磁力研磨加工718 模具鋼表面質(zhì)量和形貌試驗(yàn)研究

吳 昊 張桂香 陳春增

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255049)

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，模具的使用變得越來越重要，模具型腔的精度與表面粗糙度有密切關(guān)系，所加工產(chǎn)品尺寸精度和光澤主要取決于模具型腔表面形貌和表面粗糙度［1］。718 模具鋼作為瑞典P20 鋼的改進(jìn)鋼種，添加了1%Ni 使此鋼的淬透性有所提高，而且Ni在鐵素體中的固溶，更能增加材料的強(qiáng)度和韌性［2］，所以廣泛應(yīng)用于制造高檔次塑料模具。一般718 模具鋼經(jīng)過拋光后，其表面粗糙度值要求達(dá)到0. 016 μm［3］。光整加工作為模具加工的最后一道工序，是直接影響模具質(zhì)量好壞的最重要一環(huán)，因此備受國內(nèi)外專家重視［4-5］。目前光整加工的方法有:手工拋光、超聲波拋光、化學(xué)和電化學(xué)拋光。但這些方法受限于模具型腔的復(fù)雜性、多樣性、不規(guī)則性，很難在模具加工行業(yè)推廣應(yīng)用。

磁力研磨是磁力光整加工技術(shù)的一個(gè)分支，被定義為存在于加工區(qū)域中的磁場(chǎng)對(duì)表面進(jìn)行研磨和微去除［6-7］。由于磁力研磨具有柔性、自適應(yīng)性、磁場(chǎng)可控性、工具無須補(bǔ)償修型等［8］特點(diǎn)，可以和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化，加工復(fù)雜的模具型腔表面具有獨(dú)到的效果。而且磁力研磨在三維切削加工、電火花加工等預(yù)加工情況下，都可以對(duì)模具進(jìn)行光整加工［1］。同時(shí)，磁力研磨也最有潛力成為解決模具型腔光整加工的有效方法。因此，探討718 模具鋼磁力研磨的加工機(jī)理、表面形貌特征及表面粗糙度的變化是非常有必要的。

1 磁力研磨機(jī)理

磁力研磨是由前蘇聯(lián)學(xué)者提出的一種全新的加工方法，它是將磁場(chǎng)應(yīng)用到對(duì)工件的磨削加工中，借此獲得具有高光整度的表面形貌。本試驗(yàn)采用的是永磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)工件表面進(jìn)行研磨，磁力研磨加工示意圖如圖1 所示。磁性磨料在磁場(chǎng)的作用下形成磁力研磨刷，在機(jī)床主軸的帶動(dòng)下對(duì)工件進(jìn)行微去除如圖2 所示。試驗(yàn)中所用磨料為新型的球形磨料，該磨料采用氣體霧化與快速凝固相結(jié)合的技術(shù)制得。磨料由鐵基合金與硬質(zhì)磨料粉末組成，鐵基合金是Fe -Si -Al -Ni- Cr 按照質(zhì)量比為9. 6% Si、5. 4% Al、5% Ni 和0.5%Cr，其余的為Fe 配制而成。硬質(zhì)磨料粉末為白剛玉微粉(W7)。采用這種方法制得的磨料有如下特點(diǎn):(1)磨粒均勻分布在基體表面，并與基體結(jié)合緊密;(2)鐵基合金的加入，能增加硬質(zhì)磨料粉末的潤濕性，提高鐵基與硬質(zhì)粉末的結(jié)合力、基體強(qiáng)度、韌性及抗氧化性，延長磨料的使用壽命;(3)該磨料具有微刃等高性的良好特性，提高了研磨工件的效率和研磨質(zhì)量［9］。由于此球形磨料具有微刃等高性，其磨削機(jī)理主要包括以下兩個(gè)方面:

(1)磨粒微刃的切削

磨粒在研磨模具鋼表面時(shí)，磨粒的微刃作為切削刃對(duì)工件進(jìn)行微量切削。在研磨時(shí)，由于磨粒自身的彈性導(dǎo)致磨粒微刃在研磨工件時(shí)具有了等高性即加工深度的一致，所以被研磨工件表面粗糙度值迅速減小。

(2)磨粒微刃的擠壓和拋光

開始加工時(shí)，磨粒表面的微刃主要對(duì)工件表面進(jìn)行切削，達(dá)到材料去除的目的。然而經(jīng)過一段時(shí)間的加工后，磨粒表面的微刃出現(xiàn)磨損導(dǎo)致微刃變鈍，此時(shí)磨粒表面的微刃主要對(duì)工件表面進(jìn)行擠壓和拋光，從而提高了工件研磨效率，工件表面質(zhì)量得到進(jìn)一步的改善［10］。

2 試驗(yàn)加工條件及參數(shù)

試驗(yàn)裝置為改裝數(shù)控銑床XK7136C;工件為718模具鋼;磁極N38 釹鐵硼永磁極(φ10 mm)在1.5～2 mm 的間隙內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.85～0.65 T;研磨液為46#機(jī)械油(粘稠度為46)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為主軸轉(zhuǎn)速S=2000 r/min、進(jìn)給速度f=30 mm/min、加工間隙δ=2 mm、磨料填充量t=2 g、研磨液添加量為1 mL。選用Al2O3 系磨料，100～200 目、200～300 目、300～400 目，加工時(shí)間依次為5 min、10 min、5 min，總加工時(shí)間為20 min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 濕研磨與干研磨對(duì)比分析

從圖3a 中可以看出干研后，在工件表面形成一層灰色硬質(zhì)層。這是由于718 模具鋼具有強(qiáng)導(dǎo)磁性，在試驗(yàn)過程中，極易被磁極所磁化，從而吸附磨料在工件表面。而強(qiáng)永磁極吸附大量磨料形成的磁力研磨刷在高轉(zhuǎn)速下對(duì)所加工表面形成極大的壓力，致使磨料中的微小顆粒壓嵌在工件表面，沒有達(dá)到材料去除和光整加工的目的。采用濕研磨，在加工前向工件被加工區(qū)域表面滴上研磨液，使其均勻分布在表面，然后對(duì)工件進(jìn)行加工。從圖3a 中可以看到加工后在濕研磨區(qū)域形成一層黑色油污，清潔油污后(如圖3b 所示)在原區(qū)域呈現(xiàn)光亮表面。這是由于在加入研磨液后，在物理吸附作用下，分子間吸引力相互作用在工件表面和磁力研磨刷之間形成了一層潤滑膜。這層潤滑膜對(duì)工件表面起到了保護(hù)作用，避免微小磨料和細(xì)屑嵌入工件表面;同時(shí)，大大增加了磁力研磨刷中磨料的流動(dòng)性，提高了研磨效率。

3.2 表面形貌與表面微裂紋的改善

原始工件經(jīng)過精密磨床磨削，由于受到機(jī)械振動(dòng)、磨盤溫度變化、材料變形等諸多因素的影響，原工件產(chǎn)生了一定程度的塑性變形和彈性變形并在樣件表面留下了溝壑型劃痕(圖4a 所示)及大量毛刺(圖5a 所示)。同時(shí)，原始工件在磨床磨削過程中對(duì)工件表面有擠壓、粘附等作用，以壓力切入方式進(jìn)行加工，導(dǎo)致工件表面沿加工方向形成微細(xì)裂紋(圖4a 所示)。經(jīng)過磁力光整加工后，工件微觀二維形貌發(fā)生明顯變化(圖4b 所示)，原始工件表面溝壑型劃痕消失不見取而代之的是點(diǎn)狀凹凸平面(圖5b 所示)。這是由于在磁力研磨過程中，磁極吸附磨料所形成的磁力研磨刷具有很好的彈性和自適應(yīng)性，對(duì)研磨各區(qū)域都進(jìn)行等高磨削，并產(chǎn)生最大的法向壓力，提高了研磨效率和加工質(zhì)量。同時(shí)，在磁力研磨過程中，磁性磨粒隨著磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)能同時(shí)在加工表面產(chǎn)生滑動(dòng)和滾動(dòng)，使得每個(gè)磨粒的磨削時(shí)間短、切削深度小，在不破壞表面的晶相組織結(jié)構(gòu)的前提下，去除并改善了微觀裂紋。表面形貌的改善能夠減少工件微應(yīng)力集中現(xiàn)象并且增強(qiáng)材料的疲勞性能［11］。

3.3 表面粗糙度影響

表面粗糙度是研究表面完整性中重要的一環(huán)，研究了零件表面與其各項(xiàng)性能之間的關(guān)系，度量工件表面微觀不平度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面形貌的量化描述。原始工件在加工過程中受到磨床擠壓作用和磨削過程中材料變形等因素影響使得工件表面粗糙度值增大。在磁力研磨光整加工過程中，磨粒的微刃猶如刀具的切削刃對(duì)工件進(jìn)行微量切削。隨著微刃的磨鈍，等高的磨粒表面會(huì)變得光滑平整，對(duì)工件表面進(jìn)行擠壓和拋光，快速降低表面粗糙度值，使工件的研磨效率和表面質(zhì)量顯著提高。從圖6 中可以看出，經(jīng)過20 min 磁力研磨光整加工后，工件表面粗糙度值由原始的0.413 μm減小到0.014 μm，其加工前后鏡面效果對(duì)比如圖7 所示。經(jīng)過磁力研磨后，工件表面粗糙度值降低，其疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性有很大程度的改善，延長了718 模具鋼作為模具型腔材料的使用壽命。

4 結(jié)語

(1)在磁力研磨試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)濕研磨可以對(duì)718 模具鋼達(dá)到材料去除和光整加工的目的。加入研磨液所形成的潤滑膜增加了磨料的流動(dòng)性，提高了研磨效率。

(2)由于磁力研磨刷具有很好的彈性和自適應(yīng)性，以及磁力光整加工中的微刃切削、滑擦、拋光作用，使原始工件表面的微觀表面形貌得到改善和微觀裂紋得以去除，從而提高了模具鋼的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。

(3)在磁力研磨后，工件表面達(dá)到鏡面效果，表面粗糙度值由原始的0.413 μm 降到0.014 μm，達(dá)到了作為模具型腔材料所要求的表面粗糙度值。

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