磁性磨料電解研磨在沖壓模具加工中的應用

王曉強，霍 穎，李新華，牟紅霞

（1.山東職業學院，山東 濟南 250104；2.濟南鐵路高級技工學校，山東 濟南 250117）

0 前言

磁性磨料電解研磨加工（Magnetic Abrasive Electrochemical Machining簡稱MAECM）是近十幾年來發展起來的光整加工工藝。作為一種新興的特種加工方法，在沖壓模具制造業中得到日益廣泛的應用。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，直接影響到沖壓產品的質量。由于很多模具型腔表面形狀復雜，一般刀具難以介入，因此用傳統工藝很難得到理想的模具型腔表面粗糙度值。目前還沒有一套比較成熟的自動化加工方法和工藝來解決這一難題。MAECM因其具有很好的柔性、自適應性、可控性等優點，可以在復雜形狀模具型腔表面得到較低的粗糙度值，因而近年來得到國際上廣泛關注。

1 基本原理

磁性磨料研磨的原理在本質上與機械研磨相同，只是磨料是導磁的，磨料作用于模具工件表面的研磨力是磁場形成的。圖1為圓柱表面進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，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，一邊作軸向振動。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上，再加上電解加工的陽極溶解作用，以加速陽極工件表面的整平過程，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 加工特點及其影響因素

2.1 加工特點

磁性磨料電解研磨加工時，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，可以對任意形狀的模具型腔表面進行拋光處理。其另一個特點是，由于磁力線象X射線一樣能夠穿過模具工件，所以，磁性研磨粒子可以進入普通刀具無法介入的任意形狀的模具型腔內部表面。通過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定的軌跡研磨模具型腔內表面，完成以往模具加工過程中無法實現的工作。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生的：

（1）電化學陽極溶解作用。陽極模具工件表面的金屬原子在電場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程更為顯著。

（2）磁性磨料的刮磨作用。實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極溶解。

（3）磁場的加速、強化作用。電解液中的正、負離子在磁場中受到洛侖茲力作用，使離子運動軌跡復雜化。當磁力線方向和電力線方向垂直時，離子按螺旋線軌跡運動，增加了運動長度，增加了電解液的電離度，促進了電化學反應，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。分布在磁場中的研磨粒子所受到的磁力主要由磁場強度、磁場強度的變化率、磁性磨粒的直徑以及磁性磨粒的磁化率大小所決定。

（1）磁場強度的大小與工作間隙有關，即與磁極N－S間的距離成反比。當模具工件是磁性材料時，在磁場中，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，此時的間隙通常很小，在1mm～3mm之間，所以，可以得到較大的磁場強度，研磨效率較高。由此可見，工作間隙越小，研磨力越大，研磨效率也越高，具體見圖2所示。對于復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，從而提高效率和質量。

圖2 研磨力－工作間隙關系曲線

當模具工件材料磁性不足時，模具工件不能被完全磁化。為得到較大的磁力，工作臺采用強磁性材料制成，成為另一個磁極；磁力線象X射線一樣穿過模具工件，此時的工作間隙是磁極與工作臺之間的距離，造成磁場強度較小，研磨效率不高。因此，在加工材料磁性不足的模具時，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，粒子間的相對滑動就會減少，由磁性磨粒所構成的磁力刷會更好地追隨磁極轉動，粒子間的相對滑動也減少。但是，模具加工區域的空間是有限的；另外，隨著粒徑的增大，參與切削的切削刃的數量也減少，使得研磨效率反而降低。因此，粒徑應該有一個最佳值。

（3）磁場強度變化率。可以通過改變磁極的形狀來獲得。這一點非常重要，因為它不僅影響到磁場的分布，還影響磁力線的方向，影響磁粒在磁場中的受力狀態。通常采用在磁極上開槽的方式來獲取磁場強度變化率。因為開槽后的磁極，各處的工作間隙不同，所得到的磁場強度也不同，產生了磁場的強弱變化。磁性粒子總是向磁力大的地方流動，這樣就促進了磁性磨粒的流動性，從而大幅度提高模具加工效率。

3 設備和工具組成

磁研磨加工裝置基本上是由能使磁性研磨粒子轉動或相對轉動并給予一定圓周速度的驅動系統組成。它可以在普通臺鉆、立鉆或車床、銑床上稍加改裝即可實現。比如在普通數控銑床上，粗銑加工出模具三維曲面后再用該銑床直接進行磁力研磨精密拋光處理，這樣就可利用加工時的程序數據進行磁研磨加工，從而在精密拋光的同時，保證了模具零件的形狀和尺寸精度。當然，也可以在普通機床上增設專用夾具裝置來實現。

磁力系統方面，對小型模具零件可采用永磁材料以節省電能消耗，大中型模具零件的磁力系統則用導磁性較好的軟銅、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）加入粘結劑攪拌均勻后加壓燒結經粉碎而成的。也可將鐵粉和磨料混合后用環氧樹脂等粘結成塊，然后粉碎、篩選成不同粒度。磨料在研磨過程中始終吸附在磁極間，一般不會流失。但研磨日久后磨粒會破碎變鈍，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。

外設方面，還應有電解加工用的低壓直流電源和相應的電解液，泵、箱等循環澆注系統。

4 生產應用

磁性磨料電解研磨加工可應用于模具表面光整加工、去毛刺、倒棱拋光處理，適合于平面、內圓、外圓、曲面的多種加工。目前，對于復雜三維曲面的模具工件，很多企業還停留在加工效率低、費力、費時的手工加工階段，自動化程度還很低。磁性磨料電解研磨加工無疑可以起到改善工作條件、推動自動化進程的作用。而對于模具型腔而言，可以將微小顆粒的磁性磨料投入進去，利用外部磁極所產生的磁力，將磁性磨粒壓附于模具型腔表面，從而完成傳統工藝無法加工的復雜形狀內表面。

[1] 劉晉春，趙家齊，趙萬生.特種加工[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2] 電解加工編譯組.電解加工[M].北京：國防工業出版社，1977.

[3] 賈慈力.模具數控加工技術[M].北京：機械工業出版社，2012.