游離磨粒加工技術的研究現狀及發展

摘要：游離磨粒加工技術是近年來得到廣泛重視的一種傳統加工技術，應用游離磨粒加工技術對材料表面進行光整加工得到了越來越多的重視。本文對國內外游離磨粒加工技術的研究概況進行了綜述。介紹了游離磨粒加工技術在光整加工中的應用，分析了其中應重點解決的問題，并對游離磨粒加工技術的發展前景進行了展望。

關鍵詞：游離磨粒加工；材料表面；光整加工

1引言

游離磨粒加工技術是歷史最久而又不斷發展的加工方法，它是不切除或切除極薄的材料層，用以降低工件表面粗糙度值或強化加工表面的加工方法，多用于最終工序加工。近年來，在這些傳統工藝的基礎上，出現了許多新的游離磨粒加工方法，如磁性研磨、彈性發射加工、流體動力拋光、液中研拋、磁流體拋光、擠壓研拋、磨粒噴射加工等。

2 游離磨粒加工技術的分類

2.1 傳統的研磨和拋光

研磨是一種常用的光整加工方法，研磨加工的機理是利用附著或壓嵌在研具表面上的游離磨粒，以及研具與工件之間的微小磨粒借助于研具與工件的相對運動，切除下微細的切屑，以得到精確尺寸和表面粗糙度值很小的加工表面。研磨加工的切削作用一般分為兩種情況，一種是滑動切削，即兩體加工，鑲嵌粘附在研具上的磨粒，與工件相對運動而產生推擠作用，使工件留下帶有擦痕的光滑表面；另一種是由研具與工件之間的磨粒旋轉作用而產生的滾動切削，即三體加工，研磨開始僅有少數大顆磨粒切削，效率并不高，且比壓大，隨后很快被壓碎變為許多小磨粒一起參加工作。磨粒一方面切削工件，另一方面繼續被壓碎，研磨效率基本上不變。持續一段時間后，由于磨粒愈益細化，研具與工件之間的間隙變窄，切屑堵塞于磨粒之間的縫隙，研磨效率急劇下降，工件表面變得非常光滑。

拋光也和研磨一樣，是將研磨劑擦抹在拋光器上對工件進行拋光加工。但是，拋光使用的磨粒是1 以下的微細磨粒，而拋光器則需使用瀝青、石蠟、合成樹脂和人造革等軟質材料制成，即使拋光硬脆材料也能加工出一點裂紋也沒有的鏡面。

2.2 浴法拋光

浴法拋光（Bowl-Feed Polishing）早在六十年代就已出現，當時美國為發展深紫外波段的光學，需要平面度和粗糙度很好的光學元件。采用這種方法在熔石英平面上獲得了0.5nmRMS的光滑表面，而當時使用的常規方法，只能獲得1-4nmRMS的表面。在浴法拋光（圖1）中拋光液浸沒了磨盤與工件的交接面，與傳統的常規拋光類似，工件在旋轉的瀝青盤上水平擺動，并繞自身旋轉，保證工件上每點與瀝青盤上每點隨機接觸，使工件被均勻去除。由于離心力及重力的作用，拋光液中的磨料顆粒被甩到邊緣并沉到桶底。拋光過程分兩個階段：拋光開始時使用攪拌棒，讓磨料在溶液中均勻分布，這樣就不斷有磨料顆粒沉淀在瀝青盤上。磨料有自銳性，研磨破碎后露出新的鋒利邊緣，仍有磨削作用，但粒度更小了；此時，工件與瀝青盤已很好地吻合，磨料粒度已足夠小。移去攪拌棒，使拋光液中磨料沉入桶底，瀝青盤上的磨料逐漸減少，有效拋光液濃度不斷降低，由于拋光中磨料顆粒不斷被研碎擠入瀝青中，瀝青盤表面變得越來越光滑，嵌入其中的磨料微粒不斷銳化并變得越來越小，尤如一把把極小的車刀，持續微量地車削工件表面，使其粗糙度降低。由于工件浸于液體中，工作時液體的作用使磨盤與工件的接觸更柔和；大量液體的存在保證了磨盤表面局部溫度的均恒，使磨盤不易變形，拋光小環境相對穩定，這樣就有希望獲得高面形精度的表面。

2.3磁力懸浮研磨

磁力懸浮研磨是基于磁性流體中非磁性磨粒受磁場作用時，會產生向低磁場方向懸浮的現象而研究出的光整加工方法。借助活性劑的作用，使鐵氧體微細粒子穩定地分散在油和水等溶液中而構成膠態流體。在受磁場作用時，由于磁性流體中鐵氧體的強磁性微細粒子的作用，磁性流體顯示出被吸向高磁場一側的性質。如果在磁性流體中存有非磁性體，在受磁場作用時，非磁性體則與磁性流體相反，產生趨向低磁場一側的現象。研磨加工通常使用的磨粒是非磁性體的。應用這種磁力懸浮現象進行的研磨就是磁力懸浮研磨法。它有以下幾個特點：由于磁懸浮力的作用，使作用于研磨面的磨粒數量增多；由于磨粒由流體支承，因此磨粒的支承富有彈性。另外，加工壓力是由磁懸浮力所賦予，故作用于每個磨粒的加工壓力與磨粒的數量無關；由于磁性流體的熱傳導率很大，因此可以控制加工點的溫升；越接近磁鐵，作用于磨粒的磁懸浮力越大。因此，對工件形狀還有修正效果。

2.4磁粒光整加工

所謂磁粒光整加工（Magnetic Abrasive Finishing，簡稱MAF），就是利用磁場通過強磁性介質產生的磁作用力作用到磁粒上，使磁粒對工件進行微切削加工的方法。圖2為圓柱表面磁粒光整加工原理圖，將工件放置在由電磁鐵N極和S極構成的磁場中，在電磁鐵與工件之間填充磁性磨粒，當對電磁鐵通以直流電時，在N、S兩極之間便產生磁場，磁性磨粒被磁極吸引，在磁力的作用下，磁粒沿磁力線整齊地排列成刷子狀，并對加工工件表面形成一定的壓力，當磁極與工件之間產生相對運動時，磁刷掃過工件表面，從而對工件待加工表面進行研磨、去毛刺、提高工件表面硬度等過程的光整加工。該加工方法改善了工件表面的應力分布狀態，延長了工件的使用壽命。磁性磨粒由純鐵粉（Fe）作為載體，加入一些Al2O3或SiC等磨粒混合制成。

2.5磁流變拋光

八十年代中期由Kordonski發明的磁流變拋光（Magnetorheological Finishing MRF）是使用磁場改變磁流變液體的粘度，磁流變液體不斷地在泵之間循環，電磁使液體中的固相之間不斷交替（圖3），磁流變拋光液加到旋轉輪邊緣并被帶進拋光區，工件裝夾在數控機床上并浸在液流里，和彈性發射加工及其它數控加工一樣，材料去除量是由給定位置的駐留時間決定的。砂輪邊緣和拋光表面形成楔形間隙暴露在磁性域中，在砂輪邊緣產生磁性變粘的磁流變拋光液通過楔形間隙，這種拋光液在接觸區產生剪切壓力并去除工件表面材料。

由于去除率和流體粘度有關，因此去除率是很穩定的。通過監測和控制使流體粘度保持在±1％以內。通過改變砂輪速度，零件在磁流體中位置和磁場強度來調整去除率，產生光滑無損傷表面的同時得到相對較高的穩定的材料去除率。不同于傳統拋光，磨粒法向載荷能劃傷工件表面，磁流變拋光依靠剪切模式去除材料，磨粒在法向方向不受任何力的作用。

2.6磨粒噴射加工

磨粒噴射加工（Abrasive Jet Machining）是一種使用游離磨粒以運動方式進行的磨料去除加工。其工作機理是用高速射流（氣體、液體或氣體與液體的混合物）噴射磨粒，磨粒以很高的速度沖擊或拋磨工件表面，從而去除工件表面材料。磨粒噴射光整加工設備是由四部份組成：存儲、混和和輸送磨料的裝置；工作室；吸塵器；供應干燥清潔氣體的氣源。經過干燥和油水分離的壓縮空氣到達混和室與來自磨料喂入裝置的磨料相混和，壓縮氣體的壓力和流量通過調壓閥控制，磨料喂入量通過調節振動器的振幅和頻率控制，經混和后的磨料流由噴嘴噴出，直接作用到被加工工件表面。真空吸塵器與工作室相連，以吸除廢屑及加工后的磨料流塵埃。氣源的壓力至少要700～900Kpa，氣體含水量要小于萬分之五，可以用瓶裝二氧化碳或氮氣作為干燥氣體的氣源。噴嘴端部通常用碳化鎢或藍寶石制造，其壽命與所用磨料的種類及壓力有關。磨料微粉必須干凈、干燥和仔細分選，磨料不能回用。

噴射加工的特點：磨粒噴射加工是冷切削，不影響和改變熱敏感合金的特性，在加工過程中，工件表面不產生加工應力和熱損傷；磨粒噴射光整加工后的表面有散亂的紋理，表面粗糙度 值在0.15～1.6 之間，為防止在加工表面形成彎月形洼坑，噴嘴必須作不停的運動；磨粒噴射所用磨料粉末應仔細分級篩選，以保證形成合適的射流；壓縮氣體不能用氧氣替代，因為氧氣與工件碎屑或磨料相混和時可能發生強烈的化學反應，此外，壓縮氣體要經過過濾和干燥，以除去油和水分；噴射加工要在防塵罩內或在吸力足夠的吸塵器附近進行。

2.7彈性發射加工

彈性發射加工（Elastic Emission Machining）是由日本Mori Y.在1976年發明的\"原子級尺寸加工方法\"。其加工系統是由旋轉輪、加工液和工件組成，工件和旋轉輪都浸漬在加工液中，旋轉輪通常是由聚氨脂或橡膠等軟質材料制成。加工液由水和微細磨料（亞微米或幾十個納米）混和而成，通過控制法向載荷使旋轉輪和工件之間的間隙在1 左右，當旋轉輪旋轉時，旋轉輪與工件之間的楔形間隙就形成了類似于流體動壓潤滑現象。微細磨粒與水的混合物在流體動壓力、旋轉輪旋轉所產生的高速氣流及離心力的作用下，進入旋轉輪與工件之間。微細磨粒與工件在狹小的空間內接觸，產生一種原子結合力，當磨粒在流體剪切應力的作用下離開時，使工件表面產生原子級的極微量的彈性破壞，實現工件表面層原子的分離，從而去除工件表面材料。由于微細磨粒沖擊工件表面所產生的能量不足以使工件表面材料產生塑性變形，而只是原子間結合的微小彈性破壞，所以得到了原子級的精度和沒有缺陷的表面。微細磨料在旋轉輪的約束下和工件表面接觸，通過控制旋轉輪的運動就可以得到十分理想的加工精度。彈性發射加工利用游離磨料和工件表層材料原子相結合，然后在加工液動壓力和剪切應力的作用下，磨粒離開結合表面，從而實現對工件的微去除加工。彈性發射加工和傳統的加工方法相比有以下兩個顯著的特點：加工機床的剛度比傳統的加工方法要求低；加工過程不受溫度變化和機床振動的影響。根據加工條件（磨料尺寸、硬度、介質黏度、旋轉輪速度、加工液剪切應力、加工時間、法向載荷大小）和工件材料的不同，可獲得納米級精度和表面粗糙度值，沒有熱損傷和表面變質層。

3 游離磨粒加工技術的發展趨勢

隨著技術的進步和對精密表面需求的增加，游離磨粒加工技術獲得了長足的發展，原子級超光滑表面獲得已不再困難。在眾多加工方法中，依賴于精細磨粒的拋光技術仍是主流，其特點是加工效率高，設備簡單，成本低。如采用浸液拋光方式、使用高精度的拋光模、采用軟質材料拋光液、重視拋光液的化學作用和拋光粉的弱機械作用，實現化學機械拋光等。當今超游離磨粒加工技術應用領域的迅速擴大，其正向降低制造成本、提高加工效率的方向發展。隨著材料科學的發展，采用特殊材料的機床將具有更高的精度和穩定性。電子學的進步則使機床控制技術得以極大提高。這些都使材料的去除量達到納米級成為可能。利用場效應輔助拋光是游離磨粒加工的另一發展趨勢。通過控制工件所受的加工壓力來操縱材料的去除，最終達到弱力乃至微力加工是提高超光滑表面加工效率的一條重要途徑。

4 結束語。隨著科學技術的進步，開發出越來越多的新型材料，對材料的加工精度要求也越來越高。游離磨粒加工技術作為一種精密加工技術，其具有的獨特優勢使其可以在各種難加工材料的加工中發揮作用，尤其是微磨料噴射加工技術的發展，對拋光技術的研究和工藝的成熟將起到推動作用。

參考文獻

[1]Shorey A B.Understanding the mechanism of glass removal in magnetorheological finishing(MRF).LLE Review，2001.

[2]袁哲俊，王先逵. 精密和超精密加工技術[M]. 北京:機械工業出版社，1999

[3]王貴成，張銀喜.精密與特種加工[M]. 武漢：武漢理工大學出版社， 2001