摘要：本文在闡述磁力研磨加工技術(shù)發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了磁力研磨的基本原理、加工特點，并針對不同的加工對象，給出了幾類典型的加工設(shè)備。最后介紹了磁力研磨加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢，并提出了今后研究應(yīng)用重點關(guān)注的方向。
關(guān)鍵詞： 磁力研磨； 精密加工；

Review of the magnetic abrasive finishing
Abstract: The development history and current research situation of the Magnetic Abrasive Finishing (MAF) is studied. The fundamental and processing characteristic of the MAF are introduced. According to the difference of processing objects, some typical devices are provided. Finally, it introduces the field of the application and the trend of the development of the MAF, and some suggestions on the research of the MAF are proposed.
Key words: magnetic abrasive finishing; precision working

1 引言
       隨著工業(yè)的發(fā)展，對零件的表面光整加工技術(shù)和棱邊精加工提出越來越高的要求。光整加工技術(shù)正是以提高零件表面質(zhì)量作為出發(fā)點，經(jīng)過光整加工的零件表面具有低的表面粗糙度和良好的表面微觀幾何形貌，不僅具有良好的外觀質(zhì)量，而且還有耐磨、防腐蝕和抗疲勞等作用。在國外精加工領(lǐng)域中，人們正通過各種渠道，借助多種能量形式，探索新的工藝途徑。國際上目前采用的光整加工的方法主要有：手工拋光、機械研磨拋光、超聲波拋光、化學(xué)與電化學(xué)拋光、電化學(xué)機械光整加工、磁力研磨等[1-2]。其中，手工拋光是最常用的光整加工方法，這種方法不僅勞動強度大，加工效率低，而且對工人的技術(shù)熟練程度要求高。超聲波拋光也是一種手工操作的輔助拋光方式，主要用于槽、縫、邊角等人的手指難觸及部位的拋光，這種拋光方式的加工效率非常低。相比之下，化學(xué)、電化學(xué)拋光和電化學(xué)機械光整加工的加工效率則要高得多，由于這三種加工方式屬于腐蝕和溶解加工，對材料的硬度、韌性和強度等幾乎不受任何限制，目前己經(jīng)在內(nèi)、外圓柱表面的鏡面加工中獲得了應(yīng)用。雖然化學(xué)、電化學(xué)和電化學(xué)機械光整加工方法有著很高的加工效率，但由于影響它們的加工因素很多，難于控制，對環(huán)境和工人的健康也有一定程度的危害，其應(yīng)用范圍受到很大的制約，目前還僅能用于一些簡單型面或小的復(fù)雜工件表面的光整加工。盡管目前的精加工方法很多，但仍然難以滿足所有產(chǎn)品的精度需要。
       磁力研磨是一種把磁場能應(yīng)用于傳統(tǒng)的研磨技術(shù)中，開發(fā)出的一種新興的磨削加工技術(shù)，通過磁極產(chǎn)生的磁場力作用到磁性磨料(填充在磁極與工件之間)上形成一個與加工面形狀相當(dāng)?shù)拇帕ρ心ニⅲ瑢ぜ砻孢M行磨削加工的方法。它不僅應(yīng)用于模具的精加工中，而且在制藥業(yè)、航空航天業(yè)、大規(guī)模集成電路、精密儀器和精密量具等行業(yè)也將有很好的應(yīng)用前景，是一種有效的光整加工方法之一。這種加工方法具有高效率、高精度和高表面質(zhì)量的特點，適合于平面、球面、圓柱面和其它復(fù)雜形狀零件的加工，并能控制研磨效率和研磨精度。值得一提的是磁性研磨加工技術(shù)可以很好地與數(shù)控機床、加工中心和機器人技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)光整加工的自動化[3]。因此，磁力研磨加工技術(shù)越來越得到重視。

2 發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀
2.1 發(fā)展歷史
       磁力光整加工這一概念最早由蘇聯(lián)工程師Kargolow在1938年正式提出的【4】。前蘇聯(lián)自20世紀(jì)60年代起有不少學(xué)者一直在致力于MAF的研究和推廣運用工作。由于磁力光整加工的基礎(chǔ)是磁性磨料，因此前蘇聯(lián)對磁性磨粒的制備方法進行了大量的研究工作，并磁性磨料的組成、配比和結(jié)構(gòu)等方面取得了多項發(fā)明專利。保加利亞從70年代中期一直在發(fā)展MAF技術(shù)(如Makedonsky)，并舉辦了多次國際性的專題學(xué)術(shù)會議，德國已經(jīng)出版了這方面的學(xué)術(shù)論文。
       日本是從80年代初開始對MAF進行研究的，并開發(fā)了多種磁粒光整加工設(shè)備。其中有代表性的研究人員有日本東京宇都宮大學(xué)的Take Shinmura，Toshio Aizawa，日本東京大學(xué)的Masahiro Anzai，Koichi Masaki等。其中Take Shinmura研制開發(fā)了多種加工鐵磁性工件和非鐵磁性工件的磁粒光整加工裝置，如平面、內(nèi)外圓柱面、球面磁粒加工裝置，并分別對它們的光整加工特性進行了研究。這些加工裝置有的采用永久磁體來生產(chǎn)恒定磁場，有的采用電磁體來形成強度可以控制的磁場，有的采用工件移動外加一定幅度和頻率的振動來實現(xiàn)磁粒光整加工，有的采用旋轉(zhuǎn)磁場的辦法實現(xiàn)磁粒光整加工。Take Shinmura在研制各種形式磁粒加工設(shè)備的同時，對各種場合的加工工藝進行了較深入的理論分析和實驗研究，如磁場強度、加工間隙、磨粒與工件的相對移動速度、磁性磨料的成分和粒度等因素對加工質(zhì)量和效率的影響以及它們之間的相互關(guān)系。Masahiro Anzai和Koichi Masaki對磁性磨粒的制備技術(shù)進行了研究，并研究開發(fā)成功了幾種比較有應(yīng)用價值的磁性磨料。
       Masahiro Anzai和Koichi Masaki對磁性磨料的制備技術(shù)進行了研究，并研究開發(fā)了幾種比較有應(yīng)用價值的磁性磨料。他們采用的磁性磨料制備方法包括：(1)等離子粉末熔融法(PPM)；(2)鐵磁性金屬材料與磨料纖維混合法；(3)液體磁性磨料。與高溫?zé)Y(jié)法相比，這些磁粒制備方法的特點是：制備方法簡單、成本低、有較高的使用價值。
       韓國近幾年來也在磁粒光整加工的研究方面做了不少深入的研究。前述的磁磨料噴射光整加工裝置就是由韓國先進科學(xué)技術(shù)所的Jeong-Du kim，Youn-Ha kang等人發(fā)明的，該裝置為非圓截面管子內(nèi)壁的光整加工提供了有效的加工方法[5]。
2.2 研究現(xiàn)狀
       磁力研磨加工具有較好的柔性、自適應(yīng)性、自銳性、可控性、溫升小、無變質(zhì)層、加工質(zhì)量高、效率高和工具無須進行磨損補償、無須修形等特點，在國際上引起了廣泛的關(guān)注，其研究成果已在平面、外圓面、內(nèi)圓面和成形面光整加工的許多場合得到了應(yīng)用【6】。目前，磁力研磨加工已能達到亞微米級加工精度。
       我國開展對磁力研磨加工的研究起步較晚，開始于80年代初，目前仍處于試驗研究階段，實際推廣應(yīng)用極少，開展磁力研磨的加工技術(shù)的研究單位均自行研制開發(fā)出不同的磁力研磨裝置并對不同的工件(如軸承內(nèi)環(huán)的外軌道，螺紋環(huán)規(guī)、絲錐、儀表、電機軸、儀表齒輪、階梯軸、鋼球等)進行了實驗研究，取得了較好的加工效果。八十年代后期，哈爾濱科技大學(xué)首先開始磁力研磨方面的研究，并于90年代初，完成了“儀器儀表零件磁力研磨加工技術(shù)的開發(fā)”項目，成功試制了MAC系列磨料，并對儀器儀表的零件開發(fā)了磁力研磨裝置，進行了實驗研究。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)對液壓伺服閥閥芯軸棱邊毛刺的磁力研磨去除法進行了可行性研究，開發(fā)了磁力研磨去毛刺的裝置，毛刺去除后，閥芯棱邊圓角半徑均不超過5µm，閥芯表面粗糙度沒有變大，工件圓柱度在2µm以下；大連理工大學(xué)開展了電化學(xué)磁力加工技術(shù)方面的實驗研究，并且證明電化學(xué)磁力加工生產(chǎn)效率更高，表面質(zhì)量也有改善；另外，華僑大學(xué)、長春光機學(xué)院等幾家高校也對磁粒研磨進行了一系列研究，目前國內(nèi)對磁力研磨的研究還局限于工藝實驗方面，對其加工機理還缺乏深入系統(tǒng)的研究。磁力研磨加工技術(shù)未能在國內(nèi)推廣應(yīng)用的癥結(jié)在于磁性磨料制作成本較高，工件的裝夾和去磁問題尚未得到解決，尤其是理論基礎(chǔ)匱乏，可使用的參數(shù)很少，因此最終不能批量生產(chǎn)。另外研究單位不多，這也許是該技術(shù)未能在我國得到實際應(yīng)用的原因之一。
       此外，山東理工大學(xué)自行研制了三坐標(biāo)數(shù)字化加工控制磁力研磨機床。該加工設(shè)備除了具有普通三坐標(biāo)數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的功能之外，還具有曲面示教方式三坐標(biāo)數(shù)字化測量功能、曲面加工軌跡的自動編程和磁性磨料的自動更換等功能。
       還有其他多家單位也進行了該領(lǐng)域的研究。

3 加工原理及特點
3.1 加工原理
       磁力研磨加工是在強磁場作用下，填充在磁場中的磁性磨料被沿著磁力線的方向排列起來，吸附在磁極上形成“磨料刷”，并對工件表面產(chǎn)生一定的壓力，磁極在帶動“磨料刷”旋轉(zhuǎn)的同時，保持一定的間隙沿工件表面移動，從而實現(xiàn)對工件表面的光整加工。
       在加工中磁性磨粒（A）的受力狀態(tài)如圖1所示，磨粒受到工件表面法向力Fn和切向力Fm的作用，作用力Fm使磨粒有向切線方向飛散的趨勢，但由于磁場效應(yīng),磨粒同時還受到沿磁力線方向的一個壓向工件的力Fx和沿磁等位線方向的作用力Fy，F(xiàn)y可以防止磨粒向加工區(qū)域以外流動，從而保證研磨工作的正常進行[7] 。

3.2 加工特點[8]
       磁力研磨發(fā)展很快的主要原因是它有著傳統(tǒng)研磨拋光工藝不可替代的特點，與傳統(tǒng)的研磨、拋光等加工工藝相比，磁力研磨光整加工工藝具有許多優(yōu)點：
       (1)具有很好的柔性和自適應(yīng)性。在磁場中，磁化的磨粒靠磁場的作用力和彼此間的磁性吸引力非剛性的固結(jié)在一起形成磨料刷，這個磨料刷的形狀在加工過程中能夠隨工件形狀的變化而變化，表現(xiàn)出極好的柔性和自適應(yīng)性；
       (2)具有很好的自銳性。加工中相對運動的存在，使磨粒沿加工面滑動的同時出現(xiàn)了滾動，磨粒間不斷的更換位置，使其具有極好的自銳性。它不像普通砂輪那樣存在堵塞和磨粒鈍化現(xiàn)象，這在很大程度上提高了加工的效率；
       (3)研磨的壓力可控性強。磁力研磨的加工壓力可以通過改變磁場強度的大小來調(diào)節(jié)，所以控制起來比較容易；
       (4)適用范圍廣。磁力研磨加工不僅可以用來對工件進行光整加工，而且可以用來去毛刺、倒角和去除30µm的銹。不僅可以加工平面、內(nèi)外柱面、球面，還可以加工復(fù)雜的曲面，甚至能加工普通加工手段無法加工的工件(如細(xì)薄壁管類零件內(nèi)表面的加工)：
       (5)加工效率高。當(dāng)用于加工淬火鋼工件表面時，如軸承環(huán)、軸瓦和圓棒等。在30~60s的時間里，表面粗糙度Ra值可以從0.5～0.6µm減小到0.2～0.1µm；
       (6)可以強化工件的表面。在對工件進行光整加工的同時，工件表面反復(fù)受到交變或運動磁場的勵磁作用，磁性磨料所產(chǎn)生的電動勢使得工件表面反復(fù)充電和放電，強化了工件表面的電化學(xué)過程，改變了應(yīng)力分布狀況，提高了工件表面的硬度，改善了機械物理性能；
       (7)加工裝置簡單、成本低。不需要砂輪、油石、傳動帶等預(yù)備加工設(shè)備(若使用永磁體進行加工，加工裝置更加簡單)。
       同時該方法比較清潔，振動、噪聲較小。尤其是如果采用旋轉(zhuǎn)磁場，加工的環(huán)境和加工的范圍將更加優(yōu)越。而且，磁力研磨加工良好的柔性和自適應(yīng)性，為其與數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來進行復(fù)雜曲面(如空間自由面)的光整加工創(chuàng)造了條件。

4 典型加工設(shè)備
       1）外圓磁力研磨裝置
       如圖2所示，工件5安裝在立式銑床上，在工件與磁極之間的間隙內(nèi)填入磁性磨料，主軸使工件產(chǎn)生回轉(zhuǎn)和上下進給運動。向線圈通入直流電，即可產(chǎn)生有一定磁感應(yīng)強度的磁場。實驗表明，此方法研磨外圓可使工件表面粗糙度值由Ra1.6µm則降至Ra0.2µm。磨料種類和磁感應(yīng)強度對研磨效果有較大影響，增加磁感應(yīng)強度或采用燒結(jié)磨料可以提高研磨效率[9]。
       2）內(nèi)圓表面磁力研磨裝置
       如圖3所示，該裝置適用于非磁性物質(zhì)(如黃銅)圓管等的內(nèi)表面光整加工。圓管內(nèi)部裝有永磁鐵和磁性磨料，磁性磨料吸附在永磁鐵的周圍,當(dāng)圓管外部加上永磁鐵時，磁性磨料在磁場的作用下對圓管內(nèi)表面產(chǎn)生一定的壓力。該裝置的本體可以安裝到車床的拖板上，工
件由主軸帶動作回轉(zhuǎn)運動,永磁鐵沿工件軸線方向振動，拖板帶動工件作進給運動。黃銅圓管內(nèi)表面加工后，表面粗糙度值可從Ra7µm降至Ra1.3µm 。

3）平面磁力研磨裝置
       如圖4所示，回轉(zhuǎn)磁極與工件下的強磁性體之間形成磁路，回轉(zhuǎn)磁極的一端充滿了鐵粉混合磁性磨料，鐵粉沿磁力線方向形成磁力刷，磁極在旋轉(zhuǎn)的同時工件做進給運動，從而使磨料對工件進行研磨加工。研磨后工件的表面粗糙度值可由Ra0.7µm降至Ra0.05µm。
4）狹小開口容器內(nèi)表面的磁力研磨
       如圖5所示，由于容器的開口狹小，一般的研具無法進入，容器的內(nèi)表面要求表面粗糙度值在Ra0.2µm以下，為此將鐵粉混合磁性磨料投入到容器中，外側(cè)放置Fe-Nd-B永磁鐵，永磁鐵附近產(chǎn)生不均勻磁場，混合磁性磨料在磁場的作用下對容器內(nèi)表面產(chǎn)生一定的壓力。容器與磁極旋轉(zhuǎn)方向相反，容器內(nèi)表面與磁性磨料間的相對運動實現(xiàn)了對內(nèi)表面的精密研磨。

5 磁力研磨的加工機理
       在磁力研磨的過程中，磨粒基本上以三種狀態(tài)存在，即：滑動、滾動和切削【10】。當(dāng)磨粒所受磁場力大于切削力時，磁性磨料處于正常切削狀態(tài)；當(dāng)磨粒所受磁場力小于切削力時，磁性磨粒就會產(chǎn)生滑動或滾動。根據(jù)精密切削理論和摩擦學(xué)理論，可以得知磁性磨粒在加工過程中與工件表面產(chǎn)生接觸滑擦、擠壓、刻劃、切削等狀態(tài)現(xiàn)象。其磨削機理主要包括以下四個方面。
5.1微量切削與擠壓作用
       由磁性磨料的成分可知，磨粒硬度高于工件材料硬度。研磨加工時，工件與磁極作相對運動，磨粒刃尖在研磨壓力作用下對工件表面產(chǎn)生微切削作用，同時磨粒中的鐵基體還對工件表面起到一定的擠壓作用。磨粒的微刃切削作用主要依靠磨粒上的不規(guī)則棱尖構(gòu)成的比較鋒利而又有一定圓角的切削刃來實現(xiàn)的。一般磨粒切削刃形狀可簡化為以下幾類：
       (1)圓錐或棱錐形；
       (2)球形(圓角半徑為10～20µm)；
       (3)尖端帶圓角的圓錐形；
       (4)平頂圓錐形。
       磨粒切削時，由于各自切削刃有不同形狀，前刀面方向很不規(guī)則，而且負(fù)前角往往很大，因此在研磨壓力作用下，只能對工件表面進行微刃切削作用。
       暫且不考慮磁場保持力的作用，單個磨粒在工件表面的作用力可分為法向力F1和切向力F2。法向力F1使磨粒壓向工件表面，如測試硬度一樣，在工件表面形成壓痕，對表面形成一定的擠壓，可改變表面的應(yīng)力狀況。切向力F2使磨粒向前推進，當(dāng)磨粒的形狀和方向適當(dāng)時，磨粒就如刀具的切削刃一樣，在零件表面進行切削而產(chǎn)生切屑。該切削作用的強弱與磁性磨粒的形狀、位置、工作角度、磁場特性等工藝參數(shù)有關(guān)，通過合理選取工藝參數(shù)即可控制磨粒的切削作用，達到微量切除金屬的目的。
       同時由于磨粒在磁場中構(gòu)成了彈性磁粒刷以及磁場分布的不均勻性，磨粒隨機的變換方位參與磨削。就每個磨粒而言，其切削過程是隨機的和不連續(xù)的。假設(shè)磨粒切削刃為圓錐形，其切削擠壓的模型如圖6所示。在金屬切削機理的研究中，占有重要地位的就是刀具的幾何形狀和切削角度，其中前角是影響刀具切削性能的關(guān)鍵因素。對于磁性磨料來說，它的切削刃前刀面很不規(guī)則，大都有很大的負(fù)前角，因此在磁場力F1作用下吃刀量都很小，一般在1µm數(shù)量級甚至更小，所以磁力研磨屬于微量切削，切削力很小，產(chǎn)生的切削熱也很小。這樣，一方面使彈性變形區(qū)域很小；另一方面，對切削過程影響表面粗糙度的主要因素—理論殘留面積高度和切削刃復(fù)印性等的影響也是非常小的。這種磨粒的微量切削加工可以獲得非常好的零件表面，粗糙度足可以到0.2µm以下。

       以球形切削刃為例，由于磨削厚度很小，典型的磨削的形成過程可分為以下三個階段：
(1)滑擦階段

       如圖7a所示，磨粒切削刃與工件開始接觸，由于磨粒沿工件表面滑行并和表面發(fā)生擠壓摩擦，摩擦能轉(zhuǎn)化為熱能，材料的屈服極限下降，當(dāng)剪切應(yīng)力超過屈服極限時，工件材料發(fā)生塑性變形。這一階段摩擦力可以表示為：
       F=KWf
       式中：K——磨粒的形狀、粒度的修整系數(shù)；
                 f——摩擦系數(shù)
                 W——磨粒所受法向載荷。
(2)耕犁階段
       這時磨粒切削刃嵌入了金屬基體，金屬材料由于發(fā)生滑移而被推到切削刃的前方及兩側(cè)，導(dǎo)致材料的流動及表面隆起。根據(jù)球形切削刃表面金屬材料的分析(如圖7b所示)，在球形磨粒的前方有一區(qū)域(半錐角為摩擦角的圓錐體)，材料靜止不動，稱為死區(qū)。死區(qū)以外的材料按最小阻力方向流動，即死區(qū)上的材料向上流動，死區(qū)以下的材料向已加工表面流動，死區(qū)左右的材料向兩側(cè)流動。耕犁階段的特點是產(chǎn)生材料的塑性流動與隆起，最后在表面上形成溝紋或刻痕，但并不形成切屑。
(3)切削階段
       隨著切削深度的增加，磨削溫度升高，死區(qū)前方隆起的材料直接和磨粒接觸，沒有死區(qū)的緩沖作用，一般情況下脫落形成磨屑，這時材料的流動變成切削，研磨進入切削階段(如圖7c所示)。
       以上三個階段是研磨加工的典型階段，在研磨加工中，還會發(fā)生磨粒與工件表面
       的粘結(jié)磨損，由于振動和進給，磨粒會發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而對工件表面產(chǎn)生滾壓作用。此外，研磨力一般不會很大，且研磨刷具有很好的彈性，故磨粒往往不能一次將隆起的材料切下，疲勞磨損也將在研磨中起到一定的作用[11]。
5.2多次塑變磨損機理
       由磁性磨粒群形成的彈性磨具受磁場作用而吸附在被加工工件表面，磨粒與工件表面始終處于接觸狀態(tài)，磨粒除對工件表面產(chǎn)生切削作用外，有時還會對其產(chǎn)生其它磨削作用，如一帶而過的滑擦摩擦，在工件表面僅留下一條痕跡；當(dāng)磨粒形狀較為圓鈍時，工件表面或發(fā)生塑性變形，擦出一條兩邊隆起的溝紋，或犁出一條翻出飛邊的溝槽，如圖8所示。當(dāng)磨粒形狀較圓鈍時，或磨粒的棱角而不是棱邊對著運動方向時，或磨粒和零件表面間的夾角太小時，以及零件表面材料的塑性很高時，磨粒在表面滑移時，經(jīng)常發(fā)生圖8所示的后兩種磨削現(xiàn)象。

       磨粒的多次塑變磨損機理為：一方面在磁性磨粒的連續(xù)加工過程中，已出現(xiàn)塑性變形或飛邊堆積的表面金屬層將發(fā)生反復(fù)塑變，產(chǎn)生加工表面硬化作用，最后剝落成為磨屑，這是“擦傷式”犁刨現(xiàn)象與“碾壓式”滾擦現(xiàn)象共同作用的結(jié)果；另一方面由于磁力研磨時磨粒一般集中在磁力線較密集的表面，凸起的微小輪廓峰附近，因此表面不平的微凸體處的塑變磨損相對較大，從而使該微凸體的不平度下降加快。因此磨粒的多次塑變磨損作用可以較快地獲得光滑的工件表面，而不影響工件的尺寸和形狀精度。
5.3 化學(xué)腐蝕作用
       如圖8，磨粒在工件表面除了切削和產(chǎn)生塑性變形作用外，還存在著一帶而過的滑擦摩擦現(xiàn)象，使金屬表面產(chǎn)生腐蝕磨損。由腐蝕磨損機理可知，腐蝕是和其存在的環(huán)境有關(guān)的化學(xué)作用，它在很大程度上取決于環(huán)境條件和周圍介質(zhì)。工件表面被磨粒摩擦，純凈金屬表面裸露而受環(huán)境和介質(zhì)腐蝕迅速形成一層及薄的氧化膜。由于氧化膜與工件材料的膨脹系數(shù)不同，以及加工過程中溫度變化等原因，在隨后的滑擦摩擦中脫落。連續(xù)加工過程中，工件表面層金屬不斷的氧化——脫落一再氧化——再 脫落，從而提高了研磨效率。
       在磁力研磨過程中，為了提高加工的效率，經(jīng)常加一些研磨液，在研磨液中含有硬脂酸、油酸等活性物質(zhì)，能使工件表面形成一層化合物薄膜。這些薄膜具有厚度薄、形成快、吸附磨粒性能強以及容易去除等特性，這增加了工件表面凸峰的去除速度，從而可以達到提高加工效率的目的。
5.4電化學(xué)腐蝕作用
       由于工件的回轉(zhuǎn)，在加工過程中沿磁力線排列的導(dǎo)電磨料鏈產(chǎn)生運動而偏離磁力線，形成磁場梯度，在這一磁場梯度的作用下，磨粒鏈兩端產(chǎn)生一個微小的電動勢，在工件表面產(chǎn)生微小電流，工件在磁極的兩極問受一個交變勵磁作用，強化了表面金屬的化學(xué)過程，進一步提高研磨效果。
6 磁力研磨的應(yīng)用及發(fā)展趨勢
6.1 磁力研磨的分類
       根據(jù)加工原理的不同，磁力研磨可分為三類：
(1)磁流體研磨
       磁流體研磨是70年代由日本研究發(fā)展的一種新的光整加工技術(shù)，它是利用磁流體本身所具有的液體流動性和磁性材料的磁性，以及外磁場的作用來保持磨粒與工件之間的接觸，借助于相對運動達到研磨光整工件表面的精加工方法。
       金屬磁性流體是一種帶磁感應(yīng)的流體材料，它由磁性顆粒(Fe3O4)、表面活化劑和液體載體組成，平均粒徑100埃左右磁性顆粒膠體，懸浮于油基或水基的液體載體中。對磁性流體施加強磁場時，由于表面活化劑的作用，磁性顆粒不會聚集，始終保持懸浮狀態(tài)。磁性流體是完全軟磁性的，磁性流體的飽和磁化強度由載體中磁性顆粒的數(shù)量及其材料性質(zhì)決定，載體中的磁性顆粒越多，磁性流體的飽和磁化強度就越高。在均勻磁場中，磁性流體中的磁性顆粒沿磁場取向；在梯度磁場中，磁性流體被吸向高磁場區(qū)[12]。由此可知，借助外加磁場，可以對磁性流體進行控制定位，將磁性流體進行控制定位。將磁性流體固定在一位置的力，其大小與外加磁場梯度和磁性流體的磁化強度有關(guān)。
       在磁性流體中加入具有切削能力的非磁性磨粒材料，使之成為混合液。當(dāng)混合液處于梯度磁場中時，磨粒和磁性顆粒分別向相反方向移動。若磁場梯度方向位于重力方向時，磨粒就會上浮于磁性流體表面，這種使磨粒上浮的力稱為磁浮力。此外，磨粒還受到磁場產(chǎn)生的定位力的作用。
(2) 電化學(xué)磁力研磨
       電化學(xué)磁力研磨，也稱復(fù)合磁力研磨，這是一種電化學(xué)和磁力研磨復(fù)合新工藝。電解磁力研磨的光整效果是在三重作用下產(chǎn)生的。
1)電化學(xué)作用
       電解液在陰陽極之間電離，帶電離子與工件表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，于是在工件表面生成一層緊密的鈍化膜，使工件表面失去原來的活潑性質(zhì)，減慢了溶解過程。由于工件表面微觀高低不平，凸起部位所生成的鈍化比在凹處所生成的厚度小，使得凸起處的電化學(xué)作用比凹處強，促進了對工件表面的整平。
2)機械研磨作用
       研磨墊上的磨粒起到機械研磨作用，磨粒與工件之間的復(fù)雜相對運動，刮去了工件表面低硬度的鈍化膜，使之露出新鮮表面，從而加速了電化學(xué)整平作用。
3)磁場的作用
       在電場的作用下，離子僅作線性加速運動。在增加磁場后，離子受到洛倫茲力的作用，運動軌跡要復(fù)雜許多，拋光研磨工藝的重要一點是加工軌跡的不規(guī)則性。電解拋光時，離子到達電極表面都有大小不一入射角，離子與峰接觸的概率得到增加，與谷底接觸的概率降低，微觀不平得到進一步的改善。因此，在磁場的作用下，洛倫茲力加速了電極附近的離子擴散、遷移運動，降低了濃差極化，有利于電化學(xué)反映。
       為了實現(xiàn)高效、高質(zhì)量表面研磨加工，許多研究人員正從事這方面的研究工作，其特點是多種能量的綜合。Kuppuswamy提出了磁場對電解磨削材料去除率的作用；Kumagai等研究了磁場對電解磨削鐵磁材料磨削力及材料去除率的作用；金東燮等人提出了磁力電解磨料拋光；KimJeong—Du等人對磁力電解拋光的機理進行了研究；李學(xué)全等人用實驗對磁場作用下電解研磨的機理進行了分析研究。
(3)磁性磨料研磨
       磁性磨料研磨是磁力研磨的另一個分支，它的基本原理在前面已經(jīng)介紹過了，詳細(xì)的情況將在后面的章節(jié)中敘述，它將是本文的研究重點。
6.2 磁力研磨的應(yīng)用
       磁力研磨的應(yīng)用多種多樣，主要用于零件表面的光整加工、棱邊的倒角和去毛刺等。即可用于加工外圓表面，也可用于平面和內(nèi)孔表面，甚至齒輪表面、螺紋和鉆頭等復(fù)雜形面的研磨拋光。利用磁力研磨方法去除精密零件的毛刺，通常用于液壓元件和精密偶合件的去毛刺，效率高、質(zhì)量好，棱邊的倒角可以控制在0.01mm以下，這是其它工藝方法難以實現(xiàn)的，鈴木清等人將此工藝用于醫(yī)用器材微細(xì)結(jié)構(gòu)處的去毛刺。
       大部分的模具制造工藝因數(shù)控機床和CAD／CAM系統(tǒng)的引入已實現(xiàn)自動化，但是模具表面的拋光仍然需由熟練工人手工操作。雖然為了免除手工操作已做了許多努力，但是模具三維曲面的自動拋光仍未能實現(xiàn)。曲面拋光加工間隙的變化對拋光質(zhì)量的影響因短纖維磁性磨料的使用而大大改善，另外，因短纖維磁性磨料的相對滑動小，材料去除率高于一般磁性磨粒。先進的陶瓷材料越來越多地被當(dāng)作結(jié)構(gòu)材料，典型的代表是用于高速回轉(zhuǎn)場合的陶瓷軸承。高光潔、高精度、少表面缺陷的加工要求超出了一般工藝的加工能力。磁力研磨可用于加工非磁性材料，用磁力研磨加工陶瓷工件，材料去除率顯高于一般研磨工藝，表面粗糙度可達10納米級。
       將磁力研磨應(yīng)用于超細(xì)砂輪或油石的在線修正，是另一應(yīng)用范例。這種在線修正方法與其它在線修正方法相比，結(jié)構(gòu)簡單，適用性強。鈴木清等人還將磁力研磨應(yīng)用于硬質(zhì)合金局部研磨加工，如：角度加工、溝槽加工。
       半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中輸送到純度氣體的容器及管道、制藥機械、食品機械的物流管道都需要高清潔的表面，這方面的研究工作已有很大的突破，從機械式旋轉(zhuǎn)磁場到電磁式旋轉(zhuǎn)磁場的改進，解決了管道內(nèi)表面研磨所需的周向相對運動。
       相應(yīng)的磁力研磨裝置的種類也很繁多，但按磁場的形式可以分為兩大類，第一類具有形成磁性加工工具的恒磁場，該磁場依靠磁性加工工具和加工表面相對移動來加工；第二類則是采用交變的或旋轉(zhuǎn)的磁場來產(chǎn)生磁性磨料與加工面之間的相對運動，從而達到加工的目的。
       第一類磁粒光整加工裝置的特點是磁磨料移動的距離小，有時光整加工靠加工表面與磁極的同時運動來完成。第一類裝置采用易于磁化和退磁的鐵磁性磨料，該磁磨料具有高的飽和磁化強度。這一類裝置均含有一個作為磁場源的電磁線圈或永久磁鐵、帶磁極的磁軛和在磁極與工件之間充有鐵磁性磨料的工作區(qū)。
       第二類裝置，鐵磁性磨料的移動靠一個交變或者運動的磁場來實現(xiàn)，有時也靠加工零件的移動來實現(xiàn)。這類裝置使用的鐵磁性磨料一定要有強磁性，如高的矯頑力(規(guī)定>20KA／m)。因為具有低矯頑力的鐵磁性磨料易于發(fā)生反磁化，結(jié)果磁粉被吸附在工件上，實際上不能運動。
       磁粒光整加工以磁場對磁粒的作用力為基礎(chǔ)，一般來說，磁場對磁粒的作用力F不僅取決于磁粒能夠被磁化的程度、磁粒的體積V，而且也取決于磁場的強度H和梯度dH。
       F=µ0·v·H·dH
       式中µ0為磁粒的磁導(dǎo)率，磁力F的方向由招的方向確定。這個磁場力不僅產(chǎn)生磁粒對工件表面的壓力，也產(chǎn)生使磁粒向加工區(qū)域聚集和帶動磁粒運動的力。在磁力光整加工裝置中，表面與加工等距的磁極是常用的，這種磁極能用來加工圓柱面、平面、臺階面、螺紋面、圓錐面和球面。這些裝置都是通過磁極運動或工件運動、或磁極與工件同時運動而實現(xiàn)加工面的加工。有色金屬管件內(nèi)壁和不銹鋼凈氣瓶內(nèi)壁，是兩種用常規(guī)方法難以進入并加工的部位，而磁粒光整加工則能很容易地實現(xiàn)對它的加工。值得一提的是，日本的Shinmura等人新近開發(fā)的旋轉(zhuǎn)磁場磁粒加工裝置，可以進行包括彎管在內(nèi)的管的內(nèi)壁的光整加工，解決了真空管、衛(wèi)生管內(nèi)壁拋光這一傳統(tǒng)加工方法難以解決的加工難題。這種加工裝置由于沒有運動部件，加工更加的平穩(wěn)。這種新的磁粒加工裝置，不僅可以加工截面形狀是圓形的工件內(nèi)壁，對其它截面形狀的工件內(nèi)壁也可以進行非常有效的加工【13】。
6.3磁力研磨的發(fā)展趨勢
       目前，磁力研磨已經(jīng)不僅僅限于自身的工藝參數(shù)優(yōu)化改進與突破，而且已經(jīng)與多種工藝進行復(fù)合與組合，形成磁場輔助復(fù)合加工，近年來發(fā)展起來的有振動復(fù)合磁力研磨，磁場電化學(xué)磁粒復(fù)合拋光，磁輔助電化學(xué)加工，磁場輔助超聲波加工。磁粒噴灑研磨加工等。這些工藝的復(fù)合或者組合使其加工精度，加工效率得到很大提高。另外，磁力研磨正朝著微細(xì)納米級精度表面的光整加工的方向發(fā)展，在光學(xué)產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)用于加工各種高形狀，表面精度的光學(xué)鏡片，這是磁力研磨技術(shù)中一個重要的應(yīng)用方向【14-15】。

7 結(jié)束語
       隨著科學(xué)技術(shù)的的飛速發(fā)展， 對產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量要求會越來越高。磁力研磨加工作為一項新型的研磨加工技術(shù)，一種極具潛力的自動化曲面光整加工工藝， 可以廣泛地應(yīng)用于機械、模具、汽車、軸承等制造行業(yè)。特別是基于復(fù)雜曲面磁力研磨光整加工技術(shù)，將具有廣闊的應(yīng)用前景。


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