畢業(yè)論文--光整加工的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　2光整加工技術(shù)研究現(xiàn)狀5</p><p><b>　　2.1發(fā)展歷史5</b></p><p>　　2.1.1 國外光整加工的發(fā)展歷史5</p>

2、<p>　　2.1.2 國內(nèi)光整加工的發(fā)展歷史6</p><p><b>　　2.2研究現(xiàn)狀6</b></p><p>　　2.2.1 手工、機(jī)械光整加工8</p><p>　　2.2.2 非傳統(tǒng)光整加工9</p><p>　　2.2.3 復(fù)合非傳統(tǒng)光整加工11</p><p>

3、;　　3典型光整加工技術(shù)14</p><p>　　3.1磁力研磨加工原理及特點(diǎn)14</p><p>　　3.1.1加工原理14</p><p>　　3.1.2加工特點(diǎn)[17]19</p><p>　　3.1.3典型加工設(shè)備19</p><p>　　3.2磁流變光整加工機(jī)理22</p><

4、p>　　3.2.1磁流變光整加工原理22</p><p>　　3.2.2磁流變液流變特性24</p><p>　　3.2.3磁流變液粒子作用25</p><p>　　3.2.4磁場(chǎng)磁路設(shè)計(jì)分析26</p><p>　　3.2.5磁流變加工算法與模型的研究26</p><p>　　3.2.6磁流變流體開發(fā)

5、技術(shù)28</p><p>　　3.2.7磁流變光整加工技術(shù)關(guān)鍵問題30</p><p>　　4應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)33</p><p>　　4.1 磁力研磨的發(fā)展及發(fā)展趨勢(shì)33</p><p>　　4.1.1磁力研磨的分類33</p><p>　　4.1.2磁力研磨的應(yīng)用34</p><p&g

6、t;　　4.1.3磁力研磨的發(fā)展趨勢(shì)36</p><p>　　4.2磁流變光整加工的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)37</p><p>　　4.2.1 磁流變液體工業(yè)應(yīng)用37</p><p>　　4.2.2 磁流變的發(fā)展趨勢(shì)38</p><p><b>　　5總結(jié)與展望40</b></p><p>&

7、lt;b>　　5.1 總結(jié)40</b></p><p><b>　　5.2 展望40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　致謝45</b></p><p><b>　　1緒論</b>

8、;</p><p>　　隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)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(diǎn)，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(jī)械研磨拋光、超聲波拋光

9、、化學(xué)與電化學(xué)拋光、電化學(xué)機(jī)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(dòng)強(qiáng)度大，加工效率低，而且對(duì)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(jī)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(duì)材料的硬度、韌性和強(qiáng)度等幾乎不受任何限制，目

10、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(jī)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(duì)環(huán)境和工人的健康也有</p><p>　　市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)給制造業(yè)帶來了機(jī)遇，也帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。據(jù)報(bào)道，工業(yè)化國家的真實(shí)財(cái)富中有60%～80%是制造業(yè)創(chuàng)造的，因此制造技術(shù)已成為我國目前趕超世界發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)水平并獲得成功的關(guān)鍵技術(shù)。為了改變我國制造業(yè)落后的現(xiàn)狀，專家們極力倡導(dǎo)

11、制造過程的自動(dòng)化、柔性化、智能化、敏捷化、集成化。最終目標(biāo)就是要解決好產(chǎn)品質(zhì)量、加工精度、生產(chǎn)效率和制造成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率，增強(qiáng)出口創(chuàng)匯能力。這也是制造技術(shù)面臨的重大課題。</p><p>　　光整加工是指被加工對(duì)象表面質(zhì)量得到大幅度提高的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)精度的穩(wěn)定甚至提高加工精度等級(jí)的一種技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。光整加工工藝不同，零件的表面質(zhì)量也不同，致使零件的使用性能和壽命也不同，如表1所示

12、。從表中可知，機(jī)械光整加工的微觀表面形貌為尖峰狀，此時(shí)的摩擦系數(shù)大，在摩擦?xí)r容易磨損，初磨損量大，精度保持性差。同時(shí)由于磨具的強(qiáng)力擠壓，尖點(diǎn)金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)而被擠入微觀凹坑內(nèi)，掩蓋了真實(shí)的表面形貌。使用一段時(shí)間以后，由于疲勞磨損而剝離，使表面質(zhì)量更差;而非傳統(tǒng)及復(fù)合光整加工的微觀表面形貌為波浪或圓弧凹坑，摩擦系數(shù)小，初磨損量小，輪廓支承長度率高，精度保持性好，耐磨、耐腐蝕、耐疲勞性能得到顯著提高。以大量使用的齒輪和軸承為例，六級(jí)精度齒輪

13、經(jīng)過電化學(xué)光整加工以后，能降低齒面粗糙度值，糾正齒形誤差，磨損量由48 mg減少到7 mg，接觸疲勞強(qiáng)度提高一倍以上，比機(jī)械磨齒效率提高2倍以上，壽命提高1.5倍以上，減小了齒輪的沖擊振動(dòng)和噪聲;軸承采用機(jī)械磨削后拋光，粗糙度只能到達(dá)Ra0.2～0.1μm。而采用先進(jìn)的非傳統(tǒng)光整加工工藝，可實(shí)現(xiàn)粗、精加工一道工序完成，粗糙度可達(dá)Ra0.04μm</p><p>　　表1 不同光整加工方法微觀表面形貌與使用性能關(guān)

14、系</p><p>　　隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)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(diǎn)，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(jī)械研磨拋光、超聲波拋光

15、、化學(xué)與電化學(xué)拋光、電化學(xué)機(jī)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(dòng)強(qiáng)度大，加工效率低，而且對(duì)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(jī)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(duì)材料的硬度、韌性和強(qiáng)度等幾乎不受任何限制，目

16、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(jī)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(duì)環(huán)境和工人的健康也有</p><p>　　磁力研磨是一種把磁場(chǎng)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(chǎng)力作用到磁性磨料(填充在磁極與工件之間)上形成一個(gè)與加工面形狀相當(dāng)?shù)拇帕ρ心ニⅲ瑢?duì)工件表面進(jìn)行磨削加工的方法。它不僅應(yīng)用于模具的精

17、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(diǎn)，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(jī)床、加工中心和機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光整加工的自動(dòng)化[3]。因此，磁力研磨加工技術(shù)越來越得到重視。</p><p>　

18、　但是目前許多企業(yè)對(duì)光整加工工藝的重要性還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和理解，沒能真正掌握光整加工工藝的本質(zhì)，致使采用同樣的工藝，而質(zhì)量卻趕不上國外。輕工、化工行業(yè)的大量零件如化學(xué)反應(yīng)釜、熱交換器的細(xì)長管等，大多由不銹鋼制成。國產(chǎn)的粗糙度太大，常引起物料掛壁、堵塞，導(dǎo)致間斷生產(chǎn)甚至停產(chǎn)，維修周期頻繁，經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此常采用砂輪打磨，砂帶、葉輪修整至Ra0.8～0.4μm，再用布輪拋光，工序多、工作量大、效率低、成本高。而且不銹鋼粘性大，粗糙凹坑常常

19、被堵死、填平，造成假象。而進(jìn)口板材售價(jià)昂貴，很多企業(yè)難以承受，因此亟待開發(fā)新的光整加工工藝來解決這些難題。在模具制造中，有30%～40%[2]的工作量是光整加工，傳統(tǒng)上采用了風(fēng)動(dòng)或電動(dòng)機(jī)械拋光甚至依靠經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)熟練的老工人進(jìn)行人工拋光。磨料由粗到細(xì)，多道工序?qū)崿F(xiàn)拋光，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。因此國際上相繼研究出多軸數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人，在苛刻的條件下使用固結(jié)砂輪來實(shí)現(xiàn)，但是每道工序間必須清洗干凈，給自動(dòng)化光整加工過程增加難度;對(duì)于一些特

20、殊模具如細(xì)小槽、窄槽、細(xì)小孔、異型管及帶有復(fù)雜型腔的內(nèi)表面等固結(jié)砂輪難以觸及的，其加工更是難以實(shí)現(xiàn)。如何解決這些問題已成為</p><p>　　總之光整加工技術(shù)在制造業(yè)中具有重要的地位和作用。因此必須從我國國情出發(fā)，深入研究和開發(fā)適合我國國情和具有我國特色的光整加工新工藝，否則我國的產(chǎn)品質(zhì)量將與國外差距越來越大。</p><p>　　2光整加工技術(shù)研究現(xiàn)狀</p><p

21、><b>　　2.1發(fā)展歷史</b></p><p>　　2.1.1 國外光整加工的發(fā)展歷史</p><p>　　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(yùn)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(duì)磁性磨粒的制備方法進(jìn)行了大量的研究工作，并磁性

22、磨料的組成、配比和結(jié)構(gòu)等方面取得了多項(xiàng)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(huì)議，德國已經(jīng)出版了這方面的學(xué)術(shù)論文。</p><p>　　日本是從80年代初開始對(duì)MAF進(jìn)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 Anz

23、ai，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(duì)它們的光整加工特性進(jìn)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(chǎng)，有的采用電磁體來形成強(qiáng)度可以控制的磁場(chǎng)，有的采用工件移動(dòng)外加一定幅度和頻率的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)磁粒光整加工，有的采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的辦法實(shí)現(xiàn)磁粒光整加工。Take Shinmura在研制各種形式磁粒加工設(shè)備

24、的同時(shí)，對(duì)各種場(chǎng)合的加工工藝進(jìn)行了較深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，如磁場(chǎng)強(qiáng)度、加工間隙、磨粒與工件的相對(duì)移動(dòng)速度、磁性磨料的成分和粒度等因素對(duì)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(duì)磁性磨粒的制備技術(shù)進(jìn)行了研究，并研究開發(fā)成功了幾種比較有應(yīng)用價(jià)值的磁性磨料。</p><p>　　Masahiro Anzai和Koichi Masaki對(duì)磁性磨料的制備技術(shù)進(jìn)

25、行了研究，并研究開發(fā)了幾種比較有應(yīng)用價(jià)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(diǎn)是：制備方法簡單、成本低、有較高的使用價(jià)值。</p><p>　　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(jìn)科學(xué)技術(shù)所的Jeong-Du ki

26、m，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]。</p><p>　　2.1.2 國內(nèi)光整加工的發(fā)展歷史</p><p>　　我國開展對(duì)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(yàn)研究階段，實(shí)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(duì)不同的工件(如軸承內(nèi)環(huán)的外軌道，螺紋環(huán)規(guī)、絲

27、錐、儀表、電機(jī)軸、儀表齒輪、階梯軸、鋼球等)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目，成功試制了MAC系列磨料，并對(duì)儀器儀表的零件開發(fā)了磁力研磨裝置，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)液壓伺服閥閥芯軸棱邊毛刺的磁力研磨去除法進(jìn)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5µ

28、;m，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(shí)驗(yàn)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(jī)學(xué)院等幾家高校也對(duì)磁粒研磨進(jìn)行了一系列研究，目前國內(nèi)對(duì)磁力研磨的研究還局限于工藝實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)其加工機(jī)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</p><p>　　此外，山東理工大學(xué)自行研制

29、了三坐標(biāo)數(shù)字化加工控制磁力研磨機(jī)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(cè)量功能、曲面加工軌跡的自動(dòng)編程和磁性磨料的自動(dòng)更換等功能。</p><p><b>　　2.2研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　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(jìn)行磨損補(bǔ)償、

30、無須修形等特點(diǎn)，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(chǎng)合得到了應(yīng)用【6】。目前，磁力研磨加工已能達(dá)到亞微米級(jí)加工精度。</p><p>　　光整加工技術(shù)要解決的核心問題是表面質(zhì)量，有時(shí)也有生產(chǎn)率和加工精度要求，這是保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)和前提，也是實(shí)現(xiàn)從微米、亞微米加工技術(shù)向納米級(jí)加工技術(shù)發(fā)展的重要途徑。光整加工主要有采用固結(jié)磨料或游離磨料的手工研磨和拋光、機(jī)械(傳統(tǒng))光

31、整加工、非傳統(tǒng)光整加工、復(fù)合光整加工，其分類見圖1。</p><p><b>　　圖1 光整加工分類</b></p><p>　　2.2.1 手工、機(jī)械光整加工</p><p>　　手工方法研磨、拋光，能夠?qū)崿F(xiàn)平面、回轉(zhuǎn)體、自由曲面的光整加工，適用于單件小批量生產(chǎn)。但這種方法勞動(dòng)強(qiáng)度高，同時(shí)受到工人的技術(shù)等級(jí)和技術(shù)熟練程度的影響，質(zhì)量不穩(wěn)定，效

32、率低。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和制造水平的不斷提高，機(jī)械光整加工得到了迅速的發(fā)展，各國相繼開發(fā)出多種形式的數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人來替代手工作業(yè)。尤其是CAD/CAE/CAM在模具行業(yè)的應(yīng)用，自由曲面的光整加工將成為可能。如圖2所示[3]，機(jī)器人通過工具頭上激光測(cè)量裝置和壓力傳感器組成的反饋系統(tǒng)，可在曲面上進(jìn)行研磨、拋光。圖3為數(shù)控機(jī)床光整加工系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過控制調(diào)壓器A和調(diào)壓器B調(diào)節(jié)工具頭與工件的接觸力

33、，可以模擬手工作業(yè)過程。存在問題:(1)如果沒有很好地規(guī)劃研磨、拋光的工藝過程和預(yù)先獲取工藝參數(shù)，其加工后的表面質(zhì)量不一定比手工作業(yè)好;(2)預(yù)先獲取工藝參數(shù)需要相當(dāng)長的經(jīng)驗(yàn)積累過程，加上曲面的多樣性和復(fù)雜性，需要更長的準(zhǔn)備時(shí)間，工序間的清理和清潔也需要一定的時(shí)間，因此效率不一定高;(3)數(shù)據(jù)采集過程中用空間有限點(diǎn)模擬真實(shí)曲面，運(yùn)動(dòng)過程的點(diǎn)位精度差，因此最終的加工精度也不一定高;(4)設(shè)備昂貴，只有少數(shù)技術(shù)發(fā)達(dá)國家才擁有，所以要在實(shí)際中

34、大范圍推廣應(yīng)用，還需要相對(duì)較長的時(shí)間。因此，目前的實(shí)際生產(chǎn)中手工研磨、拋光還大量地得到應(yīng)用。</p><p>　　圖2機(jī)器人光整加工系統(tǒng)</p><p>　　無論是手工作業(yè)還是機(jī)械光整加工，都需要多道工序完成。各工序間必須更換磨料，磨料從粗到細(xì)。同時(shí)還必須將前道工序留下的磨料清洗干凈，工作量大，效率低，已滿足不了生產(chǎn)的需要;而且對(duì)工具頭無法觸及的異型件、細(xì)長管件或大型工件，實(shí)現(xiàn)光整加工難度

35、更大，甚至無法加工。這也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化光整加工的難點(diǎn)，因此迫切需要開發(fā)新的光整加工工藝，來解決這些難點(diǎn)。</p><p>　　圖3 數(shù)控機(jī)床光整加工系統(tǒng)</p><p>　　2.2.2 非傳統(tǒng)光整加工</p><p>　　由于非傳統(tǒng)加工在制造技術(shù)中的特殊地位，并針對(duì)手工作業(yè)、機(jī)械光整加工存在的缺陷，各國研究者在致力于研究進(jìn)一步提高機(jī)械光整加工表面質(zhì)量、加工精度和生產(chǎn)率

36、的同時(shí)，也致力于非傳統(tǒng)光整加工的研究。如化學(xué)拋光的歷史可以追溯到19世紀(jì)，而20世紀(jì)初R Winer[4]等人申請(qǐng)了銀的電化學(xué)拋光第一個(gè)專利，法國電話公司的D A J acguet于1931年開始較系統(tǒng)的研究?；瘜W(xué)拋光和電化學(xué)拋光都是有選擇性地溶解峰點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)表面光整，不受導(dǎo)電材料硬度的限制，生產(chǎn)率高，但是光整加工后粗糙度等級(jí)只能提高1～2級(jí)，且精度難以控制。70年代開發(fā)的電化學(xué)機(jī)械光整加工，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低，吸收了機(jī)械光整加工精度的

37、可控性和電化學(xué)拋光高效率的優(yōu)點(diǎn)，成功地實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)拋光和機(jī)械光整加工的復(fù)合，改變了常規(guī)磨床高精度的要求，而且不必更換磨料，使加工效率大大提高。</p><p>　　盡管如此，對(duì)原始粗糙度較大的表面(如Ra>1.6μm)，電化學(xué)機(jī)械光整加工需要的時(shí)間較長。為獲得更高的生產(chǎn)率，大連理工大學(xué)在80年代末提出了脈沖電化學(xué)光整加工技術(shù)和脈沖電化學(xué)機(jī)械光整加工新思想[5]，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。脈沖電化學(xué)機(jī)械光整加

38、工技術(shù)綜合了脈沖電化學(xué)和電化學(xué)機(jī)械光整加工的優(yōu)點(diǎn)，并充分發(fā)揮脈沖電化學(xué)機(jī)械光整加工獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高了加工精度和生產(chǎn)效率，主要用于較為粗糙表面(如Ra>1.6μm)的光整加工。加工后的表面粗糙度可達(dá)0.08μm。</p><p>　　前面論述的機(jī)械光整加工和(脈沖)電化學(xué)機(jī)械光整加工要實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面的光整加工，工具頭必須是高度柔性連接。但是對(duì)那些U型管、異型槽、口徑小的大型容器等內(nèi)表面，電極制作困難，甚

39、至無法加工。</p><p>　　近幾年不斷得到重視的磁粒光整加工，由于自由磁粒受到磁場(chǎng)力的控制，形成具有“柔性”的磁刷，對(duì)解決上述一些難題有明顯的優(yōu)勢(shì)。磁粒光整加工技術(shù)是前蘇聯(lián)工程師提出的，上世紀(jì)60年代得到迅速發(fā)展，先后申請(qǐng)了多項(xiàng)專利并開發(fā)設(shè)計(jì)多種型號(hào)的平面磁粒光整加工機(jī)床，已在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用;保加利亞于上世紀(jì)60年代起一直在研究開發(fā)磁粒光整加工技術(shù)，已經(jīng)取得了可喜的成果，相關(guān)國際會(huì)議已定期在保加利亞舉行

40、;德國在這一方面也進(jìn)行了研究并出版了一些論文集;日本自上世紀(jì)80年代中期開始進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)出適用于不同形狀、不同材質(zhì)的磁粒光整加工設(shè)備。從原理上說磁粒光整加工適用于平面、回轉(zhuǎn)體、球面、管內(nèi)壁、細(xì)小管、大型容器、異型管、自由曲面的光整加工。</p><p>　　圖4 磁粒光整加工示意圖</p><p>　　圖4為磁粒光整加工系統(tǒng)示意圖[6]。圖中永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)在工具和試件間形成磁

41、路，磁粒在磁場(chǎng)力的作用下形成磁刷，不但具有剛性，同時(shí)還具有自身的“柔性”和“自銳性”，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中磁粒壓向試件實(shí)現(xiàn)彈性微刃切削;工具頭與被加工面之間有間隙，導(dǎo)輪沿著自由曲面輪廓運(yùn)動(dòng)時(shí)具有自我調(diào)節(jié)功能，不需要任何復(fù)雜的裝置來提供切削力，也不需要精密的數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)字化采集系統(tǒng)，因此更適合于自由曲面如模具的自動(dòng)化光整加工。</p><p>　　磁粒光整加工與機(jī)械光整加工、電化學(xué)機(jī)械光整加工相比，雖然更容易實(shí)現(xiàn)自由曲

42、面的自動(dòng)化加工，但是其最致命的缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，而且還受到磁粒制造水平的制約。</p><p>　　2.2.3 復(fù)合非傳統(tǒng)光整加工</p><p>　　從前面的分析可知，(脈沖)電化學(xué)機(jī)械光整加工、磁粒光整加工都有各自的最佳應(yīng)用范圍，或多或少存在著不足或局限性。如何充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長避短，既可以大幅度降低表面粗糙度值、實(shí)現(xiàn)精度的可控性，又能提高加工效率，實(shí)現(xiàn)自由曲面自動(dòng)化光整加工，為

43、此各國研究者都在探求兩者復(fù)合的光整加工新技術(shù)[7]。大連理工大學(xué)于1988年提出了電化學(xué)磁粒復(fù)合光整加工新思想，并采用分離法即磁極/電極分離，既解決了電化學(xué)過程短路問題，又能夠利用導(dǎo)電鐵基磁粒，提高了光整加工效率，取得了可喜成果。1989年進(jìn)村武男采用整體式磁極/電極，對(duì)燒結(jié)法制成的鐵氧體磁粒進(jìn)行研究，解決了電化學(xué)過程易短路問題。但是鐵氧體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低，切削能力無法通過提高磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法來實(shí)現(xiàn)。為了改變這種狀況，1993年安齊正

44、博[8]提出了改進(jìn)磁粒制造工藝，即采用鐵氧體+Al2O3充分混合后高溫高壓下燒結(jié)，希望通過Al2O3磨料來提高其切削能力和使用壽命，從而提高加工效率。但鐵氧體及其復(fù)合磁粒，其使用性能和壽命都不如鐵基磁粒?？傊瑢?shí)現(xiàn)磁極/電極一體化，既可使用高性能的鐵基磁粒提高生產(chǎn)率，又能避免電化學(xué)過程中的短路問題，因此必須解決好磁極導(dǎo)</p><p>　　前面討論的電化學(xué)拋光、電化學(xué)機(jī)械光整加工和電化學(xué)磁粒光整加工，都存在著陽極

45、的選擇性溶解過程。就電化學(xué)系統(tǒng)本身而言，提供離子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力是電場(chǎng)力。長期的研究表明，電力線的分布直接影響了電流密度的分布，也就是說離子的運(yùn)動(dòng)方式不同將直接影響電流密度的分布，最終也影響加工質(zhì)量和效率。因此在電化學(xué)過程中引入其他動(dòng)力以改變離子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高光整加工質(zhì)量和效率，已成為國際上的研究熱點(diǎn)。St.Enache等[9]研究表明，磁場(chǎng)能夠提高電化學(xué)加工精度和效率并建立了數(shù)學(xué)模型。而其電解液是必須滿足對(duì)磁場(chǎng)高敏感性的磁性勻質(zhì)的兩相液體，

46、以便形成磁流體;G.Kuppuswamy[10，11]在研究磁場(chǎng)電化學(xué)磨削中指出，在磁場(chǎng)的影響下電離離子受洛侖茲力的作用使金屬去除量提高，表面粗糙度值降低;K.Ku2magai[12]還研究磁場(chǎng)對(duì)研磨力和鐵磁性材料的去除量的影響。</p><p>　　磁粒是磁粒光整加工和電化學(xué)磁粒光整加工技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)自由曲面自動(dòng)化、柔性化、機(jī)械化和高效率光整加工的核心問題，也是兩者技術(shù)發(fā)展的前提。因此如何制造出

47、切削性能好、磁導(dǎo)率高、壽命長、成本低的磁粒顯得特別重要。</p><p>　　但是在電化學(xué)拋光中直接引入磁場(chǎng)的磁場(chǎng)電化學(xué)光整加工技術(shù)，國內(nèi)外研究甚少[13，14]。對(duì)在磁場(chǎng)環(huán)境下的電化學(xué)磁粒光整加工的研究，國際上幾乎空白[15]。</p><p>　　在國內(nèi)，光整加工技術(shù)的發(fā)展還年輕，對(duì)光整加工工藝及其機(jī)理的研究不夠深入，而且沒有引起足夠的重視。雖然化學(xué)及電化學(xué)拋光的研究自上世紀(jì)60年代開

48、始，但是與國外的差距很大。脈沖電化學(xué)和電化學(xué)機(jī)械光整加工技術(shù)于上世紀(jì)80年代初，在我國得到迅速發(fā)展。主要研究單位有大連理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、蘇州電加工研究所等高校、研究所和企業(yè)。大連理工大學(xué)在電化學(xué)機(jī)械光整加工和脈沖電化學(xué)機(jī)械光整加工方面進(jìn)行了大量而深入的研究，在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用已取得了一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前國內(nèi)對(duì)磁粒光整加工的研究單位主要有大連理工大學(xué)、哈爾濱科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、沈陽

49、工業(yè)高等?？茖W(xué)校、太原工業(yè)大學(xué)、鄭州紡織工學(xué)院;在電化學(xué)磁粒光整加工方面，主要有大連理工大學(xué)和哈爾濱科技大學(xué)，上海交通大學(xué)目前也在進(jìn)行這方面的研究。</p><p>　　華僑大學(xué)近期與大連理工大學(xué)合作，對(duì)磁場(chǎng)電化學(xué)光整加工、磁粒光整加工、電化學(xué)磁粒光整加工、磁場(chǎng)電化學(xué)磁粒復(fù)合光整加工進(jìn)行了研究，取得了較好的成果。</p><p>　　現(xiàn)代制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向是精密和超精密加工技術(shù)、微

50、細(xì)和超微細(xì)加工技術(shù)，而磁流體研磨、電解磨削、磁粒光整加工、(脈沖)電化學(xué)機(jī)械光整加工、電化學(xué)磁粒光整加工等技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些加工的重要途徑之一。新型材料及復(fù)合材料的蓬勃發(fā)展也給光整加工技術(shù)提出了新的課題和挑戰(zhàn)，研究和開發(fā)新的復(fù)合光整加工技術(shù)是解決新型材料和復(fù)合材料超精密加工的重要手段。當(dāng)前對(duì)于細(xì)小孔、窄槽、細(xì)小管、彎管、特大型容器、具有復(fù)雜型腔內(nèi)壁等傳統(tǒng)工藝難以加工的工件，也迫切需要研究開發(fā)新的光整加工工藝以便更好地解決這個(gè)難題。同時(shí)它也是

51、解決當(dāng)前產(chǎn)品存在的表面質(zhì)量和生產(chǎn)率等問題，實(shí)現(xiàn)光整加工過程自動(dòng)化、柔性化、集成化和智能化的必然要求。</p><p>　　從表1可知，非傳統(tǒng)光整加工的微觀表面形貌不同于機(jī)械光整加工，但機(jī)械光整加工精度容易控制。充分發(fā)揮兩種工藝方法的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長避短，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光整加工與非傳統(tǒng)光整加工的復(fù)合，是一條可行之道。從手工研磨和拋光、機(jī)械光整加工、非傳統(tǒng)光整加工到復(fù)合光整加工的發(fā)展過程也可知，光整加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是朝著大

52、幅度改善表面質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，在實(shí)現(xiàn)精度穩(wěn)定甚至提高精度等級(jí)的同時(shí)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化、柔性化、智能化和高效率。因此復(fù)合光整加工技術(shù)應(yīng)該是今后的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)。</p><p><b>　　3典型光整加工技術(shù)</b></p><p>　　3.1磁力研磨加工原理及特點(diǎn)</p><p><b>　　3.1.1加工原理</b&

53、gt;</p><p>　　磁力研磨加工是在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，填充在磁場(chǎng)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(duì)工件表面產(chǎn)生一定的壓力，磁極在帶動(dòng)“磨料刷”旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，保持一定的間隙沿工件表面移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的光整加工。</p><p>　　在加工中磁性磨粒（A）的受力狀態(tài)如圖5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

54、方向飛散的趨勢(shì)，但由于磁場(chǎng)效應(yīng)，磨粒同時(shí)還受到沿磁力線方向的一個(gè)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(dòng)，從而保證研磨工作的正常進(jìn)行[16]。</p><p><b>　　圖5磁力研磨示意圖</b></p><p>　　1磁性磨粒;2.3磁極;4工件</p><p><b>　　磁力研磨的加工機(jī)

55、理</b></p><p>　　在磁力研磨的過程中，磨?；旧弦匀N狀態(tài)存在，即：滑動(dòng)、滾動(dòng)和切削【19】。當(dāng)磨粒所受磁場(chǎng)力大于切削力時(shí)，磁性磨料處于正常切削狀態(tài)；當(dāng)磨粒所受磁場(chǎng)力小于切削力時(shí)，磁性磨粒就會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)或滾動(dòng)。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(jī)理主要包括以下四個(gè)方面。</p><p>

56、;　　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(shí)，工件與磁極作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磨粒刃尖在研磨壓力作用下對(duì)工件表面產(chǎn)生微切削作用，同時(shí)磨粒中的鐵基體還對(duì)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(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　一般磨粒切削刃形狀可簡化為以下幾類：</p><p>　　(1)圓錐或棱錐形；</p&

57、gt;<p>　　(2)球形(圓角半徑為10～20µm)；</p><p>　　(3)尖端帶圓角的圓錐形；</p><p><b>　　(4)平頂圓錐形。</b></p><p>　　磨粒切削時(shí)，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(duì)工件表面進(jìn)行微刃切削作用。<

58、;/p><p>　　暫且不考慮磁場(chǎng)保持力的作用，單個(gè)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(cè)試硬度一樣，在工件表面形成壓痕，對(duì)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(jìn)，當(dāng)磨粒的形狀和方向適當(dāng)時(shí)，磨粒就如刀具的切削刃一樣，在零件表面進(jìn)行切削而產(chǎn)生切屑。該切削作用的強(qiáng)弱與磁性磨粒的形狀、位置、工作角度、磁場(chǎng)特性等工藝參數(shù)有關(guān)，通過合理選取工藝參數(shù)即可

59、控制磨粒的切削作用，達(dá)到微量切除金屬的目的。</p><p>　　同時(shí)由于磨粒在磁場(chǎng)中構(gòu)成了彈性磁粒刷以及磁場(chǎng)分布的不均勻性，磨粒隨機(jī)的變換方位參與磨削。就每個(gè)磨粒而言，其切削過程是隨機(jī)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(jī)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(duì)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)

60、前角，因此在磁場(chǎng)力F1作用下吃刀量都很小，一般在1µm數(shù)量級(jí)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?。涣硪环矫?，對(duì)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。</p><p>　　圖6 磨粒的微量切削擠壓模型</

61、p><p>　　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(gè)階段：</p><p><b>　　(1)滑擦階段</b></p><p><b>　　圖7磨屑的形成過程</b></p><p>　　如圖7(a)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

62、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(shí)，工件材料發(fā)生塑性變形。這一階段摩擦力可以表示為：</p><p><b>　　F=KWf</b></p><p>　　式中：K——磨粒的形狀、粒度的修整系數(shù)；</p><p><b>　　f——摩擦系數(shù)</b></p><p>　

63、　W——磨粒所受法向載荷。</p><p><b>　　(2)耕犁階段</b></p><p>　　這時(shí)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(dòng)及表面隆起。根據(jù)球形切削刃表面金屬材料的分析(如圖7（b）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(dòng)，稱為死區(qū)。死區(qū)以外的材料按最小阻力方向流動(dòng)，即

64、死區(qū)上的材料向上流動(dòng)，死區(qū)以下的材料向已加工表面流動(dòng)，死區(qū)左右的材料向兩側(cè)流動(dòng)。耕犁階段的特點(diǎn)是產(chǎn)生材料的塑性流動(dòng)與隆起，最后在表面上形成溝紋或刻痕，但并不形成切屑。</p><p><b>　　(3)切削階段</b></p><p>　　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(shí)材料的流動(dòng)變成

65、切削，研磨進(jìn)入切削階段(如圖7（c）所示)。</p><p>　　以上三個(gè)階段是研磨加工的典型階段，在研磨加工中，還會(huì)發(fā)生磨粒與工件表面的粘結(jié)磨損，由于振動(dòng)和進(jìn)給，磨粒會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)工件表面產(chǎn)生滾壓作用。此外，研磨力一般不會(huì)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[20]。</p><p>　　由磁性磨粒群形成的彈性磨具受磁場(chǎng)

66、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(duì)工件表面產(chǎn)生切削作用外，有時(shí)還會(huì)對(duì)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(shí)，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(shí)，或磨粒的棱角而不是棱邊對(duì)著運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，或磨粒和零件表面間的夾角太小時(shí)，以及零件表面材料的塑性很高時(shí)，磨粒在表面滑移時(shí)，經(jīng)常發(fā)生圖8所示的后兩種

67、磨削現(xiàn)象。</p><p>　　磨粒的多次塑變磨損機(jī)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(shí)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(duì)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

68、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。</p><p>　　圖8磨粒的其它幾種磨削現(xiàn)象</p><p>　　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(jī)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

69、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。</p><p>　　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(qiáng)以及容易去除等特性，這

70、增加了工件表面凸峰的去除速度，從而可以達(dá)到提高加工效率的目的。</p><p>　　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(yùn)動(dòng)而偏離磁力線，形成磁場(chǎng)梯度，在這一磁場(chǎng)梯度的作用下，磨粒鏈兩端產(chǎn)生一個(gè)微小的電動(dòng)勢(shì)，在工件表面產(chǎn)生微小電流，工件在磁極的兩極問受一個(gè)交變勵(lì)磁作用，強(qiáng)化了表面金屬的化學(xué)過程，進(jìn)一步提高研磨效果。</p><p>　　3.1.2加工特點(diǎn)[17]<

71、/p><p>　　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(diǎn)，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(diǎn)：</p><p>　　(1)具有很好的柔性和自適應(yīng)性。在磁場(chǎng)中，磁化的磨粒靠磁場(chǎng)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(gè)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；</p>

72、<p>　　(2)具有很好的自銳性。加工中相對(duì)運(yùn)動(dòng)的存在，使磨粒沿加工面滑動(dòng)的同時(shí)出現(xiàn)了滾動(dòng)，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；</p><p>　　(3)研磨的壓力可控性強(qiáng)。磁力研磨的加工壓力可以通過改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小來調(diào)節(jié)，所以控制起來比較容易；</p><p>　　(4)適用范圍廣。磁力研

73、磨加工不僅可以用來對(duì)工件進(jìn)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)：</p><p>　　(5)加工效率高。當(dāng)用于加工淬火鋼工件表面時(shí)，如軸承環(huán)、軸瓦和圓棒等。在30~60s的時(shí)間里，表面粗糙度Ra值可以從0.5～0.6µm減小到0.2～0.1µ

74、m；</p><p>　　(6)可以強(qiáng)化工件的表面。在對(duì)工件進(jìn)行光整加工的同時(shí)，工件表面反復(fù)受到交變或運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的勵(lì)磁作用，磁性磨料所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)使得工件表面反復(fù)充電和放電，強(qiáng)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(jī)械物理性能；</p><p>　　(7)加工裝置簡單、成本低。不需要砂輪、油石、傳動(dòng)帶等預(yù)備加工設(shè)備(若使用永磁體進(jìn)行加工，加工裝置更加簡單)

75、。</p><p>　　同時(shí)該方法比較清潔，振動(dòng)、噪聲較小。尤其是如果采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，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(jìn)行復(fù)雜曲面(如空間自由面)的光整加工創(chuàng)造了條件。</p><p>　　3.1.3典型加工設(shè)備</p><p>　　1）外圓磁力研磨裝置</p><p>　　如圖9

76、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(jìn)給運(yùn)動(dòng)。向線圈通入直流電，即可產(chǎn)生有一定磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度對(duì)研磨效果有較大影響，增加磁感應(yīng)強(qiáng)度或采用燒結(jié)磨料可以提高研磨效率[18]。</p><p>　　2）內(nèi)圓表面磁力研磨裝置</p>

77、<p>　　如圖10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(shí)，磁性磨料在磁場(chǎng)的作用下對(duì)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(dòng)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，永磁鐵沿工件軸線方向振動(dòng)，拖板帶動(dòng)工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。黃銅圓管內(nèi)表面加工后，表面粗糙度值可從Ra7µm降至Ra1.3µm。</p

78、><p>　　圖9外圓磁力研磨裝置示意圖 圖10內(nèi)圓表面磁力研磨裝置示意圖</p><p>　　1線圈;2磁極;3磁軛;4底座; 1永磁鐵；2磁性磨料；3.5振動(dòng)方向；</p><p>　　5工件;6磁性磨料;7主軸 4.6磁極；7非磁性管</p><p>　　3）平面磁力研

79、磨裝置</p><p>　　如圖11所示，回轉(zhuǎn)磁極與工件下的強(qiáng)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(shí)工件做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而使磨料對(duì)工件進(jìn)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。</p><p>　　4）狹小開口容器內(nèi)表面的磁力研磨</p><p>　

80、　如圖11所示，由于容器的開口狹小，一般的研具無法進(jìn)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(chǎng)，混合磁性磨料在磁場(chǎng)的作用下對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)表面的精密研磨。</p><p>　　圖11平面磁力研磨裝置示意圖</p>

81、<p>　　1回轉(zhuǎn)磁極；2磁性磨料；3工件強(qiáng)磁性鐵</p><p>　　圖12狹小開口容器內(nèi)表面磁力研磨裝置示意圖</p><p>　　1強(qiáng)磁性體；2永磁鐵；3非磁性容器4容器支撐；5磁性磨料</p><p>　　3.2磁流變光整加工機(jī)理</p><p>　　3.2.1磁流變光整加工原理</p><p>　

82、　典型的ＭＲＦ加工原理如圖13所示。工件位于運(yùn)動(dòng)輪上方，并與運(yùn)動(dòng)輪有一個(gè)很小的固定安裝距離。位于運(yùn)動(dòng)輪下方（或兩側(cè)）的電磁鐵在運(yùn)動(dòng)輪與工件之間的狹小間隙產(chǎn)生一個(gè)梯度磁場(chǎng)。磁流變液經(jīng)過循環(huán)裝置后，噴射到運(yùn)動(dòng)輪上，被傳送到該匯集間隙附近時(shí)，高梯度磁場(chǎng)使之凝聚、變硬，這樣具有一定運(yùn)動(dòng)速度的黏塑性流體在與工件表面接觸的區(qū)域產(chǎn)生剪切力。調(diào)整工件的旋轉(zhuǎn)速度與角度，可使工件的表面材料被光滑地去除。當(dāng)加工大型光學(xué)零件時(shí)，也可以將運(yùn)動(dòng)輪安裝在工件的上方進(jìn)

83、行加工。</p><p>　　清華大學(xué)設(shè)計(jì)了如圖9所示的公自轉(zhuǎn)電磁拋光裝置［25］。圖9中，扇形磁鐵分布于隔磁板的兩側(cè)，一側(cè)磁鐵的Ｎ極位于外圓周，另一側(cè)磁鐵的Ｓ極位于外圓周。自轉(zhuǎn)軸、磁鐵和磁軛形成一個(gè)閉合磁路，進(jìn)入梯度磁場(chǎng)的磁流變拋光液會(huì)發(fā)生流變形成柔性磨頭，對(duì)工件以公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行拋光。該拋光方法有利于降低工件的表面粗糙度，可在允許范圍內(nèi)加工任意形狀的工件。</p><p>　　圖1

84、3傳統(tǒng)ＭＲＦ 圖14ＭＲＦ公自轉(zhuǎn)拋光</p><p>　　加工原理加工示意圖［25］</p><p>　　路家斌等［26］研究了電磁流變效應(yīng)微磨頭拋光技術(shù)。其拋光原理如圖14所示［27］。錐狀工具電極尖端和工件之間加入具有微細(xì)磨料的電磁流變液，在工具電極與工件之間施加中低壓電場(chǎng)，電力線一端將聚集于工具尖端而另一端終止于工件，由于工具尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，電磁流變液中的微細(xì)磨粒在工具尖

85、端聚集形成一個(gè)由磨粒球團(tuán)構(gòu)成的微小拋光刷，當(dāng)工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，磨粒隨之運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生微磨削作用。</p><p>　　陽志強(qiáng)等［28］設(shè)計(jì)了一種環(huán)帶旋轉(zhuǎn)式磁流變拋光頭。如圖４所示，環(huán)帶線圈中間包含—個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，作為電磁鐵的另一磁極，線圈與邊緣磁極保持固定不動(dòng)，而中心磁極能夠旋轉(zhuǎn)。環(huán)帶磁極由一個(gè)外磁極和環(huán)形凸尖狀的磁極組成。環(huán)形磁極和外磁極同步旋轉(zhuǎn)，從而形成環(huán)帶狀的工作區(qū)域。線圈通電能夠形成環(huán)帶的賓漢姆（Bingham）磁流

86、變體從而對(duì)工件進(jìn)行拋光。</p><p>　　圖15電磁流變 圖16環(huán)帶旋轉(zhuǎn)</p><p>　　微磨頭拋光 磁流變拋光</p><p>　　尹韶輝等［29］開發(fā)出了微小磁性工具頭磁流變斜軸拋光工藝。如圖15所示，拋光頭與工件軸向成一定的角度，拋光工具頭外殼旋轉(zhuǎn)，固

87、定軸裝有勵(lì)磁裝置。工具頭外殼較小，其前端區(qū)域一部分有磁場(chǎng)，另一部分無磁場(chǎng)或弱磁場(chǎng)，便于磁流變液更新。拋光工具頭外殼旋轉(zhuǎn)，磁流體在拋光工具頭與工件間隙處產(chǎn)生高剪切力，從而使材料微量去除。采用斜軸拋光，解決了對(duì)微小非球面光學(xué)零部件及其模具進(jìn)行確定性超精密拋光加工時(shí)產(chǎn)生的干涉問題。</p><p>　　左巍等［30］提出了一種內(nèi)凹面磁流變槽路拋光方法，該方法在凸模上開設(shè)供磁流變液循環(huán)通過的槽路。隨著磁流變加工技術(shù)的應(yīng)用

88、，磁射流拋光技術(shù)也被提出，其原理如圖16所示［31］?；旌霞?xì)微拋光劑顆粒的磁流變液通過壓力系統(tǒng)吸入泵轉(zhuǎn)換成高壓液體，輸送給安裝在電磁鐵內(nèi)部的采用鐵磁材料制作的噴嘴形成高速射流，被局部軸向磁場(chǎng)穩(wěn)定硬化的磁流變液射流束噴射到一定距離處對(duì)工件表面進(jìn)行拋光，使用過的拋光液經(jīng)過回收裝置過濾后重新回到容器中循環(huán)使用。</p><p>　　圖17斜軸磁性圖18磁射流拋光</p><p><b>

89、;　　復(fù)合流體拋光</b></p><p>　　3.2.2磁流變液流變特性</p><p>　　在加工機(jī)理方面，國外研究人員認(rèn)為磁流變光整加工時(shí)，在匯集間隙處產(chǎn)生的“內(nèi)核”會(huì)有效地減小匯集間隙的距離，從而增大剪切力，提高材料的去除率。同時(shí)他們也認(rèn)為Preston系數(shù)與磁流變液的化學(xué)性質(zhì)、磨粒類型、工件類型等有關(guān)，并將摩擦因數(shù)從Preston系數(shù)中分離出來單獨(dú)考慮［32-33］。

90、Jha等［34］在賓漢姆塑性流體、赫歇爾－巴爾克利流體和卡森流體三種模型的基礎(chǔ)上，通過擬合毛細(xì)管磁流變計(jì)的流變數(shù)據(jù)描述磁流變流體的流變行為：因?yàn)榱黧w曲線的非線性，賓漢姆塑性流體不能很好地表征ＭＲＦ流體，赫歇爾－巴爾克利和卡森流體模型更適合。Sidpara等［35］研究了ＭＲ流體流變性能，并利用賓漢姆塑性流體、赫歇爾－巴爾克利流體和卡森流體三種模型來表征磁流體流變行為：赫歇爾－巴爾克利模型更適合用于ＭＲ流體建模與分析。阮予明等［36］基于

91、一套剪切工作模式的圓盤－平板結(jié)構(gòu)磁流變裝置，對(duì)磁流變液進(jìn)行了流變性試驗(yàn)，建立了描述磁流變液流變性的本構(gòu)方程。</p><p>　　Kuzhir等［37］研究了磁流變體經(jīng)過軸對(duì)稱孔時(shí)縱向和橫向的磁場(chǎng)效應(yīng)。縱向上的磁場(chǎng)效應(yīng)主要表現(xiàn)為壓力流量曲線的斜率顯著增大，但沒有出現(xiàn)明顯的屈服應(yīng)力，橫向磁場(chǎng)不影響壓力下降。Kciuk等［38］分析了含有羰基鐵（CI）粒子的ＭＲ在外部磁場(chǎng)控制下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性：在外部磁場(chǎng)作用下，磁

92、流體的動(dòng)力黏度可以迅速且可逆地變化。張紅輝等［39］研究了不同激勵(lì)電流和剪切速率條件下的磁流變體的軸對(duì)稱環(huán)狀間隙流動(dòng)：當(dāng)激勵(lì)電流增大時(shí)，磁流變體剛性流動(dòng)區(qū)迅速擴(kuò)大；剪切速度對(duì)剛性流動(dòng)區(qū)的大小也有較大影響，而對(duì)磁流變體黏度的影響較弱。</p><p>　　溫度改變也會(huì)明顯影響磁流變液的物理結(jié)構(gòu)，從而影響其應(yīng)力及黏度。德國的Andreas等［40］利用紅外線相機(jī)對(duì)磁流變加工單元的熱源進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：攪拌電機(jī)導(dǎo)致了流體調(diào)

93、節(jié)器中磁流變液的升溫，從而影響加工質(zhì)量。</p><p>　　3.2.3磁流變液粒子作用</p><p>　　美國學(xué)者Simon等認(rèn)為磁流變液是一種分散粒子系統(tǒng)，他們對(duì)在磁場(chǎng)中形成的簇狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模與仿真（圖18）。Jang等通過擴(kuò)展一維模型及考慮多粒子相互作用，建立了一個(gè)新的三維模型：假定每個(gè)粒子周圍有26個(gè)鄰近的粒子，則總內(nèi)能可以通過計(jì)算顆粒之間的磁偶極子相互作用來估計(jì)。該模型考慮了

94、粒子對(duì)粒子和鏈對(duì)鏈能量變化，如圖19所示。Bansevicius等研究了有無磁場(chǎng)作用時(shí)，通過顯微鏡觀察機(jī)械振動(dòng)對(duì)MR的干擾情況。磁性粒子在磁場(chǎng)作用下形成鏈狀伸長結(jié)構(gòu)。去掉磁場(chǎng)后，即使低振幅振動(dòng)，這些結(jié)構(gòu)依然保持，需要在消磁作用下振動(dòng)以達(dá)到初始狀態(tài)。</p><p>　　圖18 磁場(chǎng)中形成的簇狀結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖19 有無剪切變形下的理想的鏈鎖狀結(jié)構(gòu)</p><

95、p>　　國內(nèi)的李海濤等基于磁偶極子理論，分析了兩個(gè)磁化顆粒處于不同位置時(shí)的受力特點(diǎn)及其相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，證明了鐵磁顆粒間的引力分量和斥力分量是導(dǎo)致顆粒聚集并呈多條并列鏈的主要原因。余淼等基于磁性物理學(xué)理論，建立了磁流變流體中固體顆粒間的一種微觀力學(xué)模型，分析了磁流變流體剪切模量。彭小強(qiáng)等利用標(biāo)量磁位對(duì)磁流變加工中的磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，根據(jù)磁偶極子在磁場(chǎng)空間的受力模型，對(duì)磁性微粉顆粒的受力進(jìn)行了推導(dǎo)，分析了磁流變液形成單一穩(wěn)定緞帶凸起的條件

96、。司鵠等探討了磁流變流體中固體顆粒間的相互作用機(jī)理，通過研究顆粒間的相互作用力建立了相應(yīng)的微觀力學(xué)模型。</p><p>　　3.2.4磁場(chǎng)磁路設(shè)計(jì)分析</p><p>　　張學(xué)成等對(duì)磁射流拋光中的磁場(chǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了鐵磁噴嘴頭部形狀對(duì)磁場(chǎng)的影響，并通過ANSYS仿真了結(jié)構(gòu)形狀對(duì)磁場(chǎng)空間特性的影響。李蓓智等根據(jù)磁流變拋光要求設(shè)計(jì)了電磁鐵磁路結(jié)構(gòu)，建立了磁路結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)強(qiáng)度分析模型，獲得了相

97、應(yīng)磁路結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況。郭隱彪等設(shè)計(jì)了磁流變拋光系統(tǒng)，對(duì)磁流變拋光輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。周虎等討論了磁流變拋光裝置中的磁路設(shè)計(jì)，使拋光區(qū)產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度。</p><p>　　3.2.5磁流變加工算法與模型的研究</p><p>　　磁流變光整加工采用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)，能對(duì)任意形式的自由曲面進(jìn)行加工。它依靠對(duì)自由曲面型面的反復(fù)檢驗(yàn)并根據(jù)誤差值進(jìn)行修正，形成一個(gè)反復(fù)加工與修正

98、的過程。磁流變光整加工過程中，通過復(fù)雜的算法對(duì)ＭＲＦ刀具的去除函數(shù)和工件初始表面的誤差函數(shù)進(jìn)行卷積或去卷積運(yùn)算，同時(shí)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)如何修正這些誤差進(jìn)行內(nèi)部處理，并提供一系列的ＣＮＣ控制指令，從而實(shí)現(xiàn)材料的確定性去除，且同步獲得高質(zhì)量的形狀精度與表面粗糙度。</p><p><b>　?。?）誤差修正方法</b></p><p>　　為提高自由曲面型面加工精度，可以采用分

99、級(jí)的方法對(duì)曲面進(jìn)行誤差修正。而誤差修正的輸入控制量算法對(duì)反復(fù)加工過程的迭代效率及加工出的成品精度影響甚大，國外學(xué)者改從卷積的特性出發(fā)，在頻率域求解輸入控制量。吳鴻鐘等認(rèn)為自由曲面透鏡型面誤差修正本質(zhì)上屬于“解卷積”問題，并通過比較傅里葉變換算法、維納濾波算法和直接算法，得出采用維納濾波算法可獲良好效果的結(jié)論。程灝波等則基于有限傅里葉系數(shù)算法構(gòu)建光學(xué)制造中輸入?yún)⒘康那蠼饽Ｐ?，使輸入?shù)據(jù)更適于實(shí)際加工需要，有效提高了參量求解精度并保證了加工

100、過程的連續(xù)穩(wěn)定。他們也提出磁流變加工非球面表面波像差的相移評(píng)價(jià)算法，通過規(guī)劃表面殘余誤差與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，確定有效消除表面殘余誤差的磁流變加工工藝規(guī)范，并通過試驗(yàn)使非球面曲面的面形精度達(dá)到Rq=20nm。王飛等為避免在數(shù)控拋光中因采用規(guī)則運(yùn)動(dòng)路徑產(chǎn)生的規(guī)律性高頻誤差，提出基于Kohonen自組織網(wǎng)絡(luò)算法，將小磨頭加工等同于一個(gè)與加工區(qū)域尺度相當(dāng)?shù)奶摂M磨頭在低頻段對(duì)材料進(jìn)行去除加工，有效地防止了高頻誤差的產(chǎn)生。閻秋生等實(shí)驗(yàn)研究了磁感應(yīng)

101、強(qiáng)度、研拋壓力、加工速度及加工時(shí)間等幾個(gè)加工參數(shù)對(duì)集群磁流變效應(yīng)微磨頭平面研拋加工</p><p><b>　?。?）駐留時(shí)間算法</b></p><p>　　孫希威等提出了磁流變加工駐留時(shí)間的算法，定義為T（x）＝槡v1（x）2+v22t，其中，v1（x）、v2為工件自轉(zhuǎn)速度與運(yùn)動(dòng)輪速度，并將該算法用于球形工件的仿真加工。之后他們又研究了磁流變加工光學(xué)曲面粗、精兩級(jí)

102、插補(bǔ)算法。粗插補(bǔ)算法控制工件的面形，精插補(bǔ)算法采用同步并行轉(zhuǎn)換（PVT）模式，插補(bǔ)誤差小于0.45nm。利用該算法加工Ｋ９光學(xué)玻璃，獲得57.911nmPV的面形精度。孫希威等還對(duì)K9光學(xué)玻璃球面進(jìn)行了磁流變拋光試驗(yàn)，通過調(diào)整各拋光點(diǎn)的駐留時(shí)間，獲得了表面粗糙度Ra=0.636nm的球形表面，面形精度PV值由拋光前的158.219nm減小到52.14nm。彭小強(qiáng)等將駐留時(shí)間轉(zhuǎn)化為工件自轉(zhuǎn)的整數(shù)圈數(shù)，并且將拋光模對(duì)工件的材料去除效率體現(xiàn)到

103、材料去除矩陣中進(jìn)行計(jì)算，利用非負(fù)最小二乘法求解駐留時(shí)間向量。通過３次迭代加工試驗(yàn)，工件面形精度從８μｍ提高到0.5um以內(nèi)。石峰等提出了一種光學(xué)零件磁流變加工的駐留時(shí)間計(jì)算方法。該算法以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，將磁流變拋光模對(duì)各控制節(jié)點(diǎn)的材料去除能力體現(xiàn)到去除矩陣中，求解駐留時(shí)間向量。經(jīng)過２次迭代加工后，有效口徑為145nm的球面鏡PV值達(dá)到40.5nm（</p><p>　?。?）去除模型與軟件</p>

104、<p>　　目前是以Preston方程為基礎(chǔ)，即根據(jù)被加工工件表面材料去除率與壓力參數(shù)ｐ成正比的關(guān)系，建立基本的磁流變加工的材料去除數(shù)學(xué)模型。工件表面所受的壓力ｐ主要是由流體動(dòng)壓力、磁場(chǎng)產(chǎn)生的壓力、液體浮力或流體重力壓強(qiáng)三部分組成，各壓力的模型均能簡單得到。陳逢軍等在二維壓力與去除模型基礎(chǔ)上建立了拋光的三維方向的去除模型。QED公司擁有最新Q22加工控制軟件，該軟件不僅運(yùn)行速度快，且增加了數(shù)據(jù)庫（保存與調(diào)用拋光參數(shù)與歷史）等功

105、能，從而改善與提高了系統(tǒng)的加工穩(wěn)定與準(zhǔn)確性，另外配置的桌面求解軟件，能進(jìn)行多任務(wù)處理。</p><p>　　3.2.6磁流變流體開發(fā)技術(shù)</p><p>　?。?）磁流變液體配置</p><p>　　磁流變液一般由磁性羰基鐵（CI）顆粒、水或其他載體形成的基液、使磁性顆粒懸浮在基液中的穩(wěn)定劑及少量的拋光粉等四部分組成。日本的Ｗｕ等則將磁性流體與磁流變液混合組成混合型