難加工合金材料復雜曲面磁性磨料光整加工技術

馬付建，陶德松，宮 臣，康仁科，張生芳，沙智華

(1.大連交通大學機械工程學院，遼寧大連 116028；2.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024)

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難加工合金材料復雜曲面磁性磨料光整加工技術

馬付建1，陶德松1，宮 臣1，康仁科2，張生芳1，沙智華1

(1.大連交通大學機械工程學院，遼寧大連 116028；2.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024)

磁性磨料光整加工技術是一種非常重要的光整加工技術，與低頻振動和超聲振動相結合，可實現高精度、高質量和高效率的光整加工。介紹了磁性磨料光整加工、振動輔助磁性磨料光整加工及超聲輔助磁性磨料光整加工技術的原理和特點及相關的國內外研究現狀。根據難加工合金材料復雜曲面的特點，提出實現復雜曲面磁性磨料光整加工，需要就以下問題開展進一步研究和探索：通過提高加工間隙的磁通量密度及磁能與其他能量復合來提高光整加工效率；建立復雜曲面磁性磨粒光整加工過程控制函數；探討在磁極工具的空間幾何約束作用下復雜曲面磁性磨料光整加工工藝的規劃方法等。

特種加工工藝;難加工合金；復雜曲面；超聲；光整加工；磁性磨料

鈦合金和高溫合金等難加工合金材料具有強度高，耐高溫和耐腐蝕，且具有良好的抗疲勞性和抗斷裂韌性等優點[1]，在航空、航天、船舶、能源及其他工業領域得到越來越廣泛的應用[2-3]。這些合金材料主要被用于制造汽輪機和飛機發動機的葉輪、渦輪分子泵轉子及精密模具等，如圖1所示。

圖1 典型的難加工合金零件Fig.1 Typical parts of difficult-to-cut alloy

在這些典型的零件中，均需要對復雜曲面進行光整加工，但由于這類零件所采用的鈦合金和高溫合金等合金材料的強度高、韌性強、黏性大，是典型的難加工材料，加之這類零件結構復雜，在加工中易產生刀具干涉，且對加工精度和加工效率要求高。尤其是葉輪類零件，由于其結構上具有葉片薄、厚度不均、扭曲大、面型復雜和葉片間隔小等特點[4-5]，在加工中易變形，對加工質量和精度要求更高，因此，這些零件是典型的難加工零件。如何實現這類難加工復雜曲面零件的高質量、高效率光整加工，已成為當前國內外學者關注的研究熱點問題。

為了解決難加工合金材料的高質高效光整加工問題，一些新型的加工技術被應用于該類材料的光整加工中。其中，磁性磨料光整加工技術具有加工表面質量、加工精度和效率高，表面殘余應力低，且易于控制加工效率和精度等特點，同時可以很好地與數控機床、加工中心和機器人結合，實現光整加工的自動化[6]，適合于各種復雜曲面零件的光整加工。因此，國內外學者針對磁性磨料光整加工技術開展了許多相關研究。

1 磁性磨料光整加工技術原理

磁性磨料光整加工技術是利用強磁場力進行光整加工的一種新型加工技術，將磁性磨料置于磁場中，在磁場力的作用下，磁性磨料沿著磁力線的延伸方向有序排列起來，在磁極與加工表面之間，形成一個結構緊密的磁性磨料刷，并對加工表面產生壓力，在機床主軸高速旋轉帶動下以速度Vs做旋轉運動，磁性磨料在工件表面進行滑擦和微切削作用，從而實現對工件表面的光整加工，其加工原理如圖2a)所示。

圖2 磁性磨料光整加工和超聲輔助磁性磨料光整加工原理Fig.2 Principle of magnetic abrasive finishing and ultrasonic assisted magnetic abrasive finishing

由于磁性磨料光整加工時，靠近磁性磨料刷中心的磨料線速度低、外圍的磨料線速度高，導致了靠近邊緣的磁性磨料加工速度快、靠近中心的加工速度慢，在進給運動的作用下，被加工區域兩側高速運動的磨粒密度高、中間部位的高速磨粒密度低，從而導致加工表面質量不均勻。為此，有學者提出采用低頻振動輔助磁性磨料光整加工的振動輔助磁性磨料光整加工技術，該加工方法是在傳統磁性磨料光整加工的磁極或工件上施加垂直于進給方向的低頻振動，垂直于進給方向的振動使工件和磁性磨料刷在水平方向上產生相對運動，從而消除表面加工不均勻的現象。同時還可施加沿磁極軸向的低頻振動，該振動增加磁性磨料對工件的壓力和速度，從而提高加工效率和加工質量。但是，由于輔助振動的頻率較低，提高加工質量和效率的效果有限。

隨著超聲輔助加工技術的發展，近些年出現了一種新型的復合加工技術，即超聲輔助磁性磨料光整加工技術，可進一步提高磁性磨料光整加工的加工質量和效率。超聲輔助磁性磨料光整加工技術的加工原理如圖2 b)所示，該技術通過在磁極上施加超聲振動，利用超聲振動的高頻碰撞作用，使磁性磨料除了隨著旋轉磁場以速度Vgs做旋轉運動，還在超聲振動的作用下以速度Vu向工件表面運動，磁性磨料對工件材料去除作用除了剪切滑擦，還增加了高頻高速撞擊作用，并增加單位時間內與工件表層接觸的磁性磨粒數量，從而實現材料的高質高效加工。

2 磁性磨料光整加工技術的國內外研究現狀

難加工材料的高質高效光整加工需求對傳統表面光整加工技術提出了許多新的挑戰，面對這些挑戰，國內外學者針對難加工材料磁性磨料光整加工、振動及超聲輔助磁性磨料光整加工開展了廣泛的研究。

2.1 磁性磨料光整加工技術

圖3 磁性磨粒刷的形成機理Fig.3 Formation mechanism of magnetic abrasive brush

近些年，國內外在磁性磨料光整加工方面開展了大量的研究。在理論方面，JAYSWAL等[7-8]通過電磁學、接觸力學和塑性力學建立了磁性磨料光整加工的材料去除效率和表面粗糙度的有限元模型，對電磁力進行了數值仿真并對材料去除效率和表面粗糙度進行預測。JIAO等[9]建立磁性磨料光整加工中磁性磨料的運動軌跡模型，并分析了運動軌跡對加工表面質量的影響。MORI等[10]研究了磁性磨粒刷形在磁化能、排斥能和張力能等作用下的形成機理，如圖3所示，并建立了加工非磁性材料時法向力和切向力的數學模型。王顯康等[11]根據Preston經驗公式推導出磁性磨粒光整加工的壓力計算公式，通過分析認為磁性磨料粒度、磁極速度以及加工間隙是影響加工效率的主要因素。李建國等[12]和馮寶富等[13]通過分析認為，磁性磨料光整加工主要通過磁性磨粒微量切削作用、磁性磨粒磨損作用和磁性磨粒化學磨損作用等進行材料去除。張萍萍等[14]根據基爾霍夫定律建立了磁性磨料光整加工磁極設計的數學模型，并設計了開槽磁極。JIAO等[15]建立了雙磁極光整加工的磁場分析有限元模型，分析了兩磁極夾角對磁通密度的影響。

在試驗研究方面，SINGH等[16]用如圖4所示的試驗裝置測量了磁性磨料光整加工中的切向和法向切削力，研究發現切向和法向切削力均隨著磁感應強度的增大而增大，隨著加工間隙的增大而減小，且法向力隨著潤滑劑比例增加而增大，切向力隨著轉速的增大而減小。李長河等[17]通過試驗研究了磨料粒度、加工間隙和磁極工具形狀等對45#鋼表面磁性磨料光整加工效果的影響規律，結果表明在保持磁感應強度不變的情況下，磨料粒度對加工質量影響較大，間隙為2 mm時加工質量較好，開槽工具比未開槽的切削力大、加工效率高。LIN等[18]利用田口法研究了加工參數對SUS304不銹鋼磁性磨料光整加工表面質量的影響，結果表明加工間隙、進給速度和磨料粒度的大小是影響表面質量的顯著因素。韓冰等[19-20]通過正交試驗法研究了加工參數對鈦合金彎管內表面光整加工質量的影響，結果顯示磁極轉速、加工間隙、磨料粒度和進給速度的影響程度依次降低。徐志鋒等[21]通過對45#鋼進行磁性磨料光整加工試驗，研究了磁極表面場強對光整加工效果的影響，結果表明磁極表面場強≥1.0 T時才能實現光整加工。張萍萍等[22]通過對SUS304不銹鋼板進行磁性磨料光整加工試驗，研究了加工時間對工件表面粗糙度的影響，試驗結果如圖5所示。結果表明隨著加工時間的增加，表面粗糙度先快速降低，后緩慢上升，加工中存在一個最優的加工時間。KWAK等[23-24]通過在有色金屬材料工件的下方增加磁極的方式，實現加工間隙中磁通量密度的增加，有效提高了加工表面質量。陳燕等[25]通過在陶瓷管內增加V型磁鐵，大大增加了磁感應強度，加工效率成倍增加，并實現了鏡面加工。YAMAGUCHI等[26]通過對比試驗研究了磁性磨料光整加工對鈦合金切削刀具的作用，發現經過磁性磨料光整加工的刀具壽命是正常刀具壽命的2倍。WANG等[27]采用硅膠作為磨粒的約束劑對SKD-11模具鋼進行光整加工試驗，結果表明采用硅膠作為磨粒的約束劑是無約束時加工效率的3倍。

圖4 平面磁性磨料光整加工試驗裝置Fig.4 Experimental setup of plane magnetic abrasive finishing

圖6 振動輔助磁性磨料光整加工試驗裝置Fig.6 Experimental setup of vibration assisted magnetic abrasive finishing

2.2 振動輔助磁性磨料光整加工技術

在振動輔助磁性磨料光整加工方面，YIN等[28-29]采用如圖6所示的試驗裝置對AZ31B鎂合金進行加工試驗，對工件施加垂直于進給方向的低頻振動(頻率為6 Hz)輔助磁性磨料光整加工，相對于不加振動輔助的磁性磨料光整加工，達到最佳表面質量的時間減少了40%，最佳表面粗糙度Ra由0.4 μm減小到 0.1 μm，且表面質量更加均勻，試驗結果如圖7所示。韓冰等[30]針對Al2O3陶瓷管研究了振動頻率對光整加工質量的影響，結果表明在一定范圍內，表面質量隨著振動頻率的升高而提高。YIN等[31-32]通過分析振動輔助磁性磨料光整加工的機理，認為振動的引入能夠提高光整加工單位加工距離的材料去除率及加工距離，從而提高了材料去除率。在此基礎上，YIN等[33]對不加振動輔助、施加軸向低頻振動輔助、施加垂直于進給方向低頻振動輔助和同時施加軸向和垂直于進給方向低頻振動輔助的磁性磨料光整加工分別進行了加工試驗，研究結果表明：施加軸向振動輔助的磁性磨料光整加工有助于提高材料去除效率；施加垂直于進給方向振動輔助的磁性磨料光整加工有助于提高表面質量；同時施加軸向和垂直于進給方向振動輔助的磁性磨料光整加工對加工效率和表面質量都有所提高。

圖7 AZ31B加工表面的微觀圖像Fig.7 Microscopic photographs of AZ31B machined surface

LEE等[34-35]開發了沿進給方向和垂直于進給方向二維振動輔助磁性磨粒光整加工試驗裝置，如圖8所示，并利用該裝置研究了加工間隙、振幅、振動頻率、磁極轉速等對SUS304不銹鋼表面加工質量的影響規律，利用田口分析法得到間隙為1 mm、振幅為0.1 mm、振動頻率為16.67 Hz、轉速為500 r/min時可獲得較好的表面質量，通過試驗發現該參數條件下，可實現表面粗糙度Ra為 0.032 μm的鏡面加工。

圖8 二維振動輔助磁性磨料光整加工試驗裝置Fig.8 Experimental setup of two-dimensional vibration assisted magnetic abrasive finishing

2.3 超聲輔助磁性磨料光整加工

圖9 超聲輔助磁性磨料光整加工試驗平臺Fig.9 Experimental setup of ultrasonic assisted magnetic abrasive finishing

在超聲輔助磁性磨料光整加工方面，YAMAMOTO等[36]針對SKD-11淬硬鋼進行了超聲輔助與傳統磁性磨料光整加工對比試驗，結果表明超聲輔助磁性磨粒光整加工可以節約一半以上的加工時間。陳燕等[37]針對SUS304不銹鋼進行了超聲輔助磁性磨料光整加工試驗，結果表明與傳統的磁性磨料光整加工相比，加工效率提高了一倍，并且獲得表面粗糙度Ra為0.06 μm的加工表面。本文利用如圖9所示的超聲輔助磁性磨料光整加工試驗臺，針對TC4鈦合金開展超聲輔助磁性磨料光整加工試驗，試驗結果如圖10所示，由試驗結果可看出經過同樣的加工時間，超聲輔助磁性磨料光整加工的表面粗糙度僅為普通磁性磨料光整加工的25%左右。YUN等[38]針對氧化鋁陶瓷管進行了超聲輔助磁性磨料光整加工試驗，結果發現材料去除率隨振動頻率和轉速的增大而增大，表面粗糙度隨振動頻率的增大而降低，但轉速對表面粗糙度的影響相對較小，通過試驗獲得的最佳表面粗糙度Ra為0.03 μm。MULIK等[39-43]針對硬度為HRC61的AISI52100淬硬鋼進行了超聲輔助磁性磨料光整加工試驗，結果表明與普通磁性磨料光整加工相比，加工表面粗糙度約降低124%，并獲得表面粗糙度Ra為0.022 μm的高質量表面，對超聲輔助磁粒光整加工的法向力和轉矩進行測量，法向力的變化范圍為12～20 N，轉矩的變化范圍為2～14 N·m。馬季等[44-46]對45#鋼進行超聲輔助磁性磨料光整加工試驗，發現在一定范圍內，加工效率隨磁感應強度的增強而增大，當達到飽和磁感應強度時，加工效率將不再增加；且發現加工間隙對加工效果影響較大，間隙較小易導致工件表面劃傷，間隙過大會導致磁場強度降低，合理的加工間隙范圍為1.5～2.0 mm。ZHOU等[47]對鈦合金零件進行了超聲輔助磁性磨料光整加工試驗，結果發現超聲輔助磁性磨料光整加工可以大大改善鈦合金的表面應力狀態，表面應力從280 MPa下降到20 MPa。

KALA等[48-50]經研究發現雙磁極可以增加加工間隙的磁通量密度，利用該原理開發了如圖11所示的超聲輔助雙盤磁性磨料光整加工裝置，并進行加工試驗發現該加工方式可在較短的時間獲得較好的加工表面。

圖10 磁性磨料光整加工和超聲輔助磁性磨料光整加工的表面粗糙度Fig.10 Surface roughness of magnetic abrasive finishing and ultrasonic assisted magnetic abrasive finishing

圖11 超聲輔助雙盤磁性磨料光整加工裝置Fig.11 Setup of ultrasonic assisted double disk magnetic abrasive finishing

3 研究展望

光整加工通常作為機械加工的最后一道工序，用來提高零件的表面質量、機械性能和使用壽命。磁性磨料光整加工技術作為一種重要的光整加工技術，目前已引起國內外研究人員的廣泛關注，且取得了許多研究成果，但要實現復雜曲面的磁性磨料光整加工還需在以下方面開展進一步的深入研究。

1)通常情況下，以整體葉輪為代表的復雜曲面的加工受到空間的限制，無法使用大直徑磁極工具，因此其光整加工效率會大大降低，如何通過磁極和磁路設計提高加工間隙的磁通量密度及通過磁能與其他能量的有機復合，實現復雜曲面高效率光整加工是要解決的首要問題。

2)在復雜曲面磁性磨料光整加工中，磁性磨料受到磁極工具及復雜曲面的空間約束及旋轉運動、進給運動、磁場和其他能量場的共同作用，復雜曲面表面材料去除函數變得極為復雜，因此研究復雜曲面表面材料的變形和流動規律及表面材料的去除機理，建立穩定可靠的復雜曲面表面材料去除函數是亟待解決的一個重要問題。

3)由于以整體葉輪為代表的復雜曲面對其加工精度均有較高的要求，磁極工具和磁性磨料在加工中的磨損對其加工精度均有較大的影響，因此建立不同磁極工具位姿狀態下材料去除和工具磨損函數的數學模型，以及磁性磨粒磨損模型，從而建立復雜曲面磁性磨粒光整加工過程控制函數是要解決的關鍵問題。

4)結合建立的復雜曲面磁性磨粒光整加工過程控制函數和復雜曲面對磁極工具的空間幾何約束作用，建立復雜曲面磁性磨料光整加工工藝規劃方法是實現復雜曲面光整加工需要進一步研究的另一重要問題。

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Technology of magnetic abrasive finishing in machining of difficult-to-machine alloy complex surface

MA Fujian1, TAO Desong1, GONG Chen1, KANG Renke2, ZHANG Shengfang1, SHA Zhihua1

(1.School of Mechatronic Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian, Liaoning 116028, China; 2. Key Laboratory for Precision & Non-traditional Machining of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China)

The technology of magnetic abrasive finishing is one of the important finishing technologies. Combining with low-frequency vibration and ultrasonic vibration, it can attain higher precision, quality and efficiency. The characteristics and the related current research of magnetic abrasive finishing, vibration assisted magnetic abrasive finishing and ultrasonic assisted magnetic abrasive finishing are introduced. According to the characteristics of the difficult-to-machine alloy's complex surface, the important problems for further study are presented to realize the finishing of complex surface with the technology of magnetic abrasive finishing, such as increasing the machining efficiency by enhancing the magnetic flux density of machining gap and compounding of magnetic energy and others, establishing of the control function during machining and the process planning method for magnetic abrasive finishing of complex surface under the space geometry restraint of complex surface on magnetic pole, etc.

non-traditional machining; difficult-to-machine alloy; complex surface; ultrasonic; finishing; magnetic abrasive

1008-1542(2016)05-0449-08

10.7535/hbkd.2016yx05004

2016-04-21；

2016-05-31；責任編輯：陳書欣

國家自然科學基金(51505057)；國家高技術研究發展計劃項目(2015AA043402)；遼寧省教育廳科學研究項目(L2014181)

馬付建(1982—)，男，河南商丘人，博士，主要從事難加工材料精密高效加工技術方面的研究。

E-mail:mafj@djtu.edu.cn

TG663

A

馬付建，陶德松，宮 臣，等.難加工合金材料復雜曲面磁性磨料光整加工技術[J].河北科技大學學報,2016,37(5):449-456.

MA Fujian，TAO Desong，GONG Chen，et al. Technology of magnetic abrasive finishing in machining of difficult-to-machine alloy complex surface[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(5):449-456.