（机械制造及其自动化专业论文）粘结磁性磨料制备工艺及其研磨性能研究.pdf

摘要 摘要 磁力研磨加工( m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gm a f ) 是通过磁场对磁性磨料的 作用进行研抛加工的新方法，研磨过程中磁性磨料与加工表面柔性接触容易控 制，已经开始用于模具曲面、不锈钢净气瓶内壁等零件表面的光整加工。磁力研 磨加工过程中需要不断消耗磁性磨料，具有良好性价比的磁性磨料是影响磁力研 磨加工效果的关键因素。虽然国内外对磁力研磨加工进行了大量研究，但磁性磨 料至今尚未商品化，磁性磨料已经成为磁力研磨加工技术发展的一个技术瓶颈。 本文针对磁性磨料制备技术存在的问题进行了磁性磨料制各及其性能的研究。 首先分析了目前现有磁性磨料制备方法，分析比较了各种制备方法的难易程 度及设备成本，选择低成本的粘结法制备磁性磨料作为研究对象。通过对磁性磨 粒性能、粘结理论及粘结工艺等技术的分析，制定了粘结磨料混料、粘结、压饼、 破碎、筛分等制备工艺路线，制备了以氧化铝和碳化硅为硬质相的磁性磨料，并 针对热塑模具钢对上述磁性磨料的加工效果进行了实验对比和分析。结果表明， 两种磁性磨料均具有较好的研磨性能，氧化铝基磁性磨料在降低加工表面粗糙度 和耐用度方面均要优于碳化硅磁性磨料，最终磁力研磨加工表面粗糙度可以达到 r a o 1 p m 左右。 其次为了提高模具曲面磁力研磨加工的表面质量和形状精度，借鉴珩磨加工 技术的原理，提出了2 维曲面数控磁力研磨加工工艺方法，设计了结构简单的镶 嵌式永磁研磨工具和数控加工程序，磁力研磨加工实验结果表明效果良好。对提 高模具曲面分型面光整加工的效率、降低工人的劳动强度、提高合模精度等方面 有积极意义。 关键词：磁性磨料；粘结法；磁力研磨；表面粗糙度 广东工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ( m a f ) i san e wk i n df i n i s h i n gm e t h o db yt h e m a g n e t i cf i e l da c t i n go nm a g n e t i ca b r a s i v e s i nt h ep r o c e s so fl a p p i n g ，t h em a g n e t i c a b r a s i v e sb e t w e e nt o o la n dm a c h i n i n gs u r f a c ea r ef l e x i b l ea n dc a nb ec o n t r o l l e d e a s i l y d u et oi t sa d v a n t a g e s ，t h i sm e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e dt of i n i s ht h e m o u l dc u r v e ds u r f a c e ，i n n e rs u r f a c eo fs t a i n l e s s s t e e la i rb o t t l ee t c i nv i e wo ft h e w e a ro fm a g n e t i ca b r a s i v e s ，t h e ys h o u l db er e f r e s h e dn e c e s s a r i l ya n df r e q u e n t l y s o ， t h ea b r a s i v e sw i t hb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dl o w e rp r i c eh a v eb e e no n ek e yf a c t o rt o d e t e r m i n et h em a c h i n i n ge f f e c t a l t h o u g hm u c hr e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nm a f ， m a g n e t i ca b r a s i v eh a sn o tb e e nc o m m e r c i a l i z e dy e ts of a r ，w h i c hg r e a t l yr e s t r i c t st h e d e v e l o p m e n t o fm a f a i m i n gt os o l v ea b o v e p r o b l e m ，w ei n v e s t i g a t e dt h e d e v e l o p m e n to fm a g n e t i ca b r a s i v ea n di t sm a c h i n i n gp e r f o r m a n c e f i r s t l y ，b ya n a l y z i n gt h em e t h o d so fm a k i n gm a g n e t i ca b r a s i v e s ，f o rt h es a k eo f l o wc o s ta n de a s yp r o d u c t i o n ，b i n d i n gm e t h o dw a sc h o s e na st h er e s e a r c hm e t h o dt o m a k em a g n e t i c a b r a s i v e a c c o r d i n gt o t h ep e r f o r m a n c er e q u e s t so fm a g n e t i c a b r a s i v e ，b i n d i n gp r i n c i p l ea n dt h ep r o c e s so fb i n d i n g ，o n et e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f m i x i n g ，b i n d i n g ，p r e s s i n g ，c r u s h i n ga n df i l t e r i n gw a sd r e wo u t t h e n ，f e + a 1 2 0 3a n d f e + s i cb o n d e dm a g n e t i ca b r a s i v e sw e r em a d e r e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t s w e r ec o n s t r u c t e dt oc o m p a r et h ep o l i s h i n ge f f e c to ft h ea b o v ea b r a s i v e s t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tb o t ha b r a s i v e sh a v ef i n em a c h i n i n gp e r f o r m a n c e s h o w e v e r ，f e + a 1 2 0 3 a b r a s i v e sa r eb e t t e rt h a nf e + s i co n e so nt h ea s p e c to fi m p r o v i n gs u r f a c er o u g h n e s s a n dd u r a t i o n a n dt h es u r f a c e sw i t hr a o 1l x ma r o u n dc a nb eo b t a i n e d o nt h eo t h e rh a n d ，i no r d e rt oi m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t ya n ds h a p ep r e c i s i o n o fm o u l dc u r v e ds u r f a c e ，n cm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gm e t h o do f2 dc u r v e d s u r f a c ew a sp r e s e n t e db a s e do nt h eh o n i n gp r i n c i p l e t h e n ，s i m p l ep o l i s h i n gt o o l w i t hp e r m a n e n tm a g n e t se m b e d d i n gi nt h et o o lb o d ya n dc n cm a c h i n i n gp r o g r a m s o f tw a sa l s od e s i g n e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r e s e n tt h ef i n ep o l i s h i n ge f f e c tw i t h t h i sm e t h o d t h i ss t u d yi se x p e c t e dt ob eh e l p f u lt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f i i a b s t r a c t f i n i s h i n gp r o c e s s ，r e d u c ew o r k e r sl a b o ri n t e n s i t y ，r e a l i z et h ee f f e c t i v e c o n t r o lo f f i n i s h i n gp r o c e s sa n do b t a i nf i n eq u a l i t yo fw o r k p i e c es u r f a c e k e y w o r d s - m a g n e t i ca b r a s i v e ；b i n d i n gm e t h o d ；m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ； s u r f a c er o u g h n e s s h i 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 6 0 盏利 加缍f 月垢 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着机械产品质量的不断提高，迫切需要解决的问题，就是提高零件的表面 质量，有效改善零件的使用性能，以达到延长零件使用寿命的目的。而零件的形 状千变万化，由于材料不同、形状各异、结构复杂，许多零件的表面精加工问题 难以解决，制约了产品质量的提高。目前，一些异型零件表面、带有各种细小沟 槽的内外圆零件表面的精加工，只能采用手工的方法来完成，加工效率低，加工 质量不稳定，工人劳动强度大，而且环境污染严重。因此，解决这些零件的表面 质量问题，成为急待攻克的主要课题。 一般模具都是采用平面作为分型面，平面的形状精度和表面粗糙度相对于曲 面容易保证，但是汽车内饰件等塑料模具由于制件形状复杂，在很多情况下不得 不根据制件形状特点使用曲面作为分型面，凸凹模分型面需要良好贴合，曲面分 型面的加工既有形状精度要求又有表面粗糙度要求，加工难度显著增大。对于大 型汽车塑胶件模具的曲面分型面，目前采用手工研抛、多次试模、逐步贴合的方 法，其形状精度和表面精度不稳定最终影响到制品的挺度、造成飞边等。 磁力研磨加工技术是近年来不断开发研究的一种新技术、新工艺。它主要用 于对各种成形表面、异型曲面、螺旋表面及细小沟槽表面进行光整加工及去除毛 刺。目前，这一加工技术己成功地应用于许多高新技术领域，可以实现去除毛刺、 提高零件表面质量的目的。例如，不锈钢净气瓶的内壁研磨，塑料透镜镜面的研 磨，细长轴类陶瓷零件的加工，液压滑阀、中凸变椭圆铝合金活塞、轴承环及内 外圈滚道、缝纫机用异型小零件、各种刀具等零件表面的光整加工及去除毛刺， 解决了零件表面的质量问题i l l 。值得一提的是磁力研磨加工技术可以很好的与数 控机床、加工中心和机器人结合，以实现光整加工的自动化，因此磁力研磨加工 技术越来越得到重视，该技术的发展应用也为模具工业的发展带来了新的曙光。 模具分型面的结构特点为具有一定宽度的2 维曲面，可以采用圆柱形状磁性工 具，参照珩磨加工原理对分型面进行研抛加工。因此，设计新型的磁性研抛工具， 广东工业大学工学硕士学位论文 开发相应的控制程序，通过数控机床精确控制研抛工具轨迹和研抛过程可达到同 步提高曲面形状精度和表面精度的目的。 然而，作为磁力研磨的磨具一一磁性磨料，目前在我国基本上处于实验研究 阶段，鲜有能够实现批量生产的报道。国际上，也只有日木、保加利亚等少数几 个国家开发研制磁性磨料，可以实现一定量的烧结磁性磨料的生产。这种烧结制 备工艺，由于对烧结温度、烧结时间、烧结气氛及粉末性能的要求均很高，而且 需要高温、高压和冷却设备，造成了工艺复杂、操作困难，生产环境差、价格较 贵。结果导致了磁力研磨加工的成本居高不下，严重制约了磁力研磨加工技术在 我国的推广使用。由此可见，尽快开发研制具有良好性价比的磁性磨料制备工艺 己成当务之急【1 】。 目前，国内外许多科技人员都致力于该方面的研究，国内一些高校也在从事 磁性磨料的研究，但目前国内没有较完善的磁性磨料制备工艺，多数仍处于实验 研究阶段。随着磁力研磨加工技术的日益成熟和在更大范围内的推广应用，磁性 磨料的开发研究变的越来越迫切。一旦磁性磨料的问题得以完善解决，磁力研磨 加工技术就可迅速在生产中得到广泛的应用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 磁力研磨加工技术的国内外研究现状 磁力研磨加工( m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ) 是将磁场与传统的研磨技术相 结合，利用磁场产生的磁作用力作用到磁性磨粒上，使磁性磨粒对工件表面产生 正压力，随着磁性磨粒与工件表面的相对运动产生去除材料的加工方法【：3 】。图 1 1 是圆柱面磁粒光整加工的原理示意图。加工中使用的磁粒是一种能够在磁场 中被磁化的磨料颗粒。这种磁性磨粒在磁场的作用下沿磁力线的方向有序排列形 成“磁刷 ，或称磁粒加工工具( m a t ) ，并对加工工件的表面形成一定的压力。 当磁极与工件之间产生相对运动时，“磁刷”扫过工件表面，从而对工件进行光 整加工。 2 第一章绪论 图1 1 磁力研磨加工原理 f i g 1 - 1p r i n c i p l eo fm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g 磁力研磨加工这一概念最早是由前苏联工程师k a r g o l o w 于19 3 8 年首先提出 1 4 1 。从2 0 世纪5 0 年代开始，前苏联有不少学者对磁粒研磨加工进行了大量的研究， 在磁性磨料的制备方法和制备工艺上做了很多工作。保加利亚从7 0 年代中期开始 一直在发展磁力研磨加工技术，并举办了多次国际性专题学术会议。2 0 世纪8 0 年代，磁力研磨在日本得到迅速发展。在磁力研磨机理方面，t s h i n m u r a 等人做 了大量工作【5 - ，1 ，研究了各种参数对抛光特性的影响、抛光原理及抛光可行性、 边缘抛光、各种粒度磁粉以及在磁粉中添加液体等对抛光的影响。t m o r i 等【s 】研 究了磁刷的形成机理和磁力研磨机理。尹绍辉等【9 】分析了三种振动模式( 水平振 动、垂直振动、复合振动) 对平面磁粒研磨效果的影响。t s h i n m u r a 在研制各种 形式磁粒加工设备的同时，对各种场合的加工工艺进行了较深入的理论分析和试 验研究，如磁场强度、加工间隙、磨料与工件的相对移动速度、磁性磨料的成分 和粒度等因素对加工质量和效率的影响以及它们之间的相互关系。 我国从上世纪8 0 年代中期开始磁力研磨加工的研究 1 0 1 。开展该项技术研究最 早的是哈尔滨科技大学和大连理工大学 1 u ，随后哈尔滨工业大学吲、上海交通大 学和太原工业大学【1 2 】也进行了相关的研究，并都取得了一些有价值的研究结果。 山东工程学院【1 3 “s 】近几年在复杂曲面磁粒光整加工工艺和设备的研究方面做了 不少工作，取得了较好的效果。 磁力研磨加工方法目前主要适用于钢、陶瓷等材料的加工，对玻璃等脆性光 学材料的加工易产生次表面破坏层和较粗糙的表面，还不能加工出精密的光学元 3 广东工业大学工学硕士学位论文 件。由于磁性磨料制作成本较高，工件的装夹与去磁问题尚未得到完全解决，进 行批量加工尚有一定的困难。 1 2 2 磁性磨料的国内外研究现状 磁力研磨的加工工具是磁性磨料。从磁力研磨的国内外发展状况及其应用现 状来看，磁力研磨技术的发展潜力很大，应用范围极广，有着广阔的市场前景。 磁力研磨加工中需要大量的磁性磨料来实现切削加工，具有良好性价比的磁性磨 料是提高加工效率和加工质量最重要的一环，也是解决磁力研磨技术在更大范围 内推广应用的关键所在，同时也是降低加工成本的先决条件之一。因此，许多专 家学者一直致力于磁性磨料的制备工艺研究。 7 0 年代，前苏联对磁性磨料的制备方法进行了大量的研究工作，并就磁性磨 料的组成、配比和结构等提出了多项发明专利。研究初期，磁性磨料的制备主要 是采用高温烧结和浇铸，然后粉碎的方法。但由于制备成本较高，其规模生产和 应用都受到了很大限制，因此主要是在一些比较特殊的场合中应用，如圆管内壁 表面、不锈钢净气瓶内壁表面、硬质合金耐磨涂层刀具表面等的光整加工；随着 研究的深入，一些粉末冶金技术如烧结、渗氮、雾化快凝等技术被用于磁性磨料 的制备，现在又出现了一种称作自蔓延的高温合成技术。 8 0 年代，保加利亚和日本也开始了这方面的研究，并开发了多种磁粒光整加 工设备。同时对各种场合的加工工艺进行了较深入的理论分析和试验研究，如磁 场强度、加工间隙、磨料与工件的相对移动速度、磁性磨料的成分和粒度等因素 对加工质量和效率的影响以及他们之间的相互关系。m a s a h i r oa n z a i 和k o i e h i m a s a k i 对磁性磨料的制备技术进行了研究，并研究开发了几种比较有应用价值的 磁性磨料。他们采用的磁性磨料制备方法包括：等离子粉末熔融法( p p m ) 、铁 磁性金属材料与磨料纤维混合法、液体磁性磨料等【”】。 我国对磁粒光整加工技术的研究是从8 0 年代中期开始的，起步比较晚，投入 的人力也很有限，无论是研究的深度还是广度与国外均有比较大的差距。目前国 内没有较完善的磁性磨料制备工艺，多数仍处于实验研究阶段。9 0 年代初，南京 航空航天大学就复合镀层制造磁性磨料作过大量试验工作。目前，大连理工大学 正在研究用等离子喷涂法制造磁性磨料；上海交通大学和兄弟院校合作，用原位 反应复合法及粉末冶金法制备磁性磨料；太原理工大学也对粘结法和烧结法制备 4 第一章绪论 工艺进行了研究；许多高等院校和科研机构的博士生也正在致力于磁力研磨加工 技术和磁性磨料制备工艺的开发研究1 1 6 1 7 1 。 可能由于技术保密等各种原因，目前对磁性磨料的制备研究方面，除了日本 发表了几篇报道性的文章外，国际上还鲜有文献报道。随着磁力研磨加工技术的 日益成熟和在更大范围内的推广应用，磁性磨料的开发研究也就变的越来越迫 切。 1 2 3 曲面磁力研磨加工的国内外研究现状 对自由曲面零件自动研磨加工的研究一直是世界上一些先进工业国家的大 学和研究机构所极力关注的，并投入了大量人力、物力和财力进行研究。日本、 美国、德国、法国等早在8 0 年代就已经开始进行模具抛光自动化系统的研究， 并相继开发出了模具自动抛光专用加工机床。目前，日本在机器人用于模具自动 化加工方面居世界领先水平。日本学者设计了专用工具用于曲面的抛光( 见图 1 2 ) ，并对加工特性进行了研究：日本的幸田盛觉研制了数控模具抛光机，获日 本“平成5 年度先端加工学会技术奖 ，随后开发了系列产品【l s 】。总的来说，为 获得满意的研磨效果，设计适应曲面加工的合适工具是关键。研磨工艺从机械研 磨发展到超声研磨、电化学研磨、激光研磨、磁力研磨等多种特种研磨和复合研 磨，并从手工研磨向数控研磨、机器人研磨发展，并将测量技术与数字化技术应 用于自动研磨之中。磁力研磨是通过强磁场中的磨粒与工件产生相对运动而对曲 面进行研磨。由于其独特的优点，近年来得到极大的重视。 图1 2 曲面研磨示意图 f i g 1 - 2p r i n c i p l eo ft h ec u r v e ds u r f a c ep o l i s h i n g 广东工业大学工学硕士学位论文 针对曲面零件的光整加工技术，国内的科研机构和高校进行了许多方面的研 究，其中比较典型的有：王振龙采用球形工具在五轴数控机床上抛磨曲面；张永 俊设计了弹性浮动工具对平缓曲面进行抛光；张业军等研究了电解抛光工艺；哈 尔滨工业大学在机械电解加工的基础上，增加了超声振动，取得了更好的抛光效 果。中国科学院长春精密光学机械与物理研究所张峰等研究了磁流变抛光中几种 主要工艺参数对抛光区大小、形状和材料去除率的影响情况，并根据几个参数的 定性研究，建立了磁流变抛光的数学模型。哈尔滨理工大学的吴石林等人对模具 型腔数控磨削加工方面进行了研究，开发了可在普通数控铣床上实现模具型腔磨 削加工的t d 牵引驱动增速器和c b n 磨头，实现模具铣削后直结更换磨头进行 磨削加工；北京工业大学的范晋伟等人对数控磨削运动精度进行了分析，并对其 控制方法进行了理论研究。哈尔滨工业大学进行了数控机械电解抛磨曲面的研 究，但重点在于抛磨工艺。华中理工大学的张雷、衰楚明等人在六轴关节机器人 的基础上建立了模具曲面自动抛光实验平台，对机器人抛光工艺过程进行了建 模、仿真以及刀具轨迹进行了研究。清华大学精密仪器系c i m s 室对光学自由曲 面数控研磨技术进行了研究，实验结果精度达到光学表面的要求。郑州工业大学 的杨开明等人研究开发了二维自由曲面力控制磨削系统。四川联合大学的黄诗翘 在对弹性研磨法进行研究的基础上，开发了适合在加工中心和数控机床上对自由 曲面进行加工的弹性砂轮，对其材料、性能以及寿命进行了较全面的分析【l s 1 9 以，】。 我国开展m a f 工作开始于8 0 年代中期，起步较晚，且投入的人力财力有限。 目前仍处于试验研究阶段，实际应用很少。开展该项技术研究最早的是哈尔滨科 技大学和大连理工大学，随后哈尔滨工业大学、山东工程学院和太原工业大学也 进行了该项技术的研究，山东工程学院近几年在复杂曲面磁粒光整加工工艺和设 备的研究方面做了不少工作，取得了较好的效果。大连理工大学在数控磁粒光整 加工曲面研究的基础上，通过三坐标测量和控制，进行了仿形技术研究。他们研 制开发出不同的磁力研磨实验装置，并对不同工件( 如轴承内环的外滚道、螺纹 环规、丝锥、仪表电机轴、仪表齿轮、阶梯轴、钢球等) 进行了研磨实验，取得 了较好的加工效果1 3 0 3 1 3 s 。 通过查阅有关磁性研抛的文献，发现以往对于曲面磁性研抛的研究中均是采 用球头磁极对3 维自由曲面进行加工【3 5 】，并未考虑到2 维曲面的加工问题。大型 汽车塑胶件模具的曲面分型面多为具有一定宽度的2 维曲面，目前采用手工研 6 第一章绪论 抛、多次试模、逐步贴合的方法，其形状精度和表面精度不稳定最终影响到制品 的挺度、造成飞边等。根据模具分型面的结构特点，可以采用圆柱形磁性研抛工 具，通过数控机床精确控制其运动轨迹和研抛过程达到同步提高曲面形状精度和 表面精度的目的。 1 3 课题的来源及本文的主要内容 1 。3 1 课题的来源 本课题来源于广东省科技计划项目汽车模具曲面精密磁性研抛机床的研 制( n o 2 0 0 5 8 5 0 1 0 1 0 1 8 ) ，并获得广州市科技计划项目( 2 0 0 5 2 3 d 0 0 2 1 ) 和高等学 校博士点学科专项科研基金( 2 0 0 6 0 5 6 2 0 0 5 ) 的资助。 1 3 2 本文的主要内容 ( 1 ) 磁性磨料是目前制约磁粒光整加工技术应用的瓶颈问题。而这一问题 只有通过对磁性磨料制备方法和工艺的研究才能得到解决。本文在介绍各种磁性 磨料制备方法的基础上，对粘结磁性磨料的制备方法以及粘结理论等技术进行了 探索和研究，制定了本文的粘结法技术路线和工艺，并制备了两种分别以氧化铝 和碳化硅为硬质相的磁性磨料。 ( 2 ) 通过磁力研磨实验对自制的两种粘结磁性磨料的研磨性能进行实验研 究，从降低工件表面粗糙度和磨料耐用度方面比较两种磁性磨料研磨性能的优 劣，确定采用氧化铝磁性磨料作为后续研究继续使用的磨料，并对其加工性能进 行了进一步的实验研究。 ( 3 ) 为了提高模具曲面磁性研抛的表面粗糙度要求和形状精度要求，本文 借鉴珩磨加工技术的原理，提出了2 维曲面数控磁力研磨加工工艺方法，设计了 结构简单的镶嵌式永磁研磨工具和数控加工程序，用于2 维分型曲面的数控研 抛。 ( 4 ) 通过三维图形设计软件设计曲面工件并加工出实物用于研抛实验研究， 并对影响模具曲面磁性研抛效果的主要参数进行实验，给出了各参数与工件表面 粗糙度的关系曲线并对他们之间的影响关系进行了简明分析。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 2 1 磁性磨料 第二章磁性磨料及其制备方法 磁力研磨加工中的磁性磨料，既有一定的研磨能力又具备一定的被磁化能 力，它是一种铁磁材料与磨料材料相结合的复合材料，其微观构造如图2 - 1 所示。 其中，基质相( 铁磁相) 一般是具有磁性的软磁材料粉末，以f e 、c o 、n i 粉末 为主；硬质相( 磨粒相) 一般是具有切削能力的氧化物或碳化物、硼化物等金属 或非金属陶瓷粉末。基质相通过结合剂把硬质相连结起来使之分散在其周围，切 削时基质相在磁场力的作用下带动硬质相运动实现切削 3 9 o 】。 蘑 图2 1 磁性磨粒的微观构造【t 1 f i g 2 - 1m i c r o s t r u c t u r eo fm a g n e t i ca b r a s i v e 2 2 磁性磨粒的受力分析 以圆柱表面的磁力研磨为例，位于加工区域内的单个磨粒的受力状况如图 2 - 2 所示。当加工区域内的各个磨粒被磁化后，将沿磁力线方向排列成刷状；将 需要研磨的工件置于磁刷中，工件与磁刷的前端磨粒相互吸引，使磁刷前端磨粒 在磁力作用下紧压工件表面。图中a 表示在加工区域靠近工件表面的一颗磁性磨 粒，在磁场作用下，磨粒a 受到沿磁力线方向的作用力f x 以及沿磁等位线方向的 作用力f y 的作用，同时与工件表面接触产生沿工件表面法向的作用力f n 。由于磨 粒与工件表面的相对运动将产生一个切向力f m ，因此f y 可防止磨粒向加工区域 外流动，保证研磨加工正常进行【4 1 】。 8 第二章磁性磨料及其制各方法 图2 2 加工区域中单个磨粒受力状况 f i g 2 - 2f o r c e sa c t i n go ns i n g l em a g n e t i ca b r a s i v eg r a i n 2 3 磁性磨粒的加工机理 在磁力研磨中，磁性磨料在磁场的作用下吸附在磁极上形成“磁刷 ，并以 一定的压力作用在工件表面上。当磁极与“磁刷”之间产生相对运动时，在接触 面上的磨粒将对工件产生接触滑移，摩擦，挤压，刻划和切削等现象，使工件表 面得到研磨加工。其磨削机理主要包括以下四个方面。 1 微量切削与挤压作用 由磁性磨料的成分可知，磨粒硬度高于工件材料硬度。研磨加工时，工件与磁 极作相对运动，磨粒刃尖在研磨压力作用下对工件表面产生微切削作用，同时磨 粒中的铁基体还对工件表面起到一定的挤压作用。切削作用的强弱与磁性磨粒的 形状、位置、工作角度、磁场特性等工艺参数有关，通过合理选取工艺参数即可 控制磨粒的切削作用，达到微量切除金属的目的。 2 多次塑变磨损作用 磁性磨料磨粒群体形成的弹性磨具由于受磁场作用被吸附在工件表面，磨粒 和工件表面始终处于接触状态，但是产生如前所述的切削过程并不是唯一的。有 时磨粒会在工件表面上产生其他几种磨削现象。 一种是滑擦摩擦，磨粒一带而过，工件表面仅留下一条痕迹；第二种是发生 塑性变形，擦出一条两边隆起的沟纹；第三种是飞边堆积，犁出一条沟槽，两边 翻出飞边。值得提出的是由于磁力研磨时磨粒一般都集中在磁力线密集的表面凸 起的微小轮廓峰附近，因而表面不平的微凸体处的塑变磨损相对较大，使得该不 9 广东工业大学工学硕士学位论文 平度下降加快。因此磨粒的多次塑变磨损作用可以较快地获得光滑的工件表面， 而不影响工件的尺寸和形状精度。 3 电化学磨损作用 在磁力研磨光整加工过程中存在着化学磨损作用。由于工件表面被磨料摩 擦、刻划，使纯净金属暴露在空气中，金属表面迅速被化学物质氧化，形成一层 极薄的氧化膜。一般来说，这种氧化膜对工件基体的附着力较弱，氧化膜与工件 材料的膨胀系数也不同，再加上研磨温度变化的影响等原因，在摩擦的过程中较 易从工件表面脱落。这样在连续研磨过程中，工件表面金属层不断地被氧化 脱落再氧化再脱落，从而加快了研磨效率。另外，回转的工件在磁场两磁 极间受到每次交变的励磁作用，导电的磁磨粉产生的电动势反复使工件表面充 电，强化了表面的电化学磨损过程【z 】。 由此可见，磁力研磨不同于其他磨料磨粒的磨削机理。磁性磨料磨粒的特点， 突出表现在磨粒具有导磁性以及磨粒磨削时形成的是由磁性磨粒群体构成的弹 性“磨料刷”。磁力研磨过程中，磁粒在磁刷上的位置及方向会在工具磁极的旋 转过程中，不断发生翻滚、错位、更迭现象，使磨粒始终以新的磨削刃参与磨削， 其自锐性能更好。另一方面，由于构成的是弹性“磨料刷”，磨粒与工件接触均 匀，吸振性能更好，能充分保证精密表面原有的几何精度和形状精度不会受到破 坏。这些特点在加工成形表面、异形曲面的研磨过程中表现出十分明显的优势。 2 4 磁性磨料的性能要求 由磁性磨粒的磨削机理可知，理想的磁性磨料各组成相的维氏硬度与被加工 工件材料硬度应具有如下关系：磨粒相的维氏硬度应大于工件材料的维氏硬度， 以保证磨粒相具有较长工作寿命且相对材料去除率较高；铁磁相的维氏硬度约为 工件材料维氏硬度的o 8 1 倍，以使磁性磨粒外表面的磨粒相钝化脱落后，磨粒 具有良好的自锐性能。因加工材料的硬度不同，同一种磁性磨粒在加工中可能会 出现不同的研磨性能。磁性磨粒的磁导率是影响研磨效率的重要参数，它直接影 响磁性磨粒在磁场中的受力。复合磁性磨粒的磁导率= ( “f 。l , t p ) ( 岫v f 。+ p f 。v p ) ，式 中，uf 。，pp 分别为铁磁相、磨粒相的磁导率；v f e ，v 分别为铁磁相、磨粒相的体 积百分比。因此磨粒相的体积百分比对磁性磨料的磁导率影响较大。磁性磨粒的 1 0 第二章磁性磨料及其制备方法 化学成分、配比及结构是决定磨粒研磨性能的关键因素。为此，必须保证磁性磨 粒具有以下性能：( 1 ) 铁磁相与磨粒相牢固结合；( 2 ) 适当的粒径尺寸和微观结构， 可满足不同的加工要求；( 3 ) 适用的复合制备工艺】。 2 5 磁性磨料的制备技术 从材料学角度看，磁性磨料属复合材料，即铁基颗粒增强型复合材料。复合 材料是由两种或两种以上的材料通过复合工艺组合而成的一种多相材料，其性能 在特定方面明显优于原材料，而且复合材料必须具有其单个组元所没有的优良性 能。随着复合材料学的发展，磁性磨料的制备技术也相应得到发展。磁性磨料的 研磨性能与复合材料的耐磨性能密切相关。目前，在国际上应用的磁性磨料的制 备方法有多种 1 6 j ，。t ，4 2 ，概括介绍如下： 2 5 1 粘结法 粘结法是制造磁性磨料中一种制备方法简单、加工成本低的有效方法。它是 用胶粘剂将一定比例混合均匀的铁粉和磨料粘结为一体，然后通过粉碎制成不同 粒度的磨料。 粘结法制备磁性磨料工艺过程如下： ( 1 ) 选取粘结剂。粘结剂可使磁性磨料既有良好的磨削性能，又有不使基 体与磨料分离的性能。 ( 2 ) 制取混粉。将一定粒度的纯铁粉与一定粒度的磨料粉( 氧化铝或碳化硅 等) ，分别按一定质量比混合，要求混合均匀，尽可能减少偏析。 ( 3 ) 搅拌、固化。将混粉与粘结剂按一定质量比充分混合并搅拌均匀，然 后使其固化凝结成坯块。 ( 4 ) 粉碎。将固化后的坯块利用粉碎设备破碎成细粒。 ( 5 ) 筛分。用标准筛将破碎成细粒的磁性磨料进行筛分以得到不同粒度的 磁性磨料。 粘结法制作的磁性磨料，由于不需要预先压制成块，不需要含有惰性气体的 电炉、激光机等设备，因此成本低。利用该磁性磨料对外圆、内圆表面、成形表 面进行加工试验，以及对磁性材料和非磁性材料加工的试验，均收到理想的加工 广东工业大学工学硕士学位论文 效果d 6 4 2 】。但这种磁性磨料的使用寿命较低。 2 5 2 烧结法 烧结法是将纯铁粉与磨料粉( 如氧化铝，碳化硅等) 以一定比例均匀混合，通 过加热、熔化、混合、重凝的物理化学过程制成一定尺寸的磁性磨料。这种方法 制备出的磁性磨料虽然具有较好的耐用度、加工效率和加工性能，但对使用的设 备要求较高，对烧结温度、烧结时间、烧结气氛( 高温高压、真空或惰性气体介 质) 及粉末性能都有较高的要求，价格相对也很高，目前国外己有一些厂家可实 现批量生产，但每公斤的价格高达8 0 0 元人民币左右 4 3 - s o l 。在目前所用的烧结法 中，按照具体使用设备的不同又可将其分为电炉烧结、热压烧结、激光烧结等。 图2 3 为激光烧结和热压烧结所用到的设备。 囊光柬 ( a ) 激光烧结 热也健 l 麓援簧萄 【 + “上横露 娥 i 一。d p ：。 碍叠誓； 慰锐嚣 熙 臻噬搓l l f 循鹰犬电捷 1 l 、下匿簟 藿压嚣 、 、下错雄 控瓣静 ( b ) 热压烧结 图2 3 烧结设备 f i g 2 - 3s i n t e r i n ge q u i p m e n t 1 收集桶，2 磁性磨料，3 气阀，4 玻璃片，5 混粉，6 y 形管 2 5 3 铸造法 铸造法是将磨料直接加入到液态铁磁材料中，并使颗粒在基体中均匀分布， 然后制粒而成。因此，铸造法制备磁性磨料的关键是使磨料颗粒在液态金属中均 匀分散，并最终弥散分布于随后吹制而成的固态磁性磨料中。而要做到这一点， 必须满足两个基本条件： 1 2 第二章磁性磨料及其制各方法 ( 1 ) 磨料颗粒与液态铁磁材料的润湿性好； ( 2 ) 两种物料的密度差尽量小。 大多数情况下上述两个条件难以满足，限制了该工艺的应用，科研工作者正 在研制多种工艺措施以改善颗粒的分布均匀性。铸造法成本低，在工艺得到改善 后可望大量生产。 2 5 4 混合法 混合法是最简单的磁性磨料制备方法，主要有铁磁性粉末，分别与传统磨料 和磁粒的混合、金属短纤维与磁粒的混合。该法工艺最简单、成本最低，但效率 也最低。如大粒径的铁粉分别与w c 磨料和c r 2 0 3 磨料混合( 粘合剂为油酸、聚 乙烯廿醇) 或直接与研磨膏混合，可以对钠玻璃和氮化硅陶瓷进行磁粒光整加工 【35 1 。 2 5 5 复合镀层法 用复合电镀或复合化学镀的方法，将某种磨料颗粒均匀地夹杂到金属镀层 中，而形成的特殊镀层即为复合镀层。将复合镀层工艺应用到磁性磨料的制备技 术中，需注意：1 ) 原始纯铁粉颗粒的去污活化；2 ) 磨料颗粒在纯铁粉颗粒表面的 均匀沉积。由于这些问题的存在当前大批量生产还难以实现。另外，该方法需要 考虑镀液处理的环境污染问题以及生产成本问题，这些限制了它在实际中的推广 应用。 2 5 6 雾化快凝法 雾化快凝是将铁的氧化物和磨料粉混合在雾化装置中引燃，使混合物发生固 相反应制成由a 1 2 0 3 、f e 、f e a 1 2 0 3 冰晶石三相构成的球状的磁性磨料。该方 法制成的磁性磨料是属于弥散型的，不易控制，而且制成的磁性磨料成分分布也 不是很均匀。 2 5 7 等离子熔融法 日本的真崎浩一和安齐正博进行了一种称为“等粒子高温熔融 方法的研究， 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 如图2 4 所示。这种方法的原理是将硬质磨料颗粒和铁粉按一定体积预先混合， 然后从等离子喷涂设备中喷出，借助等离子弧的高温将两者熔融在一起。这种方 法虽然在很大程度上解决了磨料和铁的相容性问题，但研究发现，并不是所有的 硬质磨料都适合于这种方法，如a 1 2 0 3 、s i c 、w c 等，它要求磨料的密度和铁的 密度必须差别很小，否则在喷涂的过程中，磨料将浮于熔融状态的铁基体的表面 上，而不是均匀的分散于其中。与铁的密度比较接近的磨料只有n b c ( 立方氮化 硼) ，但n b c 的价格昂贵，因此该方法有太大的局限性。 毫撞 图2 4 等离子粉末熔融法制备磁性磨料 f i g 2 4s i n t e r i n ge q u i p m e n t 2 5 8 原位反应复合法 原位反应复合法的基本原理是t 在一定条件下，通过元素与元素或元素与化 合物之间的化学反应。在基体内原位合成一种或几种高硬度的陶瓷增强相。原位 反应复合法主要有气一液反应法、液一液反应法和自蔓延高温合成法( 如图2 5 所示) 。 1 4 第二章磁性磨料及其制备方法 p y r e xt u b e h i g hc u r r e n t c a m e r a s u p p l y 图2 5 自蔓延高温合成法示意图 f i g 2 - 5s e l f p r o p a g a t i n gh i g h t e m p e r a t u r es y n t h e s e s 2 6 拟采用的制备方法 以上多种方法制造磁性磨料的难易程度、成本高低及加工性能等各方面的比 较如表2 - 1 所示。 表2 1 几种磁性磨粒的比较表 t a b l e 2 1c o m p a r eo fs e v e r a lm a g n e t i ca b r a s i v e s 制造难 去除难 r a m i n 磁粒 成本 适合加工的材料 易程度易程度( “m ) f e - n b c ( p p m ) 最难低碳素钢、灰口铸铁易 0 4 f e s i c ( 机械压嵌法) 难较高碳素钢，钛、铁镍合金较易 o 2 f e s i c ( 混合法) 易 较高碳素钢、灰口铸铁易 o 5 f e a 1 2 0 3 ( 粘结法) 易低碳素钢较难 o 2 f e 金刚石( 混合法)易高 w c - c o ，s i ，c u ，a l 难 0 1 f e - 金刚石( 烧结法) 难 最高碳素钢、铁镍合金较易 0 2 通过以上多种磁性磨料制备方法的比较可知，利用粘结法制作磁性磨料，原 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 料粉末不需要预先压制成块，制备过程中也不需要含有惰性气体的电炉、激光机 等昂贵设备，制备工艺相对简单，因此成本比较低。此外，粘结磁性磨料的使用 性能虽不及其他部分方法的好，但利用该磁性磨料对外圆、内圆表面、成形表面 进行加工试验，以及对磁性材料和非磁性材料加工的试验，均收到理想的加工效 果一：】。若粘结剂选用合适，磁性磨料配比恰当，粘结工艺合理，则可以获得较 为理想的磁性磨料。基于以上优点，所以本论文将粘结法作为进行磁性磨料制备 的方法。 2 7 本章小结 本章首先分析了磁性磨粒的的微观构造、在加工区域中的受力状况及其加工 机理，并对多种磁性磨料的制备方法进行了分析比较，结论如下： ( 1 ) 磁性磨料是一种铁磁材料与磨料材料相结合的复合材料，与砂轮的强 制切削相比，它实现的是弹性微刃切削，更容易实现自由曲面的自动化加工。 ( 2 ) 在多种磁性磨料的制备方法中，粘结法工艺简单、无需昂贵设备、成 本低并且可以取得较好的研磨效果，所以确定采用粘结法作为本文进行磁性磨料 的制备方法。 1 6 第三章粘结理论及粘结法制备磁性磨料 第三章粘结理论及粘结法制备磁性磨料 3 1 粘结概述 3 1 1 粘结概念及产生条件 粘结是以适宜的胶粘剂，采用适当的粘结工艺，将材质、形状、大小、厚度 以及硬度相同或不同的两个或多个构件( 或材料) ，结合成为一个连续、牢固、 稳定的整体的一种连结方法，是借助胶粘剂而实现材料连结的加工工艺。 粘结发生在接触界面间，一面为被粘体，另一面是胶粘剂。粘结时，胶粘剂 应为液态，能均匀地扩展到被粘固体表面，能去除并取代固体表面的空气或其他 附着物，最终实现分子间的紧密结合。 粘结技术历史悠久，并且随着合成高分子化学的发展而成为一种全新的连结 技术，在现代生活中得到越来越广泛的应用【5 l 】。 3 1 2 被粘固体表面特征 粘结的对象都是固体，而且粘结作用仅发生在表层，实际上是一种界面现象。 因此，了解固体的表面特征至为重要。被粘固体的表面特征主要为以下几点： ( 1 ) 复杂性任何固体表面层的性质与它的内部( 集体) 完全不同，经过 长时间暴露后，其差别更为显著。由于吸附有气体、水膜、氧化物、油脂、尘埃 等，因而表面是不清洁的。 ( 2 ) 粗糙性宏观上光滑的表面，在微观上都是非常粗糙、凹凸不平的， 两固体表面的接触，只能是最高峰的点接触，其接触面积仅为几何面积的1 。 ( 3 ) 高能性固体表面能量高于内部能量。 ( 4 ) 吸附性由于固体表面的能量高，为使其稳定，必须吸附一些物质， 这就表现出吸附性。因此，即使是新制备的表面