磁力研磨法应用于不同材质工件的光整加工*

孙 岩 陈 燕 兰 勇

(①辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁鞍山 114051;②鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁鞍山 114021)

磁力研磨加工技术是光整加工的新工艺、新技术，由于其独特的加工特点，即磁力研磨法具有很好的加工柔性、自适应性和自锐性，能够实现微小去除量，并且磁性研磨粒子可以进入普通刀具无法介入的特殊加工领域，因此通过磁力研磨法可以实现精密加工和难加工工件表面的加工，磁力研磨技术具有广阔的应用前景［1－2］。影响磁力研磨质量和研磨加工效率的因素有很多，其中包括工件材质和各种研磨加工条件。本文主要解析工件材质的不同对磁力研磨加工特性的影响，并通过磁力研磨实验加以验证。

1 磁力研磨法的加工原理

磁力研磨法就是将磁性研磨粒子(强磁性的铁粒子和具有研磨功能的粒状研磨料)加入到磁极与工件之间，如图1所示，磁极与工件之间可以有1～3 mm的间隙(称为加工间隙)。由于磁场中磁力的作用，磁性研磨粒子在加工间隙中沿磁力线整齐排列，形成磁性磨粒刷，并压附在工件表面，加工工件与磁极的相对运动，对工件表面进行研磨加工［3－4］。

磁力的大小和方向是影响磁力研磨加工效率和质量的最重要的一个因素。磁场域内单个磨粒的受力如图1所示。

受以下因素影响:

式中:F为等磁位方向的磁力Fy和磁力线方向的磁力Fx的合力;(∂H/∂x)/(∂H/∂y)为磁场强度变化率;D为磁性磨粒的直径;k为磁性磨粒的磁化率;H为磁场强度。

由公式(1)可知，分布在磁场中的磁性磨粒所受到的磁力F主要由磁场强度、磁场强度变化率、磁性磨粒的直径以及磁性磨粒的磁化率大小所决定［2］。磁极形状能影响磁力线方向和磁场的分布，磁极开槽以后，开槽表面各处的工作间隙不同，磁场强度也就不同，因此可通过在磁极表面开槽的方式获得磁场强度变化率［5］。

2 磁力线和磁场强度的有限元分析

在ANSYS中建立有限元模型，针对磁性材料模具钢NAK80和非磁性材料不锈钢SUS304分别进行磁场强度和磁力线分布模拟，工件尺寸50 mm×50 mm×15 mm，磁极采用圆柱永磁铁φ15 mm×30 mm，磁极表面开一字槽，加工间隙为2 mm，工作台为铸铁工作台。模拟结果如图2所示。

由图2b和图2d可以看出:当工件是磁性材料时，工件在磁场中被磁化，成为新的磁极，工件与磁极间的间隙就是工作间隙，工作间隙小，加工区域磁力线密度较大，磁场强度较大，“磁性磨粒刷”刚度较大;由图2a和图2c可以看出:当工件是非磁性材料时，工件不能被磁化，当工作台采用强磁材料制成时，工作台则成为另一个磁极，磁力线象X射线一样穿过工件，此时的工作间隙是磁极与工作台之间的距离，工作间隙大，加工区域磁力线密度较小，磁场强度小［6］。

3 磁力研磨实验与结果分析

通过实验验证模拟结果，如图3所示，实验装置在普通铣床上改装完成［7］，主轴由电动机驱动，用开一字槽永磁铁替换铣刀并固定在主轴上，永磁铁随主轴旋转。取磁性材料模具钢NAK80和非磁性材料不锈钢SUS304为被加工工件分别进行磁力研磨实验，工件表面凸凹不平，并存在原始加工微小裂纹。在加工间隙处放入适量的磁性磨料(铁粉和氧化铝粉烧结经破碎后的粉体)，工件装卡在铸铁工作台上，实验条件如表1所示。在加工过程中，由于磁力的作用，磁性磨粒沿磁力线排列成具有刚性的磁性磨粒刷，压附在工件表面。主轴旋转，工件往复移动，磁极和工件表面产生相对运动，从而完成对工件表面的光整加工。

表面粗糙度能够定量表征加工表面的微观不平度，被加工工件表面粗糙度随研磨加工时间的变化情况如图4所示。

由图4可以看出，研磨加工90 s后，模具钢NAK80工件的表面粗糙度从Ra1.35 μm降到Ra0.08 μm，而不锈钢SUS304工件的表面粗糙度从Ra1.35 μm降到Ra0.62 μm，可见在研磨加工初始阶段磁性材料工件的金属去除率较快，表面粗糙度变化率较大，验证了研磨加工磁性材料工件时磁场强度大，导致磁性磨料对工件表面的研磨压力大，磁性磨料与工件间的摩擦力也很大，使工件表面的突起和毛刺等缺陷快速被去除，研磨效率高，实验结果与前述模拟结果相符;在相同加工条件下，不锈钢SUS304在研磨540 s后能达到最佳研磨效果，表面粗糙度为Ra0.09 μm，模具钢NAK80在研磨90 s后能达到最佳研磨效果，表面粗糙度为Ra0.08 μm，可见相同加工条件下，磁性材料工件的最佳研磨时间比非磁性材料短，并且磁性材料工件的最佳研磨质量比非磁性材料工件好，说明磁力研磨磁性材料工件比非磁性材料工件效率更高，质量更好;同时超过最佳研磨时间后继续研磨加工，两种材质的工件表面粗糙度都稍微有所回升，表面质量下降，说明磁力研磨加工存在一个最佳的研磨加工时间，如果超过这个时间，加工效果也不会因加工时间的延长而进一步改善。

表1 实验条件

采用表面粗糙度仪测量工件表面粗糙度，采用超景深3D显微镜测量工件表面形貌。研磨加工60 s后，不锈钢SUS304和模具钢NAK80的表面质量相差最悬殊，此时两种材质的表面粗糙度和表面纹理如图5所示。

由图可见，加工60 s后，模具钢NAK80能达到表面粗糙度Ra0.104 μm，而不锈钢SUS304只能达到表面粗糙度Ra0.729 μm，并且模具钢NAK80的表面形貌要比不锈钢SUS304更平整，表面质地更均匀，原始加工纹理去除得更好。

4 结语

(1)通过ANSYS模拟分析得出，相同条件下，磁力研磨加工磁性材料工件与非磁性材料工件相比，加工磁性材料工件时工作间隙较小，加工区域的磁力线密度较大，磁场强度也较大。通过磁力研磨实验，验证了在相同加工条件下，磁力研磨加工磁性材料工件比加工非磁性材料工件研磨效率更高，研磨质量更好。

(2)研磨加工时间越长，工件表面粗糙度越小，但超过最佳研磨加工时间后，不仅不能继续降低工件表面粗糙度反而还会降低研磨加工效率，甚至破坏加工过的表面。因此研磨加工时要根据材料的磁导率，适当设置研磨时间，以达到最佳的研磨效果。

［1］贺美云，白增树，孟丽霞.磁性磨料的制备技术［J］.表面技术，2005(4):76－77.

［2］宋庆环，董瑞宝，张悦.磁研磨加工中工件的不同材质对表面粗糙度的影响［J］.煤矿机械，2012(8):141－142.

［3］Girma Berhanu，Joshi Suhas S，Raghuram M V G S，et al.An experimental analysis of magnetic abrasives finishing of plane surfaces［J］.Machining Science and Technology l 2006，10(3):323 －340.

［4］陈燕.磁研磨法在复杂形状轴类零件加工中的应用［J］.机械制造，2005(3):53－55.

［5］宋庆环.磁研磨法应用于模具型腔的光整加工［J］.机械设计与制造，2009(2):248－250.

［6］陈燕，巨东英.磁研磨装置设计中的磁力线分析［J］.制造技术与机床，2005(8):101－103.

［7］张萍萍，张桂香.平面磁力研磨装置及磁极设计［J］.山东理工大学学报，2011(11):67－70.