h形磁性复合流体抛光工具设计及工艺试验

h形磁性复合流体抛光工具设计及工艺试验

随着光学、电子、医疗、航空航天、新能源技术等高新产业的快

速发展，对深孔零件表面质量的要求不断提高［1］,如航天航空领域

的各类飞行器、导弹弹翼模具以及国防工业中的精密枪炮等［2］。由

于深孔零件的几何特点［3］,现有的深孔光整技术手段难以实现高效、

可控的抛光加工。因此开展高效、高质量的深孔内壁表面加工技术研

究具有重要意义L4L

近年来，国内外研究学者对深孔零件加工进行了各类研究。何铮、胡

凤兰将磁化切削加工方法运用到了深孔零件中，该方法能减小切削力,

提高了工件表面质量［5］o赵武等针对超大长径比汽轮机转子内孔精

度较低，解决了加工过程中工具振动问题［6］oYang等人［7］通过

简化多面钻探过程和分析矩形切削应力，建立了多面钻机的切削力模

型。2022年,日本的Shimada等人［8］提出了磁性复合流体(Magnetic

CompoundFluid,MCF)抛光加工方法，它是一种新型纳米级超精密

加工技术［9］,具有较强的流变性和抗沉降稳定性［10］,在磁场作

用下使MCF形成半固态Bingham流体［11-12］,与工件表面充分接触

且能产生较大的磁场作用力，不造成亚表面损伤与形变，抛光效率高

［13-15］,这些优势使其较为适用于深孔零件的抛光加工。

传统抛光方法例如机械抛光、电火花抛光和气囊抛光等，由于工具头

形原因，难以满足深孔抛光加工要求［16-171为了实现高效、可控

的深孔内壁表面抛光，本文在传统针式抛光工具头的基础上增加辅助

磁场块，提出h形抛光工具及抛光方法，进一步提高抛光效率和质量,

发挥MCF抛光技术优势。利用COMSOLMultiphysics建立永磁铁磁场

组合模型，设计磁场均匀分布且强度足够的h形抛光工具头；建立

MCF深孔抛光下的磁流场耦合模型，分析MCF流体流动特性；以黄铜

H62材料为样件，通过实验获取不同抛光参数下的抛光效果，对实现

深孔类零件MCF抛光工艺技术进行探索。

2MCF深孔抛光原理

MCF深孔抛光原理如图1所示，在传统针式抛光工具头的基础上，增

加辅助磁场磁铁，形成h形抛光工具头，将MCF引入到深孔工件中，

MCF中磁性颗粒受h形抛光工具头内永磁铁磁场的作用，从无序分布

转变为沿着磁感线方向有序分布，并链化成磁性簇。磨粒分布于磁性

簇内部和间隙中，主要是对工件产生挤压、切削作用；。-纤维素作

为MCF的一种添加剂，主要作用是有效提高MCF的黏稠度。在动态磁

场的作用下，MCF受磁场链化动力的作用，将磨粒压向孔内壁，使磨

粒与孔内壁产生相对运动，实现孔内壁的材料去除。

图1MCF深孔抛光原理

Fig.1MCFdeepholepolishingprinciple

3h形抛光工具的设计

h形抛光工具头包括永磁铁和支撑件，永磁铁采用轨铁硼N45,支撑

件采用树脂材料，可以有效防止抛光头内部的磁铁对其本身产生磁化

作用。

设计如图2所示的径向充磁、径向充磁结合轴向充磁、轴向充磁、轴

向充磁结合轴向充磁四种不同磁铁充磁方式。采用COMSOL中AC/DC

模块下“磁场，无电流”物理场接口模拟磁场模分布。设置径向充磁

永磁铁直径1.5mm,高度10mm,轴向充磁永磁铁直径3.0mm,高

度2n)mo磁铁周围域为空气，大小为半径30nnn,高度80nun。边界

条件设置为磁绝缘条件，通过标准化剖分网格，对磁铁进行稳态求解。

图2四种不同磁铁充磁方式

Fig.2Fourdifferentmethodsofmagnetizingmagnets

图3为四种不同磁铁充磁方式下的孔内壁磁场模分布图，从结果上看,

径向充磁方式的磁场模“中间大，两端小”，分布较均匀，有利于

MCF在抛光工具头内均匀分布。在此基础上，为单个径向充磁方式增

加一个轴向充磁方式永磁铁形成辅助磁场块，可以有效增强磁场模。

轴向充磁方式以及为其增加轴向充磁辅助磁场块均呈现“中间小，两

端大”的磁场模，且中部磁场较小，分布不均匀。综合来看，h形抛

光工具头结构采用径向充磁结合轴向充磁方式。

图3不同磁铁充磁方式下的孔内壁磁场模分布

Fig.3Distributionofthemagneticfieldmodeontheinnerwall

oftheholeunderdifferentmagnetizationmethods

4MCF深孔抛光数学建模

4.1磁场建模

图4(a)为空间磁场计算，将永磁铁看作磁化的硬质磁介质。针对

抛光工具头磁体外区域的磁化强度，考虑小磁铁为均匀磁化，由分子

电流公式可推得V的小磁铁在空间中产生磁感应强度为：

B=p4n/VVXV1|L-L|dV-M=Q-M

(1)

其中：U为真空磁导率，M为该磁铁磁化强度，

|L-L|=[(X-x)2+(y-y)2+(z-z)2]12,Q为耦合张量。

图4磁场模型

Fig.4Magneticfieldmodel

如图4(b)为圆柱形永磁铁模型，磁铁为轴向均匀充磁，依据磁化

电流理论，由式(1)可推出：

B(x,y,z)=n4Ji/VVXVXMRdV=Q-M

(2)

其中：

Q=u4兀JVVXVRdV

(3)

依据式(3)可以计算出圆柱磁铁的九个分量。永磁铁在空间中产生

的磁感应强度为：

Bx=QxxMx+QxyMy+QxzMz

(4)

By=QyxMx+QyyMy+QyzMz

(5)

Bz=QzxMx+QzyMy+QzzMz

(6)

如图4(c)为磁铁的三维布局，上方的圆柱磁铁体积为V,磁化矢量

为M。下方的圆柱磁铁块体积为V,磁化矢量为

如图4(d)为轴向充磁永磁铁和径向充磁永磁铁的二维布局，nl=O,

n2=2a,n4=n3+2a,将(4)~(6)化简为：

By=QyyMy+QyzMz

(7)

Bz=QzyMy+QzzMz

(8)

又因为B=0,所以二维平面磁场的公式为：

By=-u2n[Myarctan(z-zy-y)IIIh+2RhIIIn2nl+Myarctan

(z-zy-y)IIIh+2R-2R-h|||n4n3+Mzln(y-y)2+(z-z)2-

---------------------------V|||h+2RhIIIn2nl+Mzln(y

-y)2+(z-z)2V|||h+2R-2R

-h|||n4n3]

(9)

Bz=fdBy。ydz

(10)

在yz平面内任意一点磁场强度大小为B=B2y+B2z-------------J,

通过改变参数a、nl、n2、n3、n4和h,即可以获得较理想的磁场分

布。

4.2流场建模

MCF流动过程以连续性方程、动量方程与能量方程构建流动模型。MCF

的基液为水，有一定的导热作用，但加工区域温度不高，因此忽略能

量方程。

连续性方程：

dpudx+dpvdy+dpwdz=0

(11)

纳维斯托克斯(N-S)方程:

□pu5t+div(puu)=-dpdx+dTXX

dx+。Tyxdy+dTzx5z+Fx。pvdt+div(pvu)=-。pdy+。Txy

dx+dTyydy+dTzy5z+Fydpwdt+div(pwu)=-dpdx+dTXZ

。x+dTyz。y+OTzzdz+Fz

(12)

本构方程:

Tr0={TO+npOY,T^TOnprY,TT0

(13)

其中：npO,npr为MCF屈服前后的粘度，y为剪切应变速率，

Y=-rdwdro

本构方程与连续性方程、动量方程构成封闭的方程组，用于求解流体

的流动特性。

5MCF深孔抛光仿真

5.1抛光工具头磁场仿真

图5显示不同磁铁间距下的孔内壁磁场模分布，图6显示磁铁间距对

磁场模的影响。随着磁铁间距增大，磁场模呈现先增大后减小的趋势,

在间距为3mm时，磁场模较大，但分布不均匀，在磁铁间距增大至

8mm时，磁场模最大，且分布较均匀，随后随着磁铁间距的增大，

磁场模逐渐减小。

图5不同磁铁间距下的孔内壁磁场模分布

Fig.5Distributionofthemagneticfieldmodeontheinnerwall

oftheholeunderdifferentmagnetspacings

图6磁铁间距对磁场模的影响

Fig.6Effectofmagnetspacingonmagneticfieldmode

5.2MCF深孔抛光磁流场耦合仿真

在求解磁场的基础上耦合流场，采用COMSOL中CFD模块下的“旋转

机械，层流”物理接口模拟流场分布。设置h形抛光工具头以1400

r/min旋转，磁铁水平间距8mm,深孔孔径是3mm,高度为10mm,

屈服应力为10kPa,密度为3030kg/m3,流体属性定义为不可压缩

层流，深孔内壁上应用无滑移边界条件，细化网格划分后进行求解。

图7为抛光间隙1mm时不同抛光转速下的孔内壁速度场分布，剪切

速率随着抛光转速增大而增大。在抛光转速为1400r/min时，剪切

速率分布相对均匀且较大。图8为抛光间隙1mm时不同抛光转速对

剪切速率和压力的影响，随着抛光转速的增大，深孔内壁剪切速率和

压力逐渐增大。

图7不同抛光转速下的孔内壁速度场分布

Fig.7Velocityfielddistributionofholeinnerwallunder

differentpolishingspeeds

图8抛光转速对剪切速率和压力的影响

Fig.8Effectofpolishingspeedonshearrateandpressure

图9为抛光转速1400r/min时抛光间隙对速度和压力的影响。随着

抛光间隙增大，深孔内壁剪切速率和压力均逐渐减小。在抛光间隙为

0.75mm时，剪切速率和压力变化最快。

图9抛光间隙对剪切速率和压力的影响

Fig.9Effectofpolishinggaponshearrateandpressure

6MCF抛光试验

6.1试验装置

自主研制的MCF抛光试验装置如图10所示。采用树脂9400材料通过

3D打印制成的h形抛光工具头，并将多个圆柱形磁铁放置在抛光工

具头中，实现h形抛光工具头所需磁场。其中径向充磁永磁铁直径

1.5mm,厚度为10mm；轴向充磁小磁铁直径为3nim,厚度为2mm。

试脸时使h形抛光工具头浸没在MCF中，通过电机带动h形抛光工具

头旋转，对工件进行抛光。

图10MCF抛光工具头试验装置

Fig.10MCFpolishingtoolheadtestdevice

6.2试验过程

MCF由氧化铝、紫基铁粉、去离子水和纤维素组成，成分配比如

表1所示。黄铜H62深孔零件的孔径为5m%深度为20mm。抛光工

艺参数如表2所示。采用金相显微(M230-21BLC)观察工件抛光区域

的表面形貌，粗度仪(SJ-201P)测量抛光区域的表面粗糙度，精密

电子称测量抛光前后的工件质量，并计算材料去除率。

表1MCF的成分配比

Tab.ICompositionratioofMCF

成分粒径质量比氧化铝(A1203)0.5unil4%景基铁粉300目52%去

离子水

31%a-纤维素

3%

表2MCF的抛光工艺参数

Tab.2PolishingprocessparametersofMCF

工艺参数数值氧化铝磨粒粒径N/um0.5,1.0,2.5,5时间t/min5,

10,15,20,25,30抛光转速v/(r•min-1)1000,1200,1400,

1600,1800,2000抛光间隙9/mmO.5,0.75,1,1.25,1.5,1.75

磁铁间距d/mm3,5,8,10,13

7实验结果与讨论

图11显示不同抛光方式对工件表面粗糙度和材料去除率的影响。随

着抛光时间的增长，表面粗糙度和材料去除率都逐渐下降，前5min

下降速率较快，当抛光时间增长到30min左右，表面粗糙度和材料

去除率趋于稳定。图中h形抛光工具头抛光所产生的抛光效果要比传

统针式抛光工具头抛光产生的抛光效果好，表面粗糙度、材料去除率

均明显改善。因此，在传统针式MCF抛光工具头的基础上增加辅助磁

场块，形成h形抛光工具头，可以有效改善工件表面质量，提高抛光

效率。后续对该h形抛光工具头进行实验研究。

图11不同抛光方式对表面粗糙度和材料去除率的影响

Fig.1lEffectofdifferentpolishingmethodsonsurface

roughnessandmaterialremovalrate

7.1表面形貌

图12为图11中h形抛光工具头抛光后的工件表面形貌，随着抛光时

间的增长，工件表面形貌逐步改善，抛光表面的毛刺逐渐减少，表面

缺陷在抛光前10min内得到明显改善，随着抛光时间的增长，表面

划痕逐渐变浅，表面缺陷也逐渐减少至几乎消失，表面光洁程度也大

幅度提高。

图12抛光时间对表面形貌的影响

Fig.12Effectofpolishingtimeonsurfacemorphology

7.2表面粗糙度和材料去除率

图13(a)中随着磨粒粒径的增大，表面粗糙度逐渐增大，材料去除

率逐渐减小，当磨粒粒径为0.5口田时，表面粗糙度达到最小值326

nm,材料去除率达到最大值2.26mg/min；当磨粒粒径为5um时,

表面粗糙度达到最大值451nm,材料去除率达到最小值0.34mg/mino

图13不同抛光参数下的表面粗糙度和材料去除率

Fig.13Surfaceroughnessandmaterialremovalrateunder

differentpolishingparameters

图13(b)~13(d)分别显示抛光转速、抛光间隙和磁铁间距对表面

粗糙度、材料去除率的影响。表面粗糙度均先减小后增大，材料去除

率先增大后减小。

当抛光转速低于1400r/min时，随着抛光转速增大，剪切力增大,

导致材料去除率增大，表面粗糙度减小。在抛光转速为1400r/min

时，表面粗糙度达到最小值，材料去除率达到最大值，这与抛光转速

的仿真结果相吻合。当抛光转速继续增大，流速变大，比较散乱的链

状粒子发