磁力研磨光整加工技術(shù)研究進(jìn)展

1、 磁力研磨光整加工技術(shù)研究進(jìn)展摘要：介紹了磁力研磨光整加工技術(shù)，闡述了磁力研磨加工技術(shù)研究中，磁性磨粒的制備、磁力研磨加工裝置的優(yōu)化、工藝參數(shù)的優(yōu)化以及電化學(xué)復(fù)合磁力研磨加工技術(shù)及超聲復(fù)合磁力研磨加工技術(shù)等方面的研究進(jìn)展。同時(shí)，指出磁力研磨光整加工技術(shù)急需解決的問題和未來的發(fā)展方向。0 引言所謂光整加工，是指被加工對(duì)象表面質(zhì)量得到大幅度提高的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)精度的穩(wěn)定甚至提高加工精度等級(jí)的一種技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。磁力研磨是眾多非傳統(tǒng)光整加工技術(shù)中的一種，其原理是利用磁場(chǎng)的作用，將磁性磨粒吸引到一起，形成磁力研磨刷，產(chǎn)生滑動(dòng)、滾動(dòng)、切削等相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磁性磨粒對(duì)工件表面的研磨加工。

2、因其具有高效率、高精度、高表面質(zhì)量等特點(diǎn)，適合于內(nèi)表面、球面、復(fù)雜型面的加工，能通過誤差補(bǔ)償加工提高加工精度，便于實(shí)現(xiàn)非母性原則加工，又可以很好的與數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光整加工的自動(dòng)化，所以在光整加工中占有重要地位。 自首次提出磁力研磨這一概念以來，蘇聯(lián)、保加利亞、日本、韓國(guó)等國(guó)開展研究，在磁力研磨裝置設(shè)計(jì)方面取得了大量成果。我國(guó)對(duì)磁力研磨加工技術(shù)的研究發(fā)展較滯后，近年來以國(guó)防科技大學(xué)、太原理工大學(xué)、大連理工大學(xué)為代表在該領(lǐng)域的磁力研磨的裝置、加工參數(shù)、磨料磨具等方面取得進(jìn)展，發(fā)展迅速。磁力研磨具有加工表面質(zhì)量高，可加工復(fù)雜自由曲面和涂層刀具的優(yōu)點(diǎn) YAMAGUCHI H，S

3、RIVASTAVA A K，TAN M，et alMagnetic Abrasive Finishing of cutting tools for high speed machining of titanium alloysJ CIRP Journalof Manufacturing Science and Technology，2014: 512-521，但磁力研磨存在磁力研磨效率低，磨粒制作成本高、壽命低等缺陷。針對(duì)磁力研磨性能改進(jìn)及復(fù)合研磨機(jī)理研究是最近研究熱點(diǎn)，以下將從磨粒、磨削裝置、工藝參數(shù)、復(fù)合光整加工技術(shù)等方面介紹最新的研究方向及研究成果。1 磁性磨料的制備 磨粒是兼有磨削能力

4、和磁化的復(fù)合物，它是一種鐵基顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料，由鐵磁相（可導(dǎo)磁性）和磨粒相（磨削性）復(fù)合而成。圖1是磨粒微觀結(jié)構(gòu)示意圖。磁性磨粒的研磨性能與復(fù)合材料的耐磨性能密切相關(guān)，磨粒的制作方法主要有燒結(jié)法、黏結(jié)法、霧化快凝法、化學(xué)方法 陳紅玲，張銀喜 磁性磨料磨粒的磨削機(jī)理研究J 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，31( 3) : 562-565。由于工序復(fù)雜，燒結(jié)磁性磨粒的價(jià)格昂貴，且壽命短、用后不能回收。采用等離子放電燒結(jié)技術(shù)延長(zhǎng)磨粒壽命 HU B，LU Y Study on Preparation Technology andFinishing Performance of Magnetic Abra

5、sive GrainJ Management，Manufacturing and Materials Engi-neering，2012: 637-641。黏結(jié)磨粒由于其剛性較強(qiáng)不足以拋光如波形表面等復(fù)雜表面，逐漸被非黏接性磨料代替。最近，開發(fā)出以機(jī)油等為基體將鐵粉和磨粒按照一定比例混合起來的各種非黏結(jié)磨粒，無黏結(jié)的SiC磨?？梢院芎玫膶?duì)某些材料進(jìn)行磨削。研究表明非黏結(jié)磨?？梢匀〉灭そY(jié)磨粒同樣的加工效果。為解決非黏結(jié)磨料使用時(shí)由于離心力而飛離的問題，A.Cheng Wang等研制出一種由硅凝膠、鋼粉和SiC組成的硅凝膠磨料(MFGA)，可以在沒有磁力的情況下緊緊依附在中心桿上，鋼粉和SiC也不

6、會(huì)因離心力而飛離。磁感應(yīng)強(qiáng)度和工作間隙是影響硅凝膠磨料加工性能的主要參數(shù)，當(dāng)工作間隙過大時(shí)，磁通量過小不足以對(duì)工件進(jìn)行加工，當(dāng)間隙過小時(shí)，工件的表面將會(huì)被破壞。非黏結(jié)磨料具有和黏結(jié)磨料相同的磨削性能，且制作方便、成本低。但是，磨料的磨削機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。磨粒制備方面，霧化法制造金屬及合金粉末有很大優(yōu)勢(shì)，所以近年來得到了迅速發(fā)展。但對(duì)熔點(diǎn)較高的金屬及合金，用霧化法要制得顆粒小于 10µm 的細(xì)粉是很困難的。2 磨削裝置及工藝參數(shù) 磁力研磨的加工裝置和加工參數(shù)隨著對(duì)加工效率和表面質(zhì)量的不斷提高，進(jìn)一步得到改進(jìn)和優(yōu)化。在磁極裝置研究方面，傳統(tǒng)方法是應(yīng)用電能生磁的原理，采用電機(jī)帶動(dòng)線圈

7、轉(zhuǎn)動(dòng)來產(chǎn)生磁力，這種裝置制作麻煩且體積笨重、易發(fā)熱。當(dāng)前有研究者利用永磁磁極代替電磁線圈的磁力研磨裝置，使裝置更加簡(jiǎn)潔。磁力研磨的加工裝置和加工參數(shù)隨著對(duì)加工效率和表面質(zhì)量的不斷提高，進(jìn)一步得到改進(jìn)和優(yōu)化。用稀土欽鐵硼系永磁材料替代勵(lì)磁電流磁極裝置，解決了線圈產(chǎn)生渦流熱問題，節(jié)省了磁極安裝空間，由于磁性磨料的粉末狀態(tài)，在加工完畢后磨料完全卸除十分困難。磁極頭的形狀也是影響磁力研磨加工效果的要素之一，磁極頭決定了磁場(chǎng)分布，進(jìn)而決定磨料的受力狀態(tài)。研磨過程中，磨料必須隨磁極旋轉(zhuǎn)相對(duì)速度為零，應(yīng)用光滑的磁極頭時(shí)空間磁場(chǎng)的分布是固定的，研磨壓力大于磁力時(shí)磨料與磁極頭產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，既影響加工效果又磨損磁

8、極頭。研究表明磁極頭開槽越復(fù)雜、磁極梯度越大加工效果越好。另一方面，不同的磁極排列方式?jīng)Q定了磁場(chǎng)的大小和方向，從而決定了磨料刷的行為，影響磨削效果。不過，永磁體產(chǎn)生的磁力不夠大、磁力磨料的快捷裝卸仍然是需要解決的問題。近年來，針對(duì)不同的材料和構(gòu)件的加工，已經(jīng)產(chǎn)生了多種加工裝置，工藝參數(shù)也得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。3 復(fù)合光整加工技術(shù) 由于磁力研磨存在加工效率低的缺點(diǎn)，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于將其與其他先進(jìn)的加工方法復(fù)合使用并做了大量的實(shí)驗(yàn)研究。在電化學(xué)磁力研磨中，電化學(xué)加工和磁力研磨相互促進(jìn)，一方面電解液在陰陽極之間電離，帶電離子與工件表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在工件表面生成一層緊密的硬度較工件低的鈍化膜，

9、使工件表面失去原來的活潑性質(zhì)，減慢了溶解過程。由于工件表面微觀高低不平，凸起部位所生成的鈍化膜比在凹處所生成的厚度小，使得凸起處的電化學(xué)作用比凹處強(qiáng)，促進(jìn)了對(duì)工件表面的整平。另一方面磁極頭上的磨粒起到機(jī)械研磨作用，磨粒與工件之間的復(fù)雜相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刮去了工件表面低硬度的鈍化膜，使之露出新鮮表面，從而加速了電化學(xué)整平作用。此外，在增加磁場(chǎng)后，帶電離子受到洛倫茲力的作用，運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜化，由規(guī)則的直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)閿[線運(yùn)動(dòng)，由于拋光研磨加工軌跡愈復(fù)雜加工效果愈好，加工效率進(jìn)一步提高。從工藝方式的角度劃分，主要包括電化學(xué)磁粒光整加工、磁場(chǎng)電化學(xué)磁粒復(fù)合光整加工。實(shí)驗(yàn)表明，電解磁力研磨技術(shù)有效的提高了金屬去除量，

10、并且極大地提高了表面粗糙度。研究發(fā)現(xiàn)電解間隙、磁通密度和電解電流等參數(shù)的合理搭配能快速生成鈍化膜，而工件旋轉(zhuǎn)速率的合理配合能迅速將鈍化膜去除，磁隙的降低和旋轉(zhuǎn)速率的增加可以提高表面質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)表明磁場(chǎng)改變了電解粒子路徑，使其由原來的直線變?yōu)榍€(擺線)，并且提高了速度;外施電壓和刀具進(jìn)給率的提高有利于提高加工效率和表面質(zhì)量，而工件的旋轉(zhuǎn)速率增加是有限制的?？傊?，電化學(xué)磁力研磨需要兩種方法加工參數(shù)的合理、準(zhǔn)確的配合方能取得良好的加工效果。超聲磁力研磨是超聲加工技術(shù)和磁力研磨加工技術(shù)相結(jié)合的新加工技術(shù)。目前，復(fù)合的形式主要是在磁極裝置不變的情況下將超聲通過轉(zhuǎn)換器加持于工件上，振動(dòng)方向平行于工件加工表面;或?qū)⒊暭映钟诘毒咭簿褪谴艠O上，使振動(dòng)方向垂直于工件表面。前者得到的表面光潔度要大于后者，但值得注意的是，后者得到了具有微量壓應(yīng)力的表面，這對(duì)于提高工件的疲勞壽命是非常有利的。其他實(shí)驗(yàn)也表明，超聲復(fù)合磁力研磨得到了比單純磁力研磨更好的表面光潔度。4 結(jié)語 磁力研磨加工作為一種極具潛力的自動(dòng)化曲面光整加工工藝，特別是基于曲面數(shù)字化的復(fù)雜曲面磁力研磨光整加工技術(shù)，可以廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、模具、汽