摘要：游離磨粒加工技術(shù)是近年來(lái)得到廣泛重視的一種傳統(tǒng)加工技術(shù)，應(yīng)用游離磨粒加工技術(shù)對(duì)材料表面進(jìn)行光整加工得到了越來(lái)越多的重視。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外游離磨粒加工技術(shù)的研究概況進(jìn)行了綜述。介紹了游離磨粒加工技術(shù)在光整加工中的應(yīng)用，分析了其中應(yīng)重點(diǎn)解決的問(wèn)題，并對(duì)游離磨粒加工技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：游離磨粒加工；材料表面；光整加工

1引言

游離磨粒加工技術(shù)是歷史最久而又不斷發(fā)展的加工方法，它是不切除或切除極薄的材料層，用以降低工件表面粗糙度值或強(qiáng)化加工表面的加工方法，多用于最終工序加工。近年來(lái)，在這些傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了許多新的游離磨粒加工方法，如磁性研磨、彈性發(fā)射加工、流體動(dòng)力拋光、液中研拋、磁流體拋光、擠壓研拋、磨粒噴射加工等。

2 游離磨粒加工技術(shù)的分類

2.1 傳統(tǒng)的研磨和拋光

研磨是一種常用的光整加工方法，研磨加工的機(jī)理是利用附著或壓嵌在研具表面上的游離磨粒，以及研具與工件之間的微小磨粒借助于研具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切除下微細(xì)的切屑，以得到精確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分為兩種情況，一種是滑動(dòng)切削，即兩體加工，鑲嵌粘附在研具上的磨粒，與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生推擠作用，使工件留下帶有擦痕的光滑表面；另一種是由研具與工件之間的磨粒旋轉(zhuǎn)作用而產(chǎn)生的滾動(dòng)切削，即三體加工，研磨開(kāi)始僅有少數(shù)大顆磨粒切削，效率并不高，且比壓大，隨后很快被壓碎變?yōu)樵S多小磨粒一起參加工作。磨粒一方面切削工件，另一方面繼續(xù)被壓碎，研磨效率基本上不變。持續(xù)一段時(shí)間后，由于磨粒愈益細(xì)化，研具與工件之間的間隙變窄，切屑堵塞于磨粒之間的縫隙，研磨效率急劇下降，工件表面變得非常光滑。

拋光也和研磨一樣，是將研磨劑擦抹在拋光器上對(duì)工件進(jìn)行拋光加工。但是，拋光使用的磨粒是1 以下的微細(xì)磨粒，而拋光器則需使用瀝青、石蠟、合成樹(shù)脂和人造革等軟質(zhì)材料制成，即使拋光硬脆材料也能加工出一點(diǎn)裂紋也沒(méi)有的鏡面。

2.2 浴法拋光

浴法拋光（Bowl-Feed Polishing）早在六十年代就已出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)美國(guó)為發(fā)展深紫外波段的光學(xué)，需要平面度和粗糙度很好的光學(xué)元件。采用這種方法在熔石英平面上獲得了0.5nmRMS的光滑表面，而當(dāng)時(shí)使用的常規(guī)方法，只能獲得1-4nmRMS的表面。在浴法拋光（圖1）中拋光液浸沒(méi)了磨盤與工件的交接面，與傳統(tǒng)的常規(guī)拋光類似，工件在旋轉(zhuǎn)的瀝青盤上水平擺動(dòng)，并繞自身旋轉(zhuǎn)，保證工件上每點(diǎn)與瀝青盤上每點(diǎn)隨機(jī)接觸，使工件被均勻去除。由于離心力及重力的作用，拋光液中的磨料顆粒被甩到邊緣并沉到桶底。拋光過(guò)程分兩個(gè)階段：拋光開(kāi)始時(shí)使用攪拌棒，讓磨料在溶液中均勻分布，這樣就不斷有磨料顆粒沉淀在瀝青盤上。磨料有自銳性，研磨破碎后露出新的鋒利邊緣，仍有磨削作用，但粒度更小了；此時(shí)，工件與瀝青盤已很好地吻合，磨料粒度已足夠小。移去攪拌棒，使拋光液中磨料沉入桶底，瀝青盤上的磨料逐漸減少，有效拋光液濃度不斷降低，由于拋光中磨料顆粒不斷被研碎擠入瀝青中，瀝青盤表面變得越來(lái)越光滑，嵌入其中的磨料微粒不斷銳化并變得越來(lái)越小，尤如一把把極小的車刀，持續(xù)微量地車削工件表面，使其粗糙度降低。由于工件浸于液體中，工作時(shí)液體的作用使磨盤與工件的接觸更柔和；大量液體的存在保證了磨盤表面局部溫度的均恒，使磨盤不易變形，拋光小環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，這樣就有希望獲得高面形精度的表面。

2.3磁力懸浮研磨

磁力懸浮研磨是基于磁性流體中非磁性磨粒受磁場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向低磁場(chǎng)方向懸浮的現(xiàn)象而研究出的光整加工方法。借助活性劑的作用，使鐵氧體微細(xì)粒子穩(wěn)定地分散在油和水等溶液中而構(gòu)成膠態(tài)流體。在受磁場(chǎng)作用時(shí)，由于磁性流體中鐵氧體的強(qiáng)磁性微細(xì)粒子的作用，磁性流體顯示出被吸向高磁場(chǎng)一側(cè)的性質(zhì)。如果在磁性流體中存有非磁性體，在受磁場(chǎng)作用時(shí)，非磁性體則與磁性流體相反，產(chǎn)生趨向低磁場(chǎng)一側(cè)的現(xiàn)象。研磨加工通常使用的磨粒是非磁性體的。應(yīng)用這種磁力懸浮現(xiàn)象進(jìn)行的研磨就是磁力懸浮研磨法。它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：由于磁懸浮力的作用，使作用于研磨面的磨粒數(shù)量增多；由于磨粒由流體支承，因此磨粒的支承富有彈性。另外，加工壓力是由磁懸浮力所賦予，故作用于每個(gè)磨粒的加工壓力與磨粒的數(shù)量無(wú)關(guān)；由于磁性流體的熱傳導(dǎo)率很大，因此可以控制加工點(diǎn)的溫升；越接近磁鐵，作用于磨粒的磁懸浮力越大。因此，對(duì)工件形狀還有修正效果。

2.4磁粒光整加工

所謂磁粒光整加工（Magnetic Abrasive Finishing，簡(jiǎn)稱MAF），就是利用磁場(chǎng)通過(guò)強(qiáng)磁性介質(zhì)產(chǎn)生的磁作用力作用到磁粒上，使磁粒對(duì)工件進(jìn)行微切削加工的方法。圖2為圓柱表面磁粒光整加工原理圖，將工件放置在由電磁鐵N極和S極構(gòu)成的磁場(chǎng)中，在電磁鐵與工件之間填充磁性磨粒，當(dāng)對(duì)電磁鐵通以直流電時(shí)，在N、S兩極之間便產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁性磨粒被磁極吸引，在磁力的作用下，磁粒沿磁力線整齊地排列成刷子狀，并對(duì)加工工件表面形成一定的壓力，當(dāng)磁極與工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁刷掃過(guò)工件表面，從而對(duì)工件待加工表面進(jìn)行研磨、去毛刺、提高工件表面硬度等過(guò)程的光整加工。該加工方法改善了工件表面的應(yīng)力分布狀態(tài)，延長(zhǎng)了工件的使用壽命。磁性磨粒由純鐵粉（Fe）作為載體，加入一些Al2O3或SiC等磨?；旌现瞥?。

2.5磁流變拋光

八十年代中期由Kordonski發(fā)明的磁流變拋光（Magnetorheological Finishing MRF）是使用磁場(chǎng)改變磁流變液體的粘度，磁流變液體不斷地在泵之間循環(huán)，電磁使液體中的固相之間不斷交替（圖3），磁流變拋光液加到旋轉(zhuǎn)輪邊緣并被帶進(jìn)拋光區(qū)，工件裝夾在數(shù)控機(jī)床上并浸在液流里，和彈性發(fā)射加工及其它數(shù)控加工一樣，材料去除量是由給定位置的駐留時(shí)間決定的。砂輪邊緣和拋光表面形成楔形間隙暴露在磁性域中，在砂輪邊緣產(chǎn)生磁性變粘的磁流變拋光液通過(guò)楔形間隙，這種拋光液在接觸區(qū)產(chǎn)生剪切壓力并去除工件表面材料。

由于去除率和流體粘度有關(guān)，因此去除率是很穩(wěn)定的。通過(guò)監(jiān)測(cè)和控制使流體粘度保持在±1％以內(nèi)。通過(guò)改變砂輪速度，零件在磁流體中位置和磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)調(diào)整去除率，產(chǎn)生光滑無(wú)損傷表面的同時(shí)得到相對(duì)較高的穩(wěn)定的材料去除率。不同于傳統(tǒng)拋光，磨粒法向載荷能劃傷工件表面，磁流變拋光依靠剪切模式去除材料，磨粒在法向方向不受任何力的作用。

2.6磨粒噴射加工

磨粒噴射加工（Abrasive Jet Machining）是一種使用游離磨粒以運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行的磨料去除加工。其工作機(jī)理是用高速射流（氣體、液體或氣體與液體的混合物）噴射磨粒，磨粒以很高的速度沖擊或拋磨工件表面，從而去除工件表面材料。磨粒噴射光整加工設(shè)備是由四部份組成：存儲(chǔ)、混和和輸送磨料的裝置；工作室；吸塵器；供應(yīng)干燥清潔氣體的氣源。經(jīng)過(guò)干燥和油水分離的壓縮空氣到達(dá)混和室與來(lái)自磨料喂入裝置的磨料相混和，壓縮氣體的壓力和流量通過(guò)調(diào)壓閥控制，磨料喂入量通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)器的振幅和頻率控制，經(jīng)混和后的磨料流由噴嘴噴出，直接作用到被加工工件表面。真空吸塵器與工作室相連，以吸除廢屑及加工后的磨料流塵埃。氣源的壓力至少要700～900Kpa，氣體含水量要小于萬(wàn)分之五，可以用瓶裝二氧化碳或氮?dú)庾鳛楦稍餁怏w的氣源。噴嘴端部通常用碳化鎢或藍(lán)寶石制造，其壽命與所用磨料的種類及壓力有關(guān)。磨料微粉必須干凈、干燥和仔細(xì)分選，磨料不能回用。

噴射加工的特點(diǎn)：磨粒噴射加工是冷切削，不影響和改變熱敏感合金的特性，在加工過(guò)程中，工件表面不產(chǎn)生加工應(yīng)力和熱損傷；磨粒噴射光整加工后的表面有散亂的紋理，表面粗糙度 值在0.15～1.6 之間，為防止在加工表面形成彎月形洼坑，噴嘴必須作不停的運(yùn)動(dòng)；磨粒噴射所用磨料粉末應(yīng)仔細(xì)分級(jí)篩選，以保證形成合適的射流；壓縮氣體不能用氧氣替代，因?yàn)檠鯕馀c工件碎屑或磨料相混和時(shí)可能發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，此外，壓縮氣體要經(jīng)過(guò)過(guò)濾和干燥，以除去油和水分；噴射加工要在防塵罩內(nèi)或在吸力足夠的吸塵器附近進(jìn)行。

2.7彈性發(fā)射加工

彈性發(fā)射加工（Elastic Emission Machining）是由日本Mori Y.在1976年發(fā)明的\"原子級(jí)尺寸加工方法\"。其加工系統(tǒng)是由旋轉(zhuǎn)輪、加工液和工件組成，工件和旋轉(zhuǎn)輪都浸漬在加工液中，旋轉(zhuǎn)輪通常是由聚氨脂或橡膠等軟質(zhì)材料制成。加工液由水和微細(xì)磨料（亞微米或幾十個(gè)納米）混和而成，通過(guò)控制法向載荷使旋轉(zhuǎn)輪和工件之間的間隙在1 左右，當(dāng)旋轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)輪與工件之間的楔形間隙就形成了類似于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑現(xiàn)象。微細(xì)磨粒與水的混合物在流體動(dòng)壓力、旋轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的高速氣流及離心力的作用下，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)輪與工件之間。微細(xì)磨粒與工件在狹小的空間內(nèi)接觸，產(chǎn)生一種原子結(jié)合力，當(dāng)磨粒在流體剪切應(yīng)力的作用下離開(kāi)時(shí)，使工件表面產(chǎn)生原子級(jí)的極微量的彈性破壞，實(shí)現(xiàn)工件表面層原子的分離，從而去除工件表面材料。由于微細(xì)磨粒沖擊工件表面所產(chǎn)生的能量不足以使工件表面材料產(chǎn)生塑性變形，而只是原子間結(jié)合的微小彈性破壞，所以得到了原子級(jí)的精度和沒(méi)有缺陷的表面。微細(xì)磨料在旋轉(zhuǎn)輪的約束下和工件表面接觸，通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)輪的運(yùn)動(dòng)就可以得到十分理想的加工精度。彈性發(fā)射加工利用游離磨料和工件表層材料原子相結(jié)合，然后在加工液動(dòng)壓力和剪切應(yīng)力的作用下，磨粒離開(kāi)結(jié)合表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的微去除加工。彈性發(fā)射加工和傳統(tǒng)的加工方法相比有以下兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：加工機(jī)床的剛度比傳統(tǒng)的加工方法要求低；加工過(guò)程不受溫度變化和機(jī)床振動(dòng)的影響。根據(jù)加工條件（磨料尺寸、硬度、介質(zhì)黏度、旋轉(zhuǎn)輪速度、加工液剪切應(yīng)力、加工時(shí)間、法向載荷大?。┖凸ぜ牧系牟煌色@得納米級(jí)精度和表面粗糙度值，沒(méi)有熱損傷和表面變質(zhì)層。

3 游離磨粒加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)精密表面需求的增加，游離磨粒加工技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，原子級(jí)超光滑表面獲得已不再困難。在眾多加工方法中，依賴于精細(xì)磨粒的拋光技術(shù)仍是主流，其特點(diǎn)是加工效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低。如采用浸液拋光方式、使用高精度的拋光模、采用軟質(zhì)材料拋光液、重視拋光液的化學(xué)作用和拋光粉的弱機(jī)械作用，實(shí)現(xiàn)化學(xué)機(jī)械拋光等。當(dāng)今超游離磨粒加工技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)大，其正向降低制造成本、提高加工效率的方向發(fā)展。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，采用特殊材料的機(jī)床將具有更高的精度和穩(wěn)定性。電子學(xué)的進(jìn)步則使機(jī)床控制技術(shù)得以極大提高。這些都使材料的去除量達(dá)到納米級(jí)成為可能。利用場(chǎng)效應(yīng)輔助拋光是游離磨粒加工的另一發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)控制工件所受的加工壓力來(lái)操縱材料的去除，最終達(dá)到弱力乃至微力加工是提高超光滑表面加工效率的一條重要途徑。

4 結(jié)束語(yǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)發(fā)出越來(lái)越多的新型材料，對(duì)材料的加工精度要求也越來(lái)越高。游離磨粒加工技術(shù)作為一種精密加工技術(shù)，其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其可以在各種難加工材料的加工中發(fā)揮作用，尤其是微磨料噴射加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)拋光技術(shù)的研究和工藝的成熟將起到推動(dòng)作用。

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