粘结磁性磨料制备及其研抛加工研究

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1、http:/ -1- 粘结磁性磨料制备及其研抛加工研究粘结磁性磨料制备及其研抛加工研究1 孟利，阎秋生，高伟强，邱腾雄，唐振宇 广东工业大学，广州（510090） E-mail： 摘摘 要：要：采用粘结法制备磁性磨料，磁性磨料粒度为 40 目时研磨效果最佳，用于模具钢的 磁性研磨原始表面 Ra1.87 微米经过 4 分钟加工可降低到 Ra 0.4 微米左右。氧化铝磁性磨料 比碳化硅磁性磨料具有更好的耐用度，持续研磨加工时间可达 16 分钟，研磨初期工件表面 粗糙度快速降低， 之后降低趋于平缓。 采用由粗到细的磁性磨料分步加工可有效降低表面粗 糙度值、缩短加工时间，原始表面 Ra2.092 微米

2、经过 40 目、60 目、80 目磁性磨料各加工 4 分钟后粗糙度可以达到 Ra0.11 微米。 关键词：关键词：磁性研磨，粘结磁性磨料，模具钢 1. 引言引言 磁性研磨作为近年发展起来的一种光整加工工艺， 在零件加工中日益得到广泛应用。 研磨加工过程中材料的去除作用是依靠磁性磨料在磁场磁力作用下完成的， 磁性研磨技术的研究可以归结为三方面：研磨设备、磁性磨料、工艺参数，其中具有良好导磁性和磨削性能的磁性磨料是实现磁性研磨加工的关键1。 用于磁性研磨加工的磁性磨料是由铁磁性材料颗粒和硬质磨料颗粒以一定工艺合成的，磁性磨料的特点突出表现在磨粒具有导磁和切除二重性， 在磁场作用下既要产生足够的磁感

3、应力又能够产生切削作用。磁性磨料沿磁力线排列形成“磁串”继而聚集成为“磁刷”，具有高浓度硬质磨料整体保持一定柔性，其研磨加工效果与磨料成分、颗粒尺寸、磁场强度、加工间隙、 被加工工件材质等诸多因素密切相关， 并以被加工面表面粗糙度和磨料的有效使用时间来衡量2,3。 磁性磨料的制造方法很多， 不同方法制造出的磁性磨料性能也不同。 通过对各种制备方法的分析以及对每种磁性磨料的使用性能、制造难易程度、成本和耐用度、加工效率的综合考虑，首先对性价比高、制造工艺相对简单的粘结磁性磨料进行了研究，分别制备了氧化铝与碳化硅复合磨料并分析了其特性。 2. 粘结法制备磁性磨料粘结法制备磁性磨料 2.1 粘结法工

4、艺粘结法工艺 粘结法是用粘结剂将一定比例混合均匀的铁磁材料和磨料粘结为一体， 通过粉碎制成磁性磨料。由于不需要预先压制成块，不需要含有惰性气体的电炉、激光机等设备，粘结法具有制备方法简单，加工成本低，研磨性能较高等优点4。其工艺过程如下： 图 1 粘结法工艺流程示意图 1本课题得到广州市科技计划项目(2005Z3-D0021)、 广东省科技计划项目 （2005B50101018) 和高等学校博士点学科专项科研基金（20060562005）的资助。 http:/ -2- 2.2 粘结制备实验粘结制备实验 在粘结工艺过程中，有一些技术要求需要注意： （1）配比的选择 磁性磨料中的主要成分是纯铁粉和

5、磨料粉，其中铁粉的含量决定了磁场保持力的大小。铁粉含量过多，将带来研磨压力的增大，造成表面粗糙度值的增大而降低了被加工工件的表面质量； 过少， 则磁场保持力大幅减小， 从而使磁性磨料飞离出加工区域。根据资料介绍常用的配比是4：1（质量比） ，这也是本研究实验中所采用的比例。 （2）制取混粉。纯铁粉与磨料的混合要求均匀，尽可能减少偏析。 （3）制取结合剂。结合剂应使磁性磨料既有良好的磨削性能，又不使基体与磨料分离。 一般选用环氧树脂和聚胺树脂，按一定质量比混合并搅拌均匀。 （4）固化工艺。固化是胶粘剂通过化学反应或物理作用而变成固体，并具有一定强度的过程。只有固化完全，强度才会最好。所以采取适当

6、的工艺方法使结合剂固化完全，才能保证良好的粘结强度。 根据以上几点技术要求，我们尝试了不同的制备工艺（见表1） ，并通过研磨加工验证磁性磨料的性能，试图寻求最优工艺。 表 1 磁性磨料制备工艺优化实验 通过优化实验可知，No.3中所采用的各实验参数制备的磁性磨料性能良好， 据此我们确定了最终的磨料制备工艺方案如表2所示，图2为粘结氧化铝磁性磨料的微观结构图。 表 2 磨料制备方案 由图2可以看出，粘结磁性磨料的微观结构分布较好，磨料被铁基材料紧密地粘裹在一起， 而且分布在铁基材料上磨料的切削棱角也比较突出。 按照以上工艺方法分别制备了氧化http:/ -3- 铝基和碳化硅基磁性磨料。 图 2

7、Al2O3磁性磨粒的 SEM 照片 3. 粘接法制备磁性磨料的研磨性能粘接法制备磁性磨料的研磨性能 对采用以上工艺方法制备的粘接磁性磨料直接进行磁性研磨加工实验进行性能分析， 对比所加工表面的粗糙度和磨料耐用度。 3.1 试验装置及实验条件试验装置及实验条件 磁性研磨装置由数控铣床改造而成。 励磁线圈的磁极采用工业纯铁制作， 安装在机床主轴上， 作为研磨工具基体吸附并带动磁性磨料作旋转运动， 研磨过程中工件装夹在工作台上由CNC系统控制运动，实验装置如图3所示。用SRM-1(F) 表面粗糙度测量仪测量研磨前后工件的表面粗糙度值，便于对研磨效果的对比分析。实验基本条件如表3所示。 图 3 普通铣

8、床改制的磁性研抛装置 1-电磁铁装置；2压缩空气管；3工件装夹台 表 3 实验条件 研磨加工参数 工件 加工面 进给速度 工具磁极端面直径 磁极转速 加工间隙 磁场强度 励磁电流 研磨液 工件瑞典 718 塑料模具钢 80x40x5mm （原始表面粗糙度 1.6m 2.3m） 平面 45mm/min 10mm 25003000r/min 1.2mm 1.0T 左右 2.5A 油酸 http:/ -4- 3.2 对表面粗糙度的影响对表面粗糙度的影响 Al2O3、SiC 磁性磨料研抛加工表面粗糙度与磨料粒度的实验结果如图 4 所示。在相同的加工时间内，由图中可见，试件原始表面粗糙度 Ra 1.87

9、 微米经过磁性研磨加工后可以达到 Ra0.4 微米左右，随着磁性磨料粒度的增大加工表面粗糙度有增大的趋势，氧化铝磨料在降低工件表面粗糙度上效果略好于碳化硅磨料。 磁性磨料粒度对加工表面粗糙度的影响， 是因为磨粒粒径越大与工件表面的干涉作用越强，工件原始表面的粗糙度凸峰能迅速被去除，可以大幅度降低粗糙度； 随着磁性磨料粒径的减小， 一方面磨粒对工件的作用力减小， 同时，在磨料粉碎过程中也存在粒径越小磨料与铁基材料分离越严重的现象， 造成了其切削能力下降。实验结果表明，磁性磨料粒径为 425 m（40#）时，加工效果比较好。 图 4 磁性磨料粒度对表面粗糙度的影响曲线 实验基本条件如表 2 所示，

10、加工时间为 4 分钟 3.3 磁性磨料的耐用度磁性磨料的耐用度 在研磨加工过程中， 随着加工过程的进行磁性磨料会发生材料去除率下降、 发热量增加的磨料钝化，需要更换磨料，但需要有一个量化指标。磁性研磨加工主要是以提高工件的表面质量为目的，表面粗糙度则是衡量表面质量的一个重要参数，用其作为参数进行评价，操作简单，直观可行，也易于评定。本研究利用一定量的磁性磨料连续研磨工件，把被加工工件的表面粗糙度值定为磁性磨料耐用度的评价参数， 按照 R10/3 的优先数系系列在研磨前工件表面粗糙度值的基础上降低达不到一级时，即认为磨料失去研磨能力5，并分别对 40#的氧化铝和碳化硅磁性磨料进行了耐用度实验。

11、加工表面粗糙度与加工时间关系的实验结果如图 5 所示。 根据上述耐用度的定义，由图 5 可以看出，氧化铝磁性磨料的使用时间比较长，一般为16 分钟左右， 而碳化硅大约在 12 分钟。 虽然氧化铝的研磨能力比碳化硅弱一些， 但更耐磨，并且研磨时磁性磨粒颗粒不易破碎， 钝化后接近于球形， 具有持续的加工能力。由上述两组实验对比可知，粘结法制备的氧化铝磁性磨料的使用性能好于碳化硅磁性磨料。因此，在研磨模具钢时使用氧化铝磁性磨料。 为了获得更好的研磨效果， 对氧化铝磁性磨料进行了进一步的实验研究。 http:/ -5- 图 5 磁性磨料的耐用度曲线图 4. 氧化铝磁性磨料加工实验氧化铝磁性磨料加工实验

12、 4.1加工时间对表面粗糙度的影响加工时间对表面粗糙度的影响 图 6 所示的是氧化铝磁性磨料加工时间对表面粗糙度的影响。由图可见，Ra1.834 微米的原始表面经过 4 分钟左右粗糙度即快速下降到 0.35 微米，随着加工时间的推移，表面粗糙度值只有略微降低，最终可以达到 Ra0.24 微米。这是由于在研磨初期，工件表面较粗糙，由于尖端效应，在工件表面凸起处受到了比较强的去除作用，因此凸起处会被较快地去除，导致表面粗糙度值迅速下降，随着加工的进行，尖角效应减弱，加工效率下降，表面粗糙度值的减小也随之下降。 图 6 加工时间对表面粗糙度的影响曲线 4.2 粗细磨料分步加工实验粗细磨料分步加工实验

13、 如3.2所述，对于相同的原始表面用不同粒度的磁性磨料加工表面粗糙度在使用40#磨粒时可以得到最低的表面粗糙度， 但是实验中发现使用粗细磨料搭配加工可以在短时间内更有效的降低加工表面粗糙度。从降低表面粗糙度、缩短加工时间的目的出发，按照磁性磨料由粗到细使用的原则，采用3个步骤对同一个加工面进行磁性研抛加工。实验中采用平均粒径425微米(40#)、平均粒径250微米(60#)和平均粒径180微米(80#)的氧化铝磁性磨料每次加工4分钟，加工表面的粗糙度变化如图7所示。由图可见，40磨料加工4min后，表面粗糙度值从Ra2.092m降低到Ra0.54m，60#磨料继续加工4min后，表面粗糙度值降

14、低到Ra0.24 m，http:/ -6- 80#磨料再继续加工4min后加工表面粗糙度降低到Ra0.11 m。可见，采用由粗到细的磁性磨料进行多步骤加工，不仅缩短了加工时间，表面粗糙度值也显著降低。 图 7 粗细磨料顺序加工对表面粗糙度的影响 5. 结论结论 本文对所采用粘接法制备的氧化铝磁性磨料和碳化硅磁性磨料进行了性能实验分析， 并进一步研究了氧化铝磁性磨料的加工性能，得出的结论归纳如下： （1）采用粘结工艺方法制备得到了具有良好磁性研抛加工性能的氧化铝磁性磨料和碳化硅磁性磨料，用于模具钢的磁性研磨由原始表面 Ra1.87 微米经过 4 分钟加工可以降低到 Ra 0.4 微米左右，具有良

15、好加工效果。 （2）氧化铝磁性磨料与碳化硅磁性磨料相比具有更好的耐用度，持续研磨加工时间可以达到 16 分钟， 磁性研磨在开始加工初期阶段能快速降低工件表面粗糙度， 但随着时间的推移，粗糙度降低趋于平缓，磁性磨料的粒度对加工过程有一定影响，粒度为 40#时有较好的加工效果。 （3）采用由粗到细的磁性磨料的分步加工可以有效降低表面粗糙度值、缩短加工时间，由原始表面Ra2.092微米经过40目、60目、80目磁性磨料各加工4分钟粗糙度可以达到Ra0.11微米。 参考文献参考文献 1 Hitomi Yamaguchi,Takeo Shinmura .Study of an internal magn

16、etic abrasive finishing using a pole rotation system Discussion of the characteristic abrasive behavior. Precision Engineering. 24(2000)237-244 2 Dhirendra K. Singh, V.K.Jain, V.Raghuram .Parametric study of magnetic abrasive finishing process. Materials Processing Technology 149(2004):22-29 3 潘晶.刘新材.徐志峰.姜俊华.庄建平.粘结 Fe + SiC 磁性磨