一種磁場控制成形的砂輪制備方法

游永豐 陳逢軍，2 龔 勝 尹韶輝，2

1.湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心，長沙，410082 2.常州湖南大學裝備機械研究院，常州，213164

0 引言

近年來，隨著光學、電子、信息、航空航天技術的飛速發展，高集成、高性能、高精度的光學系統對以碳化鎢、碳化硅、光學玻璃等硬脆材料為代表的非球面光學元件的要求越來越嚴格，對硬脆難加工材料的超精密加工技術提出了更高的要求［1］。硬脆材料的微小非球面透鏡及光學模具的制造技術中，獲得高形狀精度和高表面質量最有效的工藝方法是采用微小直徑的微粉砂輪進行斜軸鏡面納米磨削［2］。

高精度的微小非球面光學元件既要具備納米級的表面粗糙度，又要有極高的形狀精度。傳統的砂輪中，磨粒隨機分布、不規則，易出現磨粒團聚，導致被磨削表面粗糙度不均勻，有時出現過度磨削、燒結、亞表面燒傷，不能滿足加工要求［3］。若能在砂輪中實現磨粒的有規則分布，則可以改善加工表面質量的均勻性，提高磨削質量［4］。本文提出了一種利用環形磁場控制磨粒規則分布的砂輪制備方法，討論了環形磁場控制砂輪磨粒規則分布的機理，并進行了成形裝置的設計與仿真、砂輪磨削質量的試驗驗證。

1 磁控砂輪磨粒可控分布的機理

傳統的砂輪結合劑為單一的金屬或樹脂。金屬結合劑砂輪剛度大，能加工形狀精度很高的工件，但不易磨削出納米級表面粗糙度的工件；樹脂結合劑砂輪本身具有吸震性，但砂輪本身剛度太低，容易變形，加工的工件很難滿足極高的形狀精度要求［5－6］。本文提出的復合基金剛石微粉砂輪，以樹脂、導磁鐵粉為復合結合劑，結合了金屬砂輪與樹脂砂輪的優點。將鐵粉、樹脂、金剛石微粒按一定比例攪拌混合后，注入成形模具，沒添加外部磁場時，各原料隨機混合在一起，如圖1a所示。當在成形模具外施加磁場時，導磁鐵粉受到磁場力的作用，在磁場中微弱運動，最終表現為沿著磁感應線呈鏈狀分布，如圖1b所示。磁場較弱時，鐵粉受到的力較小，導磁鐵粉形成的都是短鏈。外加磁場強度增強到一定程度時，鐵粉受力增大，短鏈消失，導磁鐵粉形成長鏈，部分磁鏈交叉。導磁鐵粉形成鏈狀分布的同時，原來隨機分布的金剛石磨粒在導磁鐵粉的推動下表現為沿著磁鏈分布。

圖1 磁場控制磨粒分布原理圖

在實驗室里，取一定混合磨料（金剛石、鐵粉、樹脂按質量比1∶3∶3配制）裝在載玻片后，在載玻片兩側施加不同強度的平行磁場，顯微鏡下放大的磁鏈分布如圖2所示。

圖2 平行磁場控制下的磁鏈分布

從圖2可以得出，鐵粉在磁場的作用下沿著磁感應線呈鏈狀分布，且隨著磁場的增強，磁鏈長度增大。恰當地選擇磁場強度、鐵粉與金剛石的粒度，將三者混合在一起置于磁場，鐵粉運動形成磁鏈的過程中會推動金剛石磨粒運動，防止金剛石磨粒團聚在一起。

在圓柱形砂輪的成形中，用一個由內往外的輻射型磁場加載在砂輪型腔上，如圖3所示，磁場磁感應線由內往外輻射，由上面實驗可知，磁性顆粒會沿著磁感應線呈鏈狀分布，當鐵粉與金剛石磨粒的粒度恰當時，鐵粉在運動成鏈的過程中帶動金剛石磨粒運動，使金剛石磨粒有規律地沿著磁感應線分布，避免了團聚。

圖3 理想型腔內磁感應線及磁鏈分布

2 磁控微粉砂輪成形裝置

2.1 裝置設計

磁場通過控制復合基中導磁鐵粉沿著磁感應線分布，從而控制金剛石磨粒的分布，要達到圖3所示的磁控磨粒分布效果，必須有一個磁感應線由中間向四周輻射的磁場，因此由中間向四周輻射的成形磁場的設計成為關鍵。根據磁路傳導原理和以上分析，設計了圖4所示的成形裝置。整個磁路左右完成對稱，模具圍成的空間形成砂輪成形型腔。兩永久磁石磁極對接，產生的磁通相反。

圖4 成形裝置圖

左右單側的磁通不能通過另外一側，各自的磁場回路為：永久磁石→磁架→導磁回路→砂輪桿→砂輪型腔→模具→空氣間隙→外導磁環→永久磁石，形成了圖3所需的成形磁場。

磁極對接及空氣間隙的設計是成形磁場設計的關鍵，磁極對接使磁場左右兩邊完全對稱，單側磁通不能通過對方半場型腔，而通過砂輪桿與導磁回路傳回。空氣間隙的存在使磁通不能順利地由外導磁環直接傳到模具上，而是首先傳到外導磁環上，使整個外導磁環充滿磁通，然后再通過空氣間隙，從圓周方向傳到模具上。磁通傳導最終會形成一條封閉的曲線，模具上的磁通只能從四周通過砂輪基內的導磁鐵粉傳到砂輪桿上，形成所需的成形場。

2.2 裝置仿真

為驗證設計的圖4所示的成形裝置是否滿足要求，應用AnsoftMaxwel軟件中的3D靜磁場求解器求解此成形裝置的磁場分布。根據圖4所示的結構，設計了如圖5所示的仿真模型。

圖5 仿真模型

應用Ansoft Maxwell的3D靜磁場求解器求解此模型的磁場分布，經過求解，得到了整個模型的磁場分布，如圖6所示。

圖6 仿真模型對應磁場分布

為了能更清楚、明了地觀察到由模具圍成的型腔內磁感應線的分布，把模型的其他部件隱藏，只顯示型腔內部磁場的分布，由底部往砂輪桿方向觀察，得到了圖7所示的型腔內磁場分布。

由整體及型腔內的磁場分布圖可知：設計的成形裝置形成的磁場分布滿足要求，型腔內磁場的磁感應線由中間向四周輻射，形成所需要的輻射型磁場。鐵粉在成形磁場內沿著磁感應線分布，形成有效的磁鏈，鐵粉在形成磁鏈的運動過程中推動金剛石顆粒運動，使其規則排布。

圖7 型腔內磁場分布

2.3 裝置制作

根據以上成形裝置圖及仿真反饋的結果，制作了相應的實驗裝置。其中，砂輪桿采用高飽和磁感應強度材料IJ22，底座采用不導磁的黃銅，其他部件采用導磁材料純鐵，磁架內的磁石為永久磁石釹鐵硼N35。為驗證裝置是否滿足要求，裝置裝配完成后，在模具型腔填滿鐵粉，輕輕地小幅度轉動砂輪桿，靜置一段時間，讓鐵粉在磁場力的作用下達到平衡。在超景深VHX－1000顯微鏡下觀察型腔鐵粉的排布，由于裝置上導磁回路及砂輪桿的存在，故顯微鏡鏡頭不能正對著型腔，只能旋轉鏡頭，斜著觀察型腔的一半，如圖8所示。由圖8可以看出，鐵粉在成形場內沿著磁感應線由內往外輻射分布，達到了要求。

圖8 型腔鐵粉分布圖

3 磁控微粉砂輪成形及磨削實驗

裝置制作完成后，取下磁架、回路，將2000＃RVD金剛石微粉、羰基鐵粉、環氧樹脂E－44、聚酰胺樹脂按質量1∶1∶1∶1的比例攪拌均勻，倒入成形裝置模具內。然后再把磁架裝在外導磁環對稱的兩側，利用連接螺母把導磁回路裝上，砂輪桿通過導磁回路上端正中間的定位孔插入模具內。為保證砂輪成形后順利脫模，在模具內壁涂覆一層薄臘。為避免砂輪內出現大氣泡，原料裝入模具后，在模具上方通過套在砂輪桿上的軸套施加一定的壓力。砂輪制備原料在模具內放置24h左右，砂輪已成形。砂輪成形后旋轉連接螺母，拆除導磁回路與磁架，取出砂輪。制造出如圖9所示的粒度為2000的磁控復合基微粉砂輪樣品。

圖9 砂輪樣品

砂輪制成后，用所制造的砂輪在超精密機床上加工硬質合金材料試件，測量試件表面粗糙度，以驗證磨削加工效果。砂輪加工之前，對制成的砂輪采用磨削修整法進行修整，以保證砂輪的形狀精度及表面磨粒的裸露程度。砂輪修整好后，以碳化鎢試件為實驗材料，試件首先在圓柱棒上用線切割切下，然后用普通325＃砂輪進行精密磨削，最后用制作的2000＃磁控復合基砂輪進行超精密磨削。磨削方式為B軸斜軸磨削，以AFMM（50）水溶性磨削液冷卻，砂輪轉速為45 000r／min，工件轉速為120r／min，進給深度為1μm，進給速度為1mm／min。工件磨削完畢后，用JB－4C精密粗糙度測試儀測量工件加工表面的粗糙度（Ra＝29nm）。

為驗證磁場輔助控制磨粒的排布對微小復合基微粉砂輪制造的幫助，拆除左右磁架上的磁石，保持其他的條件不變，制造沒有磁場輔助控制的砂輪，在相同的條件下加工工件、測量工件表面粗糙度（Ra＝165nm）。

相同參數條件下，磁控砂輪磨削加工的試件表面質量明顯高于非磁控砂輪加工的試件表面質量，這表明在砂輪成形時，施加的由內往外的輻射磁場，使砂輪結合劑中的導磁鐵粉受到磁場力的作用，沿著磁感線分布。鐵粉在運動分布的過程中帶動金剛石微粒運動，有效控制了金剛石磨粒的分布，使磁控復合基砂輪的構造更加合理，更有利于超精密磨削加工。

4 結語

本文對環形磁場控制成形的砂輪制備方法進行了探討，制備了粒度為＃2000的磁控復合基微粉砂輪，磨削了碳化鎢試件，試件表面粗糙度Ra達到了29nm，與同樣條件下制作的非磁場控制成形的砂輪相比，加工質量得到了明顯改善。

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