磁性磨粒光整加工技術的研究進展

朱肖華，何 方

(河南工業大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

磁性磨粒光整加工技術的研究進展

朱肖華，何 方

(河南工業大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

磁性磨粒光整加工是利用磁場力和磁性磨粒對材料進行微尺寸加工的一項高效率、高精度加工技術，適合于普通平面及各種自由曲面零件的加工，并且它對零件的加工效率和加工精度具有可控性。本文介紹了磁場發生裝置的研究進展及磁性磨粒制備的研究現狀，并對其發展前景進行了展望。

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代產品發展的趨勢，人們對零件的加工技術不斷提出更高的要求，需要在加工過程中對零件切割痕跡和毛刺加以嚴格控制。在過去的幾年里，磁性磨粒光整加工技術發展迅速，在加工過程中磁性磨粒被放置在工件表面和磁極之間，磁場力由磁極產生,再作用到磁性磨粒上從而對工件表面施加壓力進行光整加工。這種加工方式不僅能夠對平面進行加工，也能夠加工圓柱內外表面、微小零件內孔表面、以及各種自由曲面等。近年來各國研究人員對磁性磨粒光整加工技術的研究主要為加工裝置的開發和磁性磨粒的制備，本文將針對這兩方面的最新研究成果進行綜述，為進一步提高磁性磨粒光整加工技術的研究提供參考。

1 磁場發生裝置設計

磁性磨粒光整加工的設備一般可分為主軸系統、磁場發生裝置、震動裝置、進給系統四個部分。其中磁場發生裝置是光整加工所需的動力源，它是磁性磨粒光整加工技術的重中之重。

Jain等[1]設計了一個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，這種方法比傳統的由靜態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生旋轉磁場，在此實驗中他只需調整兩個參數脈沖電流和脈沖頻率，就可以調控磁場大小和旋轉磁場的旋轉速度。使用這種旋轉磁場對精細零件進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]使用有限元分析設計和制造了一個雙盤磁力研磨裝置，四個永磁極選用釹鐵硼材料，該裝置能夠對不同硬度的工件材料加工出較好的表面光潔度。實驗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；加工轉矩主要受下磁盤的加工間隙和旋轉速度的影響。Wei Peng等[4]提出了一種在磁場中自由磨粒對單晶硅工件線切割的實驗方法，該線采用直徑為0.4 mm的鍍銅鋼絲。在產生的磁場作用下，拋光液帶動鍍鎳的SiC磨粒進入切削區域，隨著磁場強度的增加，進入切削區域的磁性磨粒越來越多，從而使切削效率大大提高。Mulik等[5]設計了一個超聲波輔助磁性磨粒加工裝置，對高碳軸承鋼工件(AISI 52100)加工得出，在加工80 s內工件表面粗糙度可達22 nm，比未使用超聲波輔助裝置加工效果好。這可能是因為在磨削過程中超聲波震動能夠消除剪切痕跡。

2 磁性磨粒制備研究進展

制備出粘結強度高、硬度高、耐磨性能好、切削性能好、使用持久度好、價格低的磁性磨粒是磁性磨粒光整加工技術發展的關鍵因素，因此近年來各國的研究人員針對磁性磨粒制備工藝進行討論。目前應用較多的制備工藝主要有粘結法、粉末冶金法、化學法。

2.1 粘結法

粘結法是將一定比例的鐵基體和磨粒相混合均勻，然后用粘結劑粘結，經加壓凝固、破碎、篩選而制備出合格的磁性磨粒。孟利等人[6]利用環氧樹脂和聚胺樹脂作為結合劑分別制備了氧化鋁磁性磨粒和碳化硅磁性磨粒，持續研磨加工時間可以達到16min，原始表面粗糙度為1.87 μm的模具鋼經加工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粒可以彌補磨料顆粒易脫落而使壽命較低的缺點。而且由于不需要經過太多輔助設備的使用，對制備環境沒有太高的要求，制備過程簡單、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 電爐燒結法

電爐燒結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氣體中高溫燒結、粉碎篩選制得。電爐燒結法對實驗操作者的經驗要求比較高，并且對實驗設備的要求也高，在制備過程中應嚴格控制實驗參數，謹慎操作，而且成本也相對較高。但是磨料使用持久度較好，壽命長。

2.2.2 激光燒結法

激光燒結法是將一定比例的鐵粉與磨料混合均勻，由氮氣將混合的磨料抽運噴射到激光燒結區，混合的磨料在此區域附近與激光相遇而發生燒結。廖月明[7]采用激光燒結法制備了Al2O3/Fe磁性磨粒并對淬火45鋼管進行研磨加工，工件在10～12min內表面粗糙度由3.2 μm下降到0.4 μm以下。

2.2.3 熱壓燒結法

熱壓燒結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]利用熱壓燒結法制備出了由鐵粉和碳化硅磨料制備的磁性磨粒，并且結果表明磁性磨粒的硬度可達HV 300～HV 310。

2.2.4 微波燒結法

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

2.3 化學法

2.3.1 原位反應復合法

原位反應復合法的基本原理：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反應，在基體內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道。

2.3.2 復合鍍層法

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，從而形成基質顆粒彌散的特殊鍍層即為復合鍍層。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，工業用鑄鋼球為金屬鍍層，采用復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。高玉龍[11]采用純鐵和Al2O3粉末使用霧化快凝法制備磨粒，發現Al2O3顆粒跟鐵基體結合效果很不好。然后他將實驗進行了改進，將Al2O3顆粒進行酸洗和預熱處理，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，而且研磨時間只能保持在5min左右。

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

Wei-Chan等[12]開發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，由快速旋轉螺旋桿帶動磨料拋光工件表面。與傳統磨料相比，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，避免了殘余應力、熱變形和變質層，大大提高了工件的表面質量，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、加工效率高的優點。翟洪飛[14]采用相對簡單、易行的實驗裝置制備出了粘彈性磁性磨料，并對鋁板進行了光整加工，結果表明在加工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加工工件的性能對比，工件采用圓柱形AISI 440C不銹鋼。實驗得出，金剛石粉末對改善工件表面粗糙度最有效。這可能是因為金剛石具有高硬度，較好的耐磨性，和良好的導熱性。此外，金剛石化學性能偏中性、摩擦系數低，穩定性好。

3 結束語

磁性磨粒光整加工具有諸多優點，應用領域遍及機械、航空航天、醫療器械、精細工具、汽車等領域。在磁場發生裝置中采用四塊永磁體可以提高光整加工的效率，雖然各種磁場發生裝置的設計取得了一定的成果，但磁性磨粒光整加工機理還有待科研工作者的深入研究，對永磁源裝置下的磁路設計尚有欠缺。制備出的新型磨粒可以有效地改善磁性磨粒制備工藝復雜、成本高、使用壽命短的問題。

[1] Jain V K,Singh D K,Raghuram V. Analysis of performance of pulsating flexiblemagnetic abrasive brush (P-Fmab)[J]. Mach Sci Technol,2008,12(1): 53-76.

[2] 高傳玉,倪秀付,袁 潤,等.旋轉磁場在微小工件磁力研磨加工中的應用[J].機械設計與制造,2011(2):64-66.

[3] Prateek Kala,Pulak M Pandey. Comparison of finishing characteristics of two paramagnetic materials using double disc magnetic abrasive finishing[J]. Journal Manufacting Processes,2015,17: 63-77.

[4] Peng W,Qiu T W,Yao C Y,et al. Adsorption mechanism of magnetic induction free- abrasive grain and its effect on cutting performance of wire saws[J]. International Journal of Precision English and Manufacturing,2015,16(8): 1809-1816.

[5] Mulik R S,Pandey P M. Magnetic abrasive finishing of hardened AISI 52100 steel[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2011,55(5-8): 501-515.

[6] 孟 利，閻秋生，高偉強，等.粘結磁性磨料制備及其研拋加工研究[J].機電工程技術，2007，36(12):28-31.

[7] 廖月明.激光燒結磁磨粒及磁力研磨[J].制造技術與機床,1999(5): 36-38.

[8] 郝廣華，陳紅玲.熱壓燒結型磁性磨粒的制備及硬度研究[J].稀有金屬與硬質合金,2013(2):30-32.

[9] 金國哲，楊 林，劉 智.微波燒結法制備磁性磨料的工藝參數[J].大連工業大學學報,2008,27(4): 326-328.

[10] 張春宇.化學復合鍍法制備磁性磨料工藝研究[D].大連:大連理工大學,2014.

[11] 高玉龍.磁力研磨光整加工及磁性磨料制備技術的研究與應用[D].淄博:山東理工大學,2009.

[12] Wei Chan,Chen Kunling. A study on the application of newly developed magneto-elastic abrasive to improving the surface roughness of the bore[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2014,73(9): 1557-1566.

[13] 李秀紅.基于磁場特性的內孔表面光整新技術理論分析與實驗研究[D].太原:太原理工大學,2010.

[14] 翟洪飛，楊勝強，李文輝.粘彈性磁性磨具對鋁板平面的光整加工研究[J].機械設計與制造，2012(7): 133-135.

[15] Choopani Y,Razfar M R,Saraeian P,et al. Experimental investigation of external surface finishing of AISI 440C stainless steel cylinders using the magnetic abrasive finishing process[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2015,83(9): 1811-1821.

(本文文獻格式：朱肖華，何 方.磁性磨粒光整加工技術的研究進展[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，主要從事材料科學的研究。

TQ051.9

A

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

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