磁性磨粒光整加工技术的研究进展

朱肖华，何 方

(河南工业大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

磁性磨粒光整加工技术的研究进展

朱肖华，何 方

(河南工业大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

磁性磨粒光整加工是利用磁场力和磁性磨粒对材料进行微尺寸加工的一项高效率、高精度加工技术，适合于普通平面及各种自由曲面零件的加工，并且它对零件的加工效率和加工精度具有可控性。本文介绍了磁场发生装置的研究进展及磁性磨粒制备的研究现状，并对其发展前景进行了展望。

磁性磨粒；粘弹性磨粒；表面粗糙度

零件精密化和小型化已成为现代产品发展的趋势，人们对零件的加工技术不断提出更高的要求，需要在加工过程中对零件切割痕迹和毛刺加以严格控制。在过去的几年里，磁性磨粒光整加工技术发展迅速，在加工过程中磁性磨粒被放置在工件表面和磁极之间，磁场力由磁极产生,再作用到磁性磨粒上从而对工件表面施加压力进行光整加工。这种加工方式不仅能够对平面进行加工，也能够加工圆柱内外表面、微小零件内孔表面、以及各种自由曲面等。近年来各国研究人员对磁性磨粒光整加工技术的研究主要为加工装置的开发和磁性磨粒的制备，本文将针对这两方面的最新研究成果进行综述，为进一步提高磁性磨粒光整加工技术的研究提供参考。

1 磁场发生装置设计

磁性磨粒光整加工的设备一般可分为主轴系统、磁场发生装置、震动装置、进给系统四个部分。其中磁场发生装置是光整加工所需的动力源，它是磁性磨粒光整加工技术的重中之重。

Jain等[1]设计了一个由脉冲直流电提供给电磁体的装置，使得灵活的磁性磨粒刷旋转，这种方法比传统的由静态电流提供给电磁体的方法工件表面粗糙度能够得到很大的改善。高传玉等人[2]使用脉冲电流控制产生旋转磁场，在此实验中他只需调整两个参数脉冲电流和脉冲频率，就可以调控磁场大小和旋转磁场的旋转速度。使用这种旋转磁场对精细零件进行磁力光整加工可以解决小尺寸工件难以固定加工的问题。Prateek Kala等[3]使用有限元分析设计和制造了一个双盘磁力研磨装置，四个永磁极选用钕铁硼材料，该装置能够对不同硬度的工件材料加工出较好的表面光洁度。实验得出铜和不锈钢合金的最佳光滑表面度分别为53和79 nm；研磨力的大小主要跟上下磁盘的加工间隙有关；加工转矩主要受下磁盘的加工间隙和旋转速度的影响。Wei Peng等[4]提出了一种在磁场中自由磨粒对单晶硅工件线切割的实验方法，该线采用直径为0.4 mm的镀铜钢丝。在产生的磁场作用下，抛光液带动镀镍的SiC磨粒进入切削区域，随着磁场强度的增加，进入切削区域的磁性磨粒越来越多，从而使切削效率大大提高。Mulik等[5]设计了一个超声波辅助磁性磨粒加工装置，对高碳轴承钢工件(AISI 52100)加工得出，在加工80 s内工件表面粗糙度可达22 nm，比未使用超声波辅助装置加工效果好。这可能是因为在磨削过程中超声波震动能够消除剪切痕迹。

2 磁性磨粒制备研究进展

制备出粘结强度高、硬度高、耐磨性能好、切削性能好、使用持久度好、价格低的磁性磨粒是磁性磨粒光整加工技术发展的关键因素，因此近年来各国的研究人员针对磁性磨粒制备工艺进行讨论。目前应用较多的制备工艺主要有粘结法、粉末冶金法、化学法。

2.1 粘结法

粘结法是将一定比例的铁基体和磨粒相混合均匀，然后用粘结剂粘结，经加压凝固、破碎、筛选而制备出合格的磁性磨粒。孟利等人[6]利用环氧树脂和聚胺树脂作为结合剂分别制备了氧化铝磁性磨粒和碳化硅磁性磨粒，持续研磨加工时间可以达到16min，原始表面粗糙度为1.87 μm的模具钢经加工4min表面粗糙度可以降低到0.4 μm左右。

选择合适的粘结剂和良好的制备工艺，是制备出综合切削性能好的磁性磨粒的主要条件，这种方法制备的磁性磨粒可以弥补磨料颗粒易脱落而使寿命较低的缺点。而且由于不需要经过太多辅助设备的使用，对制备环境没有太高的要求，制备过程简单、成本低，所以它是使用最广泛的制备磨粒的方法。

2.2 粉末冶金法

2.2.1 电炉烧结法

电炉烧结法是将一定比例的铁粉和磨料混合均匀，然后压制成块，再在惰性气氛或保护气体中高温烧结、粉碎筛选制得。电炉烧结法对实验操作者的经验要求比较高，并且对实验设备的要求也高，在制备过程中应严格控制实验参数，谨慎操作，而且成本也相对较高。但是磨料使用持久度较好，寿命长。

2.2.2 激光烧结法

激光烧结法是将一定比例的铁粉与磨料混合均匀，由氮气将混合的磨料抽运喷射到激光烧结区，混合的磨料在此区域附近与激光相遇而发生烧结。廖月明[7]采用激光烧结法制备了Al2O3/Fe磁性磨粒并对淬火45钢管进行研磨加工，工件在10～12min内表面粗糙度由3.2 μm下降到0.4 μm以下。

2.2.3 热压烧结法

热压烧结法是将一定比例的铁粉与磨料粉混合均匀，压制成型、粉碎，筛选。郝广华等人[8]利用热压烧结法制备出了由铁粉和碳化硅磨料制备的磁性磨粒，并且结果表明磁性磨粒的硬度可达HV 300～HV 310。

2.2.4 微波烧结法

微波烧结法是利用电磁场和被烧结粉末的交互作用进行烧结，具有加热温度均匀、加热速度极快、烧结温度低于普通真空烧结温度70～100 ℃左右、无温度梯度、无污染、易控制等优点。金国哲[9]利用微波烧结法制备了SiC/Fe磁性磨粒并对316L不绣钢进行加工，结果表明工件的表面粗糙度可降至0.18 μm。

2.3 化学法

2.3.1 原位反应复合法

原位反应复合法的基本原理：在一定条件下通过元素与元素或元素与化合物之间的化学反应，在基体内合成硬度较高的磨料颗粒。由于此方法难以操作，制备的磁性磨粒性能不高，所以很少有这方面的报道。

2.3.2 复合镀层法

采用分散电镀法使磁性磨粒均匀地分散到金属共沉积镀层中，从而形成基质颗粒弥散的特殊镀层即为复合镀层。在制备的过程中，需注意原始纯铁粉颗粒的去污活化和磨料颗粒在纯铁粉颗粒表面的均匀沉积问题。张春宇[10]以金刚石微粉为磨料颗粒，工业用铸钢球为金属镀层，采用复合电镀方法制备了磁性磨粒，可使工件(45#钢)表面粗糙度降至0.2 μm左右。

2.3.3 雾化快凝法

雾化快凝法是将一定比例的铁基体与磨料相混合，将混合磨料放在雾化装置中引燃而制备磁性磨粒的方法，因该方法制成的磁性磨粒属于弥散型，所以该工艺存在不易控制和成分分布不均匀的缺点。高玉龙[11]采用纯铁和Al2O3粉末使用雾化快凝法制备磨粒，发现Al2O3颗粒跟铁基体结合效果很不好。然后他将实验进行了改进，将Al2O3颗粒进行酸洗和预热处理，添加镍、铬、硅金属元素，提高熔融铁的温度。所制得的磨粒也很少符合要求，而且研磨时间只能保持在5min左右。

随着磁性磨粒制备方法的不断发展，研究者一直致力于研究出性能优异的磁性磨粒，新工艺、新型磁性磨粒不断涌现。

Wei-Chan等[12]开发出一种新型磁弹性磨料，采用耐冲击性聚苯乙烯(HIPS)粒子包覆SiC和Fe3O4，由快速旋转螺旋杆带动磨料抛光工件表面。与传统磨料相比，新型磁弹性磨料其磁力和弹性可以一方面增加机械加工力，另一方面可以缓解冲击，避免在抛光过程中的划痕。同时，避免了残余应力、热变形和变质层，大大提高了工件的表面质量，使得工件的抛光效率提高了94%。李秀红[13]制作了粘弹性磁性磨料，其成分为甲基乙烯基硅胶、变压器油和油酸等混合的高分子聚合物，以及纯铁粉和碳化硅。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。说明了粘弹性磁性磨料光整加工具有加工效果好、加工效率高的优点。翟洪飞[14]采用相对简单、易行的实验装置制备出了粘弹性磁性磨料，并对铝板进行了光整加工，结果表明在加工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过程中SiC、Al2O3和金刚石粉末不同磨料对加工工件的性能对比，工件采用圆柱形AISI 440C不锈钢。实验得出，金刚石粉末对改善工件表面粗糙度最有效。这可能是因为金刚石具有高硬度，较好的耐磨性，和良好的导热性。此外，金刚石化学性能偏中性、摩擦系数低，稳定性好。

3 结束语

磁性磨粒光整加工具有诸多优点，应用领域遍及机械、航空航天、医疗器械、精细工具、汽车等领域。在磁场发生装置中采用四块永磁体可以提高光整加工的效率，虽然各种磁场发生装置的设计取得了一定的成果，但磁性磨粒光整加工机理还有待科研工作者的深入研究，对永磁源装置下的磁路设计尚有欠缺。制备出的新型磨粒可以有效地改善磁性磨粒制备工艺复杂、成本高、使用寿命短的问题。

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(本文文献格式：朱肖华，何 方.磁性磨粒光整加工技术的研究进展[J].山东化工,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

朱肖华(1992—)，女，硕士研究生，主要从事纳米材料的研究；通讯作者：何 方(1968—)，男，教授，主要从事材料科学的研究。

TQ051.9

A

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

(本文文献格式：鲍海川.盐酸莫西沙星片处方筛选及制备工艺的优化[J].山东化工,2017,46(11):51-52,57.)