压烧结 法制备磁性磨料的新工艺【1 8 】，获得了两项国家发明专利。设计并建立了外圆和平面磁性 研磨装置各一台。并较深入的研究了磁性研磨加工的机理以及影响磁性研磨加工的工艺 参数等。 上海交通大学分析了各种磁性磨粒的磨削加工性能，并研究了它们分别适合加工的 工件【l9 1 。研制开发了复合镀层法、等离子喷涂法、原位反应复合法等新型磨料的配制方 法，并取得了显著成果【2 0 1 。探讨了磁感应强度、磁极分布等磁力加工参数以及磨粒与工 件相对运动方式对加工表面质量的影响1 2 。提出了采用电磁励磁产生旋转磁场的方式实 现了非机械方式的磁性研磨，并对简化后的励磁结构模型进行了有限元仿真分析【2 2 | 。 鞍山科技大学研究了阶梯轴类零件的磁性研磨加工，对一些微型复杂形状的轴类零 件应用磁力研磨加工的可能性进行了讨论【2 引。针对细长管、异型管的内表面加工问题， 利用磁力线可以穿透非磁性材料的特点，采用磁性研磨方法得到了很好的解决陟26 1 。 西安工业学院研究了磁性研磨加工机理和工艺参数对工件表面加工质量的影响规 律【27 l 。在内圆磁性研磨加工原理的基础上，简化了磁性研磨加工区域中的磁场分布，并 利用拉普拉斯方程和必要的加工边界条件，推导出了在工件孔内外表面磁感应强度的近 似关系。并通过对不同壁厚的4 5 钢管道进行磁性研磨实验与结果对比，表明内圆磁性 研磨加工比较适宜加工薄壁导磁的管状类零件【2 引。 沈阳大学利用永磁铁和磁性材料对难加工不锈钢管内壁进行磁性研磨加工，并通过 正交实验法验证了磨粒粒度、工件转速、磁极间隙等工艺参数对磁力磨削效果的影响 【2 9 ，3 0 1 。另外沈阳大学还开发了一些磁性研磨设备阢3 2 1 。 大连理工大学利用脉冲电路控制电磁线圈的方法产生了旋转磁场，用有限元法建立 了磁性研磨加工的数学模型，并对旋转磁场进行了仿真分析。并利用单片机来实现脉冲 控制的旋转磁场，起到了很好的效果【3 引。 目前，磁性研磨技术已经逐渐的应用到机械、汽车、轴承、航空、光学、医疗器械 等行业中，它主要应用于工件表面的光整加工、棱边倒角和去毛刺等方面。不仅可以应 用于加工内外圆表面，也可以用于加工齿轮表面螺纹、钻头、曲轴等微细复杂形状表面。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 在石油、化工、食品等企业，输送管道和物流管道都对内壁表面粗糙度精度要求很高。 而磁场产生的磁力线可以穿透工件，对投入到管道内孔中的磁性磨粒进行吸引，使磨粒 对管道内壁产生一定的磁压力，在通过外部磁极的高速旋转就能对工件内壁进行磁性研 磨了。 1 4 选题的目的和意义 由于不锈钢具有高强度、耐腐蚀性、可焊接性等许多优点，并且不锈钢可加工性较 好，能达到较高的表面粗糙度精度，所以航空、汽车、仪器仪表、建筑等企业的零部件 大量应用不锈钢，另外石油、化工、医疗、食品、轻工等工业部门的输送管道以及机械 结构部件也大量应用不锈钢管。随着科学技术的不断发展，不锈钢材料也逐渐向功能性 和特殊性方向发展，出现了超级不锈钢和为了满足各种特殊性能要求的功能性不锈钢。 在实际的生产中，一些特大型管状类零件( 如细长不锈钢管或炮管等) 都要经过高 温固溶处理。因为高温固溶处理可以提高不锈钢的高温拉伸强度、可焊接性、抗腐蚀性、 易加工性等性能。由于不锈钢管经过了高温固溶处理，致使材料表面形成了一层较厚的 与基体结合的非常牢固的氧化皮，而且这类零件由于本身的特殊性不易做高速旋转。采 用适当的方法及时有效的去除这类工件表面的氧化皮并减小其表面粗糙度值，对顺利进 行下道工序以及防止管道表面的腐蚀，延长工件的使用寿命都有重大意义。 目前对不锈钢管内壁进行加工的方法主要有原始的机械方法、化学抛光及电化学抛 光等，但传统的机械加工方法费时费力，化学抛光和电化学抛光成本较高而且污染环境。 最近，有学者提出利用永久磁铁的旋转产生旋转磁场，吸引事先放入工件内孔中的磁性 磨粒，使其在磁力的作用下紧压在工件内壁上并做同步旋转，进而磨削工件内壁，降低 其表面粗超度值。这种装置的结构简单，但是永磁铁旋转时需要有附加装置，而且很难 对磁性磨粒的磁感应强度进行调制引。还有学者利用外部脉冲电路控制产生旋转磁场， 使不锈钢管内孔中的磁性磨粒在外部旋转磁场的吸引下对工件内壁产生一定的压力同 时跟随旋转磁场同步旋转，在定程度上实现了对不锈钢管内壁的光整加工。但是脉冲 电路控制产生的旋转磁场由于相邻磁极对磁场的吸引会产生漏磁现象，这就会导致旋转 磁场的圆周性不好，结构也不紧凑【8 1 。另外通过实验验证磁性磨料只是对不锈钢管内表 面起到了一定的抛光作用，根本无法除去内壁上坚硬的氧化皮。因此本文以电机学知识 为基础，设计一种转子磨具，力图达到高效去除不锈钢管道内壁坚硬的氧化皮，并减小 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 其表面粗糙度值的目的。 1 5 本课题主要的研究工作 1 绪论首先概述了磁力磨削加工技术的工作原理、加工特点等；其次对国内外 磁性研磨加工的理论研究和技术应用做了简单介绍；最后阐明了本文研究的目的和意 义。 2 磁力磨削系统的电磁场分析首先简单介绍了旋转磁场发生器的工作原理：然 后利用a n s o r 有限元软件，建立了磁力磨削系统的实体模型，仿真模拟出系统的磁场 分布图和在额定转速下的电磁转矩曲线；在电磁转矩满足切削阻力矩的基础上，验证了 所建立系统模型的正确性，为转子磨具各零件的设计提供了必要的理论依据。 3 磁力磨削系统的温度场分析以前面的理论分析为基础，用a n s y s 软件的热 分析模块建立了磁力磨削系统的非稳态导热实体模型，并对其温度场进行了有限元模拟 仿真，得到了磁力磨削系统以及铜线绕组、磁场发生器铁芯与永磁铁的温度场分布图。 从铜线绕组的温升曲线中可以得出，磁力磨削系统的正常工作时间为3 2 0 0 s 。因为温度 场的仿真分析是在1 5 0 m m i n 下进行的，因此为了实现连续磨削，应该适当降低磁力磨 削系统的工作转速。 4 转子磨具设计以有限元软件对磁力磨削系统的电磁场和温度场仿真分析为基 础，设计了一种转子磨具。该转子磨具铁芯采用o 5 m m 厚的硅钢片叠压而成，这大大 减小了加工过程中产生的磁滞损耗和涡流损耗，进而降低了磁力磨削系统内的温度；转 子磨具在压缩弹簧弹力的作用下，不仅实现磨条的自动进给，而且起到了很好的“柔性 化”加工效果；磨条座与磨条采用机械式固定，克服了传统粘结固定的缺点，使得磨条 的安装与拆卸更加方便，并且磨条座可多次使用而没有变形。 5 实验研究利用设计的转子磨具做了相应的磁力磨削实验，验证了设计的转子 磨具具有较强的磨削性能，能高效的去除不锈钢管内壁坚硬的氧化皮，并降低其表面粗 糙度值；确定了合适的轴向进给速度和转速以及适合磨削细长不锈钢内壁氧化皮的磨条 等。为以后磁力磨削系统的改进和加工工艺参数的优化提供了必要的实验数据和技术依 据。 6 总结与展望概括总结了本文的主要研究工作，并指出了设计、实验中等的不 足之处和以后进一步的研究方向。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章磁力磨削系统的电磁场分析 磁力磨削系统包括旋转磁场发生器和转子磨具两大主要部分。当旋转磁场发生器的 铜线绕组中通入三相对称电流时，随着三相电流的交替变化，它们就会在旋转磁场发生 器内形成空间圆形旋转磁场。这样转子磨具上的对称永磁铁在空间旋转磁场的带动下就 会产生磁拉力，形成固定的电磁转矩，牵引着转子磨具与空间旋转磁场同步旋转。本章 利用a n s o r 有限元软件，建立了磁力磨削系统的实体模型，仿真模拟出系统的磁场分 布图和在额定转速下的电磁转矩曲线。在电磁转矩满足切削阻力矩的基础上，验证了所 建立系统模型的正确性，为转子磨具各零件的设计提供了必要的理论依据。 2 1 旋转磁场发生器的工作原理、结构及绕组型式 2 1 1 旋转磁场发生器的工作原理 1 旋转磁场的产生 图2 1 为旋转磁场发生器的三相对称电流图，三相定子绕组a x 、b y 、c z 是结构相同，在空间方位上互差1 2 0 。的对称绕组。将定子绕组接在三相电源上，其参 考方向如图2 1 所示。取绕组首段到末端的方向作为电流正方向。绕组中通入的三相对 称电流为： i 爿= l ，s i n w f = l ，s i n ( w f 一1 2 0 。) ( 2 1 ) 七= j 。，s i n ( w h l 2 0 。) 在电流的正半周期时，其值为正，其实际方向与正方向相同；在负半周期内，其值 为负，其实际方向和正方向相反。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 三相对称电流图 f i g 2 1t h r e e - p h a s es 弘n m e t cc u r r e n tf i g u r e 下面结合图2 2 来分析几个不同时刻的合成磁场： ( a ) w 圳，( b = 詈- 6 0 。，( c ) w f = 等北o 。，( d ) w _ 1 8 。 图2 2 三相电流产生的旋转磁场 f 培2 2t 1 1 r e e p h a s es y m m e t r i cc u l l r e n tt op r o d u c ear o t a t i n gm a g l l e t i c 矗e l d w f = o 时，定子绕组中的电流方向如图2 2 ( a ) 所示。此刻= o ； o ，即由c 到z ，方向与正方向相同。把每相电流产生 的磁场相互合成，便得出三相电流的合成磁场。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 w f = 鲁= 6 0 。时，定子电流的方向和三相电流形成的两级合成磁场方向如图2 2 ( b ) j 所示。此时的合成磁场已经在空间转过了6 0 。 ，) 开 w f = 二兰= 1 2 0 。时，定子电流的方向和三相电流形成的两级合成磁场方向如图2 2 j ( c ) 所示。此时的合成磁场在空间已经转过了1 2 0 。 当w 仁刀= 1 8 0 。时，由上述结论同理可得，三相对称电流产生的两级合成磁场在空 间转过了1 8 0 。，如图2 2 ( d ) 所示。 由以上的分析结论可知，三相对称电流通入定子绕组后，随着三相电流的交替变化， 它们形成的合成磁场在空间按一定规律不断的旋转着，从而就产生了旋转磁场【3 4 。 由图2 - 2 可知，每相绕组首端之问相隔1 2 0 。空间角，就产生了两级旋转磁场，即 磁极对数p = 1 ，电流变化一周3 6 0 。，旋转磁场在空间也旋转一周；如使每相铜线绕组 的首端之问相隔6 0 。空间角，由电机学知识可知，就会产生两对磁极的旋转磁场，即 磁极对数p = 2 ，电流变化一周，旋转磁场在空问旋转1 2 转。 2 1 2 旋转磁场发生器的结构 图2 3 为旋转磁场发生器的实物图，由图中司以看出，旋转磁场发生器主要由磁场 发生器铁芯和铜线绕