磁力研磨光整加工技术研究进展

1、 磁力研磨光整加工技术研究进展摘要：介绍了磁力研磨光整加工技术，阐述了磁力研磨加工技术研究中，磁性磨粒的制备、磁力研磨加工装置的优化、工艺参数的优化以及电化学复合磁力研磨加工技术及超声复合磁力研磨加工技术等方面的研究进展。同时，指出磁力研磨光整加工技术急需解决的问题和未来的发展方向。0 引言所谓光整加工，是指被加工对象表面质量得到大幅度提高的同时，实现精度的稳定甚至提高加工精度等级的一种技术，是先进制造技术的一个重要组成部分。磁力研磨是众多非传统光整加工技术中的一种，其原理是利用磁场的作用，将磁性磨粒吸引到一起，形成磁力研磨刷，产生滑动、滚动、切削等相对运动，实现磁性磨粒对工件表面的研磨加工。

2、因其具有高效率、高精度、高表面质量等特点，适合于内表面、球面、复杂型面的加工，能通过误差补偿加工提高加工精度，便于实现非母性原则加工，又可以很好的与数控机床、加工中心、机器人相结合，实现光整加工的自动化，所以在光整加工中占有重要地位。 自首次提出磁力研磨这一概念以来，苏联、保加利亚、日本、韩国等国开展研究，在磁力研磨装置设计方面取得了大量成果。我国对磁力研磨加工技术的研究发展较滞后，近年来以国防科技大学、太原理工大学、大连理工大学为代表在该领域的磁力研磨的装置、加工参数、磨料磨具等方面取得进展，发展迅速。磁力研磨具有加工表面质量高，可加工复杂自由曲面和涂层刀具的优点 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、寿命低等缺陷。针对磁力研磨性能改进及复合研磨机理研究是最近研究热点，以下将从磨粒、磨削装置、工艺参数、复合光整加工技术等方面介绍最新的研究方向及研究成果。1 磁性磨料的制备 磨粒是兼有磨削能力

4、和磁化的复合物，它是一种铁基颗粒增强型复合材料，由铁磁相（可导磁性）和磨粒相（磨削性）复合而成。图1是磨粒微观结构示意图。磁性磨粒的研磨性能与复合材料的耐磨性能密切相关，磨粒的制作方法主要有烧结法、黏结法、雾化快凝法、化学方法 陈红玲，张银喜 磁性磨料磨粒的磨削机理研究J 太原理工大学学报，2000，31( 3) : 562-565。由于工序复杂，烧结磁性磨粒的价格昂贵，且寿命短、用后不能回收。采用等离子放电烧结技术延长磨粒寿命 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。黏结磨粒由于其刚性较强不足以抛光如波形表面等复杂表面，逐渐被非黏接性磨料代替。最近，开发出以机油等为基体将铁粉和磨粒按照一定比例混合起来的各种非黏结磨粒，无黏结的SiC磨粒可以很好的对某些材料进行磨削。研究表明非黏结磨粒可以取得黏结磨粒同样的加工效果。为解决非黏结磨料使用时由于离心力而飞离的问题，A.Cheng Wang等研制出一种由硅凝胶、钢粉和SiC组成的硅凝胶磨料(MFGA)，可以在没有磁力的情况下紧紧依附在中心杆上，钢粉和SiC也不

6、会因离心力而飞离。磁感应强度和工作间隙是影响硅凝胶磨料加工性能的主要参数，当工作间隙过大时，磁通量过小不足以对工件进行加工，当间隙过小时，工件的表面将会被破坏。非黏结磨料具有和黏结磨料相同的磨削性能，且制作方便、成本低。但是，磨料的磨削机理有待进一步深入研究。磨粒制备方面，雾化法制造金属及合金粉末有很大优势，所以近年来得到了迅速发展。但对熔点较高的金属及合金，用雾化法要制得颗粒小于 10µm 的细粉是很困难的。2 磨削装置及工艺参数 磁力研磨的加工装置和加工参数随着对加工效率和表面质量的不断提高，进一步得到改进和优化。在磁极装置研究方面，传统方法是应用电能生磁的原理，采用电机带动线圈

7、转动来产生磁力，这种装置制作麻烦且体积笨重、易发热。当前有研究者利用永磁磁极代替电磁线圈的磁力研磨装置，使装置更加简洁。磁力研磨的加工装置和加工参数随着对加工效率和表面质量的不断提高，进一步得到改进和优化。用稀土钦铁硼系永磁材料替代励磁电流磁极装置，解决了线圈产生涡流热问题，节省了磁极安装空间，由于磁性磨料的粉末状态，在加工完毕后磨料完全卸除十分困难。磁极头的形状也是影响磁力研磨加工效果的要素之一，磁极头决定了磁场分布，进而决定磨料的受力状态。研磨过程中，磨料必须随磁极旋转相对速度为零，应用光滑的磁极头时空间磁场的分布是固定的，研磨压力大于磁力时磨料与磁极头产生相对运动，既影响加工效果又磨损磁

8、极头。研究表明磁极头开槽越复杂、磁极梯度越大加工效果越好。另一方面，不同的磁极排列方式决定了磁场的大小和方向，从而决定了磨料刷的行为，影响磨削效果。不过，永磁体产生的磁力不够大、磁力磨料的快捷装卸仍然是需要解决的问题。近年来，针对不同的材料和构件的加工，已经产生了多种加工装置，工艺参数也得到了进一步的优化。3 复合光整加工技术 由于磁力研磨存在加工效率低的缺点，近年来国内外学者致力于将其与其他先进的加工方法复合使用并做了大量的实验研究。在电化学磁力研磨中，电化学加工和磁力研磨相互促进，一方面电解液在阴阳极之间电离，带电离子与工件表面发生电化学反应，在工件表面生成一层紧密的硬度较工件低的钝化膜，

9、使工件表面失去原来的活泼性质，减慢了溶解过程。由于工件表面微观高低不平，凸起部位所生成的钝化膜比在凹处所生成的厚度小，使得凸起处的电化学作用比凹处强，促进了对工件表面的整平。另一方面磁极头上的磨粒起到机械研磨作用，磨粒与工件之间的复杂相对运动，刮去了工件表面低硬度的钝化膜，使之露出新鲜表面，从而加速了电化学整平作用。此外，在增加磁场后，带电离子受到洛伦兹力的作用，运动轨迹复杂化，由规则的直线运动变为摆线运动，由于抛光研磨加工轨迹愈复杂加工效果愈好，加工效率进一步提高。从工艺方式的角度划分，主要包括电化学磁粒光整加工、磁场电化学磁粒复合光整加工。实验表明，电解磁力研磨技术有效的提高了金属去除量，

10、并且极大地提高了表面粗糙度。研究发现电解间隙、磁通密度和电解电流等参数的合理搭配能快速生成钝化膜，而工件旋转速率的合理配合能迅速将钝化膜去除，磁隙的降低和旋转速率的增加可以提高表面质量。实验表明磁场改变了电解粒子路径，使其由原来的直线变为曲线(摆线)，并且提高了速度;外施电压和刀具进给率的提高有利于提高加工效率和表面质量，而工件的旋转速率增加是有限制的。总之，电化学磁力研磨需要两种方法加工参数的合理、准确的配合方能取得良好的加工效果。超声磁力研磨是超声加工技术和磁力研磨加工技术相结合的新加工技术。目前，复合的形式主要是在磁极装置不变的情况下将超声通过转换器加持于工件上，振动方向平行于工件加工表面;或将超声加持于刀具也就是磁极上，使振动方向垂直于工件表面。前者得到的表面光洁度要大于后者，但值得注意的是，后者得到了具有微量压应力的表面，这对于提高工件的疲劳寿命是非常有利的。其他实验也表明，超声复合磁力研磨得到了比单纯磁力研磨更好的表面光洁度。4 结语 磁力研磨加工作为一种极具潜力的自动化曲面光整加工工艺，特别是基于曲面数字化的复杂曲面磁力研磨光整加工技术，可以广泛地应用于机械、模具、汽