磁性磨粒光整加工技術(shù)的研究進(jìn)展

朱肖華，何 方

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

磁性磨粒光整加工技術(shù)的研究進(jìn)展

朱肖華，何 方

(河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

磁性磨粒光整加工是利用磁場(chǎng)力和磁性磨粒對(duì)材料進(jìn)行微尺寸加工的一項(xiàng)高效率、高精度加工技術(shù)，適合于普通平面及各種自由曲面零件的加工，并且它對(duì)零件的加工效率和加工精度具有可控性。本文介紹了磁場(chǎng)發(fā)生裝置的研究進(jìn)展及磁性磨粒制備的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

磁性磨粒；粘彈性磨粒；表面粗糙度

零件精密化和小型化已成為現(xiàn)代產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)，人們對(duì)零件的加工技術(shù)不斷提出更高的要求，需要在加工過程中對(duì)零件切割痕跡和毛刺加以嚴(yán)格控制。在過去的幾年里，磁性磨粒光整加工技術(shù)發(fā)展迅速，在加工過程中磁性磨粒被放置在工件表面和磁極之間，磁場(chǎng)力由磁極產(chǎn)生,再作用到磁性磨粒上從而對(duì)工件表面施加壓力進(jìn)行光整加工。這種加工方式不僅能夠?qū)ζ矫孢M(jìn)行加工，也能夠加工圓柱內(nèi)外表面、微小零件內(nèi)孔表面、以及各種自由曲面等。近年來各國(guó)研究人員對(duì)磁性磨粒光整加工技術(shù)的研究主要為加工裝置的開發(fā)和磁性磨粒的制備，本文將針對(duì)這兩方面的最新研究成果進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步提高磁性磨粒光整加工技術(shù)的研究提供參考。

1 磁場(chǎng)發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

磁性磨粒光整加工的設(shè)備一般可分為主軸系統(tǒng)、磁場(chǎng)發(fā)生裝置、震動(dòng)裝置、進(jìn)給系統(tǒng)四個(gè)部分。其中磁場(chǎng)發(fā)生裝置是光整加工所需的動(dòng)力源，它是磁性磨粒光整加工技術(shù)的重中之重。

Jain等[1]設(shè)計(jì)了一個(gè)由脈沖直流電提供給電磁體的裝置，使得靈活的磁性磨粒刷旋轉(zhuǎn)，這種方法比傳統(tǒng)的由靜態(tài)電流提供給電磁體的方法工件表面粗糙度能夠得到很大的改善。高傳玉等人[2]使用脈沖電流控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在此實(shí)驗(yàn)中他只需調(diào)整兩個(gè)參數(shù)脈沖電流和脈沖頻率，就可以調(diào)控磁場(chǎng)大小和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度。使用這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)精細(xì)零件進(jìn)行磁力光整加工可以解決小尺寸工件難以固定加工的問題。Prateek Kala等[3]使用有限元分析設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)雙盤磁力研磨裝置，四個(gè)永磁極選用釹鐵硼材料，該裝置能夠?qū)Σ煌捕鹊墓ぜ牧霞庸こ鲚^好的表面光潔度。實(shí)驗(yàn)得出銅和不銹鋼合金的最佳光滑表面度分別為53和79 nm；研磨力的大小主要跟上下磁盤的加工間隙有關(guān)；加工轉(zhuǎn)矩主要受下磁盤的加工間隙和旋轉(zhuǎn)速度的影響。Wei Peng等[4]提出了一種在磁場(chǎng)中自由磨粒對(duì)單晶硅工件線切割的實(shí)驗(yàn)方法，該線采用直徑為0.4 mm的鍍銅鋼絲。在產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，拋光液帶動(dòng)鍍鎳的SiC磨粒進(jìn)入切削區(qū)域，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，進(jìn)入切削區(qū)域的磁性磨粒越來越多，從而使切削效率大大提高。Mulik等[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)超聲波輔助磁性磨粒加工裝置，對(duì)高碳軸承鋼工件(AISI 52100)加工得出，在加工80 s內(nèi)工件表面粗糙度可達(dá)22 nm，比未使用超聲波輔助裝置加工效果好。這可能是因?yàn)樵谀ハ鬟^程中超聲波震動(dòng)能夠消除剪切痕跡。

2 磁性磨粒制備研究進(jìn)展

制備出粘結(jié)強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性能好、切削性能好、使用持久度好、價(jià)格低的磁性磨粒是磁性磨粒光整加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此近年來各國(guó)的研究人員針對(duì)磁性磨粒制備工藝進(jìn)行討論。目前應(yīng)用較多的制備工藝主要有粘結(jié)法、粉末冶金法、化學(xué)法。

2.1 粘結(jié)法

粘結(jié)法是將一定比例的鐵基體和磨粒相混合均勻，然后用粘結(jié)劑粘結(jié)，經(jīng)加壓凝固、破碎、篩選而制備出合格的磁性磨粒。孟利等人[6]利用環(huán)氧樹脂和聚胺樹脂作為結(jié)合劑分別制備了氧化鋁磁性磨粒和碳化硅磁性磨粒，持續(xù)研磨加工時(shí)間可以達(dá)到16min，原始表面粗糙度為1.87 μm的模具鋼經(jīng)加工4min表面粗糙度可以降低到0.4 μm左右。

選擇合適的粘結(jié)劑和良好的制備工藝，是制備出綜合切削性能好的磁性磨粒的主要條件，這種方法制備的磁性磨?？梢詮浹a(bǔ)磨料顆粒易脫落而使壽命較低的缺點(diǎn)。而且由于不需要經(jīng)過太多輔助設(shè)備的使用，對(duì)制備環(huán)境沒有太高的要求，制備過程簡(jiǎn)單、成本低，所以它是使用最廣泛的制備磨粒的方法。

2.2 粉末冶金法

2.2.1 電爐燒結(jié)法

電爐燒結(jié)法是將一定比例的鐵粉和磨料混合均勻，然后壓制成塊，再在惰性氣氛或保護(hù)氣體中高溫?zé)Y(jié)、粉碎篩選制得。電爐燒結(jié)法對(duì)實(shí)驗(yàn)操作者的經(jīng)驗(yàn)要求比較高，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求也高，在制備過程中應(yīng)嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，謹(jǐn)慎操作，而且成本也相對(duì)較高。但是磨料使用持久度較好，壽命長(zhǎng)。

2.2.2 激光燒結(jié)法

激光燒結(jié)法是將一定比例的鐵粉與磨料混合均勻，由氮?dú)鈱⒒旌系哪チ铣檫\(yùn)噴射到激光燒結(jié)區(qū)，混合的磨料在此區(qū)域附近與激光相遇而發(fā)生燒結(jié)。廖月明[7]采用激光燒結(jié)法制備了Al2O3/Fe磁性磨粒并對(duì)淬火45鋼管進(jìn)行研磨加工，工件在10～12min內(nèi)表面粗糙度由3.2 μm下降到0.4 μm以下。

2.2.3 熱壓燒結(jié)法

熱壓燒結(jié)法是將一定比例的鐵粉與磨料粉混合均勻，壓制成型、粉碎，篩選。郝廣華等人[8]利用熱壓燒結(jié)法制備出了由鐵粉和碳化硅磨料制備的磁性磨粒，并且結(jié)果表明磁性磨粒的硬度可達(dá)HV 300～HV 310。

2.2.4 微波燒結(jié)法

微波燒結(jié)法是利用電磁場(chǎng)和被燒結(jié)粉末的交互作用進(jìn)行燒結(jié)，具有加熱溫度均勻、加熱速度極快、燒結(jié)溫度低于普通真空燒結(jié)溫度70～100 ℃左右、無溫度梯度、無污染、易控制等優(yōu)點(diǎn)。金國(guó)哲[9]利用微波燒結(jié)法制備了SiC/Fe磁性磨粒并對(duì)316L不繡鋼進(jìn)行加工，結(jié)果表明工件的表面粗糙度可降至0.18 μm。

2.3 化學(xué)法

2.3.1 原位反應(yīng)復(fù)合法

原位反應(yīng)復(fù)合法的基本原理：在一定條件下通過元素與元素或元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在基體內(nèi)合成硬度較高的磨料顆粒。由于此方法難以操作，制備的磁性磨粒性能不高，所以很少有這方面的報(bào)道。

2.3.2 復(fù)合鍍層法

采用分散電鍍法使磁性磨粒均勻地分散到金屬共沉積鍍層中，從而形成基質(zhì)顆粒彌散的特殊鍍層即為復(fù)合鍍層。在制備的過程中，需注意原始純鐵粉顆粒的去污活化和磨料顆粒在純鐵粉顆粒表面的均勻沉積問題。張春宇[10]以金剛石微粉為磨料顆粒，工業(yè)用鑄鋼球?yàn)榻饘馘儗樱捎脧?fù)合電鍍方法制備了磁性磨粒，可使工件(45#鋼)表面粗糙度降至0.2 μm左右。

2.3.3 霧化快凝法

霧化快凝法是將一定比例的鐵基體與磨料相混合，將混合磨料放在霧化裝置中引燃而制備磁性磨粒的方法，因該方法制成的磁性磨粒屬于彌散型，所以該工藝存在不易控制和成分分布不均勻的缺點(diǎn)。高玉龍[11]采用純鐵和Al2O3粉末使用霧化快凝法制備磨粒，發(fā)現(xiàn)Al2O3顆粒跟鐵基體結(jié)合效果很不好。然后他將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，將Al2O3顆粒進(jìn)行酸洗和預(yù)熱處理，添加鎳、鉻、硅金屬元素，提高熔融鐵的溫度。所制得的磨粒也很少符合要求，而且研磨時(shí)間只能保持在5min左右。

隨著磁性磨粒制備方法的不斷發(fā)展，研究者一直致力于研究出性能優(yōu)異的磁性磨粒，新工藝、新型磁性磨粒不斷涌現(xiàn)。

Wei-Chan等[12]開發(fā)出一種新型磁彈性磨料，采用耐沖擊性聚苯乙烯(HIPS)粒子包覆SiC和Fe3O4，由快速旋轉(zhuǎn)螺旋桿帶動(dòng)磨料拋光工件表面。與傳統(tǒng)磨料相比，新型磁彈性磨料其磁力和彈性可以一方面增加機(jī)械加工力，另一方面可以緩解沖擊，避免在拋光過程中的劃痕。同時(shí)，避免了殘余應(yīng)力、熱變形和變質(zhì)層，大大提高了工件的表面質(zhì)量，使得工件的拋光效率提高了94%。李秀紅[13]制作了粘彈性磁性磨料，其成分為甲基乙烯基硅膠、變壓器油和油酸等混合的高分子聚合物，以及純鐵粉和碳化硅。在加工15min后工件的表面粗糙度由0.53 μm下降至0.05 μm左右。說明了粘彈性磁性磨料光整加工具有加工效果好、加工效率高的優(yōu)點(diǎn)。翟洪飛[14]采用相對(duì)簡(jiǎn)單、易行的實(shí)驗(yàn)裝置制備出了粘彈性磁性磨料，并對(duì)鋁板進(jìn)行了光整加工，結(jié)果表明在加工25min后，工件的表面粗糙度可降至0.121 μm。Y.Choopani[15]研究了在磁性磨粒光整加工過程中SiC、Al2O3和金剛石粉末不同磨料對(duì)加工工件的性能對(duì)比，工件采用圓柱形AISI 440C不銹鋼。實(shí)驗(yàn)得出，金剛石粉末對(duì)改善工件表面粗糙度最有效。這可能是因?yàn)榻饎偸哂懈哂捕?，較好的耐磨性，和良好的導(dǎo)熱性。此外，金剛石化學(xué)性能偏中性、摩擦系數(shù)低，穩(wěn)定性好。

3 結(jié)束語

磁性磨粒光整加工具有諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域遍及機(jī)械、航空航天、醫(yī)療器械、精細(xì)工具、汽車等領(lǐng)域。在磁場(chǎng)發(fā)生裝置中采用四塊永磁體可以提高光整加工的效率，雖然各種磁場(chǎng)發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)取得了一定的成果，但磁性磨粒光整加工機(jī)理還有待科研工作者的深入研究，對(duì)永磁源裝置下的磁路設(shè)計(jì)尚有欠缺。制備出的新型磨粒可以有效地改善磁性磨粒制備工藝復(fù)雜、成本高、使用壽命短的問題。

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(本文文獻(xiàn)格式：朱肖華，何 方.磁性磨粒光整加工技術(shù)的研究進(jìn)展[J].山東化工,2017,46(11):58-59,62.)

Research Progress of Magnetic Abrasive Finishing Technology

ZhuXiaohua,HeFang

(College of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

Magnetic abrasive abrasive finishing is a high efficiency,high precision processing technology,which using magnetic force and magnetic particle for micro finishing . It is sui
Table for processing plane,and curved surface parts,moreover it can control the machining efficiency and machining precision .This paper describes the mechanism of magnetic abrasive finishing process,and introduces the research progress of magnetic field generating device,and the research status of the preparation of magnetic abrasive grain. Finally,the magnetic abrasive finishing technology development is discussed.

magnetic abrasive; visco-elastic abrasive; surface roughness

2017-03-25

朱肖華(1992—)，女，碩士研究生，主要從事納米材料的研究；通訊作者：何 方(1968—)，男，教授，主要從事材料科學(xué)的研究。

TQ051.9

A

1008-021X(2017)11-0058-02

(本文文獻(xiàn)格式：鮑海川.鹽酸莫西沙星片處方篩選及制備工藝的優(yōu)化[J].山東化工,2017,46(11):51-52,57.)