為滿足客戶對19～30 mm小口徑精密不銹鋼管內表面粗糙度值小于0.5μm的加工要求，研發了一套新型轉子磨具。對磨具進行結構設計，利用軟件對該磨具及其實驗裝置進行二維磁場分析，得到其磁場分布、珩磨壓力和切削力矩等理論參數，驗證方案可行性;進行磁性珩磨加工試驗，工件內表面平均粗糙度值由0.866μm降低到0.474μm，驗證了該磨具能夠進行穩定加工且具有較好的磨削性能。該磨具的研發拓展了磁性珩磨的應用范圍，為后續研究提供了理論依據和實驗基礎。

  磁性珩磨技術利用磁場力提供珩磨壓力，同時驅動轉子磨具在不銹鋼管內腔做旋轉及往復運動，解決了長直小口徑精密不銹鋼管內表面珩磨時對工件的運動要求和珩磨桿剛度、長度受限等問題。前期基于76mm口徑壁厚4mm的0Cr18Ni9不銹鋼管的實驗研究表明，磁性珩磨技術能夠有效去中徑不銹鋼管內壁氧化皮，改善內表面粗糙度，提高表面質量。為了滿足上海某公司需求，至德鋼業以25 mm×1.5 mm不銹鋼管的內表面磁性珩磨為基礎，研發適用19～30 mm小口徑精密不銹鋼管加工要求的新型轉子磨具，通過有限元分析軟件優化磨具的關鍵結構及尺寸參數，并對磨具進行運行試驗以及試驗分析。

一、轉子磨具的研發

1. 轉子磨具結構的確定

   磁性珩磨轉子磨具需要同時具備良好的磨削能力和較強的導磁性能，主要由珩磨條組件、永磁鐵和磁路連接組件三部分組成。由于磁性珩磨小徑工件時內部空間小，且磨具需要較高轉速，前期研制的磨具已無法適用，故確立了如下目標:

a. 結構力求簡單，裝配方便，自重小。

b. 優化刀具磁路，滿足加工要求及運動要求。

c. 磨具具有較高轉速，滿足動平衡條件。

d. 便于排屑和冷卻。

  基于以上目標，確定如圖所示的磨具結構:磨具整體為對稱平衡結構，使用兩根鋁制軸連接,鋼座珩磨條組件分別嵌入永磁鐵凹槽中,磨條組件與永磁鐵之間、上下兩塊永磁鐵之間只依靠磁吸引力進行裝配，通過調換不同尺寸連接軸可以滿足19～30mm不同工件的加工要求。

二、珩磨條組件的研發

1. 磨條組件結構設計

  如圖所示，鋼座與珩磨油石采用膠粘固接，形成鋼座珩磨條組件。鋼座采用強導磁材料45鋼制成，利用磁力把磨條組件裝配在永磁鐵上，同時強化磁路，提高磨削效果;磨條頂部為與加工面同曲率的弧型，以增大磨削的接觸弧長。

2. 磨具永磁鐵材料選取及結構設計

 a. 永磁材料選擇

   轉子磨具中永磁鐵受到外部旋轉磁場的吸引力，為磨具組件提供了沿回轉中心的徑向珩磨壓力以及拉動轉子磨具在工件內腔旋轉的切向力。依照加工條件，永磁鐵尺寸要小，同時能夠提供足夠的磁場力，故選用強永磁材料釹鐵硼N38H，其具體參數如表所示。

  b.永磁磁極結構的確定

  當工作間隙和外磁場一定時，實際工作點的磁力大小取決于永磁鐵的尺寸。參照永磁電動機設計理論，轉子磨具永磁鐵徑向充磁長度可用以下公式估算，實際加工中為3 mm,由上式得為9.75 mm。受限于工件內腔空間，考慮磨削過程所需扭矩較小，且在保證永磁鐵不產生不可逆退磁時可適當減小，將暫定為5mm。永磁鐵軸向長度與外磁路相匹配，取22mm;永磁鐵上開槽以便安裝珩磨條;徑向充磁，且兩塊永磁鐵反向充磁即可。

 c. 外部旋轉磁場與幾何模型的建立

   針對小管徑磁性珩磨的特點對外部勵磁磁路進行改進，設定初始角為26.6°。利用Ansoft軟件構建系統的二維模型如圖所示。在勵磁永磁鐵上加裝磁極靴，可以通過更換磁極靴調整工作間隙長度及磁場力的大小，以適配19～30 mm工件加工要求。

  d.設定材料屬性

  使用軟件自帶的材料管理器添加材料，并給模型中各組件設置材料屬性。添加永磁材料N38H，輸入矯頑力Hc=88000 A/m，剩磁Br=1.25 T，充磁方向為Y軸正方向;添加45鋼材料，因為該材料為非線性材料，其導磁性能通過逐點輸入其B－H曲線進行定義。

 e. 激勵源的添加與邊界條件的加載

   該系統的激勵源為永磁鐵，永磁鐵的勵磁方向采用局部坐標進行確定，使得四塊永磁鐵相鄰兩極為不同極性即可。假設磁場發生器外無漏磁，選中模型最外層，添加平行邊界條件。

  f. 網格劃分和求解設置

   本試驗磁性珩磨系統模型較為簡單，故采用較小網格以提高仿真精度。采用一般網格，磁場發生器部分尺寸較大，取L1=5mm，工件及轉子磨具部分取L2=1mm。進行求解設置。設定求解殘差，最大收斂步數為10，，其他選項默認;選中磨具中一塊珩磨條面域執行命令，求解珩磨條受力情況。

 g. 仿真結果與分析

  自檢后執行運算，得到如圖7所示的磁性珩磨系統仿真結果。由圖可見，系統磁力線分布較合理，工作點磁感應強度為B=1.212 T，矢量磁位為A=0.00277 Wb/m;查看Force1，單個珩磨條所受磁力徑向力Fy=14.18 N，切向力Fx=12.199 N。計算得磨條所珩磨壓力為0.24 MPa，滿足精珩時壓力要求(0.2～0.5 MPa);切向力矩為0.268 N·m，磨條與工件間摩擦因數μ為0.3～0.5，取μ=0.5，磨具所需轉矩為0.156 N·m，滿足珩磨轉矩要求。

三、轉子磨具試驗研究

1. 試驗內容

  試驗目的:采用新型轉子磨具對25mm×1.5mm精密不銹鋼管進行加工試驗，對比加工前后工件內表面粗糙度值，驗證轉子磨具加工穩定性及磨削性能。試驗裝置:磁性珩磨系統加工機床，如圖所示。加工對象:25mm×1.5mm管徑0Cr18Ni9不銹鋼管。

2. 試驗結果與分析

  使用手持式TR200粗糙度儀測量加工前后工件內壁粗糙度值Ra，測量數值如表所示。由表可知，使用該套轉子磨具珩磨加工的不銹鋼管內壁Ra由0.866μm降低到0.474μm，實驗過程平穩可持續，驗證了該轉子磨具能夠應用于19～30 mm小口徑精密不銹鋼管內壁加工，且具有良好的加工效果。

   研發了一套用于19～30 mm小口徑精密不銹鋼管內壁磁性珩磨的新型磨具，并通過有限元軟件得到系統的磁感應強度、珩磨壓力、旋轉力矩等參數的理論數據，確定了方案的可行性。進行磁性珩磨加工試驗，得到采用該轉子磨具加工的工件表面粗糙度加工前后對比值，驗證了該磨具能夠穩定運行并具有良好的珩削能力。擴大了磁性珩磨的加工范圍，為小管徑不銹鋼管磁性珩磨的后續研究提供了理論依據和實驗基礎。