永磁場(chǎng)磁力研磨316L不銹鋼實(shí)驗(yàn)研究

劉文祎 張桂香 張萍萍

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255049）

316L不銹鋼屬于18－8型奧氏體的衍生鋼種，除具有普通不銹鋼抗氧化、抗腐蝕的特點(diǎn)之外，因其含碳量在0.03%以下，能有效避免晶間腐蝕，所以相對(duì)其他奧氏體鋼（如300系Fe－Cr－Ni合金奧氏體鋼）來(lái)說(shuō)，它又具有耐點(diǎn)蝕能力高、超塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，由于其優(yōu)良的特性而被廣泛應(yīng)用于航空航天、外科手術(shù)器材、食品工業(yè)、汽車(chē)行業(yè)、生物材料和結(jié)構(gòu)材料中，同時(shí)由于其具有良好的生物相容性、耐蝕性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，而被廣泛地用作人工髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的外科植入物材料［1－2］。因不銹鋼材料質(zhì)軟、高韌性，屬難切削材料，所以切削工具必須剛強(qiáng)、耐磨、耐振，但設(shè)計(jì)出剛強(qiáng)的刀具成本極高且不經(jīng)濟(jì)。目前，工業(yè)界不銹鋼僅以砂布拋光、毛絲面加工等的表面研磨方式為主，需變換多道不同的生產(chǎn)過(guò)程，此類(lèi)拋光設(shè)備昂貴、制程繁瑣，拋光表面粗糙度也僅能達(dá)到0.2 μm。手工研磨不銹鋼雖可獲得如鏡面一樣的加工表面，但費(fèi)時(shí)、耗力、效率低［3］。為解決傳統(tǒng)不銹鋼研磨問(wèn)題，引入近年發(fā)展較快的磁力光整加工技術(shù)——磁力研磨（MAF），在實(shí)驗(yàn)中被用于對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行研磨。磁力研磨是利用磁場(chǎng)中的磁性磨料所產(chǎn)生的研磨壓力對(duì)工件表面進(jìn)行研磨加工的一種新型工藝方法［4］。由于磁力研磨不受工件外形限制，可用作圓柱面、平面、圓管內(nèi)外表面、復(fù)雜曲面等多種研磨。磁性磨料并非停留于固定方位，而是在切線(xiàn)力的作用下沿其軌跡緩慢游動(dòng)，磁性磨料在游動(dòng)中變換切削位置及更換切削角度。由于產(chǎn)生的研磨壓力低，所以工件在加工中不會(huì)變形，光整表面不會(huì)有變質(zhì)層或微觀(guān)裂紋，加工過(guò)的工件表面粗糙度值可達(dá)納米等級(jí)［5］。加工的工件可以是導(dǎo)磁或非導(dǎo)磁材料，材料去除量可以根據(jù)磁性磨料的大小來(lái)調(diào)整，研磨壓力可由磁場(chǎng)大小來(lái)控制，所以磁力研磨可用于微壓力加工［6－7］。除此之外，磁力研磨加工生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好，磨粒具有良好的“自銳性”及“自適應(yīng)性”，工具無(wú)須補(bǔ)償、修形等，使其在國(guó)內(nèi)外引起廣泛的關(guān)注、研究和應(yīng)用［8］。

1 磁力研磨加工機(jī)理

實(shí)驗(yàn)采用永久磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)研磨工件表面，磁力研磨裝置如圖1所示。磁性磨料在磁力線(xiàn)的方向上排列成刷子狀，在主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下研磨工件表面。實(shí)驗(yàn)中所用磨料為新型球形磨料，包括鐵基合金相與硬質(zhì)磨粒相，鐵基合金相作為磨料的磁載體，要具備良好的導(dǎo)磁能力，需要產(chǎn)生作用于工件的研磨壓力;硬質(zhì)磨粒相則要兼具磨削、拋光和研磨作用的高硬度顆粒狀物質(zhì)。圖2為單個(gè)球形磨料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖。此磨料采用霧化快凝技術(shù)制得，其方法是將鐵基合金按照質(zhì)量比為9.6%Si、5.4%Al、5%Ni、0.5%Cr，其余的為Fe配制而成［9］，并置于霧化裝置的中頻感應(yīng)爐中熔化。將熔融好的鐵基液流倒至加熱漏包中，硬質(zhì)磨粒粉末選白剛玉粉（W7），與高壓氮?dú)鈴?qiáng)制混合后與流到噴嘴處的鐵基液流在高壓氣流作用下，經(jīng)過(guò)冷卻、凝固并篩分制成不同粒度等級(jí)的球形磨料。采用此方法制得的磨料有如下特點(diǎn):（1）磨粒均勻分布在基體表面，并與基體結(jié)合緊密;（2）鐵基合金的加入，能增加硬質(zhì)磨料粉末的潤(rùn)濕性，提高鐵基與硬質(zhì)粉末的結(jié)合力、基體強(qiáng)度、韌性及抗氧化性，延長(zhǎng)磨料的使用壽命;（3）該磨料具有微刃等高性的良好特性，提高了研磨工件的效率和研磨質(zhì)量?？紤]單個(gè)磨粒磨削表面的情況，其研磨過(guò)程如圖3所示。磨粒對(duì)表面的作用力可分為切向力Fx和法向力Fy，切向力Fx推動(dòng)磨粒向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)磨粒的形狀與方向適當(dāng)時(shí)，磨粒就如刀具的切削刃一樣，在工件表面切削而產(chǎn)生切屑;法向力Fy使磨粒壓向工件表面，對(duì)工件表面形成擠壓，改變工件表面的應(yīng)力狀況［10］。由于磨粒具有微刃等高性的特性，對(duì)工件表面切削時(shí)，其切削機(jī)理可包括以下幾個(gè)方面。

1.1 微刃的切削作用

研磨工件時(shí)，磨粒的微刃猶如刀具的切削刃對(duì)工件進(jìn)行微量切削。因其切削刃具有等高性，切削深度一致，所以在工件表面切削時(shí)能在較短時(shí)間內(nèi)減小表面粗糙度值。

1.2 微刃的滑擦、拋光作用

加工初始階段，微刃磨削工件比較鋒利，一段時(shí)間后，磨粒上的微刃開(kāi)始出現(xiàn)磨耗磨損，微刃的磨削能力變?nèi)?，?duì)工件表面只進(jìn)行滑擦。隨著微刃的磨鈍，等高的磨粒表面會(huì)變得光滑平整，對(duì)工件進(jìn)行擠壓和拋光，使工件的研磨效率和表面質(zhì)量有顯著提高［11］。

1.3 摩擦腐蝕作用

除以上兩種作用外，微刃與工件表面還有一帶而過(guò)的滑擦現(xiàn)象，磨?；潦沟霉ぜ砻娴慕饘賹勇懵对诳諝庵校⑴c外部的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用產(chǎn)生一層極薄的氧化膜，由于氧化膜與工件材料的膨脹系數(shù)不同，以及加工過(guò)程中溫度變化等原因，在滑擦過(guò)程中氧化膜極易脫落。在隨后的連續(xù)加工過(guò)程中，工件表面層不斷氧化—脫落—再氧化—再脫落，加速了工件的研磨效果［12］。

1.4 殘余壓應(yīng)力的作用

在研磨過(guò)程中，大量的磁性磨料作為研磨刀具對(duì)表面進(jìn)行微量切削。磨料作為刀具具有很大的負(fù)前角，使其在加工過(guò)程中對(duì)工件表面產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力和塑性變形，由于塑性變形在加工后難以恢復(fù)，壓應(yīng)力就殘留于工件表面，而研磨壓力是產(chǎn)生表面壓應(yīng)力的直接原因。當(dāng)增大研磨壓力時(shí)，會(huì)增大磨料與工件表面之間的壓應(yīng)力，增加了工件表面的塑性變形，這必然增大了工件表面的殘余壓應(yīng)力。所以適當(dāng)?shù)奶岣邏簯?yīng)力有助于表面疲勞強(qiáng)度和耐磨性的改善，提高表面質(zhì)量［13］。

2 實(shí)驗(yàn)條件

選用數(shù)控銑床XK7136C改裝的研磨設(shè)備，工件材料為316L不銹鋼，工件尺寸為70 mm×20 mm×3 mm，磁極為N38釹鐵硼永磁極（在1.5～2 mm的間隙內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.85～0.65 T），進(jìn)給速度為F=15 mm/min，磁性磨料為磨料粒徑相同（D）分別是178 ～150 μm（80 ～100 目）、150 ～124 μm（100 ～120目）和124～83 μm（120～180目），其中磨粒相粒徑（d1）為6 μm和磨粒相粒徑（d2）為38 μm兩組磨料，主軸轉(zhuǎn)速S=800～1 500 r/min，加工間隙 δ=1～3 mm，加工時(shí)間為5 min。

工件表面平均原始粗糙度為0.275 μm，用北京時(shí)代生產(chǎn)的TR200手持式表面粗糙度儀測(cè)定實(shí)驗(yàn)的粗糙度值。在平面內(nèi)測(cè)定10個(gè)粗糙度值，通過(guò)計(jì)算平均值作為最終表面粗糙度。其次選用德國(guó)賽多利斯BS224S電子天平稱(chēng)取樣件拋光前后的表面質(zhì)量（天平分辨率為0.1 mg），得出材料去除量數(shù)值，以mg表示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 加工間隙與表面粗糙度和材料去除量的關(guān)系

圖4為加工間隙與表面粗糙度和材料去除量的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖可知，當(dāng)δ=2.5 mm時(shí)，表面粗糙度由最初0.275 μm減小到0.2 μm。粗糙度值減小緩慢是因?yàn)榇判阅チ显诖思庸らg隙內(nèi)形成研磨刷剛性較小，與工件之間形成“漏磁”現(xiàn)象起不到良好的表面拋光作用。而相對(duì)于另外兩個(gè)來(lái)說(shuō)，當(dāng)δ=1.5 mm時(shí)，最終表面粗糙度值卻不如δ=2 mm的好。原因是間隙較小時(shí)，間隙內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磨料形成的研磨刷剛性強(qiáng)能較快去除工件表面的多余金屬層，使得表面粗糙度值減小趨勢(shì)明顯。但隨著時(shí)間加長(zhǎng)，工件的有效金屬層得到去除，磨粒開(kāi)始劃傷表面，產(chǎn)生細(xì)小的刮痕，使表面粗糙度值反而增大。由此可知，3種加工間隙都能使材料去除量增加，并且間隙越小材料去除量反而越多。圖5為在不同加工間隙下所得表面試樣的三維形貌圖。從圖中可以看出，當(dāng)加工間隙為2.5 mm時(shí)（如圖5a），由于間隙較大，磨料形成的研磨刷對(duì)表面起不到研磨拋光作用，所以表面存在著較深的劃痕;而圖5b所示為間隙2 mm，從圖中看出得到的表面光整平滑，幾乎不存在明顯的劃痕?？梢?jiàn)，加工間隙不能過(guò)大，否則對(duì)表面起不到較好的研磨效果，與前面所研究的曲線(xiàn)圖結(jié)論一致。

3.2 主軸轉(zhuǎn)速與表面粗糙度和材料去除量的關(guān)系

使用3種不同的轉(zhuǎn)速對(duì)工件表面進(jìn)行研磨，其關(guān)系如圖6所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速S=1 500 r/min時(shí)，經(jīng)過(guò)3 min的研磨表面粗糙度可達(dá)0.197 μm，但隨著研磨時(shí)間加長(zhǎng)，表面粗糙度值反而增大，是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，材料去除量越大，而表面去除量過(guò)大則導(dǎo)致表面質(zhì)量變差。對(duì)于轉(zhuǎn)速S=800 r/min和S=1 000 r/min，后者轉(zhuǎn)速大，所以材料去除量大，表現(xiàn)為加工初始階段粗糙度值減小趨勢(shì)較明顯，但最終粗糙度值卻沒(méi)有S=800 r/min的粗糙度值小，是因?yàn)殡S著研磨時(shí)間的加長(zhǎng)，表面去除量過(guò)大容易對(duì)表面產(chǎn)生劃損，最終表面粗糙度值沒(méi)有轉(zhuǎn)速低的好。圖7所示為不同主軸轉(zhuǎn)速下所得表面試樣的三維形貌圖。從圖中可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)（如圖7a），磨粒對(duì)表面的劃傷大，材料去除量變大，產(chǎn)生的劃痕較明顯;而圖7b可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，對(duì)表面去除量不大，并且產(chǎn)生的劃痕也小，隨著研磨時(shí)間增加，可得到較平整表面效果，與前面所研究曲線(xiàn)的結(jié)論相符。

3.3 磨料粒徑與表面粗糙度和材料去除量的關(guān)系

圖8中，不同的磨料粒徑對(duì)工件表面粗糙度和材料去除量影響也不同。由圖可知，3種磨料粒徑在研磨工件時(shí)都能減小表面粗糙度值，但粒徑越細(xì)反而粗糙度越好，是因?yàn)榱郊?xì)的磨粒在切削工件時(shí)切削深度淺，不易劃傷工件，而粒徑大的表面粗糙度值雖沒(méi)粒徑小的好，但材料去除量卻很大。所以在實(shí)際加工中，可根據(jù)工件表面粗糙度值的大小來(lái)選取磨料粒徑，達(dá)到所需的效果。圖9為磨料粒徑為124～83 μm的表面三維形貌圖，由圖可見(jiàn)磨料粒徑越細(xì)，對(duì)表面的劃傷越小，得到的表面形貌越平整，與上述曲線(xiàn)結(jié)論吻合。

3.4 磨粒相粒徑與表面粗糙度和材料去除量的關(guān)系

圖10所示給出了不同磨粒相粒徑與表面粗糙度和材料去除量的關(guān)系。由圖可知，磨粒相粒徑相同時(shí)，磨粒相粒徑越小，參與加工的磨粒數(shù)目就越多，單顆磨料對(duì)表面產(chǎn)生的研磨壓力就小，對(duì)材料的去除量就小，最終經(jīng)過(guò)5 min研磨能獲得較小的表面粗糙度值。而磨粒相粒徑大的單顆磨料對(duì)表面產(chǎn)生的研磨壓力就大，材料移除量多，雖然表面粗糙度值減小較快，但材料移除量越大就越容易劃傷表面，最終粗糙度值沒(méi)有磨粒相為6 μm的好。圖11為磨粒相粒徑為6 μm的表面三維形貌圖，由圖可知磨粒相粒徑越小，對(duì)材料的去除量就越小，得到的表面形貌越好，與上述曲線(xiàn)的研究結(jié)論一致。

4 正交設(shè)計(jì)

針對(duì)研磨實(shí)驗(yàn)所總結(jié)的主軸轉(zhuǎn)速、加工間隙、磨料粒徑、磨粒相粒徑與表面粗糙度和材料去除量的關(guān)系，通過(guò)選用正交實(shí)驗(yàn)方法，以最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)獲得適合316L不銹鋼研磨加工的最佳參數(shù)組合。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下文。

在磁力光整加工中，評(píng)定加工零件好壞的因素主要有兩個(gè):表面粗糙度和材料去除量。而實(shí)際加工中，工件的加工特性是以獲得小的表面粗糙度值為目標(biāo)，它不僅影響零件的使用壽命，還關(guān)系到產(chǎn)品的加工成本，所以實(shí)驗(yàn)只對(duì)表面粗糙度做正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)中，以加工相同時(shí)間（T=5 min）為前提，選用磨粒相粒徑為6 μm的磨料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榱叫〉哪チＯ鄬?duì)表面的劃傷小，最后可獲得較小粗糙度值。其他因素、水平的選取，則見(jiàn)表1所示。

將選出的每種水平采用正交表形式組合，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如表2所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取分析速度快的直觀(guān)分析法。因選取表面粗糙度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其指標(biāo)屬性是數(shù)值越小越好，所以在第一個(gè)水平中，表面粗糙度均值應(yīng)為3個(gè)均值中最小的數(shù)，故選A1;后面依次選取結(jié)果為B2C2，最佳水平組合為A1B2C2。即間隙δ=1.5 mm、轉(zhuǎn)速S=1 000 r/min、磨料粒徑為 150 ～124 μm（即目數(shù)100～120目）。通過(guò)選取最佳組合作為研磨條件并研磨工件，最終表面粗糙度可達(dá)0.038 μm。采用極差分析法，極差越大表明該因素影響越大，反之則越小。通過(guò)表3中給出的極差值，說(shuō)明在研磨加工中，因素影響的主次順序?yàn)?主軸轉(zhuǎn)速＞間隙＞磨料粒徑，主軸轉(zhuǎn)速為主要因素。這說(shuō)明要想獲得較小的表面粗糙度值，不可選取過(guò)高的主軸轉(zhuǎn)速，否則轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)劃傷工件表面，造成粗糙度值增大，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平值

表2 表面粗糙度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本文總結(jié)了316L不銹鋼的優(yōu)良特性，指出了傳統(tǒng)研磨不銹鋼方法的缺點(diǎn)，探討了采用磁力光整加工技術(shù)研磨不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)。

（2）在自行設(shè)計(jì)的永磁裝置基礎(chǔ)之上，研究了加工間隙、主軸轉(zhuǎn)速、磨料粒度、磨粒相粒度對(duì)表面粗糙度和材料去除率的影響規(guī)律，并給出分析。

（3）以工件加工特性是獲得較小粗糙度值為目標(biāo)，采用正交設(shè)計(jì)法得出加工316L不銹鋼的最佳參數(shù)組合。選取磨粒相粒徑為6 μm的磨料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即最佳參數(shù)組合為間隙δ=1.5 mm、轉(zhuǎn)速S=1 000 r/min、磨料粒徑為 150 ～124 μm（即目數(shù) 100 ～120目），并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。表面粗糙度值可由最初的0.275 μm 減小到 0.038 μm。

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