任曉靜 ，陳紅玲 ，楊勝?gòu)?qiáng) ，侯志燕

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

磁性磨粒作為磁性磨粒光整加工技術(shù)的磨具，是影響工件加工效果的主要因素，其研磨性能和使用壽命與制備工藝密切相關(guān)，因而磁性磨粒制備工藝成為該技術(shù)發(fā)展的核心問題[1]。國(guó)內(nèi)外相繼開發(fā)了多種制備方法如燒結(jié)法，粘結(jié)法等，但都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性[2]。因此，研制出一種制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，加工效果好，成本低的磁性磨粒對(duì)推動(dòng)該技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義。近幾年，不少學(xué)者開發(fā)出以機(jī)油等為粘結(jié)劑將鐵粉和磨料按照一定比例混合制備的非黏結(jié)磨粒，取得了很好的加工效果[3-6]。非黏結(jié)磨粒具有和黏結(jié)磨粒相同的磨削性能且有其自身的許多優(yōu)點(diǎn)，如制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，制備過程無需燒結(jié)和固化等工藝，制成的磨粒剛性較低，而黏結(jié)磨粒剛性較強(qiáng)不足以拋光如波形表面等復(fù)雜表面[7-8]。通過建立力學(xué)模型，研究了磁介質(zhì)相和磨粒相的粒徑比與工件磨削作用力的關(guān)系，并采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面改性，聚乙烯醇作粘結(jié)劑的方法制備不同粒徑比的非固結(jié)磁性磨粒，對(duì)304不銹鋼薄板進(jìn)行加工，最終得到制備非固結(jié)磁性磨粒的最佳粒徑比，為加工不同材料工件時(shí)如何選取磁介質(zhì)相和磨粒相的粒徑提供了理論依據(jù)，也提出了一種簡(jiǎn)單有效制備磁性磨粒的方法。

2 磁介質(zhì)相和磨粒相的粒徑比分析

對(duì)于非固結(jié)磁性磨粒，當(dāng)磨粒的填充量和研磨粒子粒徑一定時(shí)，鐵粒子粒徑越大，粒徑比越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)力越大，對(duì)工件表面的研磨壓力也越大，但參與到表面磨削的粒子數(shù)量越少，總的研磨壓力不會(huì)隨著鐵粒子粒徑的增大而增大，故粒徑比直接影響磁性磨粒的導(dǎo)磁性能和磨削性能，存在一個(gè)最佳值。將磁力刷中1個(gè)鐵粒子和周圍包覆的研磨粒子均簡(jiǎn)化為理想的球形，構(gòu)建力學(xué)模型，進(jìn)行受力分析[9]，如圖1所示。

圖1 單顆磁性磨粒研磨工件的力學(xué)模型Fig.1 Mechanics Model of Single Magnetic Abrasive Particle Grinding Workpiece

由圖1可知，設(shè)等磁位線方向?yàn)閤方向，磁力線方向?yàn)閥方向建立直角坐標(biāo)系，由平衡方程得：

式中：FY—沿磁力線方向的磁場(chǎng)力；FX—沿等磁位線方向的磁場(chǎng)力，F(xiàn)X=FY×μ0，1/μ0—不銹鋼材料的磨削力比，1/μ0=FY/FX=（1.9～2.6）[10]；Ft—鄰近磁粒對(duì)其作用力；Fpn—工件對(duì)磁性磨粒的法向壓力；Fpt—工件對(duì)磁性磨粒的切向分力；Fpt=Fpn×μp，μp—磨粒相與工件材料之間的摩擦系數(shù)，μp=（0.1～0.3）；Fn—工件對(duì)磁性磨粒的支持力；Ff—摩擦力，F(xiàn)n、Ff—工件的已加工表面對(duì)磁性磨粒的作用力，計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)。

設(shè)磁介質(zhì)相與磨粒相的粒徑比為A=D/d，則由圖1知，cosα=式（1）整理計(jì)算得：

式中：V—磨粒中含鐵的體積；X—磨粒的磁化率；H—磁場(chǎng)強(qiáng)度；μ0—真空中磁導(dǎo)率；?H/?Y—沿磁力線方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度；r—磁性磨粒的半徑。

由上述公式可知，工件對(duì)磁性磨粒的法向壓力Fpn的大小與粒徑比A密切相關(guān)，磁場(chǎng)發(fā)生源為永久磁鐵，若FY，F(xiàn)t不變時(shí)，令式（2）中分母為常數(shù)C，化簡(jiǎn)得：

整理計(jì)算得出，制備非固結(jié)磁性磨粒時(shí)磁介質(zhì)相和磨粒相的粒徑比的理論范圍為A=1.12～3.34。

3 非固結(jié)磁性磨粒制備工藝

3.1 非固結(jié)磁性磨粒的構(gòu)成

3.1.1 磁介質(zhì)相

磁介質(zhì)相是磁性磨粒的切削驅(qū)動(dòng)力來源，故選用導(dǎo)磁性好，價(jià)格低廉的還原鐵粉。

3.1.2 磨粒相

磨粒相是磁性磨粒的主要切削刃，常用的有剛玉類，碳化硅類等。由于不銹鋼對(duì)碳原子擁有強(qiáng)大的吸引力，碳化硅易于不銹鋼發(fā)生反應(yīng)[4]，故選取的磨粒相為白剛玉。

3.1.3 結(jié)合劑

目前，大多數(shù)學(xué)者采用潤(rùn)滑油等脂類材料作為結(jié)合劑，但由于鐵磁相和磨粒相為無機(jī)物，大多親水性好，而大部分有機(jī)結(jié)合劑具有疏水性，因此兩者之間的相容性差，界面難以形成良好的粘結(jié)[11]。此外對(duì)于較細(xì)的粉體，其表面能很高，容易在結(jié)合劑中團(tuán)聚，影響鐵磁相和磨粒相的均勻分布，從而影響磁性磨粒的加工均勻性。采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550對(duì)鐵粉和白剛玉表面改性，增強(qiáng)潤(rùn)濕分散性和相互間的結(jié)合力，能提高制備的磁性磨粒的加工均勻性，保持加工過程的穩(wěn)定性。聚乙烯醇是水溶性有機(jī)高分子聚合物，其水溶液的粘接性和成膜性很好，同時(shí)擁有親水基及疏水基兩種官能基，具有界面活性的性質(zhì)。故選取聚乙烯醇2488和KH-550作為結(jié)合劑。

3.2 制備工藝

3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料

采用激光粒度分布儀測(cè)試并選取三種粒徑的還原鐵粉，分別為 60目：D90=268.6μm，200目：D90=76.61μm，300目：D90=42.17μm；白剛玉（Al2O3），500目：D90=25.22μm；硅烷偶聯(lián)劑KH-550，化學(xué)名為氨丙基三乙氧基硅烷，分子式為NH2（CH2）3Si（OCH2CH3）3；無水乙醇；冰醋酸；聚乙烯醇（PVA）2488，分子式為［C2H4O］n；蒸餾水。

3.2.2 制備過程

（1）采用預(yù)處理法對(duì)還原鐵粉和白剛玉分別濕法改性。具體過程如下:稱取一定量KH-550，一般為粉體質(zhì)量的（1～3）%，用蒸餾水和無水乙醇將其配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為（0.5～2）%的處理劑溶液，并將ph調(diào)至（3.5～5.5）；然后將一定量的粉體加入處理劑溶液中，在60℃的水浴鍋中用電動(dòng)攪拌器恒溫?cái)嚢?0min；過濾后，在50℃的干燥箱中干燥3h。（2）稱取改性后的質(zhì)量比為m（Fe）：m（Al2O3）=3：1的鐵粉和白剛玉，放入V形混合器，在車床上混合6h。（3）將一定量的聚乙烯醇2488溶于蒸餾水中，攪拌使其溶解后，放入混合均勻的粉末，不斷攪拌至均勻后放置（3～4）h。制備工藝簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

圖2 非固結(jié)磁性磨粒的制備工藝流程圖Fig.2 Preparation Process Flow Diagram of Unconsolidated Magnetic Abrasive Particles

4 非固結(jié)磁性磨粒光整加工實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分為兩組：一組用粒徑比分別為10.65，3.04，1.67的鐵粉和白剛玉制備的非固結(jié)磁性磨粒，分別編號(hào)為MAPs-A，MAPs-B，MAPs-C對(duì)304不銹鋼薄板進(jìn)行研磨加工；另一組研究添加偶聯(lián)劑是否有利于提高磁性磨粒的加工效果，在相同的試驗(yàn)條件下，取粒徑比為3.04的鐵粉和白剛玉各兩份，一份加入KH-550表面改性，另一份不改性，其余制備過程相同，制成磁性磨粒分別加工304不銹鋼薄板。

4.1 試驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)在立式鉆銑床改造的磁力研磨裝置上進(jìn)行，具體試驗(yàn)條件，如表1所示。

表1 試驗(yàn)條件Tab.1 The Experimental Conditions

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 粒徑比對(duì)表面粗糙度的影響

不同粒徑比非固結(jié)磁性磨粒加工前后Ra和Rz的變化情況，如圖3所示。MAPs-A加工3min后，Ra從0.343μm降到0.139μm，變化率 ΔRa=0.204μm，Rz從 3.217μm 降到 1.613μm，變化率ΔRz=1.604μm，加工15min后Ra穩(wěn)定在0.049μm，Rz為0.507μm；MAPs-B 加工3min 后，Ra 從 0.344μm 降到 0.16μm，ΔRa=0.184μm，Rz從 3.197μm 降到 1.86μm，ΔRz=1.337μm，加工15min后Ra穩(wěn)定在0.036μm，Rz為0.343μm；MAPs-C 加工 3min后，Ra從0.328μm降到0.193μm，ΔRa=0.135μm，Rz從3.215μm降到2.095μm，ΔRz=1.12μm，加工15min后Ra穩(wěn)定在0.06μm，Rz為0.583μm。從以上數(shù)據(jù)可以看出，加工3min時(shí)，粒徑比最大的MAPs-A研磨效率最高，粒徑比最小的MAPs-C研磨效率最低，加工15min后，粒徑比適中的MAPs-B加工工件的Ra值和Rz值都最小，表面質(zhì)量最好。

分析知，在磨粒相粒徑保持不變時(shí)，粒徑比A為10.65的MAPs-A在磁力研磨時(shí)受到的磁場(chǎng)力較大，對(duì)工件表面的切削力較大，切削深度增加，材料去除速度加快，故加工3min時(shí)Ra，Rz的下降速度較快，但由于鐵粒子的直徑過大，在相同加工間隙內(nèi)，參與研磨工件表面磨粒的數(shù)量減少，每個(gè)切削刃產(chǎn)生的切削力過大，影響到加工15min后工件表面反而變得粗糙；粒徑比A為1.67的MAPs-C的鐵粒子粒徑較小，磁場(chǎng)力較小，切削力較小，故Ra，Rz的下降速度較慢，加工15min后最終得到的表面也較粗糙；粒徑比A為3.04的MAPs-B的鐵粒子粒徑適中，對(duì)工件的切削力合適，既能夠保持較高的加工效率，又能保證工件表面質(zhì)量，加工效果最理想。

圖3 粒徑比對(duì)表面粗糙度值的影響曲線Fig.3 The Influence Curves of Particle Diameter Ratio on Surface Roughness

4.2.2 偶聯(lián)劑對(duì)表面粗糙度的影響

加工前后Ra和Rz的變化情況，如圖4所示。當(dāng)不添加KH-550時(shí)，加工15min后Ra從0.330μm降到0.056μm，變化率ΔRa=0.274μm，Rz從 3.22μm 降到 0.562μm，ΔRz=2.658μm；添加KH-550時(shí)，加工15min后Ra從0.344μm降到0.036μm，ΔRa=0.308μm，Rz從 3.197μm 降到 0.343μm，ΔRz=2.854μm，加工后表面質(zhì)量更好，加工效率也明顯提高。這是因?yàn)镵H-550遇到鐵粉和氧化鋁表面吸附的水分子時(shí)，部分（-OCH2CH3）3發(fā)生水解，產(chǎn)生硅醇NH2（CH2）3SiOH，然后一部分硅醇和粉體表面的羥基縮合，另一部分和其他偶聯(lián)劑單體中的硅醇縮合，互相締合齊聚形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膜，覆蓋在粉體的表面，使其有機(jī)化，從而增強(qiáng)鐵粉及氧化鋁與聚乙烯醇水溶液的親和力，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度，故制備的磨粒加工時(shí)不易飛離加工區(qū)域，參與切削的磨粒數(shù)量不會(huì)減少，研磨效率高，最終得到的表面粗糙度值小。

圖4 偶聯(lián)劑對(duì)表面粗糙度值的影響曲線Fig.4 The Influence Curves of Couple Agent on Surface Roughness

4.2.3 表面微觀形貌的改善

工件加工前和加工15min后的表面紋理形貌，如圖5所示。從圖5（a）可看出，加工前表面有很多不規(guī)則的，深淺不同的劃痕。從圖5（b）～圖5（d）可看出，采用不同粒徑比的磁性磨粒光整加工，磁極高速回轉(zhuǎn)和工件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使磁性磨粒產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，在加工間隙內(nèi)，不斷翻滾、變形、摩擦和擠壓，最終不同程度地去除了工件表面的劃痕缺陷，說明磁性磨粒光整加工能夠?qū)ぜ砻鎸?shí)現(xiàn)均勻的磨削作用，提高研磨表面的平整性，從而提高不銹鋼薄板的表面質(zhì)量和使用壽命。對(duì)比看出，MAPs-B加工15min后，工件表面的劃痕完全消除，裸露出光滑的表面，表面質(zhì)量最好。MAPs-A和MAPs-C加工15min后，工件表面均有少量的幾道不規(guī)則劃痕，其原因在于MAPs-A磨粒的鐵粒子粒徑過大，磁場(chǎng)力使得其對(duì)工件的切削力過大，切削深度大，原始加工紋理去除的同時(shí)，磨粒切削刃反而在工件表面產(chǎn)生新的劃痕，而MAPs-C磨粒的鐵粒子粒徑過小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)力較小，對(duì)工件表面的研磨壓力減小，切削深度很小，材料去除率低，也不足以全部去除工件表面原有的劃痕。

圖5 304不銹鋼板磁性磨粒光整加工前后表面紋理形貌照片F(xiàn)ig.5 The Surface Texture Photos of 304 Stainless Steel Sheets Before and After Magnetic Abrasive Finishing

5 結(jié)論

（1）通過建立理想磁性磨粒的力學(xué)模型和受力分析，得出工件對(duì)磨粒的法向壓力Fpn和磁介質(zhì)相與磨粒相的粒徑比A有關(guān)，推導(dǎo)出理論范圍為A=1.12-3.34。

（2）提出采用KH-550對(duì)還原鐵粉和白剛玉表面化學(xué)包覆改性，聚乙烯醇作粘結(jié)劑的新方法制備不同粒徑比的非固結(jié)磁性磨粒，對(duì)304不銹鋼薄板研磨加工，取得了很好的加工效果。

（3）當(dāng)磨粒相粒徑一定時(shí)，鐵粒子粒徑越大，粒徑比越大，單顆磁性磨粒的切削力越大，加工效率越高，但加工后的表面粗糙度值較大，工件表面形貌較差。綜合考慮加工效率和表面質(zhì)量，3種方案中的最佳粒徑比為3.04，與建立力學(xué)模型得出的理論范圍（A=1.12～3.34）一致。