（机械制造及其自动化专业论文）微弧氧化缸体磁力研磨加工研究.pdf

学科名称：机械制造及自动化 研究生：王婷 指导教师：肖继明教授 摘要 1 1 1 11 11 1 i i i ii i ii ii ii i | - y 2118 2 4 7 签名：盥 签名：矽 铝合金具有比强度高、塑性好、导热性好，且密度小、机械加工效率高、易成型等优 点，是目前产品轻量化设计中应用最为广泛的一种轻合金。但铝合金存在硬度低、抗腐蚀 性和耐磨性差等不足，制约了其应用比例的提高。目前生产中常采用表面镀硬铬的处理方 法来提高其耐蚀性、耐磨性和使用寿命。然而，这种处理方法工艺复杂，流程长，成本高， 尤其是废液的排放会严重污染环境等，其应用已受到限制。微弧氧化是一种绿色表面处理 工艺，但微弧氧化使铝合金表面粗糙度增大，尤其是微弧氧化陶瓷层表面存在一层疏松层， 影响其使用性能。本课题结合汽油发动机缸体微弧氧化表面的磁力研磨工艺研究及设备开 发，探索铝合金微弧氧化表面的后续加工工艺，具有重要的理论意义和实用价值。 本文针对1 e 3 6 f 一2 和1 e 4 0 f 5 汽油发动机铝合金缸体经微弧氧化处理的缸孔表面，研 制开发了研磨工艺设备及磁性研磨头，用粘结法制备了f e + s i c 磁性磨料；在分析磁力研 磨机理的基础上，分析了单个磁性磨料以及研磨刷的受力状况，并获得了磁性磨料的运动 轨迹；以磁路设计的基本理论为依据，得出了磁感应强度的分析模型，建立了磁力研磨加 工研磨量的分析模型，并通过研磨量模型得到了表面粗糙度的数学表达式；用m a t l a b 软件设计了磁力研磨理论分析界面，分析了工艺参数与加工评定参数之间的关系。进行了 实际加工试验，揭示了磨料粒度、加工间隙和相对速度等工艺参数对研磨量、表面粗糙度 等的影响规律，并与分析结果进行了比较；还分析了加工后工件表面粗糙度整体下降程度 并不理想的原因。 分析和试验结果表明，永磁与电磁磁感应强度是都是随着加工间隙的减小而增大的， 而电磁感应强度随着电流的增大而增大；研磨压力随着磨料中含铁容积率和磁感应强度的 增大而增大；在一定条件下，研磨量随着磁感应强度、主轴转速、加工时间等的增大而增 大，随着工作间隙的增大而减小；主轴转速应低于4 0 0r m i n ，以免磨料飞溅；研磨量随 着磨料填充量的增加呈增大的趋势，但当磨料填充量增加到一定程度时，研磨量反而减小。 理论分析与试验结果基本一致，表明所建分析模型正确，为磁力研磨的应用与发展提供了 重要的理论依据。 关键词：微弧氧化表面；磁力研磨；磁性磨料；分析模型；研磨试验 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：t h er e s e a r c ho fm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gf o r m i c r o a r co x i d a t i o nc y l i n d e r m a j o r ：m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n n a m e ：w a n g t i n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i a oj i m i n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a l u m i n u ma l l o yh a sm a n ya d v a n t a g e s ，l i k eh i g h e rs t r e n g t h , b e u e rp l a s t i ca n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t y , s m a l l e rd e n s i t y , h i g h e rm e c h a n i c a lp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , e a s i e rm o l d i n ga n d s oo n i ti st h em o s tw i d e l yu s e di nt h el i g h t w e i g h td e s i g no fp r o d u c t s b u t ，t h e r ea r es o m ed e f e c t s r e s t r i c t e dt h ea p p l i c a t i o no fa l u m i n u ma l l o y , l i k el o w e rh a r d n e s s ，p o o ro fc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a i l dw e a rr e s i s t a n c ea n ds oo n i no r d e rt oi m p r o v et h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，a b r a s i o nr e s i s t a n c e a n dl o n gs e r v i c el i f eo fa l u m i n u ma l l o y , t h ec o m m o n l yu s e dp r o c e s s i n gm e t h o di nc u r r e n t p r o d u c t i o ni ss u r f a c eh a r dc h r o m i u mp l a t i n g h o w e v e r , t h i st r e a t m e n t h a sb e e nm a n yr e s t r i c t e d ， b e c a u s eo fm a n yd e f e c t s ，l i k em o r ec o m p l e xp r o c e s s ，l o n g e rf l o wa n dh i g h e rc o s t ，e s p e c i a l l y t h es t r o n g e rc o r r o s i v eo ft h el i q u i da n dm o r es e v e r ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o no f w a s t ed i s c h a r g e m i c r o a r co x i d a t i o ni sa ne n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l ys u r f a c et r e a t m e n tp r o c e s s ，b u ti tm a k e st h e r o u g h n e s so fa l u m i n u ma l l o ys u r f a c ei n c r e a s e d ，a n dt h el o o s el a y e rw h i c he x i s t si nt h es u r f a c e o f 、m i c r o a r co x i d a t i o nc e r a m i cl a y e ri n f l u e n c e st h eu s eo ft h ea l u m i n u ma l l o yp e r f o r m a n c e t h es u b j e c tt h a th a sb a s e do nt h es u r f a c eo fg a s o l i n ee n g i n ec y l i n d e rh a sr e s e a r c h e dt h ep r o c e s s o fm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n ga n dt h ee q u i p m e n td e v e l o p m e n t , a n dt h ef o l l o w - u pp r o c e s s i n g o ft h em i c r o a r co x i d a t i o ns u r f a c eo fa l u m i n u ma l l o y , w h i c hh a si m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c e a n dp r a c t i c a lv a l u e t 0t h es u r f a c eo fg a s o l i n ee n g i n ea l u m i n u ma l l o yc y l i n d e rh o l ew h i c hh a sb e e nd e a l tw i t h m i c r o a r co x i d a t i o n 1e 3 6 f 2a n d1e 4 0 f 一5 ，t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dt h et e c h n o l o g i c a l e q u i p m e n to fa b r a s i v ea n dt h et o o lt i po fm a g n e t i ca b r a s i v e ，p r e p a r e dt h em a g n e t i ca b r a s i v eo f f ea n ds i cb yt h ew a yo fb o n d b a s i n go nt h ea n a l y s i so fm a f , t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h e f o r c es t a t u so fas i n g l em a g n e t i ca b r a s i v ea n da b r a s i v eb r u s h ，o b t a i n e dt h et r a j e c t o r y o f m a g n e t i ca b r a s i v e a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo fm a g n e t i cc i r c u i td e s i g n ，i th a s n o to n l y o b t a i n e dt h ea n a l y t i c a lm o d e lo fm a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t ya n dt h eg r i n d i n gq u a n t i t yi nm a f , i i i 西安理工大学硕士学位论文 b u ta l s og o tt h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no fs u r f a c er o u g h n e s sb yt h eg r i n d i n gq u a n t i t ym o d e l i th a ss t u d i e dt h er e l a t i o nb e t w e e n p r o c e s sp a r a m e t e ra n dp r o c e s s i n ga s s e s s m e n tp a r a m e t e r sb y u s i n gm a t l a bs o f t w a r ef o rt h ed e s i g no fm a fo r e t i c a la n a l y s i si n t e r f a c e o nt h eb a s i so f f i n i s h i n gt h ea c t u a lm a c h i n i n gt e s t , i th a sr e v e a l e dt h ed i s c i p l i n et h a tt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so f t h ea b r a s i v ep a r t i c l es i z e ，p r o c e s s i n gg a pa n dr e l a t i v es p e e da f f e c t e dt h eg r i n d i n gq u a n t i t ya n d s u r f a c er o u g h n e s s f i n a l l yt h ed i s c i p l i n eh a sb e e nc o m p a r e d 谢t l lt h ea n a l y t i c a lr e s u l t s ，a n di t h a ss u m m a r i z e dt h er e a s o nt h a tt h ed e c l i n i n gd e g r e eo ft h ew o r k p i e c e ss u r f a c er o u g h n e s sw a s n o ti d e a la f t e rp r o c e s s i n g a n a l y s i sa n dt e s tr e s u l t sh a v es h o w nt h a t ，t h ep e r m a n e n tm a g n e ta n de l e c t r o m a g n e t i c m a g n e t i ci n d u c t i o nh a v ei n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s i n go fp r o c e s s i n gg a p ，t h ee l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t yh a si n c r e a s e dw i mt h ei n c r e a s i n go fi n p u tc u r r e n t t h eg r i n d i n gp r e s s u r eh a s i n c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s i n go ft h e i r o nc a p a c i t yr a t eo fa b r a s i v ea n dm a g n e t i ci n d u c t i o n g r i n d i n gq u a n t i t yh a si n c r e a s e d 晰t ht h ei n c r e a s i n go ft h em a g n e t i ci n d u c t i o n ，s p i n d l es p e e d a n dp r o c e s s i n gt i m e ，a n dd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h em a c h i n i n gg a p i no r d e rt o a v o i d i n gt h es p l a s h i n go fa b r a s i v e ，t h ec h o i c eo fs p i n d l es p e e dh a st r i e dt ok e e pi n4 0 0 r m i n g r i n d i n gq u a n t i t yh a si n c r e a s e d 、析t l lt h ei n c r e a s i n go ft h eg r i n d i n gf i l l i n gq u a n t i t y , a n dw h e ni t h a si n c r e a s e dt oac e r t a i nv a l u e ，g r i n d i n gq u a n t i t yh a s d e c r e a s e d t e s tr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i sh a v eb e e nb a s i c a l l yt h es a m e ，s ot h a ti th a sp r o v e dt h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e l i s c o r r e c t ，a n d i ta l s oh a s p r o v i d e di m p o r t a n t t h e o r e t i c a l b a s i s f o rt h e a p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to fm a e k e y w o r d s ：m i c r o a r co x i d a t i o n ；m a f ；m a g n e t i ca b r a s i v e ；a n a l y s i sm o d e l ；g r i n d i n gt e s t i n g i v 第一章绪论 1 绪论 随着光学、电子、通讯、航空航天、生物工程等高新产业的飞速发展，诸多复杂形状、 难加工材料组成的元器件对超精密加工技术提出了更严格的要求。在传统的机械加工技术 中，可获得最低表面粗糙度的方法就是光整加工技术。传统的光整加工工艺主要有手工研 磨、抛光、机械光整加工、超精加工等。但传统的光整加工技术在效率、精度、自动化以 及所能适用的加工型面、加工材料等方面不能满足现代高科技产业发展的要求，于是就相 应产生了以降低元件表面粗糙度、保持和提高形状精度为主要目标的非传统光整加工技 术，主要有磁场辅助光整加工、离子束抛光、激光束抛光、化学抛光、电化学抛光、磨料 流抛光、超声波研磨抛光等非传统光整加工方法【l 】。非传统光整加工方法在很多难加工场 合具有明显的优势，所以研究和开发先进的非传统光整加工方法，对促进现代制造技术的 发展具有重要的意义。 本文结合对汽油发动机铝合金缸体经微弧氧化表面改性处理表面的磁力研磨工艺研 究，分析各工艺参数对铝合金微弧氧化表面的研磨效率、表面粗糙度等的影响规律，以便 推动磁力研磨光整加工技术的发展和应用。 1 1 研究背景及意义 1 1 1 铝合金零件功能表面的改性方法 铝及其合金是一种具有良好的综合性能的有色金属材料，它具有比强度高、反光性强、 塑性好、导热和导电性能良好、无低温脆性等优点，而且其密度小，机械加工效率高，易 于加工成型，是目前轻合金中用量最多、应用最广的合金，特别是在航空、航天、汽车、 电子、通信、建筑、化工等领域的应用更加广泛，用量的比例也是越来越大【2 】。众所周知， 铝及其合金化学性质活泼，在干燥空气中表面很容易氧化，形成一层薄而致密的氧化膜1 3 j 。 但铝合金零件功能表面硬度低、抗腐蚀性能差、耐磨性差，这些缺点严重影响了铝合金的 应用。因此，有必要对铝及其合金进行适当的表面改性处理，以提高其表面硬度、耐蚀性 和耐磨性1 4 ，5 j 。 目前，在实际生产中对铝及其合金进行表面改性处理广泛采用阳极氧化、电镀硬铬、 电泳、喷涂等传统的表面处理方法，如表1 一l 所列。 但是，这些传统的表面改性处理方法，工艺复杂，流程长，成本高，尤其是其所用液 体具有很强的腐蚀性，废液的排放会严重污染环境等。随着环境保护要求的不断提高和人 们环境保护意识的不断增强，这些传统的表面改性处理工艺的应用越来越受到限制。因此， 世界各国科技工作者一直致力于绿色表面改性处理工艺的研究开发。微弧氧化技术，又称 等离子体氧化技术，就是近几年在阳极氧化工艺基础上发展起来的一种工艺简单，流程短， 成本低，特别是无三废排放，无环境污染等的先进的表面改性处理技术，具有广阔的应用 前景。 西安理工大学硕士学位论文 表1 1传统表面处理方法的特点及应用 t a b 1 1t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no f t h ec o m m o n l yu s e dm e t h o d 处理方法 工艺特点 应用 有腐蚀性液体，废水排量大，前处理复杂。广泛用于机械零件，飞机汽车部件，精密仪 阳极氧化 氧化膜为非离子相，膜层疏松、多孔。器及无线电器材，日用品和建筑装饰等方面。 有腐蚀性液体，废水排量大且含重金属铬 广泛用于精密仪器中，特别是在航空产品中 电镀硬铬离子，环境污染严重。镀膜硬度高，但与 作用很大。 基体结合强度差，易剥落。 前处理工艺复杂，废水排量大，加工成本 广泛地应用于临床化学、分析化学、生物化 电泳学、药理学、免疫学、毒剂学、微生物学、 高。漆膜涂层丰满、均匀、平整、光滑。 食品化学等各个领域。 主要应用于五金，塑胶，家私，军工，船舶 喷涂前处理流程长，废水排放多，加工成本高。 等领域 1 1 2 微弧氧化技术 所谓微弧氧化就是将a 1 、m g 、t i 等有色金属及其合金置于特殊的电解溶液中，在热 化学、电化学和等离子体化学等的共同作用下，利用电化学方法在该材料表面产生微弧放 电，在金属表面生成陶瓷膜层的一种方法。该技术与阳极氧化技术的基本原理有相似之处， 但本质上是不同的，微弧氧化技术是通过等离子体放电增强了在阳极上的反应，这也是该 陶瓷膜层比阳极氧化膜层性能提高的原剐1 - 9 1 。 ( 1 ) 微弧氧化的工艺特点： 提高轻金属部件的耐磨性能； 提高轻金属部件的耐腐蚀性能； 提高轻金属部件的绝缘性能； 处理过程无三废排放； 处理工艺简单，流程短，节约能源。 ( 2 ) 微弧氧化处理表面的特点 图1 一l 为微弧氧化处理铝合金后的表面和截面形貌。可见，微弧氧化表面( 图1 1 a ) 由分布均匀的微盲孔构成，有利于在减摩条件下连续油膜的形成，改善润滑条件，降低摩 擦系数，延长使用寿命。对用于制取防腐保护涂层的产品，此类表面状态利于进行封孔或 喷粉等后续处理，增强其附着力。微弧氧化截面( 图1 1 b ) 陶瓷层与基体以冶金型微熔过 渡区连接。其组织致密无穿孔，且与基体成明显的微冶金型结合。此类组织特征大大增强 了陶瓷层对基体的防腐蚀保护能力。但是微弧氧化处理会使工件表面粗糙度增大，尤其是 表面存在一层组织较松散的陶瓷层疏松层【6 】，当作为减摩和耐磨表面时，在摩擦力的 作用下该层很容易产生开裂和剥落，磨屑碎片会划伤配合偶件，加速其磨损。因此，对于 2 第一章绪论 减摩和耐磨表面经微弧氧化处理后必须进行后续加工，以便去除表面疏松层和降低表面粗 糙度，提高其使用性能。由于微弧氧化表面的功能陶瓷层很薄，一般仅2 - 3 肛m ，在去除 表面疏松层和降低表面粗糙度时，又不能破坏功能陶瓷层，其后续加工技术己成为该项技 术在减摩和耐磨表面推广应用的一道难题。因此，本文进行微弧氧化表面加工技术的研究 具有重要的理论意义和现实价值。 ( a ) 表面形貌( b ) 截面形貌 图l 一1铝合金微弧氧化处理后的表面和截面形貌【7 】 f i g 1 1 t h es u r f a c ea n ds e c t i o nm o r p h o l o g ya f t e ra l u m i n u ma l l o ym i c r o - a r co x i d a t i o np r o c e s s ( 3 ) 微弧氧化技术的应用 微弧氧化技术可广泛应用于各种形状复杂的零件，也可应用于基体材料，如a 1 、m g 、 n b 、z r 、t i 、t a 、c d 等金属及其合金的表面改性处理【8 】，如表1 2 所列 9 j 。 表1 - 2 微弧氧化技术的应用 t a b 1 2t h ea p p l i c a t i o no fm i c r o - a r co x i d a t i o nt e c h n o l o g y 应用领域所应用性能举例 航空、航天、机械耐磨性汽车轴、气动元件、密封环 石油、化工、造船、医疗耐蚀性、耐磨性管道、阀门、t i 合金人工关节 纺织机械耐磨性纺杯、压掌、滚筒 电器绝缘性电容器线圈 兵器、汽车耐热性储药仓、喷嘴 建材、日用品 耐磨、耐蚀、色彩 装饰材料、电熨斗、水龙头 1 1 3 光整加工技术 所谓光整加工是被加工对象表面质量得到大幅度提高，同时实现精度的稳定，甚至提 高加工精度等级的一种技术，也是先进制造技术的一个重要组成部分【l0 1 。光整加工的种 类很多，传统的光整加工有手工抛光、机械研磨抛光等。但传统的光整加工技术在效率、 精度、自动化以及所能适用的加工型面、加工材料等方面不能满足现在高科技产业发展的 要求，于是就涌现出不少新的光整加工方法，如超声波抛光、化学与电化学抛光、机械研 磨抛光、磁力研磨抛光等。这些新的技术的共同特点是效率高、质量好、操作方便、劳动 强度低；不足之处是使用范围具有一定的局限性。它们有的可以用于复杂零件的型腔、模 具型腔、盲孔及通孔的抛光及去毛刺，有的也适用于医药、化工等大型容器型腔的抛光以 西安理工大学硕士学位论文 及航空复杂零件型腔的抛光等【1 1 1 。几种光整加工方法的性能比较如表1 3 所列。 表1 - 3 几种光整加工方法的性能及应用 t a b 1 3t h ep e r f o r m a n c ea n da p p l i c a t i o no f s e v e r a ll i g h tt h ew h o l ep r o c e s s i n gm e t h o d 光整加工 优点缺点应用 方法 劳动强度大、加工效率低，而且对 手工抛光操作简单用于一些金属表面处理 工人的技术熟练程度要求高 超声波手工操作的辅助抛光用于边角、逢、槽等人的 加工效率非常低 抛光方式手指很难触及部位 化学与电 加工效率高 难于控制，对环境和工人的健康也用于一些简单型面或小的 化学抛光有一定程度的危害复杂工件的光整加工 大尺寸的工件可以处容易产生疲劳强度，特殊形状工 机械研磨已经在圆柱表面的镜面加 理，成本低，需要电件不能研磨或者很难研磨，需要 抛光 工中获得应用 能少一定的设备投资，环境污染严重 柔性、自适应性和自 磁性磨料的制备问题是制约磁力 磁力研磨锐性好，适用范围广，适用于各个领域精密零件 研磨光整加工技术发展的瓶颈问 抛光加工效率高，成本低，的研磨、抛光和去毛刺。 题 比较清洁 1 1 4 磁力研磨加工 磁力研磨抛光突破了传统加工方法所遭遇的瓶颈，是一种能满足加工要求的光整加工 方法，而且操作简便、成本低廉，是近几十年来新兴的一种有前景的光整加工技术。这种 加工方法处理对象的适应性强，能磨削平面、曲面，形状复杂的零件内外表面，特别是研 磨内腔表面效果更佳显著。磁力研磨加工过程中，研磨压力以及工作间隙是通过磁场强度 的变化来控制的，这样在金属去除量较小的时候，也可以得到相对满意的表面质量【l2 1 。 另外，磁力研磨加工技术也可以通过与数控机床、机器人以及加工中心技术相结合，来实 现研磨加工的自动化；所以，对磁力研磨加工的重视程度越来越高引。 磁力研磨加工有着传统研磨加工工艺所不可替代的一些特点，而且相对于其它的精密 加工方法，它更具有自己独特的优势。其加工特点可归纳为： ( 1 ) 磁力研磨刷具有很好的柔性和弹性，处理对象的适应性强，能磨削平面、曲面， 形状复杂的零件内外表面，特别是研磨内腔表面效果更佳显著； ( 2 ) 磁力研磨加工表面的质量好； ( 3 ) 磁力研磨加工容易实现自动化，磁力研磨过程中，通过改变线圈的电流来调节 磁场强度以及研磨压力，可以有效地控制磁场，并且实现自动控制加工过程； ( 4 ) 磁力研磨加工能够提高工件表面硬度，改善其力学性能； ( 5 ) 在加工过程中，磨削工件表面产生塑性变形小，磨削热低，残余应力小； 4 第一章绪论 ( 6 ) 磁性磨料具有良好的自锐性能，磨削能力得到增强； ( 7 ) 研磨时无粉尘飞散现象，可以保持环境清洁； ( 8 ) 磁力研磨的加工材料广泛，不仅可以加工非磁性材料和各种难加工材料，也可 加工磁性材料【1 4 】。 磁力研磨是磁性磨料利用磁场作用对工件表面进行磨削的一种方法。下面以外圆表面 研磨加工为例，来说明磁力研磨的工作原理，如图l - 2 所示。 磁性磨粒 工件磁极 图1 - 2 磁力研磨外圆表面示意图 f i g 1 - 2 t h em a fo fe x t e r n a lc i r c u l a r 两个磁极对称、平行置于工件两侧，并与工件之间保持适当的间隙形成所需磁场；将 磁性磨料填满间隙，磁性磨料在磁场的作用下沿磁力线方向有序地排列，并集中在强磁场 区域，形成具有一定磨削能力和刚性的磁力研磨刷；当工件或磁场旋转时，工件表面与“研 磨刷 产生相对运动，此时磁性磨料对工件表面就会产生滑擦、滚动、磨削等运动，实现 对工件表面的光整加工。 图1 3 图1 - 6 为磁力研磨其它工件表面时的示意副1 5 j 。 图1 - 3 圆柱内表面磁力研磨 图1 4 凹槽和平面磁力研磨 f i g 1 - 4 t h em a fo f g r o o v e sa n dp l a n e 西安理工大学硕士学位论文 图1 - 5 球面的磁力研磨 f i g 1 - 5 t h em a fo f s p h e r e 1 2 磁力研磨的发展历史 磁性磨粒磁极工件 图1 石台阶面和螺纹面的磁力研磨 f i g 1 - 6 t h em a fo fs t e p sa n dt h r e a df a c e 磁力研磨加工这一概念最早由苏联工程师k a r g o l o w 在1 9 3 8 年正式提出，从1 9 5 0 年开 始，苏联有不少学者对磁力研磨加工进行了大量研究【l5 。在上世纪6 0 年代苏联b a r o n 发表 了最早关于在磁场中利用磁力研磨加工研究的论文，不少学者，如k n o o v a l o v 、h u l e v 、 s a k u l e v i c h 等，在磁性磨料的制备上做了很多工作，还申请了关于磁性磨料的组成、配比 和结构等多项专利；另外，前苏联还多次举办过相关的专题会议【l6 1 。 上世纪7 0 年代，苏联研制出了平面磁力研磨机床。此后，英、美、德、荷兰等国也研 制开发了应用于生产的专用磁力研磨机床；保加利亚也一直在发展磁力研磨加工技术，并 在其国内举办了多次国际性的专题学术会议【l7 1 8 】，研发了各种外圆和平面磁力研磨装置使 其得到进一步推广应用，并将其应用于倒棱边、去毛刺等实际生产中。德国也发表了这方 面的学术论文。 1 9 8 1 年后，日本开始这方面的研究。s h i n m u r a 在1 9 8 3 年的日本精密工学会春季大会上， 在日本首次发表关于外圆磁力研磨的论文，其后2 0 年里相继对以外圆、内圆、平面、曲面 为磁力研磨的加工原理、加工特点，以及相关设备进行一系列的研究【1 9 , 2 0 】。其它代表性的 研究者有：理化学研究所的a n z a i 、日本工业大学的s u z u k i 、东京大学的n a k a g a w a 、东北 大学的k a t o 等。他们进行了大量的研究工作，开发了应用于仪表、量具、和家用电器等行 业的专用磁力研磨机床。 1 9 9 0 年后，s h i n m u r a 2 1 f f l y a m a g u c h i 2 2 j 等对内孔表面的研磨和毛刺去除做了深入的研 究。s h i n m u r a 研制开发了多种磁力加工装置，并且培养了大批从事磁力研磨研究的优秀人 才。不少中国学者曾在这里深造，从事该领域的研究。近几年，y a m a g u c h i - - 直致力于内 孔的磁力研磨研究。王德斌对陶瓷内孔磁力研磨的加工特性进行了研究。y a m a m o t o 研究 了在二维自由运动机构运用磁场辅助加工对陶瓷的镜面加工，还开发了超声波振动研磨加 工装置。 国外关于磁力研磨的研究主要集中在日本口3 1 、俄罗斯【2 4 1 、美斟2 5 1 、韩国【2 6 ，2 7 】等国家， 以大学为中心，国立研究机关与民营企业为辅展开了一系列研究，尤其对实现复杂的微小 6 第一章绪论 三维曲面自动化加工、光学镜面的超精密加工等展开了研究，并且将多种工艺与磁力研磨 复合或组合，取得了很多重要成果。其中大学主要包括宇都宫大学、日本工业大学、美国 o k l o h a m a k l 立大学、t o l e d o 大学、俄罗斯s tp e t e r b u r g ) n 立工业大学、罗马尼亚s u c e a v a 大学、印度工业大学【2 蚰o 】等，而研究机关包括理化学研究所、名古屋工业研究所、枥木县 工业科技中心、韩国科学技术院，民营企业则有日本共荣电工株式会社、白俄罗斯p o l i m a g 公司、日本吴羽化学( 株) 、日本东洋研磨材( 株) 等。 与工业发达国家相比，我国对磁力研磨加工技术的研究相对较晚，上个世纪8 0 年代中 期各高校及研究机构才开始从事这方面的研究i j 。 大连理工大学的赵玉刚、方建成等人【3 2 ，3 3 】采用球头磁极对自由曲面进行磁力研磨，运 用单因素法分析粒径、磁极形状及填充率对去除量的影响，模拟测量磁场力，得出磁极表 面开槽能有效的提高磁性磨料加工的能力和应用领域；对内圆表面的旋转磁场磁粒研磨加 工进行了有限元仿真和计算，用有限元法建立了磁力研磨加工的数学模型，并通过实验表 明脉冲控制电磁线圈产生的旋转磁场是最有效的。 山东理工大学的肖作义等人 3 4 1 对磁力研磨技术于反求工程进行了结合分析，对磁极 运动轨迹的加工代码进行了仔细分析，提出反求工程与磁力研磨相结合可以有效的解决模 “ 具型腔的精加工。刘海山等人推出一种新型的磁性磨料，通过对铁磁性材料的内圆柱面进 行加工的实验研究，得出该磨料的最佳配比i 3 引。 上海交通大学的胡德金等人【36 】提出了用电磁励磁产生回转磁场的励磁方法，并对励 磁机构的简化模型进行了数值仿真，对仿真结果进行了研究分析，并设计了新型回转磁场 装置，并对管道进行了材料去除试验。 鞍山科技大学的陈燕，巨东英【3 7 1 对阶梯轴类工件表面的抛光处理进行了实验研究， 对运用磁力研磨加工微型复杂形状的轴类工件的可能性做了进一步讨论：探讨了利用磁研 磨法对复杂自由曲面型腔抛光的工作原理及加工条件；针对细长管特别是弯管的内表面加 工，提出利用磁性磨料的柔性和磁力线能穿透非磁性材料的特性，对非磁性材料弯管内表 面采用磁力研磨法进行精密加工。 太原理工大学的安家宪等人 3 s - 4 1 】对磁性磨料的制备与加工工艺参数进行了分析；提出 利用交流电动机定子结构而产生的旋转磁场对管类零件内表面进行磁力光整加工；结合 n c 控制技术与磁力研磨新工艺，建立了柔性磨削理论和“柔性磁刷 的数学模型；姚新 改等人 4 2 , 4 3 】运用三种永磁磁极头对铝合金板、铜合金板和4 5 号钢板进行磁力研磨加工， 并分析其加工效果，验证了用强永磁材料磁极头进行磁力研磨加工是可行的；探讨和分析 了磁性磨料颗粒在交变磁场作用下的受力和运动；针对活塞裙部异型面，设计出其专用的 磁力研磨装置。 沈阳大学王树逵等人【4 4 】对外圆磁力研磨系统用磁导法与安培环路定律计算了工作间 隙；孙学礼【4 5 】计算分析了外圆磁研磨摆动机构关键点的运行速度和加速度，运用动力学 分析和计算了其摆动机构的所需功率；张若贵等人 4 6 - 4 9 1 对极化电磁型和电磁动力型振动机 7 西安理工大学硕士学位论文 构的电磁力进行了计算，用磁路解析法分别对车床、卧式铣床和普通立式铣床改装的磁力 研磨系统进行了设计计算分析；贾世福【5 0 , 5 1 1 等人利用永久磁体进行磁力研磨，提出永久磁 体磁路的计算方法，并对不锈钢工件内外圆表面进行了研磨试验。 华东船舶工业学院王艳【5 2 】设计研制了细长薄壁工件内孔的研磨装置，以铝镍钴磁钢 粉作为磁性磨料，对奥氏体不锈钢管内壁进行研磨，实验结果良好；研制了振动研磨实验 装置，并且进行了实验，通过实验对比，证明磁性磨料在振动的情况下研磨效率与加工精 度明显提高。 此外，长春工业大学马东雄等人【5 3 】提出磁力研磨加工自由曲面时获取均匀去除表面 的方法；西安工业大学【5 4 , 5 5 】、陕西科技大学【5 6 1 、中原工学院酚5 9 1 、浙江大学【6 0 1 、唐山学 酣6 1 1 、广东工业大学【6 2 1 等多个学校和多家单位也进行了该领域的研究。 1 3 磁力研磨的应用领域及发展趋势 磁力研磨现在已应用到汽车、机械、光学、轴承、磨具、医疗器械等制造行业中，主 要表现在零件表面的光整加工、棱形边缘的倒角以及去毛刺，既可用于外圆表面加工，也 可用于平面或内表面加工，还可以用于齿轮表面螺纹和钻头等微细复杂形状表面的抛光加 - - v 6 3 1 j lo 在半导体行业中，传输高纯度气体的容器和管道以及制药工业物流管道内壁表面粗糙 度都需要o 2 岬以下。磁力研磨法可以通过磁力线的透过作用，吸引工件内部放置的磁性 磨料，从而形成研磨压力，然后在工件外部利用磁极的旋转来加工管状类零件的内壁，该 方法适用于直管、弯曲管件等。 在模具制造行业中，由于数控机床和c a d c a m 系统的引入，在大部分的模具制造 中都已实现自动化加工，但对于复杂三维曲面模具的表面抛光如汽车覆盖件模具等仍然需 由熟练工人操作。为免除手工操作，在各种抛光过程中，磁力研磨过程最有可能实现模具 抛光自动化。 目前，磁力研磨已经不仅仅限于自身的工艺参数优化改进与突破，而且已经于多种工 艺进行复合或组合，形成磁场辅助复合加工，近年发展起来的有振动复合磁力研磨、磁场 电化学磁粒复合抛光、磁辅助电化学加工、磁场辅助超声波加工、磁粒喷洒研磨加工等。 这些工艺的复合或者组合使其加工精度、加工效率得到很大提高。另外，磁力研磨正朝着 微细纳米级精度表面的光整加工的方向发展，在光学产业中已经被用于加工各种高形状、 表面精度的光学镜片，这是磁力研磨技术中一个重要的应用方向。 1 4 本文研究内容 本文结合对汽油发动机铝合金缸体经微弧氧化表面改性处理表面的磁力研磨工艺研 究及设备开发，采用理论研究和试验研究相结合的方法，进行了磁力研磨机理分析、磁性 磨料制备、研磨工艺参数确定等工作。具体研究内容及技术路线如下： ( 1 ) 根据精密切削理论和摩擦学理论，研究磁力研磨：j 口q - 机理，以及磁性磨料的磨 8 第一章绪论 削机理；分析磁性磨料的受力，并建立磁力研磨加工系统的数学模型。 ( 2 ) 利用m a t l a b 软件对磁力研磨加工进行理论分析；在前人设计的试验装置的基 础上设计出本课题试验所需的装置；查阅大量与磁性磨料制备方面相关的文献，结合各种 制备方法的优缺点，选择合适的制备方法，通过基础性试验制备多组磁性磨料，通过研磨 加工试验，对比各组磨料的加工效果，最终确立本试验的制备工艺。 ( 3 ) 通过用所研发的磁力研磨工艺装置及磁性磨料，对1 e 3 6 f 一2 ( 缸径巾3 6m m ) 和 1 e 4 0 f 5 ( 缸径巾4 0m m ) 的汽油发动机铝合金缸体进行试验，分析各工艺参数对表面粗 糙度和研磨量的影响规律，并与理论分析结果对比，以便验证所建数学模型的正确性。分 析加工后工件表面粗糙度整体下降程度并不理想的原因，对比试验中几种加工后的微弧氧 化陶瓷层截面形貌、等高线图与表面微观轮廓图以及三维形貌的表征参数，分析它们的耐 磨性能。 研究方案和技术路线如图1 - 7 所示。 磁力研磨加工机理 磁性磨料磨削机理 磁力研磨加工系统 的数学模型 磁力研磨理论 分析界面 磁性磨料的制备卜叫磁力研磨试验 猢黼h 缫黼瓣 图1 7 研究方案和技术路线 ? f i g 1 7 r e s e a r c hs c h e m ea n dt e c h n i c a ll i n e 本文章节安排如下： 第一章绪论，介绍了本论文的研究背景意义、发展历史及应用领域等，阐述了本文 的研究内容和章节安排； 第二章磁力研磨加工机理分析，从磁力研磨的加工机理出发，分析单个磁性磨料和 磁性磨料刷的受力，以及磨料的运动轨迹，建立磁场参数以及加工评定参数的数学模型， 并指出影响磁力研磨加工的其它因素； 第三章磁力研磨理论分析界面的设计，利用m a t a l b 的g u i 界面进行磁力研磨理论 分析界面的设计，并对界面各模块的功能作用进行解释说明； 第四章磁性磨料的制各，介绍磁性磨料的性能要求和组成，了解目前应用的磁性磨 料制备方法。从微弧氧化缸体出发，结合各磨料制备方法的优缺点，确定本试验所用磨料 的制备方法； 第五章磁力研磨理论与试验结果分析，将试验结果与理论分析结果进行对比，分析 各工艺参数对磁力研磨加工的影响，并分析加工后工件表面粗糙度整体下降程度并不理想 的原因； 9 西安理工大学硕士学位论文 第六章结论与展望，总结所研究的工作并得出结论，展望该领域需要继续进行的研 究工作。 1 0 第二章磁力研磨加工机理分析 2 磁力研磨加工机理分析 迄今为止，在磁力研磨机理方面所做的研究工作主要集中在磁性磨料的受力分析、磨 料与工件材料的力学作用与化学作用、材料去除机理与模型等【6 4 稍】。 2 1 磁力研磨加工机理 在磁力研磨加工中，主要是通过机械和化学作用来实现材料的去除。机械作用主要是 对工件加工表面进行去除和划擦，化学作用主要是对工件加工表面进行化学腐蚀以及生成 薄膜。磁力研磨实际上是机械和化学作用共同参与的结果。机械作用下磨料的工作状况如 表2 1 所示。 表2 l 机械作用下磨料的工作状况 t a b 2 - 1t h ew o r k i n gc o n d i t i o n so f t h e