磁性磨料電解研磨在沖壓模具加工中的應(yīng)用

王曉強(qiáng)，霍 穎，李新華，牟紅霞

（1.山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104；2.濟(jì)南鐵路高級(jí)技工學(xué)校，山東 濟(jì)南 250117）

0 前言

磁性磨料電解研磨加工（Magnetic Abrasive Electrochemical Machining簡(jiǎn)稱MAECM）是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的光整加工工藝。作為一種新興的特種加工方法，在沖壓模具制造業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。模具工件最后一道加工工序的光整加工所得到的表面粗糙度值，直接影響到?jīng)_壓產(chǎn)品的質(zhì)量。由于很多模具型腔表面形狀復(fù)雜，一般刀具難以介入，因此用傳統(tǒng)工藝很難得到理想的模具型腔表面粗糙度值。目前還沒(méi)有一套比較成熟的自動(dòng)化加工方法和工藝來(lái)解決這一難題。MAECM因其具有很好的柔性、自適應(yīng)性、可控性等優(yōu)點(diǎn)，可以在復(fù)雜形狀模具型腔表面得到較低的粗糙度值，因而近年來(lái)得到國(guó)際上廣泛關(guān)注。

1 基本原理

磁性磨料研磨的原理在本質(zhì)上與機(jī)械研磨相同，只是磨料是導(dǎo)磁的，磨料作用于模具工件表面的研磨力是磁場(chǎng)形成的。圖1為圓柱表面進(jìn)行磁性磨料電解研磨加工的原理示意圖。在垂直于工件圓柱表面軸線方向加一磁場(chǎng)，在S、N兩磁極之間加入磁性磨料，磁性磨料吸附在磁極和工件表面上，并沿磁力線方向排列成有一定柔性的“磨料刷”。工件一邊旋轉(zhuǎn)，一邊作軸向振動(dòng)。磁性磨料在工件表面輕輕刮擦、擠壓、竄滾，從而將工件表面上極薄的一層金屬及毛刺切除，使微觀不平度逐步整平。在磁性磨料研磨的基礎(chǔ)上，再加上電解加工的陽(yáng)極溶解作用，以加速陽(yáng)極工件表面的整平過(guò)程，提高工藝效果，故稱之為磁性磨料電解研磨加工。

圖1 MAECM加工原理

2 加工特點(diǎn)及其影響因素

2.1 加工特點(diǎn)

磁性磨料電解研磨加工時(shí)，加工間隙中的研磨粒子組成磁性刷，隨著模具表面形狀的變化而變化，可在模具表面仿形壓附、翻滾、分離，不受模具表面形狀的限制，有很好的加工柔性，可以對(duì)任意形狀的模具型腔表面進(jìn)行拋光處理。其另一個(gè)特點(diǎn)是，由于磁力線象X射線一樣能夠穿過(guò)模具工件，所以，磁性研磨粒子可以進(jìn)入普通刀具無(wú)法介入的任意形狀的模具型腔內(nèi)部表面。通過(guò)變化外部的磁鐵改變磁力線的方向即可控制磁性研磨粒子按照規(guī)定的軌跡研磨模具型腔內(nèi)表面，完成以往模具加工過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工作。磁性磨料電解研磨的模具表面光整效果是在以下三重因素作用下產(chǎn)生的：

（1）電化學(xué)陽(yáng)極溶解作用。陽(yáng)極模具工件表面的金屬原子在電場(chǎng)及電解液的作用下失去電子成為金屬離子溶入電解液，或在金屬表面形成氧化膜即鈍化膜，微凸處比凹凸處的這一氧化過(guò)程更為顯著。

（2）磁性磨料的刮磨作用。實(shí)際上主要是刮除模具工件表面的金屬鈍化膜，而不是刮金屬本身，使露出新的金屬原子不斷陽(yáng)極溶解。

（3）磁場(chǎng)的加速、強(qiáng)化作用。電解液中的正、負(fù)離子在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力作用，使離子運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜化。當(dāng)磁力線方向和電力線方向垂直時(shí)，離子按螺旋線軌跡運(yùn)動(dòng)，增加了運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度，增加了電解液的電離度，促進(jìn)了電化學(xué)反應(yīng)，降低了濃差極化。

2.2 影響因素

影響磁性研磨加工效率和質(zhì)量的因素很多，磁力大小是影響研磨效率的最主要的因素之一。分布在磁場(chǎng)中的研磨粒子所受到的磁力主要由磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化率、磁性磨粒的直徑以及磁性磨粒的磁化率大小所決定。

（1）磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與工作間隙有關(guān)，即與磁極N－S間的距離成反比。當(dāng)模具工件是磁性材料時(shí)，在磁場(chǎng)中，模具工件被磁化，成為新的磁極，模具工件與磁極間的間隙就是工作間隙，此時(shí)的間隙通常很小，在1mm～3mm之間，所以，可以得到較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，研磨效率較高。由此可見(jiàn)，工作間隙越小，研磨力越大，研磨效率也越高，具體見(jiàn)圖2所示。對(duì)于復(fù)雜形狀的模具型腔工件，可以考慮改變磁極的形狀，盡可能使之與模具零件表面形狀相匹配，最大限度減少工作間隙并保持一致性，從而提高效率和質(zhì)量。

圖2 研磨力－工作間隙關(guān)系曲線

當(dāng)模具工件材料磁性不足時(shí)，模具工件不能被完全磁化。為得到較大的磁力，工作臺(tái)采用強(qiáng)磁性材料制成，成為另一個(gè)磁極；磁力線象X射線一樣穿過(guò)模具工件，此時(shí)的工作間隙是磁極與工作臺(tái)之間的距離，造成磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，研磨效率不高。因此，在加工材料磁性不足的模具時(shí)，提高工作效率的主要方法是提高粒子的磁化率和磨粒的直徑。

（2）磁性磨粒直徑的影響。增大粒徑，磁吸引力將急劇增加，粒子間的相對(duì)滑動(dòng)就會(huì)減少，由磁性磨粒所構(gòu)成的磁力刷會(huì)更好地追隨磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，粒子間的相對(duì)滑動(dòng)也減少。但是，模具加工區(qū)域的空間是有限的；另外，隨著粒徑的增大，參與切削的切削刃的數(shù)量也減少，使得研磨效率反而降低。因此，粒徑應(yīng)該有一個(gè)最佳值。

（3）磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率?？梢酝ㄟ^(guò)改變磁極的形狀來(lái)獲得。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗粌H影響到磁場(chǎng)的分布，還影響磁力線的方向，影響磁粒在磁場(chǎng)中的受力狀態(tài)。通常采用在磁極上開槽的方式來(lái)獲取磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率。因?yàn)殚_槽后的磁極，各處的工作間隙不同，所得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度也不同，產(chǎn)生了磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化。磁性粒子總是向磁力大的地方流動(dòng)，這樣就促進(jìn)了磁性磨粒的流動(dòng)性，從而大幅度提高模具加工效率。

3 設(shè)備和工具組成

磁研磨加工裝置基本上是由能使磁性研磨粒子轉(zhuǎn)動(dòng)或相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)并給予一定圓周速度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。它可以在普通臺(tái)鉆、立鉆或車床、銑床上稍加改裝即可實(shí)現(xiàn)。比如在普通數(shù)控銑床上，粗銑加工出模具三維曲面后再用該銑床直接進(jìn)行磁力研磨精密拋光處理，這樣就可利用加工時(shí)的程序數(shù)據(jù)進(jìn)行磁研磨加工，從而在精密拋光的同時(shí)，保證了模具零件的形狀和尺寸精度。當(dāng)然，也可以在普通機(jī)床上增設(shè)專用夾具裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

磁力系統(tǒng)方面，對(duì)小型模具零件可采用永磁材料以節(jié)省電能消耗，大中型模具零件的磁力系統(tǒng)則用導(dǎo)磁性較好的軟銅、低碳鋼或硅鋼片制成磁極、鐵心回路，外加勵(lì)磁線圈并通以直流電，即成為電磁鐵。

磁性磨料是將鐵粉或鐵合金（如硼鐵、錳鐵或硅鐵）的粉和磨料（如氧化鋁或碳化硅、碳化鎢等）加入粘結(jié)劑攪拌均勻后加壓燒結(jié)經(jīng)粉碎而成的。也可將鐵粉和磨料混合后用環(huán)氧樹脂等粘結(jié)成塊，然后粉碎、篩選成不同粒度。磨料在研磨過(guò)程中始終吸附在磁極間，一般不會(huì)流失。但研磨日久后磨粒會(huì)破碎變鈍，且磨料中混有大量金屬微屑而變臟，因此需要定期更換磨料。

外設(shè)方面，還應(yīng)有電解加工用的低壓直流電源和相應(yīng)的電解液，泵、箱等循環(huán)澆注系統(tǒng)。

4 生產(chǎn)應(yīng)用

磁性磨料電解研磨加工可應(yīng)用于模具表面光整加工、去毛刺、倒棱拋光處理，適合于平面、內(nèi)圓、外圓、曲面的多種加工。目前，對(duì)于復(fù)雜三維曲面的模具工件，很多企業(yè)還停留在加工效率低、費(fèi)力、費(fèi)時(shí)的手工加工階段，自動(dòng)化程度還很低。磁性磨料電解研磨加工無(wú)疑可以起到改善工作條件、推動(dòng)自動(dòng)化進(jìn)程的作用。而對(duì)于模具型腔而言，可以將微小顆粒的磁性磨料投入進(jìn)去，利用外部磁極所產(chǎn)生的磁力，將磁性磨粒壓附于模具型腔表面，從而完成傳統(tǒng)工藝無(wú)法加工的復(fù)雜形狀內(nèi)表面。

[1] 劉晉春，趙家齊，趙萬(wàn)生.特種加工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 電解加工編譯組.電解加工[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1977.

[3] 賈慈力.模具數(shù)控加工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.