精密超精密游离磨料加工

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1、精密超精密游离磨料加工技术青岛理工大学李长河李晶尧韩振鲁摘要：将游离状态下的细磨料或磨料微粉放在工件和工具之间进行研磨和抛光等，称之为精密和超精密游离磨料加工。游离磨料加工技术是历史最久而又不断发展的加工方法，它是不切除或切除极薄的材料层，用以降低工件表面粗糙度值或强化加工表面的加工方法，多用于最终工序加工。近年来，在这些传统工艺的基础上，出现了许多新的游离磨料加工方法，如磁力研磨、弹性发射加工、磁流体抛光、磨料流加工、化学机械抛光等。关键词：研磨；抛光；磁力研磨；磁性流体研磨；磨料流加工；弹性发射加工；化学机械抛光1研磨和抛光1）

2、研磨和抛光的加工机理研磨是一种常用的精密加工方法，研磨加工的机理是利用附着或压嵌在研具表面上的游离磨料，以及研具与工件之间的微小磨料借助于研具与工件的相对运动，切除下微细的切屑，以得到精确的尺寸和表面粗糙度值很小的加工表面。研磨加工的切削作用一般有两种情况，一种是滑动切削，即两体加工（图1a），镶嵌粘附在研具上的磨料，与工件相对运动而产生推挤作用，使工件留下带有擦痕的光滑表面；另一种是由研具与工件之间的磨料旋转作用而产生的滚动切削，即三体加工（图1b）研磨开始仅有少数大颗磨料切削，效率并不高，且比压大，随后很快被压碎变为许多小磨料一

3、起参加工作。磨料一方面切削工件，另一方面继续被压碎，研磨效率基本上不变。持续一段时间后，由于磨料愈益细化，研具与工件之间的间隙变窄，切屑堵塞于磨料之间的缝隙，研磨效率急剧下降，工件表面变得非常光滑。12图1研磨机理图1-工件2-研具抛光也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件进行抛光加工。但是，抛光使用的磨料是1μm以下的微细磨料，而抛光器则需使用沥青、石蜡、合成树脂和人造革等软质材料制成，即使抛光硬脆材料也能加工出一点裂纹也没有的镜面。抛光时磨料的变化如图2所示，微小的磨料被抛光器弹性的夹持研磨工件，因而，磨料对工件的作用力很

4、小，即使抛光脆性材料也不会发生裂纹。1234运动方向图2抛光加工模型1-软质材料的抛光器2-微小磨粒3-微小切屑4-工件2）超精密研抛的四个阶段（1）自由研抛阶段研抛头的微观结构为蜂窝状，能浸含和携带大量游离磨粒一起运动。加工时研抛头自由推挤加工液及游离磨粒，一些游离磨粒钻到研抛头端面空隙中，起摩擦切削作用；一些游离磨粒在研抛头与工件之间滑动和滚动，对工件材料去除量不大。（2）镶嵌研抛阶段随着加工的进行，镶嵌到研抛头端面孔隙中的磨粒增多，游离磨粒同时也在破碎，但主要趋势是磨粒被镶嵌而处于半固定状态。高速回转的研抛头在旋摆运动中带着磨

5、粒撞击和摩擦工件被加工表面，进行有效的切削，材料去除率增大。（3）饱和钝化研抛阶段磨粒镶入增多，逐渐趋向饱和，由于不断受到挤压和冲击而被压实，填平研抛头端面，呈半固结和固结状态，使研抛头硬度进一步提高。在研抛运动中，加工头带着无数镶嵌磨粒和自由磨粒在工件被加工表面上强烈的滑动和滚动，使之光滑，同时，加工头端面在研抛中也被修整，变得平整光滑，使切削能力下降。（4）“壳膜化”研抛阶段加工头端面进一步被更细小磨粒“填平”，逐渐形成一层被称为“壳膜层”的极其致密、已饱和钝化但仍具有不少极小孔隙的硬壳层。其表面光滑明亮，呈深褐色或黑色暗光镜面

6、，它具有极高的使工件被加工表面快速形成高质量镜面能力。3）超精密研抛关键技术（1）超精密研抛材料去除机理及工艺参数优化研究；（2）超精密研抛运动轨迹数学建模及运动参数对研抛运动轨迹的影响的研究；（3）超精密研抛新型加工装置的开发。2磁力研磨1）磁力研磨的工作原理磁力研磨也称磁粒光整加工（MagneticAbrasiveFinishing，简称MAF），就是利用磁场通过强磁性介质产生的磁作用力作用到磁粒上，使磁粒对工件进行微切削加工的方法。图3为圆柱表面磁力光整加工原理图，将工件放置在由电磁铁N极和S极构成的磁场中，在电磁铁与工件之间

7、填充磁性磨料，当对电磁铁通以直流电时，在N、S两极之间便产生磁场，磁性磨料被磁极吸引，在磁力的作用下，磁粒沿磁力线整齐地排列成刷子状，并对加工工件表面形成一定的压力，当磁极与工件之间产生相对运动时，磁刷扫过工件表面，从而对工件待加工表面进行研磨、去毛刺、提高工件表面硬度等过程的光整加工。该加工方法改善了工件表面的应力分布状态，延长了工件的使用寿命。磁性磨料由纯铁粉（Fe）作载体，加入一些Al2O3或SiC等磨料混合制成。目前磁力光整加工按磁场的形式可以划分为两大类，第一类磁场为恒磁场，依靠磁场与加工工件表面之间相对移动来实现加工；第

8、二类则是采用交变或旋转磁场来产生磁性磨粒与加工面之间的相对运动实现材料的微去除加工。132图3圆柱表面磁力光整加工装置1－磁极2－磁性磨粒3－工件2）磁力研磨加工的特点（1）自锐性好，加工能力强，效率高；（2）加工温升小，工件变形小；