磁粒研磨加工技術(shù)的研究進展

劉文浩，陳燕，李文龍，張洪毅，丁葉，韓冰

（遼寧科技大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

20 世紀以來，隨著生物醫(yī)療、航空設(shè)備、電子通訊和精密器械等行業(yè)的不斷進步與發(fā)展，各種形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難加工材料的零件對加工制造業(yè)提出了更高的要求，尤其在加工質(zhì)量要求較高的精密與超精密加工領(lǐng)域，去除工件表面缺陷、降低表面粗糙度、提高工件表面質(zhì)量和尺寸精度等指標(biāo)逐漸成為加工領(lǐng)域的研究重點[1]。為了滿足諸多難加工零部件對表面質(zhì)量提出的嚴格要求，許多融合多學(xué)科的加工方法應(yīng)運而生，而磁粒研磨加工技術(shù)因具有加工質(zhì)量高、對工件表面損傷小、自銳性高和易于實現(xiàn)自動化等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于精密和超精密領(lǐng)域內(nèi)。本文主要綜述了磁粒研磨加工技術(shù)的發(fā)展與研究、磁粒研磨加工技術(shù)的原理與特點以及磁粒研磨加工方式的發(fā)展方向，總結(jié)了目前該技術(shù)顯示出的一些問題并對其進行了思考。

1 磁粒研磨加工技術(shù)的發(fā)展與研究

1.1 磁粒研磨加工技術(shù)的發(fā)展

1938 年，Kargolow 正式提出了磁粒研磨加工技術(shù)（Magnetic Abrasive Finishing，簡稱MAF）這一概念，標(biāo)志著磁粒研磨這一特種加工技術(shù)的誕生[2]。20世紀60 年代，Konovalov 等[3]在磁性磨料制備方法等方面進行了大量的研究工作，并且出版了許多有關(guān)磁性研磨加工技術(shù)的論文、專著和專利。20 世紀70 年代中期，在保加利亞定期召開了很多有關(guān)磁性研磨加工方法的國際會議，與此同時，德國的學(xué)者亦發(fā)表了許多與磁粒研磨有關(guān)的論文。在此之后，世界各國紛紛開始對磁粒研磨加工技術(shù)進行研究，并且將其逐步應(yīng)用于制造加工行業(yè)中。Shinmura 等[4]研制了多種加工導(dǎo)磁和非導(dǎo)磁工件的加工裝置，并且對影響最終加工效果的實驗參數(shù)進行了深入分析。Masaki 等[5]對磁性磨料的制備方法做了許多研究，并且開發(fā)了等離子粉末熔融法和纖維混合法等磁性磨料制備方法。20世紀末，Yamaguchi 等[6,7]開始對仿形磁極進行研究，并進一步研究了磨粒切削刃、潤滑劑等實驗因素對磁粒研磨加工過程的影響。2004 年，Yin 等[8]為了提高磁粒研磨的加工效率與加工質(zhì)量，提出了電磁振動輔助磁粒研磨加工技術(shù)，其加工原理如圖1 所示。此加工方法與永磁體作為磁力源的加工方法相比，具有磁力易于控制、工件加工表面紋理均勻和磨料易于更換等優(yōu)點，但也存在裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線圈散熱困難、磁路長、漏磁現(xiàn)象嚴重等缺陷。

圖1 電磁振動輔助去毛刺加工原理圖[8] Fig.1 Principle diagram of electromagnetic vibration assisted deburring[8]

從20 世紀80 年代開始，我國開始進行MAF 方面的研究，各大高校和科研機構(gòu)先后對MAF 進行了探索。徐立軍等[9]將數(shù)字化控制技術(shù)與磁粒研磨加工技術(shù)相結(jié)合，對自由曲面進行了加工，設(shè)計開發(fā)了開槽球頭磁極、電磁感應(yīng)器及相應(yīng)的勵磁電路，并通過實驗驗證了曲面坐標(biāo)生成加工路徑的可行性。寧靜[10]提出了等量磨削的概念，通過改變參數(shù)（如機床設(shè)置、進給速度和磨削時間等），保證了加工自由曲面過程中，各點加工效果的一致性。夏昂等[11]設(shè)計了一種電磁永磁振動研磨頭裝置，利用單因素分析法研究了電流大小、電源頻率和轉(zhuǎn)速等因素對加工質(zhì)量的影響。張桂香等[12]在傳統(tǒng)霧化法制備磁性磨料的基礎(chǔ)上，改進了制粉系統(tǒng)，將高壓氣體與研磨相粉末預(yù)先混合，然后再與霧化熔融態(tài)的鐵磁相結(jié)合，最終快速凝固冷卻形成磁性磨料。該制備方法較好地解決了傳統(tǒng)磁性磨料中鐵磁相和研磨相很難相容的問題，并且制備出來的磁性磨料使用壽命可達140 min，研磨相也不易從磁性磨料顆粒中脫落，磁性磨料顆粒為近球形。趙楊等[13]通過在彎管內(nèi)添加球形輔助磁極的方法，實現(xiàn)了對彎管內(nèi)表面的加工，并且通過擬合輪廓曲線構(gòu)建了研磨加工軌跡，有效地解決了彎管內(nèi)壁折彎處干涉和研磨不均勻的問題。侯治秀等[14]將流體力學(xué)與磁粒研磨相結(jié)合，利用一套液體磁性磨具實驗裝置對6061鋁合金棒外表面進行加工，研究了磁場對液體磁性磨具流變效應(yīng)的影響，并且通過仿真分析和實驗，驗證了不同形式的磁場分布會產(chǎn)生的不同加工效率和光整加工效果。

1.2 磁粒研磨加工數(shù)學(xué)模型分析

在實際加工過程中，磁性磨粒的運動狀態(tài)隨著時間的改變而不斷發(fā)生變化，其運動軌跡呈現(xiàn)不規(guī)則和非線性變化，無法通過準確的數(shù)學(xué)模型對磁性磨粒的實際運動進行分析，因此在分析磁性磨粒的運動時，常常忽略磁性磨粒之間的相互作用，并將單一磁性磨粒視作剛體。王琰等[15]從空間磁場的結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過矢量法對磁性顆粒所受力Fx、Fy進行分析，經(jīng)過理論分析和公式推導(dǎo)，建立了磁性顆粒受力的數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示：

為了進一步研究磁場強度對磁性磨粒的影響，Liu 等[16]引入了磁場強度與磁感應(yīng)強度的關(guān)系式，對單一磁性磨粒在靜磁場作用下受力的數(shù)學(xué)模型進行了簡化，簡化后的數(shù)學(xué)模型如式2)所示：

其中，H為磁場強度，ΔFx和ΔFy分別為磁性顆粒在x、y方向上受到的磁場力分力，ΔF為磁性顆粒在磁場中所受到的總磁場力。該模型直觀地表達了磁性磨粒在磁場中所受力與磁場強度之間的線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，考慮實際加工過程中磁性磨粒對工件表面的研磨壓力由ΔF產(chǎn)生（其原理如圖2 所示），總結(jié)了研磨壓力P的數(shù)學(xué)表達式，如式(3)所示：

其中，μm為磁性磨粒的相對磁導(dǎo)率，θ為合力ΔF與工件表面法線方向的夾角。從公式中可知，研磨壓力P與磁感應(yīng)強度B、相對導(dǎo)磁率μm成正相關(guān)，但磁感應(yīng)強度是由磁極本身的性質(zhì)決定的，往往很難變化，所以增大研磨壓力往往首先考慮增大相對導(dǎo)磁率。

磁性磨粒的相對磁導(dǎo)率決定著磁性磨粒在磁場中所受磁場力的大小，由于磁性磨粒往往是由鐵磁相和研磨相通過一定的方法混合而成，所以它的相對磁導(dǎo)率與鐵磁相、研磨相的性質(zhì)和配比有關(guān)?？佃吹萚17]研究了在理想磁粒研磨狀態(tài)下，鐵磁相和研磨相的配比對相對磁導(dǎo)率μm的影響，如式(4)所示：

圖2 磁粒研磨加工原理圖[16] Fig.2 Schematic diagram of MAF process[16]

其中，μFe是鐵磁相的相對磁導(dǎo)率，μa是研磨相的相對磁導(dǎo)率，VFe是鐵磁相的體積占比，Va是研磨相的體積占比。隨后，對粘結(jié)法制備的磁性磨粒設(shè)計了單因素對比實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵磁相與研磨相的配比為4:1 時，研磨效果最好。通過對磁性磨粒相對磁導(dǎo)率的研究，可以建立磁性磨粒的成分體積占比與研磨壓力的線性關(guān)系，進而根據(jù)加工情況的不同，選擇不同體積占比的鐵磁相和研磨相，實現(xiàn)對工件表面的有效合理加工，并且可以結(jié)合待加工材料的性質(zhì)，相對準確地預(yù)測出磁粒研磨的加工效率。

目前，對磁粒研磨加工效率的研究大多是基于Preston 假設(shè)，但考慮到實際加工過程中，磁極轉(zhuǎn)速、磨料粒徑和加工間隙等比較容易確定的因素，以及環(huán)境溫度、濕度、研磨液成分等不確定因素，都會對加工效率有一定的影響，所以基于Preston 假設(shè)的材料去除模型仍需要大量的實驗進行驗證。相關(guān)實驗研究表明，磁粒研磨的加工效率與磁粒刷的剛性成正比[18,19]，為了研究影響磁粒刷剛度的因素，T. Shinmura 等[18]通過大量實驗總結(jié)了如下公式：

式中，K為磁粒刷的剛度，d為磁性磨粒的粒徑，δ為加工間隙。磁粒刷的剛度與磁性磨粒粒徑的相關(guān)性最大，這意味著在保證加工質(zhì)量的前提下，選擇較大的磨料粒徑是提高加工效率的有效措施。

1.3 不同加工參數(shù)對磁粒研磨加工的影響

1.3.1 磁極形狀對磁粒研磨加工的影響

在使用永磁體磁粒研磨加工中，磁極形狀是影響磁粒研磨加工的重要因素之一[20]。為了提高加工區(qū)域的磁感應(yīng)強度，在實際加工中常常將磁極的頭部做成梯形或者楔形，這種磁極頭被稱為聚磁頭，其機理為：在磁路長度不變的情況下，磁阻與截面積成反比關(guān)系，聚磁頭端面的截面積較小，所以在磁極頭端面處的磁阻較低，進而使更多分散的磁力線聚集在磁極頭部，起到增強加工區(qū)域磁感應(yīng)強度的作用。但隨著聚磁頭端面截面積的不斷減小，磁極所能攜帶的磁性磨料也會減少，最終不利于提高工件表面加工質(zhì)量。為了比較形象地觀察兩種不同形狀磁極的磁感應(yīng)強度分布情況，可以利用仿真軟件進行分析，矩形和楔形聚磁頭的仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同形狀的磁極磁感應(yīng)強度分布圖 Fig.3 Distribution diagram of magnetic induction intensity of poles of different shapes: a) rectangle, b) trapezoid

起到“聚磁”效果的磁極頭種類很多，目前常見的磁極頭形狀有矩形、楔形、圓形、波浪形和不規(guī)則形狀等。Heng 等[21]研究了磁極頭形狀分別是銳邊、方邊和圓邊的磁極對陶瓷棒加工效果的影響，實驗表明，當(dāng)磁極頭形狀為方邊時，加工效果最好。為了得到更深層次的機理規(guī)律，Li 等[22]研究了不同錐度下的磁極頭產(chǎn)生的磁場梯度變化情況，通過仿真軟件分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁極頭錐度為37°時，加工區(qū)域的磁場梯度變化最大。隨后對比了錐度分別為0°、25°和37°下的磁極頭對鈦合金絲的研磨效果，驗證了仿真分析結(jié)果的合理性。

除了對磁極外觀形狀的研究，也有不少學(xué)者研究了磁極開槽情況對加工效果的影響，目前常見的開槽形狀有矩形槽、V 形槽、環(huán)形槽和圓孔槽等。肖作義等[23]通過數(shù)值分析，研究了平頭磁極開矩形槽時的最佳槽齒比，當(dāng)槽與齒之比為1∶1 時，磁場梯度變化最大，加工效果與質(zhì)量最好。葉恒宇等[24]研究了磁極頭開矩形槽、60°V 形槽、環(huán)形槽和圓孔槽（圖4）時的加工效果，通過實驗得到開矩形槽時的加工效果最好。開槽磁極之所以能夠取得較好的加工效果，是因為磁極在開槽后，磁力線的路徑會發(fā)生變化，開槽處磁力線稀疏，未開槽處磁力線較為集中，進而使加工區(qū)域磁場梯度發(fā)生變化，由于這種梯度的變化，使磁性磨粒翻滾得更加劇烈[25]。

圖4 磁極開槽形狀[24] Fig.4 Groove shape of magnetic pole: a) rectangular groove; b) 60° V-shaped groove; c) annular groove; d) round-hole groove[24]

1.3.2 磁極轉(zhuǎn)速對磁粒研磨加工的影響

在許多相關(guān)的論文中，都有對于磁極轉(zhuǎn)速的研究。Mohammad 等[26]利用有限元法，仿真分析了磁粒研磨的加工過程，研究了磁極轉(zhuǎn)速對材料去除量的影響，研究結(jié)果如圖5 所示。研究表明，工件表面材料去除率隨磁極轉(zhuǎn)速的增加而增加，但在磁極轉(zhuǎn)速較高時，材料去除效率有所降低。這是因為在磁極轉(zhuǎn)速較低時，增大磁極轉(zhuǎn)速可以增大剪切力以及磨料與工件之間的相對移動速度，從而增大材料去除率；而隨著磁極轉(zhuǎn)速的不斷提高，超過一定限度后，磨料被拋出加工區(qū)，進而導(dǎo)致材料去除率降低。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下物料去除的模擬和實驗測試結(jié)果[26] Fig.5 Simulation and experimental test results of material removal at different rotational speed[26]

在轉(zhuǎn)速較低時，磁極轉(zhuǎn)速的增加會使單位時間內(nèi)磨粒劃刻工件表面的次數(shù)增加，使研磨的軌跡更加均勻，進而達到降低表面粗糙度和提高材料去除率的目的，此外，磁極轉(zhuǎn)速增加還為磨粒劃刻工件表面提供了更多的動能，使磨粒更容易去除工件表面材料。但是，隨著磁極轉(zhuǎn)速的不斷增加，表面粗糙度有上升的趨勢。這是因為磁性磨料所受的離心力隨著磁極轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)磁性磨料所受的離心力增大到一定臨界值時，離心力大于磁場束縛力，磁性磨料就會被甩出加工區(qū)域，使加工面積減少，用于去除工件表面波峰的有效磨料減少，材料去除率也會有所降低。

1.3.3 加工間隙對磁粒研磨加工的影響

在磁粒研磨加工中，加工間隙的選擇往往決定著工件表面的材料去除率和粗糙度。當(dāng)加工間隙較小時，磁粒刷的剛度較大，磨粒對工件表面的研磨壓力較大，隨著加工間隙的減小，工件表面處的磁通密度大幅度提高，研磨壓力也隨之增大，材料去除率和表面粗糙度有較大的變化。當(dāng)加工間隙較大時，隨著加工間隙的改變，磁通密度變化不明顯，表面粗糙度和材料去除率也僅產(chǎn)生微小的變化[27]。Jain 等[28]評估了加工間隙對材料去除率和表面粗糙度的影響，指出當(dāng)加工間隙大于0.5 mm 時，加工間隙越小，材料去除率和表面粗糙度越好。Vipul 等[29]通過田口法對加工間隙進行參數(shù)優(yōu)化，得到加工間隙為35 mm 時，加工管件內(nèi)表面的效果最好。

1.3.4 磨料性能對磁粒研磨加工的影響

磁性磨料的性能是決定最終加工質(zhì)量的關(guān)鍵因 素，常用的磁性磨料制備方法有：簡單混合法、粘結(jié)法、燒結(jié)法、霧化快凝法和氣相沉積法等。簡單混合法是將鐵磁顆粒與研磨顆粒置于容器中進行機械攪拌，之后均勻混合在一起。粘結(jié)法是在機械混合的基礎(chǔ)上加入粘接劑和固化劑，經(jīng)過壓制、時效、粉碎和篩分等工藝后制備磁性磨料。燒結(jié)法制備磁性磨料的流程可概括為備料、機械混合、制坯、壓制、燒結(jié)、粉碎和篩分等七個基本步驟。在備料過程中，應(yīng)選擇具有良好力學(xué)性能、耐磨性、耐高溫和穩(wěn)定化學(xué)性能的研磨顆粒。在壓制過程中，要根據(jù)所制坯的大小和所選顆粒的粒徑比選擇合適的壓制力，恰當(dāng)?shù)膲褐屏Σ粌H可以得到結(jié)合強度較高的坯體，而且還有利于燒結(jié)過程中顆粒間的相互運動。壓制力過小時，坯內(nèi)孔隙較大，坯不易成形，且燒結(jié)后鐵磁相無法完全包裹住研磨顆粒，使鐵磁相與研磨相的結(jié)合強度降低；壓制力過大時，易造成坯體破碎，使鐵磁顆粒與研磨顆粒之間的結(jié)合強度變差，最終使研磨效果變差。霧化快凝法是將研磨顆粒噴入到熔化的鐵磁小液滴中，攜帶研磨顆粒的鐵磁小液滴在霧化室中快速冷卻凝固，進而形成磁性磨料。其制備流程可概括為熔化、導(dǎo)流、霧化、穿透混合、快速冷卻和篩分等六個步驟。導(dǎo)流過程中，應(yīng)保證金屬液連續(xù)、穩(wěn)定地流動，因此應(yīng)選擇合適長徑比的導(dǎo)流管。長徑比過小時，金屬液與導(dǎo)流管接觸面積較大，金屬液的熱量散失較快，久而久之，金屬液會粘在導(dǎo)流管內(nèi)壁上，堵塞導(dǎo)流管；長徑比過大時，金屬液在導(dǎo)流管中的流動阻力會變大，影響金屬液流動的連續(xù)性和穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)常用的方法是燒結(jié)法和霧化快凝法。燒結(jié)法裝置簡單，成本低，并且研磨相和鐵磁相結(jié)合良好，但磁性磨料通過粉碎、篩分所得，顆粒呈不規(guī)則形狀，易造成鐵磁相磨損，降低磨料使用壽命。霧化快凝法制備的磨料性能優(yōu)良，制成的磁性顆粒呈近球形，但鐵磁相與研磨相的結(jié)合效果較差，研磨相分布的均勻性也較難把控，且裝置復(fù)雜、工序較繁瑣。

磁性磨料是由鐵磁相和研磨相（如白剛玉、碳化硅、金剛石、碳納米管和立方氮化硼等）構(gòu)成，近年來，由于金剛石顆粒、立方氮化硼和碳納米管等新材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，已逐漸取代傳統(tǒng)的白剛玉和碳化硅。但金剛石顆粒等部分非金屬材料在高溫條件下易碳化，容易失去其優(yōu)秀的力學(xué)性能，故無法用作燒結(jié)法制備磁性磨料的原料，所以針對不同的磨料制備方式，需要選擇合適的研磨相材料。Gao 等[30]分別用金剛石顆粒、立方氮化硼和氧化鋁作為研磨相制備磁性磨料，并使用三種不同的磁性磨料加工SS304不銹鋼板，實驗表明，用粘結(jié)法制備磨料時，金剛石顆粒作為研磨相制成的磨料的加工效率及性能要優(yōu)于另外兩種，三者的材料去除量對比如圖6 所示。

圖6 不同研磨材料下磁極轉(zhuǎn)速對材料去除量的影響[30] Fig.6 Effect of pole rotational speed on material removal amount with different grinding materials[30]

2 磁粒研磨加工原理與特點

2.1 平面磁粒研磨加工原理

規(guī)則平面類零件表面磁粒研磨加工原理如圖7所示，磁性磨料吸附在磁極下面，由鐵磁粒子和研磨顆粒組成。磁性磨料中的鐵磁粒子在磁場作用下，隨磁力線方向呈鏈狀排列，研磨顆粒嵌入在鐵磁粒子之間，形成多刃切削工具，在磁場與重力場的共同作用下，磁性磨料有序地排列成刷子狀的柔性磁粒刷。當(dāng)磁極相對加工表面運動時，磁粒刷在磁極的帶動下對工件表面進行研磨拋光加工[31-33]。

圖7 平面磁粒研磨加工原理示意圖 Fig.7 Principle diagram of magnetic abrasive finishing on plane

2.2 圓柱外表面磁粒研磨加工原理

對于常見管類零件和棒狀零件的圓柱外表面，磁粒研磨加工也能起到良好的加工效果，其加工原理如圖8 所示。磁極與零件外表面之間留有一定的工作間隙，在工作間隙中填充著適量的磁性磨料，沿磁力線呈鏈狀分布的磁性磨料形成磁粒刷。由于工件作旋轉(zhuǎn) 運動，貼附在工件外圓表面的磁性磨粒將會受到摩擦力的作用，進而產(chǎn)生沿工件旋轉(zhuǎn)切線方向飛散的趨勢，而此時磁場力會產(chǎn)生保持作用，將磁性磨粒束縛在加工區(qū)域，這樣就確保磁粒研磨加工過程的正常進行。在磁場力、離心力和摩擦力的綜合影響下，磁粒刷與工件表面發(fā)生相對摩擦運動，從而實現(xiàn)對工件外圓表面的研磨加工[34-36]。

圖8 圓柱外表面磁粒研磨加工原理示意圖 Fig.8 Principle diagram of magnetic abrasive finishing on cylindrical outer surface

2.3 圓柱內(nèi)表面磁粒研磨加工原理

圓柱內(nèi)表面磁粒研磨加工原理如圖9 所示，對于需要加工圓柱內(nèi)表面的工件，根據(jù)材料性質(zhì)的不同，可分為導(dǎo)磁件與非導(dǎo)磁件。對于非導(dǎo)磁件，常常采用磁極外置的方法，其加工原理如圖9a 所示，工件往往被夾持于機床上做旋轉(zhuǎn)運動，置于管件外部的兩個磁極通過磁軛相連接。工件內(nèi)部的磁性磨料在磁場的作用下排列成磁粒刷，在外加磁極的牽引下對工件內(nèi)表面做劃擦、擠壓，從而實現(xiàn)研磨拋光加工。對于導(dǎo)磁件，由于磁屏蔽現(xiàn)象的存在，外部磁極產(chǎn)生的磁力線無法穿過工件作用于磁性磨料，所以常常采用磁極內(nèi)置的方法進行加工，其加工原理如圖9b 所示。磁極與磁性磨料均位于工件內(nèi)部，磁性磨粒在磁極的吸附下形成磁粒刷，對工件內(nèi)表面進行研磨加工。

圖9 圓柱內(nèi)表面磁粒研磨加工原理示意圖 Fig.9 Principle diagram of magnetic abrasive finishing on cylindrical inner surface: a) principle of non-magnetic workpiece machining, b) principle of magnetic workpiece machining

2.4 磁粒研磨的加工特點

傳統(tǒng)的機械磨削加工多采用砂輪作為磨削工具，且屬于剛性加工，具有適用范圍窄、刀具磨損快和易造成表面損傷等缺點。當(dāng)采用砂輪進行精密磨削加工時，一方面需要用以金剛石或立方氮化硼為磨料制成的超硬砂輪作為磨削工具，其磨削加工成本較高；另一方面，為了保證加工精度，使機床產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差不易復(fù)映到工件表面，常常在精密磨床上進行加工，因此精密磨削對加工設(shè)備的要求較高，不適于大批量的生產(chǎn)。此外，由于砂輪的剛性加工，磨削過程中產(chǎn)生的熱量不易排出，易對工件表面產(chǎn)生燒傷，需要在加工過程中不斷地補充切削液。而磁粒研磨加工是一種新的光整加工方法，由于磁場的作用，磁性顆粒群 在磁場中被磁化，并沿磁力線方向有序排列，形成具有一定剛度的磁粒刷仿形壓貼在工件表面對其進行研磨加工。同時，對加工設(shè)備的要求較低，根據(jù)工件形狀可以選擇在普通車床、鉆床、磨床、銑床甚至電機上進行加工。相對于精密磨削所用的砂輪，磁性磨料的制作成本較低，磁粒刷與工件表面點接觸，加工過程中對工件表面不會造成損傷，是一種柔性加工技術(shù)，可以適用于復(fù)雜幾何形狀表面的精密研磨加工。由于磁粒研磨屬于微量切削，所以相較于使用砂輪進行磨削的傳統(tǒng)加工，它的加工效率要低一些，尤其對于加工面積較大或者加工硬度較高的零件。所以，提高磁粒研磨的加工效率勢在必行[37]。在加工過程中，游離的研磨顆粒不停地進行翻滾、碰撞和擠壓，使其 自身不斷產(chǎn)生新的切削刃，因此磁粒研磨加工無需進行磨損補償，且在與工件的不斷碰撞中，可以對工件表面施加殘余壓應(yīng)力，起到強化工件表面的效果?？偟膩碚f，磁粒研磨加工具有自銳性好、易于仿形、柔性、自適應(yīng)性和易于強化工件表面等優(yōu)點，能有效地去除前道工序零件表面殘留的刀痕、磨削痕、放電痕、毛刺以及加工后變質(zhì)的表層等，可明顯降低零件表面的粗糙度，具有其他加工方法無法取代的優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于光學(xué)、航空航天、生物醫(yī)療、精密儀器和電子通訊等行業(yè)的零件和元器件的加工。

3 磁粒研磨加工方式的發(fā)展方向

3.1 電磁磁粒研磨

電磁磁粒研磨的機理是：基于電流磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場帶動磁性磨粒對工件表面進行光整加工。目前常見的產(chǎn)生磁場的電源方式有脈沖電源、直流電源和交流電源。2008 年，Jain 等[38]使用高頻脈沖直流電磁場對預(yù)處理后的合金鋼板進行研磨，加工原理如圖10 所示。實驗結(jié)果表明，頻率為320Hz 時，磨削力更大，加工效果更好，但會造成工件表面劃傷，最終，工件表面材料去除率達到29%，粗糙度值從初始的0.31 μm 下降至0.22 μm。上述加工法雖能有效地改善表面質(zhì)量，但使用高頻脈沖電流容易造成表面損傷，很難實現(xiàn)納米級表面加工。

2018 年，遼寧科技大學(xué)的李龍邦等[39]將磁粒研磨與單片機控制電磁場結(jié)合，設(shè)計出一種新型的研磨不規(guī)則彎管內(nèi)表面的裝置，如圖11。其加工機理為：由皮帶連接而成的電磁鐵在彎管外表面盤繞成螺旋狀，利用單片機控制電流的方向和頻率，進而產(chǎn)成旋轉(zhuǎn)，進給電磁場。并且為了進一步提高磁粒研磨的加工效率，將一球形輔助磁極添加在彎管內(nèi)部，進而帶動管內(nèi)的磁性磨料對內(nèi)表面進行研磨加工。在實驗前，利用仿真軟件驗證了裝置的可行性，分析結(jié)果如圖12 所示，最終，工件內(nèi)表面的材料去除率達到了66%，實現(xiàn)了微米級加工。使用超景深顯微鏡對研磨前后的表面紋理進行觀測，結(jié)果如圖13 所示。

2018 年，吳金忠等[40]設(shè)計了一套電磁研磨裝置，對比了低頻交變磁場和直流磁場對磁粒研磨效果的影響，裝置原理如圖14。實驗所選工件材料為80 mm× 90 mm×1 mm 的SUS304 不銹鋼。實驗表明，通過交變磁場加工后，SUS304 不銹鋼表面材料去除率達到98%，粗糙度達到4.51 nm，實現(xiàn)了超精密納米級加工，并得到了鏡面效果（圖15a）；而通過直流磁場加工后，SUS304 不銹鋼表面材料去除率達到92%，粗糙度最高達到17.58 nm（圖15b）。造成這兩種加工方法差異的原因是，直流磁場產(chǎn)生的磁簇一直處于收縮的狀態(tài)，而交變磁場產(chǎn)生的磁簇則處于收縮與散射的變化狀態(tài)（見圖16），磁簇不停地收縮與散射促進了磨粒的翻滾和更新，防止了磨粒的鈍化，進而提 高了加工效果。隨后，Xie 等[41]用該裝置進一步研究了磁性顆粒對磁簇的影響，研究發(fā)現(xiàn)，增大磁粒尺寸會增加磁簇的長度和最高位置的持續(xù)時間，但會降低磁簇攜帶磨料的能力和波動。

圖10 高頻脈沖電源加工原理示意圖[38] Fig.10 Schematic diagram of processing principle of high-frequency pulse power supply[38]

圖11 磁研磨加工彎管內(nèi)表面機理圖[39] Fig.11 Principle diagram of magnetic abrasive finishing on internal surface of bend pipe[39]

圖12 磁力線強度分布云圖[37] Fig.12 Cloud image of distribution of magnetic line strength[37]

圖13 研磨前后工件表面微觀形貌[39] Fig.13 Microstructure of workpiece surface: a) before grinding; b) after grinding[39]

圖14 低頻交變磁場超精密磁力研磨裝置原理圖[40] Fig.14 Schematic diagram of the ultra-precision magnetic grinding device by low frequency alternating magnetic field[40]

圖15 SUS304 不銹鋼板加工效果對比圖[40] Fig.15 Contrast diagram of processing effects of SUS304 stainless steel plate: a) AC magnetic field; b) DC magnetic field[40]

圖16 低頻交變磁場下磁簇形態(tài)圖[40] Fig.16 Morphology of magnetic cluster in low frequency alternating magnetic field: a) contraction; b) scatter[40]

綜上，電磁磁粒研磨是利用通電線圈產(chǎn)生磁場的原理驅(qū)使磁性磨料對工件進行研磨加工，由于激勵電源不同，產(chǎn)生的磁場也不同，進而最終的加工效果也不同。與永磁體磁粒研磨相比，具有可控性強、磨料易于更換和自銳性強等優(yōu)點，且最終得到的表面粗糙度可達到納米級，實現(xiàn)了超精密加工。但電磁裝置產(chǎn)生的磁場強度往往較小，裝置體積龐大，且長期通電容易使線圈過熱，熱量的排出也較為困難，其理論分析有待通過進一步的實驗進行研究。

3.2 超聲輔助磁粒研磨

超聲輔助磁粒研磨是將振動頻率大于20 000Hz的高頻振動通過超聲波裝置加入到磁粒研磨的加工過程中。高頻振動往往通過兩種不同的作用方式影響加工效果。一種是將高頻振動垂直作用于工件表面，目的是將振動傳遞給磁性磨料，從而增加研磨壓力和促進磁性磨粒翻滾更新；另一種是將高頻振動平行作用于工件表面，使變幅桿與工件或者盛放工件的容器直接接觸，增大磁性磨粒對工件表面微觀凸起的剪切力，從而起到提高加工效率和表面質(zhì)量的效果。2013年，陳燕等[42]在國內(nèi)首次將超聲與磁粒研磨相結(jié)合，提出超聲輔助磁粒研磨加工技術(shù)（Ultrasonic Assisted Magnetic Abrasive Finishing，簡稱UAMAF）。超聲波裝置通過變幅桿將產(chǎn)生的高頻振動傳遞給磁粒刷，從而促使磁性磨料發(fā)生翻滾和振動，并使磨料沖擊、刻劃和切削工件表面，以提高工件表面質(zhì)量。同時，還測量了加工前后工件表面的殘余應(yīng)力，由殘余拉應(yīng)力+320 MPa 降為殘余壓應(yīng)力-40 MPa，通過對比加工前后的殘余應(yīng)力變化，驗證了超聲的引入對工件表面起到了顯著的強化作用。使用該方法大大提高了工件表面的加工質(zhì)量及加工效率。此外，超聲產(chǎn)生的噴丸強化作用和空化效應(yīng)也可以有效提高工件表面的強度，更重要的是，超聲輔助磁粒研磨裝置簡單，適用范圍廣。

馬付健等[43]用超聲輔助磁粒研磨方法對鋁合金表面進行加工，所選工件材料為TC4 鈦合金板，其加工裝置如圖17 所示，在假設(shè)磁性磨粒不發(fā)生變形磨損的前提下，建立了工件表面材料去除的數(shù)學(xué)模型，該模型可表示為[43]：

式中，C為材料去除的耦合系數(shù)，α為維氏壓頭上相對的面之間的夾角，k為維氏壓頭與磨料壓入工件部分之間的形狀修正系數(shù)，vf為進給速度，ρ為材料的密度，t為加工時間，HV為加工材料的維氏硬度，n為參與加工的有效磨粒數(shù)，AM為有效接觸面積，σs為加工材料的屈服強度，Acu為有效作用面積，δ1為磨料壓入工件的深度，A為超聲振幅。該材料去除模型的建立，從理論上對材料去除量進行了分析，為以后的定量磨削提供了參考依據(jù)。使用該加工方法進行加工，最終工件表面粗糙度降低了近60%，與傳統(tǒng)的磁粒研磨相比，相同加工時間下，最終的加工表面質(zhì)量提高了15%，對比效果如圖18 所示。發(fā)現(xiàn)加工完成后，在亞表面形成了一層致密的組織細化層，有效地改善了工件表面的完整性，光整加工前后鈦合金表面三維形貌如圖19 所示。

圖17 超聲輔助磁性磨料光整加工試驗臺[43] Fig.17 Test equipment of UAMAF[43]

圖18 表面粗糙度隨加工時間的變化曲線[43] Fig.18 Curves of surface roughness distribution varied with finishing time[43]

綜上，超聲輔助磁粒研磨加工技術(shù)與普通磁粒研磨加工相比，可以產(chǎn)生更大研磨壓力，提高材料去除率和工件表面的加工質(zhì)量，在加工過程中存在的尖點效應(yīng)使工件表面粗糙度值在開始階段可以快速降低。超聲波振動的沖擊作用，不僅能增加磨料顆粒運動的隨機性和復(fù)雜性，而且能促使波峰向谷底流動，同時也增加了切削深度，提高了材料在工件表面的去除率，使工件表面愈加均勻、光滑。由于超聲波振動的引入，在高頻振動的作用下，研磨液會產(chǎn)生空化效應(yīng)，對工件表面產(chǎn)生光潔作用，并促使磨料的翻滾和移動，從而有效提高了加工效率和質(zhì)量。而磨料顆粒則會產(chǎn)生噴丸強化作用，降低或消除工件表面的殘余應(yīng)力，可以大幅度提高工件的疲勞壽命[44-46]。

圖19 光整加工前后鈦合金表面三維形貌[43] Fig.19 3D surface topographies of titanium alloy before and after finishing: a) after milling; b) after MAF; c) after UAMAF[43]

3.3 化學(xué)輔助磁粒研磨

化學(xué)輔助磁粒研磨是一種利用化學(xué)試劑與工件表面材料產(chǎn)生化學(xué)腐蝕反應(yīng)的復(fù)合加工方法，可根據(jù)待加工材料的性質(zhì)選擇相應(yīng)的化學(xué)腐蝕劑，但所選擇的化學(xué)腐蝕劑應(yīng)盡量避免與磁性磨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。Singh[47]等通過預(yù)先在工件表面噴灑化學(xué)腐蝕劑（氯化鐵和乙醇的混合物），再進行磁粒研磨加工的方式，對625 鉻鎳鐵合金管內(nèi)外表面進行加工，并利用響應(yīng)面法對比分析了加工時間、主軸轉(zhuǎn)速、磨粒粒徑、磨粒質(zhì)量百分比和化學(xué)腐蝕劑濃度對工件表面材料去除的影響。實驗結(jié)果表明，通過添加化學(xué)腐蝕劑可以使工件表面的組織軟化，有效提高了工件表面的加工質(zhì)量和材料去除率。

Pandey 等[48]設(shè)計了一種化學(xué)超聲輔助磁粒研磨的裝置并提出了研磨方法，實驗裝置如圖20 所示。實驗采用按不同比例混合的NaOH、K2S2O8、KHSO5和H2O2所形成的化學(xué)試劑，對硅片進行化學(xué)腐蝕，通過方差分析發(fā)現(xiàn)，影響表面粗糙度的最主要工藝參數(shù)是拋光速度，其次是主軸轉(zhuǎn)速與脈沖時間的交互作用。在主軸轉(zhuǎn)速達到175 r/min、工作間隙為5.45 mm、脈沖作用時間為9 s 的條件下，硅片拋光后的最佳表面粗糙度達到11.6 nm（原子力顯微鏡AFM 尺度上為1.5 nm），并達到鏡面效果，如圖21 所示，加工前后的原子力顯微對比如圖22 所示。

圖20 實驗裝置示意圖[48] Fig.20 Schematic diagram of experimental setup[48]

綜上，化學(xué)輔助磁粒研磨方法的提出為磁粒研磨加工打開了一個新的方向，使研磨質(zhì)量大大提高，加工效率明顯提高，尤其是對于光學(xué)領(lǐng)域零件加工具有較好的效果。許多研究表明磁極轉(zhuǎn)速是影響該方法加工質(zhì)量最主要的因素[49]，但該技術(shù)目前還不夠成熟，加工范圍存在一定的局限性，所用化學(xué)液與磁性磨料也會發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，降低磁性磨料的導(dǎo)磁性和研磨效果，且化學(xué)液組成成分及其各組分之間的最佳配比有待通過進一步的實驗進行深入研究，實驗產(chǎn)生的化學(xué)廢液的合理處理也是一大難題。

圖21 加工前后效果對比圖[48] Fig.21 Comparison diagram of effect before and after processing: a) unpolished silicon wafer; b) polished silicon wafer[48]

圖22 最佳工藝參數(shù)下加工前后的原子力顯微（AFM）圖[48] Fig.22 AFM images of unpolished silicon wafer and polished silicon wafer at optimum parameter: a) unpolished silicon wafer; b) polished silicon wafer[48]

3.4 電化學(xué)輔助磁粒研磨

電化學(xué)輔助磁粒研磨本質(zhì)上是將電解反應(yīng)與磁粒研磨相結(jié)合，其原理與化學(xué)輔助磁粒研磨相似。不同的是，電解液成分相對于化學(xué)腐蝕劑來說較為簡單，并且將直流電源的正極與工件相連，促進了工件表面難加工金屬由原子變?yōu)殡x子的過程。Kim 等[50]在1997 年就提出了磁電解磨料拋光的加工工藝，建立了數(shù)學(xué)模型，討論了磁場對電解過程的影響，并通過實驗驗證了數(shù)學(xué)模型的正確性，為以后電化學(xué)與磁粒研磨復(fù)合加工奠定了理論基礎(chǔ)。

劉國躍等[51-53]提出了一種基于中空相間電磁極的電化學(xué)磁粒研磨工藝，加工原理如圖23 所示。在線圈中心安裝黃銅與電工純鐵結(jié)合制成的金屬管，作為電解液的通道，將加工區(qū)域分為了電化學(xué)工作區(qū)和磁粒研磨工作區(qū)兩部分，以黃銅等金屬材料作為電化學(xué)反應(yīng)的陰極，工件作為電化學(xué)反應(yīng)的陽極。在外部添加了輔助線圈，就可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小改變磁場強度，并且可以很方便地進行磨料更換。但這種加工裝置也存在一定的弊端，由于鈍化膜的形成需要一定的時間，而工件表面從接觸電解液到被研磨的時間間隔又非常短，所以工件表面往往還未形成鈍化膜就進行了研磨。

為了解決鈍化膜形成的延時問題及優(yōu)化加工參數(shù)，田騰騰等[54]設(shè)計了一種電解磁粒研磨復(fù)合裝置。將電解裝置與磁粒研磨裝置分離開來，黃銅管作為電化學(xué)反應(yīng)的陰極，工件作為電化學(xué)反應(yīng)的陽極，NaNO3電解液從黃銅管的芯部噴灑到工件表面。在電化學(xué)反應(yīng)下，工件表面的金屬元素失去電子成為陽離子并且與電解液中的陰離子結(jié)合，形成了質(zhì)地較軟的陽極鈍化膜并附著于工件表面，然后再通過磁粒研磨加工的方法將表層的鈍化膜去除，其加工原理如圖24。為了減少不必要的實驗次數(shù)，利用響應(yīng)面法對加工參數(shù)進行優(yōu)化，使用優(yōu)化后的實驗參數(shù)對TA18 鈦合金板表面進行加工，表面粗糙度從1.7 μm 下降至0.13 μm，材料去除率達到92.35%。

圖23 電化學(xué)磁粒研磨加工原理示意圖[53] Fig.23 Principle diagram of electrochemical magnetic abrasive finishing[53]

圖24 電解-磁粒復(fù)合加工示意圖[54] Fig.24 Schematic diagram of electrolysis-magnetic particle composite machining[54]

劉新龍等[55]將旋轉(zhuǎn)超聲波引入到電解磁力研磨中，通過機床與超聲波裝置組合，開發(fā)了一套新的旋轉(zhuǎn)超聲波發(fā)生裝置。超聲波發(fā)生器通過法蘭盤與機床主軸相連，并通過電刷與外部供電線路相連，進而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)超聲波。表面粗糙度值從1.60 μm 降到0.12 μm，材料去除率達到92.5%。該實驗將超聲、電解和磁粒研磨三者結(jié)合，使磨粒振動更加劇烈，增加了磨粒的翻滾和更替速度，從而提高了加工效率與質(zhì)量，并且增加了磨料的利用率。

綜上，電化學(xué)輔助磁粒研磨法將電解與磁粒研磨相結(jié)合，綜合了電場、磁場和流場的相關(guān)理論，以工件作為電化學(xué)反應(yīng)的陽極，從而在零件表層形成一層又薄又軟的鈍化膜，然后再對鈍化膜進行去除[56]。這種方法不受材料的硬度限制，可以輕易地去除表面的毛刺、加工紋理和微裂紋等缺陷。該方法具有加工效率高，磨粒磨損小，加工表面損傷小和加工質(zhì)量高等優(yōu)點，但工件材料必須為可導(dǎo)電材料，否則無法適用。

4 總結(jié)

綜上所述，磁粒研磨加工技術(shù)通過磁場作用下產(chǎn)生的柔性磁粒刷對工件的表面進行研磨和拋光，它不僅能用于加工平面、外圓面、內(nèi)圓面，還適用于自由曲面的加工，并且可與其他加工方法復(fù)合，從而達到更好的加工效果。隨著加工技術(shù)向高效、精密和超精密方向發(fā)展，磁粒研磨加工及其復(fù)合加工技術(shù)將得到越來越廣泛的應(yīng)用與研究，但目前仍有一些問題有待解決：

1）基礎(chǔ)理論體系不夠完善。目前磁粒研磨加工技術(shù)的數(shù)學(xué)模型理論尚不健全，影響加工質(zhì)量的一些重要因素（如磨削熱等）無法耦合到數(shù)學(xué)模型的計算中，且現(xiàn)存的仿真模擬軟件也很難做到動力學(xué)、傳熱學(xué)和電磁學(xué)三者之間的耦合仿真。對于單一磁性磨粒的力學(xué)分析也是建立在磁性磨粒不發(fā)生磨損變形的前提條件下，雖然這樣模擬分析出來的結(jié)果與實際差別不大，但在實際加工過程中還是不夠精確。

2）磁性磨料的制備仍局限于傳統(tǒng)的制備方法，鐵磁相與研磨相的種類單一，磁性磨料的質(zhì)量直接影響到最終的加工效果。大量的文獻證明，要想獲得更高的加工質(zhì)量與效率，一方面可以借助外力促進磨料的翻滾與更新，如將超聲波引入到加工過程中；另一方面要改變磨料的組成成分，使鐵磁相的體積更小，磁飽和強度更強，與研磨相結(jié)合力更強，研磨相的硬度與強度更高，在鐵磁相中分布更加均勻，可以借鑒一些無機材料或者復(fù)合材料。

3）盡管磁粒研磨加工具有諸多的優(yōu)勢，但其本質(zhì)上是通過研磨顆粒對工件表面進行研磨加工，因此與其他加工方法相比，材料去除率相對較低。單一的磁粒研磨加工技術(shù)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，未來磁粒研磨加工必將朝著自動化、復(fù)合化和智能化方向發(fā)展。與其他加工技術(shù)復(fù)合，不僅能夠充分發(fā)揮各加工技術(shù)的優(yōu)勢，規(guī)避其劣勢，還可以有效提高加工效率和表面加工質(zhì)量，但如何有效地與其他加工技術(shù)復(fù)合仍需要更加深入地研究。