加工間隙對CBN 磁性磨料研磨904L 不銹鋼表面完整性的影響

杜嘉靜，張桂香，朱培鑫，姜林志，陳昊鑫，劉寧

（山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000）

904L 高性能不銹鋼是一種含碳量極低的超級奧氏體不銹鋼，通常能耐受1400 ℃以上的溫度，它本身具有很高的鎳和鉻含量，所以耐腐蝕性能特別好，是最先進的不銹鋼材料，一般用于航天航空、石油石化、生物醫(yī)療等有極高表面質(zhì)量要求的行業(yè)[1-4]。然而與普通的材料相比，904L 不銹鋼屬于典型的難加工不銹鋼。因為其具有更高的塑性和延伸率，所以在光整加工過程中工件表面的塑性變形大，磨削力也隨著變大，在研磨過程中容易與磨具產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。同時，904L 不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，研磨時容易產(chǎn)生很多熱量，過多的熱量一方面可能會燒傷工件的表面，同時也會加速磨具的磨損，影響磨具的性能和壽命。因此，在光整加工904L 不銹鋼時，需要選取導(dǎo)熱性和耐磨性較好、硬度較高而且與工件表面粘附性較小的磨具[5-7]。

相比于普通磨削，磁力研磨加工是屬于一種柔性加工，與工件表面產(chǎn)生的粘附力較小，同時產(chǎn)生的加工熱量較少，因此非常適用于904L 不銹鋼的加工[8-12]。在加工過程中，磁性磨料對提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量和性能起著非常重要的作用[13-15]。梁偉等[16]采用Al2O3/鐵基磁性磨料對ZrO2陶瓷進行磁力研磨加工，加工后表面粗糙度由開始的1.9 μm 下降至0.4 μm，工件表面質(zhì)量有明顯改善。Singh 等[17]采用SiC 磁性磨料對Inconel 625 鎳基合金進行化學輔助磁力研磨加工，分析了不同實驗條件對材料去除率的影響。Kala 等[18]采用Al2O3磁性磨料對202 不銹鋼進行雙盤磁力研磨加工，通過數(shù)學模型與研磨實驗的對比，確定了表面粗糙度的百分比變化與不同加工條件的關(guān)系。Wu 等[19]采用Al2O3磁性磨料對SUS304 不銹鋼進行低頻交變磁場磁力光整加工，研究了磁極轉(zhuǎn)速、電流頻率等工藝參數(shù)對工件表面質(zhì)量的影響。目前的磁性磨料多以Al2O3、SiC 等普通硬度磨粒相為主，此類磨料磨粒相硬度較低，導(dǎo)熱性較差，對于904L 不銹鋼材料的難加工性質(zhì)，不能很好地滿足磁力光整加工的要求。

而CBN 具有高硬度、耐磨損以及很好的導(dǎo)熱性能等特點，特別適合904L 高性能不銹鋼的磨削加工[20-23]。因此，本試驗采用自主研發(fā)的CBN/鐵基球形復(fù)合磁性磨料對904L 不銹鋼工件表面進行磁力光整加工試驗研究。研究過程中發(fā)現(xiàn)，在其他試驗條件都不發(fā)生變化的情況下，磁極端面與工件表面不同的加工間隙會嚴重影響904L 不銹鋼工件的表面質(zhì)量，因此關(guān)于加工間隙對CBN 磁性磨料磁力光整加工904L 不銹鋼工件表面完整性的影響做了進一步的試驗研究。

1 磁力光整加工研磨壓力的產(chǎn)生

1.1 研磨壓力的產(chǎn)生

在光整加工過程中，在磁場力的作用下磁性磨料形成一條條磁串，通過磁串之間的相互吸引形成柔性的磁力研磨刷，從而在工件表面形成一個向下的研磨總壓力P（如圖1 所示），而這個研磨壓力是磁性磨料在磁力光整加工工件時的主要作用力[24]。其中，研磨壓力的計算公式為[25-26]：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；H為磁場強度；μm為磁性磨料的相對磁導(dǎo)率。

如果單位體積內(nèi)的磁性磨料數(shù)為N，那么單個磁性磨料受到的研磨壓力為：

式中：B為加工區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強度。

圖1 研磨壓力形成示意圖Fig.1 Schematic diagram of finishing pressure formation

從公式(3)中可知，研磨總壓力P與加工區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強度B的平方成正比，與磁力研磨刷的相對磁導(dǎo)率成正相關(guān)關(guān)系，即磁感應(yīng)強度越強、磁性磨料的相對磁導(dǎo)率越高，產(chǎn)生的研磨壓力就越大。因此，只有增大加工區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強度或者在試驗過程中采用相對磁導(dǎo)率較高的磁性磨料，才能在工件表面產(chǎn)生比較大的研磨壓力。在本次試驗中，磁性磨料種類及鐵磁相與磨粒相的配比已經(jīng)確定，進而磁性磨料的相對磁導(dǎo)率也已經(jīng)確定，因此只能通過改變磁感應(yīng)強度的大小來改變研磨壓力。又因為本次試驗采用的磁極為永磁極，所以只有通過改變加工間隙的方式來改變加工區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強度[27]。

1.2 不同加工間隙磁場強度分析

為了檢驗不同加工間隙對加工區(qū)域磁感應(yīng)強度的影響，對自主研發(fā)的米字型開槽磁極（如圖2 所示）的磁感應(yīng)強度進行仿真與測試的對比分析。利用COMSOL 磁感應(yīng)強度仿真軟件對磁極進行仿真分析，結(jié)果如圖3 所示，圖中l(wèi)為磁極長度，B為磁感應(yīng)強度。從圖3 中可以看出，加工區(qū)域內(nèi)，磁極的端面處磁感應(yīng)強度最高，磁感線最密集，磁感應(yīng)強度可以達到0.6～0.8 T。距離磁極端面越遠（加工間隙越大），則磁感應(yīng)強度越低，磁感線也變得稀疏。同時，利用磁通密度計對磁極進行磁感應(yīng)強度測試（如圖2所示）。以磁極端面為起點，沿圖2 所示方向，每隔0.5 mm，對加工區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強度進行一次測試，共測量10 次（加工間隙為0～5 mm），測試結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，磁極端面處的磁感應(yīng)強度最高可以達到0.672 T，距離磁極端面越遠，磁感應(yīng)強度下降越快，當加工間隙達到5 mm 時，磁感應(yīng)強度迅速下降到0.327 T。對比圖3 和圖4 可以看出，利用磁通密度計測量的磁極不同加工間隙的磁感應(yīng)強度結(jié)果與軟件仿真值基本一致。說明通過改變磁極與工件之間的加工間隙可以改變加工區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強度，從而改變磁力光整加工的研磨壓力和效率，起到改善工件表面質(zhì)量的作用。

圖2 磁極磁感應(yīng)強度測試Fig.2 Magnetic induction test of magnetic pole

圖3 磁極磁感應(yīng)強度仿真圖Fig.3 Simulation diagram of magnetic induction of magnetic pole

圖4 磁感應(yīng)強度隨加工間隙的變化Fig.4 Variation of magnetic induction with machining gaps

2 試驗材料與裝置

2.1 試驗材料

作為磁力光整加工過程中最重要的研磨工具，磁性磨料選擇霧化法制備的新型CBN/鐵基球形磁性磨料。磁力光整加工的優(yōu)點在于加工過程中磁性磨料的柔性和自適應(yīng)性，因此理想的磁性磨料形狀應(yīng)該為球形，如圖5 所示，其中D為磁性磨料粒徑，d為磨粒相粒徑。而且球形磁性磨料的磨粒相在鐵基體周圍分布可以最大化且分布具有均勻一致的特征，因而在光整加工過程中具有較高的加工效率和較好的加工均勻性。試驗所用磁性磨料為磨料粒徑為100～120 目（147～121 μm）、磨粒相粒徑為W7（5～7 μm）的CBN/鐵基球形磁性磨料（如圖6 所示）。從圖6 中可以看出，霧化法制備的CBN/鐵基磁性磨料的球形度很高，CBN 磨粒相在鐵基體周圍分布均勻且密集，與理想的磁性磨料基本達到一致。

加工工件為904L 高性能不銹鋼，其成分（以質(zhì)量分數(shù)計）為：鉻19%～23%，鎳23%～28%，鉬4%～5%，銅1%～2%，鐵為剩余成分。將一表面均勻的904L 不銹鋼板平均分割成4 個完全相同的工件，工件尺寸為70 mm×30 mm×2 mm，初始粗糙度大約為0.5 μm。

圖5 理想磁性磨料Fig.5 Ideal magnetic abrasive particles

圖6 CBN/鐵基球形磁性磨料Fig.6 CBN/Fe-based spherical magnetic abrasive particles

2.2 試驗裝置及條件

磁力光整加工試驗裝置由XK7136C 型數(shù)控機床改裝而成，自主研發(fā)的釹鐵硼開槽永磁極加裝在機床主軸上（如圖7 所示）。試驗僅關(guān)于加工間隙這一單一因素對CBN 磁性磨料磁力光整加工904L 不銹鋼的影響展開研究。試驗采用的加工間隙依次從3 mm 減少到1.5 mm，期間每隔0.5 mm 進行一次光整加工試驗，試驗共進行4 次（3、2.5、2、1.5 mm），每次研磨時間為5 min。工件表面粗糙度、殘余應(yīng)力、表面形貌及親疏水性的觀察與檢測位置如圖8 所示，為減少測量誤差，每組數(shù)據(jù)測量5 次并取平均值，試驗具體工藝參數(shù)如表1 所示。

圖7 磁力光整加工裝置Fig.7 Magnetic abrasive finishing device

圖8 工件表面的觀察與測量點Fig.8 Observation and measurement points of workpiece surface

表1 試驗工藝參數(shù)Tab.1 Test parameters

試驗過程中，利用手持粗糙度儀和精密電子天平對工件的表面粗糙度值和材料去除量進行精確測量。利用金相顯微鏡觀察不同加工間隙下工件研磨前后的表面形貌變化。利用應(yīng)力測試儀對不同加工間隙下工件表面加工前后的殘余應(yīng)力進行測定與分析。利用潤濕角測量儀檢測不同加工間隙下工件研磨前后親疏水性的變化情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 加工間隙對工件表面粗糙度和材料去除量的影響

為了測試不同加工間隙對工件表面粗糙度以及材料去除量變化的影響，依次在3、2.5、2、1.5 mm間隙下，使用手持粗糙度儀測量工件表面粗糙度的變化情況，使用精密電子天平測量工件材料去除量以及變化趨勢。每次試驗均為5 min，每隔0.5 min 取下測量一次工件表面粗糙度和材料去除量。工件表面粗糙度具體變化情況如圖9 所示，材料去除量如圖10所示。

圖9 表面粗糙度隨加工間隙的變化Fig.9 Variation of surface roughness with machining gaps

圖10 材料去除量隨加工間隙的變化Fig.10 Variation of the amount of material removal with the machining gap

從圖9 和圖10 中可以看出，當加工間隙為3 mm時，工件表面粗糙度值下降緩慢，材料去除量基本上未發(fā)生變化；當加工間隙為2.5 mm 時，工件表面粗糙度下降明顯，材料去除量迅速增加，粗糙度最低可降至0.05 μm；當加工間隙縮短至2 mm 時，粗糙度下降趨勢變緩，但是材料去除量增加依舊明顯，去除量最終可達35 mg。而當加工間隙縮短至1.5 mm 時，工件表面粗糙度下降極為緩慢，加工一段時間后粗糙度值甚至有上升趨勢，材料去除量增加趨勢也明顯變緩。這是因為當加工間隙過大時，大部分磁性磨料與工件表面未能發(fā)生接觸或者只有少量接觸（如圖11a），少數(shù)與工件表面接觸的磁性磨料也只與工件摩擦與擠壓而不切削，在這種情況下，粗糙度下降緩慢，材料去除量很少，加工效率很低。當采用適當?shù)募庸らg隙時，磁性磨料會與工件表面充分接觸（如圖11b），磁性磨料能夠在工件表面上同時產(chǎn)生滑動和滾動，處于正常的微刃切削狀態(tài)，而且形成的磁力研磨刷自適應(yīng)性強，磨料的流動性好，替代更換更為突出，粗糙度下降快，材料去除量快速增加，最終達到的表面質(zhì)量較好。而當加工間隙過小時，會造成磁性磨料與工件表面過度接觸（如圖11c），使磁性磨料在光整加工過程中柔性和自適應(yīng)較差，同時大部分磁性磨料會被擠壓到磁極外邊緣，磨料不能有效地加工去除工件表面，最終使工件表面粗糙度較差，材料去除量較少。

圖11 磁性磨料加工方式隨加工間隙的變化Fig.11 Variation of the magnetic abrasive processing method with the processing gaps: a) large gap, b) moderate gap, c) small gap

3.2 加工間隙對工件表面形貌的影響

采用Axio Lab A 型金相顯微鏡觀察不銹鋼工件的表面形貌，不同加工間隙下的工件表面形貌如圖12 所示。研磨前，可以看到904L 不銹鋼工件表面有大量深淺不一的劃痕存在（圖12a），這是工件在經(jīng)過切削等粗加工時留下的劃痕，但是基本沒有凹坑存在。加工間隙為3 mm 時，劃痕開始變少變淺，但是仍有很多很深的劃痕未能去除（圖12b），這是因為間隙不完全合適，研磨壓力較小，材料去除量較少，只能將一些較淺的劃痕優(yōu)先去除。加工間隙減少至2.5 mm 時，工件表面劃痕基本完全去除，沒有凹坑產(chǎn)生，表面完整性最好（圖12c）。此時加工間隙適中，磁力研磨刷達到最佳柔性狀態(tài)，劃痕可以有效去除，同時工件表面不會留下凹坑。加工間隙降至2 mm時，可以看到工件表面有少量劃痕和凹坑存在（圖12d），這是因為間隙偏小，研磨壓力較大，部分磁性磨料開始翻滾困難，磁性磨料的研磨性能下降，使工件表面劃痕不能完全被去除并產(chǎn)生少量新的劃痕和凹坑。加工間隙最終下降至1.5 mm 時，工件表面有大量劃痕和凹坑存在（圖12e），甚至有的磁性磨料完全嵌入到凹坑中（圖12f），表面完整性極差。這是因為此時磁力研磨刷幾乎成剛性，磁性磨料流動性很差，磨料深深嵌入到工件表層，加工性能急劇下降，不僅原始表面的劃痕很難去除，長時間加工還會生成新的劃痕和大量的凹坑，嚴重影響工件表面完整性。

圖12 工件表面形貌隨加工間隙的變化Fig.12 Variation of the surface morphology of the workpiece with the machining gap: a) original

3.3 加工間隙對工件表面殘余應(yīng)力的影響

采用Stresstech Xstress 3000 G2R 型X 射線應(yīng)力分析儀對工件表面的殘余應(yīng)力進行測試，靶材為Mn靶，管電壓為30 kV，管電流為6.6 mA，曝光時間為3 s，測量方法為側(cè)傾固定ψ法，傾斜角度ψ依次選取0°、–30°、–45°、30°、45°。不同加工間隙下的工件表面殘余應(yīng)力平均值如圖13 所示。在實際應(yīng)用過程中，壓應(yīng)力的產(chǎn)生會很好地加強工件的抗蠕變與抗疲勞能力，從而提高工件的性能和疲勞壽命。研磨前，工件表面的平均殘余壓應(yīng)力為127.8 MPa。加工過程中，當加工間隙為3 mm 時，工件的表面壓應(yīng)力變?yōu)?31.4 MPa。殘余應(yīng)力較加工前基本未發(fā)生變化，這是因為加工間隙較大時，工件受到研磨壓力很小，工件表面應(yīng)力基本保持不變。當加工間隙變?yōu)?.5 mm時，工件表面的壓應(yīng)力增加至318 MPa。此時，加工間隙適中，研磨壓力較大，工件表面發(fā)生塑性變形，經(jīng)過磨料的反復(fù)擠壓摩擦后，壓應(yīng)力大幅度提高，抗疲勞強度大大增加。當加工間隙減少至2 mm 時，工件表面的壓應(yīng)力進一步增加至375.2 MPa，這是因為間隙變小后研磨壓力繼續(xù)變大，壓應(yīng)力也隨之變大。然而當加工間隙繼續(xù)減少至1.5 mm 時，工件表面的殘余壓應(yīng)力值起伏明顯，不同地方的壓應(yīng)力值相差較大，最大值可達307 MPa，最小值僅有94 MPa。這是因為當加工間隙過小時，工件表面會形成大量凹坑，從而會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致工件表面應(yīng)力極不均勻，嚴重影響工件的性能和使用壽命。

圖13 表面殘余應(yīng)力隨加工間隙的變化Fig.13 Variation of surface residual stress with machining gap

3.4 加工間隙對工件表面親疏水性的影響

不同加工間隙下的工件表面親疏水性效果如圖14 所示。在航天航空、石油石化、生物醫(yī)療等長期處于苛刻環(huán)境中運行的關(guān)鍵設(shè)備來說，零件的親疏水性尤為重要。一般來說，零件的疏水性越好，抗腐蝕性也就越好。液滴與工件的潤濕角越小，工件的疏水性越差。研磨前904L 不銹鋼工件表面的潤濕角平均值為20°（圖14a），說明此時工件表面疏水性極差。因為加工前工件表面凹凸不平，劃痕很多，液滴會很快滲入劃痕之中。當加工間隙為3 mm 時，研磨后工件表面的潤濕角增大至41°（圖14b），此時工件表面的疏水性有所好轉(zhuǎn)。此時工件表面劃痕變淺，液滴滲入劃痕程度變淺。當加工間隙減少至2.5 mm 時，工件表面的潤濕角達到83°（圖14c），工件表面疏水性最好。因為此時工件表面劃痕基本消除，凹坑也未出現(xiàn)，此時工件表面完整性最好，疏水效果也最佳。當加工間隙繼續(xù)減少至2 mm 時，工件表面的潤濕角又降至64°（圖14d），工件表面的疏水性又開始變差，此時工件表面又開始出現(xiàn)劃痕，并且開始產(chǎn)生少量凹坑。當加工間隙為1.5 mm 時，工件表面潤濕角降至26°（圖14e）。因為此時工件表面劃痕繼續(xù)增多，而且開始出現(xiàn)大量凹坑，工件表面完整性很差，疏水性也變得很差。

圖14 表面疏水性隨加工間隙的變化Fig.14 Variation of surface hydrophobicity with processing gap: a) original

4 結(jié)論

1）通過霧化法制備的新型CBN/鐵基球形磁性磨料對904L 高性能不銹鋼進行了磁力光整加工試驗研究。在最佳試驗條件下，解決了904L 不銹鋼難加工問題，提高了工件表面完整性，滿足零件的使用需求。

2）對開槽磁極的磁場強度進行了仿真與測試的對比分析，結(jié)果驗證了在加工區(qū)域內(nèi)，不同加工間隙下磁感應(yīng)強度也有所不相同。加工間隙越小，加工區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強度越強，研磨壓力也越大。

3）在不同加工間隙下，對工件表面完整性進行了試驗驗證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在本試驗條件下，當加工間隙為2.5 mm 時，工件表面粗糙度最低，表面完整性最好，產(chǎn)生較好的壓應(yīng)力，表面疏水性能最好，達到最佳光整加工效果。