（机械制造及其自动化专业论文）粘弹性磁性磨具的制备及其光整实验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位沦文 粘弹性磁性磨具的制备及其光整实验研究 摘要 磁性光整加工具有加工柔性高、自适应性好及光整效果显著等优点， 在光整加工中，磁性磨具从工件表面切下切削为微米纳米级，可实现工件 表面的去毛刺及粗、精加工，因此在提高工件表面质量及制造水平等方面 具有较高的应用价值。 在磁性光整加工中，当外部光整条件基本一致时，影响磁性光整加工 效果的主要因素为磁性磨具性能的高低，所以探索制备工艺相对简单、性 能优良的磁性磨具，可推动磁性光整加工技术的规模化应用。因此，本文 在分析对比国p 勺# l - 磁性光整加工及磁性磨具制备技术研究现状的基础上， 针对混合法制备磁性磨具技术的现状及不足，总结前面研究成果，进一步 对新型磁性磨具粘弹性磁性磨具的制备及性能做深入研究。 粘弹性磁性磨具，为混合法制备磁性磨具的新探索，该磨具具有一定 的粘弹性，可在外部工作磁场作用下，以一定的预作用力作用于被加工工 件表面形状，具有较好的加工自适应性，适于对零件内孔面、平面及复杂 曲面所需部位进行精密光整加工，特别是将本工序置于粗磨工序之后，可 具有较高的光整效率与经济效益。 本文主要研究内容如下： 1 、对旋转磁场内表面光整加工中，单元粘弹性磁性磨具的受力进行分 析；从光整加工中粘弹性磁性磨具对工件表面微观形貌的作用出发，进一 步阐述粘弹性磁性磨具的光整机理； 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、针对单一基体粘弹性不足的现状，选用复合基体方案制各粘弹性磁 性磨具，并进行了相关工艺方案的分析和实验验证； 3 、应用模糊数学中极大值、极小值及中间值分类函数，对粘弹性磁性 磨具进行了初步的等级划分，然后用实验的方法，对分类函数进行验证， 进而确定了粘弹性磁性磨具“软”、“中”及“硬”三个等级的相对范围； 4 、由粘弹性磁性磨具光整机理可知，在光整条件基本一致的条件下， 影响粘弹性磁性磨具光整性能的主要因素为磨具组织构成，其包括：基体 含量、磨削相铁磁相质量比例、铁磁相磨削相相对粒度及基体粘度。随后， 应用所制粘弹性磁性磨具从各影响因素方面，对y l l 2 管件内孔表面进行了 相应的光整实验，验证了粘弹性磁性磨具的光整性能。 通过以上研究，可知粘弹性磁性磨具光整性能优良，制备工艺简单可 行，具有较高应用价值，对于磁性磨具制备技术的持续发展起到重要推动 作用。 关键词：磁性磨具，粘弹性，光整加工，制备工艺，内孔表面 i i t h ep r e p a r a t i o no f v i s c o e l a s t i cm a g n e t i c a b r a s i v e sa n df i n i s h i n ge x p e r i m e n t s t u d y a b s t r a c t m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hf i n i s h i n gf l e x i b i l i t y , n i c es e l f - a d a p t a b i l i t ya n dm a r k e df i n i s h i n gp e r f o r m a n c e ，a n da st h em a g n e t i c a b r a s i v e sc o u l da c h i e v et h em i c r o - n a n o p r o c e s s i n go fw o r k p i e c ei nt h ef i n i s h i n g ， s oi tc o u l da c h i e v et h eb u r r i n g ，r o u g ha n dp r e c i s i o nm a c h i n i n go f w o r k p i e c e ，s s u r f a c e ，c o n s e q u e n t l y ，i th a sh i g h e ra p p l i c a t i o nv a l u ei ni m p r o v i n gw o r k p i e c e ，s s u r f a c eq u a l i t ya n dt h el e v e lo f m a n u f a c t u r e i nt h ep r o c e s so fm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ，t h ef i n i s h i n ge f f e c ti s m a i n l y i n f l u e n c e db yt h ef a c t o ro fm a g n e t i ca b r a s i v e s p e r f o r m a n c ei n t h eb a s i c a l l y s a m ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，s ot h a t t h e s i m p l ep r e p a r a t i o np r o c e s sa n df i n e f i n i s h i n gp e r f o r m a n c eo fm a g n e t i ca b r a s i v e sw a se x p l o r e d ，a n dt h el a r g e s c a l e a p p l i c a t i o no fm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gc o u l db ep r o m o t e db yt h en e w p r e p a r a t i o nm e t h o d f o rt h i sr e a s o n ，i nt h eb a s eo f a n a l y s i n ga n dc o n t r a s t i n gt h e m a g n e t i cf i n i s h i n ga n dm a g n e t i ca b r a s i v e s p r e p a r a t i o n t e c h n o l o g yo ft h e d o m e s t i ca n do v e r s e a s ，o nt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h es h o r t a g eo f m a g n e t i c a b r a s i v e s h y b r i dp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e s u l t so fp r i o rr e s e a r c h e sw e r e s u m m a r i z e d ，a n dt h ef i n i s h i n gp e r f o r m a n c eo fn e wm a g n e t i c a b r a s i v e s ， v i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e s ，w a sf u r t h e r l ys t u d i e di n t h i sp a p e r i i i v i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e si s an e we x p l o r a t i o no ft h em a g n e t i c a b r a s i v e s h y b r i dm e t h o d ，w h i c hh a s ac e r t a i nv i s c o s i t ya n de l a s t i c i t y , a n dc o u l d b ee f f e c t e dt ot h ew o r k p i e c e ss u r f a c ei nac e r t a i na p p l yf o r c ei nt h ec o n d i t i o no f e x t e r n a lw o r k i n gm a g n e t i cf i e l d se f f e c t ，s ot h ea b r a s i v e sh a sb e t t e rw o r k i n g a d a p t a b i l i t ya n di ss u i t a b l ef o rt h ep r e c i s i o nf i n i s h i n go f s a m p l e si n t e r n a lh o l e s u r f a c e ，p l a n ea n dc o m p l e xc u r v e ds u r f a c e ，t h em a g n e t i cf i n i s h i n gc o u l dh a s e x c e l l e n te c o n o m ya n de f f i c i e n c yi ft h ef i n i s h i n gp r o c e s si s l o c a t e da f t e rt h e r o u g hg r i n d i n g t h e p a p e r sm a i nr e s e a r c hc o n t e n t s a r ea sf o l l o w s ： 1 ，t h ef o r c e so fv i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e s i nt h er o l es u r f a c ef i n i s h i n g o ft h er o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d w a sa n a l y s e d ；t h ef i n i s h i n gm e c h a n i s mo f v i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e sw a sf u r t h e r l ya n a l y s e df r o m t h ep r o c e s so f w o r k p i e c e sm i c r os u r f a c es h a p eb yt h ev i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e si nt h e p r o c e s so ff i n i s h i n g 2 ，f o rt h es i t u a t i o n o fs i n g l em a t r i xv i s c o e l a s t i c i t y ss h o r t a g e ，t h e c o m p o u n dm a t r i xs c h e m eo fv i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e s p r e p a r a t i o nw a s s e l e c t e d ，a n dc o r r e s p o n d i n gp r o c e s ss c h e m ew a sa n a l y s e d a n de x p e r i m e n t a l v a l i d a t e d 3 ，t h ev i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e sw a sp r e l i m i n a r i l yc l a s s i f i e db yt h e m a x i m u mv a l u e s ，m i n i m u mv a l u e sa n dt h em i d d l ev a l u e so ff u z z ym a t h e m a t i c s ；c l a s s i f i c a t i o nf u n c t i o n ，t h e nt h ec l a s s i f i c a t i o nf u n c t i o n sw e r ev a l i d a t e db yt h e e x p e r i m e n tm e t h o d s ，t h ev i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e sw a s c l a s s i f i e di nt h r e e i v 太原理j 大学硕士研究生学位论文 c l a s so fs o f t n e s s ，m i d d l e n e s sa n dh a r d n e s s 4 ，t h ef i n i s h i n gp e r f o r m a n c eo fv i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e sw a s i n f l u e n c e db yt h ef a c t o r so fa b r a s i v e s c o n s t i t u t i o n ，w h i c hc o n t a i n sm a t r i x c o n t e n t ，q u a l i t yp r o p o r t i o nb e t w e e n t h eg r i n d i n gp h a s ea n dt h e m a g n e t i cp h a s e 、 r e l a t i v ep a r t i c l eb e t w e e nt h eg r i n d i n gp h a s ea n dt h em a g n e t i cp h a s ea n dt h e m a t r i xv i s c o e l a s t i c i t y , t h ec o r r e s p o n d i n gf i n i s h i n ge x p e r i m e n t so fy 1 2t u b ep a r t s r o l es u r f a c ew a ss t u d i e db yt h ep r e p a r e dv i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e s ，t h e f i n i s h i n gp e r f o r m a n c eo fm a g n e t i ca b r a s i v e sw a s v e r i f i e d t h r o u g ht h ea b o v er e s e a r c h e s ，t h a tt h er e l i a b l ef i n i s h i n gp e r f o r m a n c ea n d t h ef e a s i b l ep r e p a r a t i o np r o c e s so fv i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e sw a sk n o w n ， a n dt h ea b r a s i v e sh a sh i g h l ya p p l i c a t i o nv a l u e ，t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f m a g n e t i c a b r a s i v e p r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y c o u l e db e p r o m o t e db y t h e p r e p a r a t i o no f v i s c o e l a s t i cm a g n e t i ca b r a s i v e s k e y w o r d s ：m a g n e t i ca b r a s i v e s ，v i s c o e l a s t i c i t y ，f i n i s h i n g ，p r e p a r a t i o n t e c h n o l o g y ，i n t e r n a ls u r f a c e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 仅：流体变形率张量系数；铁磁相固相影响因子； ：流体单位张量系数；磨削相固相影响因子； 南 y ：简单剪切流动条件下云； j ：克罗尼柯符号； 0 单元粘弹性磁性磨具磁场偏转角： 叩d ：基体表征粘度； ：真空磁导率； 儿：粘弹性磁性磨具表征粘度； 肼：粘弹性磁性磨具相对磁导率； 善：单元粘弹性磁性磨具阻力偏转角； ：单元粘弹性磁性磨具角速度； r ：流体的剪切应力； 哦：流体中固相体积分率； 哦。：流体中固相最大体积分率； 妒冀：粘弹性磁性磨具中铁磁相体积分率； 西譬w ：粘弹性磁性磨具中铁磁相最大固相体积分率； 西蘑：粘弹性磁性磨具中磨削相体积分率； 西蘑，。：粘弹性磁性磨具中磨削相最大固相体积分率； 1 1 ：幂指数； d ：单元粘弹性磁性磨具磨削相平均直径； 聊：磨削单元质量； ：内孔半径； ：单元粘弹性磁性磨具磨削单元平均尺寸； d ：流体变形率张量；固体磁性磨具直径；压痕直径； f ：单元粘弹性磁性磨具与工件间摩擦系数； i x 太原理工大学硕士研究生学位论文 r ：单元粘弹性磁性磨具法向总作用力； f 盛：单元粘弹性磁性磨具所受磁场作用力； f 厦：单元粘弹性磁性磨具所受切削阻力； f 膏：单元粘弹性磁性磨具所受离心力； g ：单元粘弹性磁性磨具所受重力； 日：单元粘弹性磁性磨具所受磁感强度； ，：流体单位张量； k ：流体粘度系数； 尸：流体应力张量； 阢单元粘弹性磁性磨具中导磁相微粒所占体积百分比； x 太原理：【：大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 磁性光整加工，也称磁力研磨加工( m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ，简称m a f ) ，为利 用磁场发生装置产生的磁感，使具有一定磁导率的磨具以一定预作用力作用于被加工工 件表面，当磨具与工件间存在相对运动时，磨具能够实现对工件表面的磨削、翻滚及滑 擦等光整作用，从而实现对工件表面的光整加工。 磁性光整加工具有加工柔性好，自适应性强等优点，且能够改善零件的物理力学性 能，提高零件的质量，及对工件表面进行光整加工时，材料去除量为微一纳米量级，所 以，该加工方法适于零件表面的光整及精密加工，且具有广阔的应用前景n 。3 1 。 但是，现行的各种制备方法所制备的磁性磨具，均存在不同程度上的限制及约束， 如常用的常温高压烧结法及高温高压烧结法，其制备工艺较长，工序较多，且对人员技 能水平及操作技术等要求较高，从而造成了磁性磨具制备成本较高，且因磨具加工时效 性的存在，致使烧结法制备的磁性磨具存在加工经济性相对较低的缺陷；而具有制备方 法简单，成本相对较低，且不需要专用升温、保温及加压设备等优点的粘结法，粘结剂 粘结性能的高低对磨具性能存在决定性的影响，当工作温度较高时，磨具存在光整性能 降低现象，从而影响其使用寿命；另外，其它制备方法，如铸造法、原位反应法及等离 子熔融法，所制磁性磨具在其相应光整加工条件下，具有较好的光整性能，但均存在制 备工艺复杂，成本较高及磨具工作寿命较短等不足，所以，由于各种磁性磨具制备方法 制约与影响，致使磁性光整加工在非关键工序应用时，其光整效率及经济效益相对较低， 进而制约了磁性光整加工的规模化应用h 刮。 为了推进磁性光整加工的深入及持续发展，探索多元化磁性磨具制备技术，研制制 备工艺相对简单且光整性能可靠的磁性磨具，显得较为迫切。 1 2 课题研究意义 粘弹性磁性磨具为使用具有一定粘度与弹性的基体，与己预混合的铁磁相与磨削相 再进行充分混合，而制成的具有一定粘弹性的磁性磨具。粘弹性磁性磨具制备方法属混 太原理工大学硕士研究生学位论文 合法制备磁性磨具范畴，该磨具可在外部工作磁场作用下，以一定的作用力预作用于加 工工件表面，自适应性较好，适于对有精度或粗糙度要求的零件进行光整加工，且对有 粗糙度要求的结构油槽，其光整效果也较为显著。 粘弹性磁性磨具光整加工具有以下优点： l 、对工件表面具有自适应性，适于轴类零件外表面、管类零件内表面及板类零件关 键表面或部位进行精密a l l z ； 2 、可实现被加工工件表面微米纳米级加工，且加工残余应力较小，适于热处理后精 密零件关键表面的光整处理； 3 、磨具光整性能可靠，装卸方便； 4 、磨具自锐性较好，且使用寿命较长； 5 、加工可控性较高，被加工表面r a 值可达0 1 9 m ，甚至是低于0 1 岬的级别； 所以，研究新型磁性磨具粘弹性磁性磨具，不仅可以推进磁性光整加工的深入 发展，提高关键零部件加工水平及质量，也能促进制造业水平的提高，及精密加工经济 性、可控性与效益性的实现。 1 3 磁性光整加工简介 磁性光整加工( 也称磁性研磨加工或磁力研磨a nn - ，m a g n e t i ca b r a s i v ep o l i s h i n g ， 简称m a p ) 源于1 9 3 8 年前苏联工程i j i t i k a r g o l o w 提出的磁性辅助光整( m a g n e t i ca s s i s t e d f i n i s h i n g ，m a f ) 概念，前苏联于2 0 世纪4 0 、5 0 年代已开展磁性光整a n - r _ 的相关研究， 并进行了磁性磨具的相关制备方法及磁性光整加工相关加工工艺的探索；美国于2 0 世纪 4 0 年代也已开展磁性光整加工的研究，并于6 0 年代开始研究磁性流体，且制出了第一项 用于实际加工应用的磁性流体并投入相关的生产应用；保加利亚等欧洲国家也于7 0 年代 开始磁性光整加工研究。基本上，世界范围内的磁性光整加工研究起步于2 0 世纪6 0 、7 0 年代，随8 0 年代磁性光整加工在日本、印度及中国等国家的进一步展开，磁性光整加工 开始进入较广范围内的实验性应用阶段，如日本、美国等相关国家对磁性光整加工进行 了的较大投入，积极有效地开展了多方面的相关研究，其研究水平及实体化应用程度处 于较为先进的地位。进入2 1 世纪以来，随着科技、信息及智能技术的快速发展，及经济 与社会的进步，磁性光整加工开始向数控化、自动化及智能化发展，并且其研究范围开 始由单一的磁性光整加工研究向复合化加工方向发展口1 3 | 。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 在光整加工过程中，主要是依靠外部工作磁场的磁感作用，使处于加工区域( 工件 表面与磁场发生装置之间的一定间隙) 内具有一定磁导率的磁性磨具，沿工作磁场磁力 线方向排列成“磁力刷”，从而使磁性磨具以一定压力压向工件表面，因此当磁性磨具 与被加工表面间存在相对运动时，磁性磨具将能实现对工件表面的磨削、翻滚及滑擦等 光整作用。所以，磁性光整加工适于精密零件的研磨、抛光和去毛刺，其既能加工轴类 零件的外表面，也能加工孔类零件的内表面及板类零件的平面，甚至齿轮表面、螺纹及 钻头等复杂形面的研磨抛光h 刊。 根据加工零件的不同，磁性光整加工可基本分为平面磁性光整加工、内表面磁性光 整加工、外表面磁性光整加工及自由曲面磁性光整加工。 平面磁性光整加工为在工作磁场作用下，光整区域内的磁性磨具沿磁力线方向形成 磁力刷，从而使磁性磨具对工件表面存在一定的预压力，当工件与磁性磨具间存在相对 作用运动时，可实现工件表面的光整加工。 置 图1 - 1 平面磁性光整加工 f i g 1 1t h em a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n go fp l a i n 内表面磁性光整加工主要是依靠管件外部工作磁场的磁感应作用，使置于管件内孔 的磁性磨具以一定预压力作用于管件内表面，当工件内表面与磁性磨具间存在相对作用 运动时，能够完成工件内表面的磁性光整加工，如图1 2 所示。该加工方法适于薄壁类 管件内表面的精密光整加工，但是内表面的光整效果随壁厚的增加而降低，当管件壁厚 较大( l o m m ) r f i j 光整效果不理想时，需采取添加内置磁场或磁场发生装置内置等工艺方 法或措施来提高工作区域的磁感应强度。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 置 图卜2 内表面磁胜光整加工 f i g 1 - 2t h em a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n go fi n t e r n a ls u r f a c e 外表面磁性光整加工为在工件外表面置一定结构的磁场发生装置，当工作区域内有 一定质量的磁性磨具时，磨具会沿磁感线方向形成“磁力刷，从而磨具对工件表面产 生一定预作用力，当工件表面与“磁力刷”间存在相对运动时，可实现外表面的光整加 工，如图1 3 所示。该加工方法适于轴类零件的去毛刺、光整及精密加工，当外表面有 粗糙度要求的油槽及退刀槽结构时，该光整加工效果显著。 图1 - 3 外表面磁性光整加工 f i g 1 - 3t h em a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n go fe x t e r n a ls u r f a c e 置 自由表面磁性光整加工，为依靠磁场发生装置的磁感作用，将具有一定磁导率的磁 性磨具吸附于磁场发生装置的表面，磁场发生装置在高速旋转的同时，沿被加工自由曲 面轮廓运动，从而实现自由曲面的光整加工，如图1 - 4 所示。该加工方法适于具有复杂 三维曲面结构的模具精密j j n i 1 4 - 1 6 】。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 4 自由表面磁性光整h 口- y - - f i g 1 - 4t h em a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n go ff r e es u r f a c e 1 4 磁性光整加工国内外研究现状 1 4 1 磁性光整加工国外研究现状 日本磁性光整) j h - v 开始于2 0 世纪8 0 年代，首先在高校范围内开展了磁性光整加工的 相关研究，如宇都宫大学，随后福岛大学、秋田县立大学及东北大学等多所高校及国家 先进工业科学技术综合研究所( 越s t ) 等众多研究机构，都开展了相关方面的大量理论 研究，开发出了用于实验加工的实验性机床，并进行了相关的验证实验n 7 屯3 】。 其中宇都宫大学h i t o m iy a m a g u c h i ，t a k e os h i n m u r a 在内表面磁性光整加工中工件表 面变化的研究中，通过使用原子力及电子扫描电镜对工件表面的表征，分析了材料去除 的过程，阐述了对材料光整机理的基本理解；在氧化铝陶瓷管的内表面光整加工中，研 究了润滑剂使用量、铁磁相尺寸及磨削相尺寸对光整加工的影响，被加工表面质量的高 低基本上取决于润滑剂、铁磁相及磨削相，通过工艺的选择，试件表面粗糙度r a 值可达 n 0 2 9 m 2 2 1 。 鞍山科技大学的王德斌与宇都宫大学t a k e os h i n m u r a ，h i t o m iy a m a g u c h i 进行的氮化 硅陶瓷内表面湿法磁性光整加工研究中，证实了与干法光整加工相比，使用蒸馏水的湿 法加工，可实现更加高效率高精度光整加工，在湿法光整条件下，经1 0 m i n 光整加工后， 在使用$ 4 8 c 碳钢针与刚玉磨削相的条件下，工件表面的最终r a 值可降低n o 0 3 9 m 【2 3 j 。 印度的磁性光整加工研究基本上同步于日本，开始相关研究的时间也为2 0 世纪8 0 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 年代左右，但是由于印度国内一些相关因素的限制，经过2 0 余年的发展，f 1 2 0 0 5 年以来， 陆续有高质量的研究论文出现在国际期刊上。印度国内的磁性光整加工研究机构主要为 印度理工学院及其各分院的机械工程系。 其中坎普尔分院的d h i r e n d r ak s i n g h 、v k j a i n ) 及v r a g h u r a m 在磁性光整加工中参 数的研究中，使用田口设计方法找出了磁性光整加工中的主要影响因素，其影响因素分 别为：电压、工作间隙、磁极转速及磨具尺寸，且各因素对光整加工的影响程度依次为： 电压、工作间隙、磨具尺寸及转速口4 | 。 坎普尔分院的d h i r e n d r ak s i n g h 与v k j a j n 等人与美国俄克拉何马州立大学的 r k o m a n d u r i 在柔性磁力刷光整表面的组织分析中，从被加工表面的微观组织变化出发， 使用扫描电镜对被加工表面的形貌进行观测，经对所测结果进行分析，可知被光整工件 表面微观组织中的波峰被磁力刷所剪切，并且表面所示的加工微痕宽度小于0 5 9 m 乜引。 v k j m n 在磁场辅助微纳米光整加工研究中，从宏观上对各种光整加工进行了分类， 然后在对各种磁性光整加工方法进行概述的基础上，介绍了印度国内在相应方面的研究 进展，随后，从理论及建模方面详实地分析了各种影响磁性光整加工的因素，如磁性磨 具的切削机理、磁性磨具的旋转、磁场发生装置上的狭槽及磁力刷的分类等，并分析了 各因素对工件表面最终r a 值的影响。最后，提出各种微纳米光整加工需以最终表面光整 效果为特征，且最终光整效果取决于光整条件，及由材料耐磨性出发，被加工表面的纹 理结构是也评价光整加工效果重要因素等【2 6 j 。 韩国磁性光整加工研究开始时间明显稍晚，基本上开始于2 0 世纪9 0 年代初期，主要 集中于韩国各大学范围内，如建国大学、釜庆大学和延世大学等，进入2 1 世纪以来，其 研究内容及研究范围有显著地扩展及拓深，具有其进步的加工理念及技术应用。 其中建国大学s l k o ，y um b a r o n 与圣彼得堡国立技术大学的j i p a r k 在应用磁性 光整加工去除精密部件微小毛刺的研究中，利用己成熟的磁极头进行了表面微毛刺去除 加工，并对磁极头的性能特点进行了详细分析。用实验的方法分别验证了各条件对于加 工过程的影响，并且为了改善表面粗糙度和杂质要求，对冷却液供给方法和磨料组成也 进行了研究。实验结果表明连续流动冷却液及无磨削微粒铁粉对去除毛刺加工及工件表 面质量具有非常重要影响【2 7 j 。 釜庆大学的t a ew a nk i m ，j a es e o bk w a k 在使用永磁体对镁板的增强抛光研究中， 采用在被加工表面的背面放置一永磁体的创新方法，如图1 - 6 所示，用以提高磁性光整 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 加工在加工非磁性工件平面中磁场强度的不足，从而增强了被加工表面的磁场强度，经 实验证实与没有安装永磁铁相比，加工区域的磁感应强度大约增加了3 0 - 、- 4 0 ，并且， 采用信噪比及方差分析的方法，对磁性和非磁性材料磁性光整加工中的磁通密度进行了 分析，经实验验证了仿真分析与所得结果的一致性，从而探寻出了其光整最佳条件：电 流2 0 a ，工作间隙l m m ，转速1 2 0 0 r p m 及氮化硼0 7 9 。该方案提高了磨具光整性能， 改善了光整效率，且该加工方法简单易行，操作性强，对磁性光整加工的深入发展具有 重要推动作用瞳8 】。 磁场发生装置 图1 - 6 提高磁感强度的概念 f i g 1 - 6t h ec o n c e p to fi n c r e a s i n gm a g n e t i cf l u xd e n s i t y 1 4 2 磁性光整，j o - r 国内研究现状 中国国内的磁性光整加工研究开始时间较晚，基本上也是起步于2 0 世纪8 0 年代， 经过3 0 年左右的发展，中国的磁性光整加工研究取得了不小的进步，从8 0 年代的介绍 及简述磁性光整加工技术及应用，到如今的试制磁性光整加工数控机床，及探索种类繁 多的磁性磨具制备新技术与新方法，从而使得磁性光整加工技术开始在国内正步入规模 化应用阶段。 于红星与高改会在数控磁性加工设备的分析与探索中，提出了对数控机床进行光整 加工的改造方案：在立式数控铣床主轴上安装一线圈，将其改造为磁场发生装置，然后 7， 太原理工大学硕士研究生学位论文 根据电磁效应原理，用线圈将硅钢片叠成的铁心绕制成的下磁极做为工作台，如图卜7 所示，从而当具有复杂三维表面结构的模具置于工作台上时，依靠数控机床的精确运动 能力，可实现对模具型腔的表面光整加工n 0 。 图卜7 数控光整设备改造方案 f i g 1 - 7t h er e c o n s t r u c t i o ns c h e m eo fc n cf i n i s h i n gt o o l s 邱腾雄及阎秋生在对模具曲面的磁性光整加工研究中，针对具有复杂轮廓面的大型 模具在表面精密加工中存在的问题，探索使用磁性光整加工来对模具曲面进行精密加 工。在数控铣床的基础上，开发出了磁性加工装置，且在光整过程中工具的旋转为磁性 光整加工的主运动，因此，在磁性光整加工中，磁场力和离心力为影响最终光整效果的 主要影响因素。随后，进行了相应的磨具光整实验，并且根据加工中出现的研磨量不均 现象，研究了影响研磨量的主要因素，因此，应该从磁场发生装置的形状和加工轨迹等 方面来控制研磨量乜9 | 。 陈红玲、李文辉、杨胜强及杨世春在磁性光整磁场发生装置的设计与开发中，提出 磁性磨具的磁饱和强度为衡量磁场发生装置的主要因素，通过磁性磨具磁饱和强度简易 测量装置的设计，从理论上推出磁性磨具磁场强度与磁感强度的关系式，并进一步得出 所制装置的磁感强度与磁性磨具饱和磁感强度之间的关系式。随后，对磁路和磁极结构 进行了设计，并开发出了相应的磁场发生装置啼引。 李秀红、杨胜强及李文辉在旋转磁场内孔表面光整加工中，探索了内孔磁路的数值 模拟与实验研究，针对磁性磨具制备成本较高，使用寿命较短等特点，提出了旋转磁场 内孔表面光整加工。在建立相应数学模型的基础上，使用m a x w e l l i i s v 仿真分析软件对 磁路进行了模拟，从不同角度下磁场发生装置构成工作磁场的磁力线分布图及磁感强度 云图方面，优化分析了光整加工中工作磁场的结构，然后进行了不同磁极角度及不同磁 8 太原理：【大学硕士研究生学位论文 场线速度下的光整实验。实验结果表明磁场发生装置9 0 。布置时，旋转磁场内孑l 表面光 整加工具有较好的光整效果，且磁场旋转速度对光整加工也具有重要影响，磁场旋转线 速度较高时，光整效果也相对较好。 1 5 磁性磨具国内外研究现状 国外磁性磨具的相关制备工艺及方法，由于一定的技术壁垒及保密原因，鲜有介绍 磁性磨具制备方法的论文发表，仅能通过相关国家在国际期刊上发表的磁性光整加工文 章，来探究国外磁性磨具的相关制备方法及技术。 在对磁性磨具进行研究的初期，制备方法主要选用可制各出高性能磨具的高温烧结 法和浇铸法，但是由于成本因素的限制，光整技术的应用受到了很大约束，因此，随着 相应科学技术的深入应用与此讯发展，粉末冶金技术也被迅速的引入到磁场磨具的制备 方法中，从而出现了自蔓延高温制备法。随着2 0 世纪8 0 年代，保加利亚和日本等国家 相继开展广泛的磁性磨具制备技术研究，磁性磨具的制备方法开始愈来愈多，技术手段 愈来愈先进，其中m a s a h i r o a n z a i 及k o i c h im a s a k i 等开发出了具有较高应用的磁性磨具 制备技术：等离子粉末熔融法( p p m ) 、混合法及液体磁性磨具等口2 i 。 日本先进工业科学与技术研究所的k h a n a d a ，h z h o u 及美国佛罗里达大学的 h y a m a g u c h i 在包覆金刚石磨料的新型球体磨具对毛细管内壁的光整加工中介绍了 用于光整微细毛细管内表面的磁性磨具制备方法等离子喷涂技术。其制备原理为在 使用气体将充分混合的磨削相与铁磁相吹入等离子设备同时，使用等离子气体将等离子 发生装置产生的能量吹入设备内部，从而在两吹入流体的交汇处，利用等离子气体带入 的能量，将吹入的磨削相与铁磁相进行烧结，从而制备出磁性磨具。在实验中，使用不 同的吹入气体流量与压力，即在不同的等离子产生电流下，将平均尺寸为7 2 岬的磨削 相( 铁粉) 与平均尺寸为0 3 p m 的铁磁相( 金刚石微粉) 进行烧结，从而制备出小于1 0 1 m 的球形铁基复合微粒。使用x r d 及r o m a n 光谱法对所制磁性磨具进行分析，从而得出 制备较佳电流为1 0 0 a 。使用1 0 0 a 条件下所制磁性磨具对s u s 3 0 4 不锈钢板进行光整加 工，经4 分钟光整加工后，平面粗糙度可达r t 7 7 4 n m 口3 | 。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 等离子发生装置 图1 - 8 等离子喷涂系统简图 f i g 1 - 8t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fp l a s m ap r a ys y s t e m 国内磁性磨具的研究主要集中于高校范围内，如山东理工大学、广东工业大学、大 连工业大学、南京航空航天大学及太原理工大学等。 太原理工大学张银喜、丁艳红及陈红玲等在申请的国家发明专利热压烧结法制 备磁性磨粒中，提出热压烧结法：将一定的磨削相、铁磁相及高温高压可正常工作的结 合剂相混合，然后将其在无还原气氛下进行热压烧结制坯，随后进行破碎及筛选等工序， 可得所需磁性磨粒。该制备方法工艺简单，成本较低，且所制磁性磨粒光整质量稳定， 经4 5 # 钢外圆光整加工实验，工件表面粗糙度可由r a l 6 9 m 降低到r a 0 2 - 0 3 岬瞄4 | 山东理工大学的赵玉刚用常压固相烧结法，在铁粉表面包裹一定的s i 0 2 ，然后将其 与刚玉粉及高温粘结剂经一定制备工序，制备出了相应的磁性磨具。然后使用热场发射 扫描电子显微镜和x 射线能量色散谱分别表征了磁性磨粒的形貌和元素组成，采用x 一射 线衍射仪研究了磁性磨粒的晶体结构，并通过实验的方法对所制磨具的性能进行了研 究。结果表明常压烧结法制备的磁性磨具工作时间可达2 4 m i n 以上，且溶胶一凝胶法可在 铁磁相表面包覆一层s i 0 2 ，能降低铁磁相的氧化，增进固相间的相容性。该制备方法无 需专业气体保护设备，而且工艺方法相对简单可行，能够实现磁性磨具的批量制造口副。 广东工业大学的孟利及阎秋生等使用粘结法制备了磁性磨具，经工艺优化，确定了 最终的制备工艺。通过对粘结磁性磨具的实验，分析了磁性磨具的性能，实验表明使用 粒度为4 0 目的磁性磨具，经4 m i n 对原始表面粗糙度r a 为1 8 7 9 m 的模具钢光整加工后， 工件表面r a 值可降低到0 4 9 m 左右，氧化铝磁性磨具可持续工作1 6 r a i n ；采用由粗到 】0 太原理i 大学硕士研究生学位论文 细的光整工序，可显著降低工件表面r a 值，提高光整效率，采用4 0 目、6 0 目及8 0 目 的磁性磨具分别光整4 m i n 的光整工序，试件的i h 值可由初始的2 0 9 2 9 m 降低到 0 1 1 p r o 蚓。 大连工业大学的金国哲、杨林及刘智采用微波加热工艺制备了碳化硅类磁性磨具： 将一定质量与比例的磨削相、铁磁相及少量糊精在混料机中混合3 h ；随后，将其压制成 坯；然后，将坯料置于微波加热设备中进行加热，并进行一定时间保温；最后，进行破 碎及筛选等工序，可制得所需磁性磨具。并进行所制磨具对3 1 6 l 不锈钢件进行了光整加 工，经对被加工工件表面粗糙度进行分析，得出了磁性磨具制备及光整应用的最佳条件： 铁磁相磨削相质量比4 ：1 、制备温度1 2 0 0 、切削转速5 0 0 r m i n 。磁性磨具在最佳工艺 条件下具有良好的光整性能，试件表面粗糙度r a 值最高可达0 1 8 9 m 口7 】。 南京航空航天大学的郑勇及高小龙等分析了磁性磨具的组成及性能要求，提出了磨 具中各组成相的相关要求，及不同的适用范围，并且总结出了满足不同应用的磁性磨具 种类及特点，概述了当前磁性磨具的各种制备技术及进展，在分析了磨具的种类、工艺、 性能及应用的基础上，指出了磁性磨具今后研究与发展的重点方向口8 】。 太原理工大学的陈红玲、李文辉等在分析了磁性光整加工技术深入发展的制约因素 后，由磁性磨具的构成及相关组成相的技术要求入手，根据磁性磨具不同的构成特点及 制备工艺等，对磁性磨具进行了初步的系统分类及牌号编制，从宏观上建立了磁性磨具 的使用和管理概念，及综合性能评价体系，为磁性磨具的规模制造和实际应用奠定了理 论基础，对于磁性磨具的发展、管理及应用其到了重要的推动作用口9 | 。 山东理工大学李玉刚及赵增典申请的实用新型专利气雾化快凝磁性磨粒制备 设备中，介绍了雾化快凝法：在惰性气体氛围下，使用含有磨削相的高压气体，吹射下 流中熔融态铁磁相，使其在雾化过程中形成微小液滴，经快速冷却凝固后，能够将磨削 相与铁磁相强制地结合起来，从而形成所需的磁性磨粒。该制各方法能够克服磁性磨具 各组成相间相容性不同的影响，可将各组成相强制地结合起来，从而能够制备出光整效 果是十分显著的磁性磨具h 。 1 6 本文主要研究内容 l 、粘弹性磁性磨具的光整机理； 2 、粘弹性磁性磨具的制备工艺； 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 、影响粘弹性磁性磨具光整性能的主要影响