焦安源 邹艳华

（①辽宁科技大学高等职业技术学院，辽宁鞍山 114051;②宇都宫大学大学院工学部，日本宇都宫321－ 8585）

平面磁力研磨技术属于超精密加工技术的一种，具有加工品质高、柔性好、自适应性强等优点。磁力研磨能够去除残留在表面的各种痕迹，改善表面粗糙度，具有其他加工方法不可替代的优势。对于较大平面进行磁研磨精加工时，除了考察其表面粗糙度外，还有必要研究其平面的微观轮廓、加工纹理和截面形状等，以便进一步提高平面度和表面精度。磁力刷的运动方式对研磨效果有很大的影响，所以本文主要研究目的是通过改善磁力刷轨迹的方式，来提高平面研磨精度。

1 实验方案

传统平面磁力研磨加工方法中，磁力刷轨迹如图1a所示，主要以磁力刷的自转与工件的平移运动结合为主。本文利用自行设计的试验装置，可以改善磁力刷轨迹，能够研究磁力刷研磨轨迹对平面精加工效果的影响。该装置能够使工件实现直线往复移动，还能使磁力刷在自转的同时在水平面内直线移动或公转。改善后的加工轨迹为磁力刷自转、公转与工件的直线移动结合，具体如图1b所示。

2 试验过程

2．1 实验装置

图2为平面磁力研磨装置的结构图，磁极由电动机通过软轴驱动，工作台可以使转动的磁极在水平面内直线移动或者做圆周运动。工件底座则由电动滑台驱动，滑台带动工件实现直线往复移动。工作台的运动速度和运动轨迹，以及电动滑台的速度、行程和往复次数都可以通过电脑进行预设定。工件采用真空吸附定位，固定在底座上，真空度的大小可以通过数字真空表显示，设定压缩气泵蓄压器压力为0.70～0.80 MPa时，真空度值可基本稳定在－88 kPa。本文主要以SUS304钢板为研究对象，经过有限元软件分析，当真空度为－88 kPa时，工件的最大变形为9.0 μm，该值与磁力刷和工件的间隙0.5 mm相比，相差近50倍，可见其影响微乎其微，这也说明采用真空对工件进行定位是可行的。

2．2 实验条件

影响磁力研磨效果的因素有很多，如磁极大小、形状、转速;磁粒成分和粒径;研磨间隙;研磨液种类和工件材质等。因此在研究轨迹之前首先要确定实验条件。在预先进行了一系列的对比实验后，最终确定实验条件如表1所示。采用φ10 mm×10 mm永久磁石。因传统方法1个单程加工的宽度10 mm，改善轨迹后单程加工宽度为20 mm，为了使研磨刷在单位区域内加工时间基本相等，以便对比两种方法的效果差异，所以延长改善轨迹后的加工时间至传统方法的2倍。

表1 实验条件

2．3 实验步骤

（1）将SUS304钢板按需求尺寸切割，超声波清洗10 min后，利用高压气体吹干待用。

（2）根据实验条件，利用笔记本电脑连接工作台的控制器，并进行如下设定:工作台上X、Y两个位移电动机速度;工作台的运行轨迹;并根据运行时间设定运行循环次数。对于电动滑台，同样需要通过电脑对滑台控制器进行编程，设定其运行速度和单程运行长度以及往复循环次数。

（3）利用电子天平称取试剂，并充分混匀后待用。

（4）启动压缩气泵，设定蓄压器压力范围，利用真空将工件定位，调节磁石与工件间隙后，将混合好的试剂均匀地充填到磁石与工件之间，并添加适量研磨液。

（5）启动驱动电动机、电动滑台、工作台开始实验，然后测量结果。

3 结果和讨论

3．1 实验结果

研磨完毕后，分别对工件粗糙度、材料去除量、横截面形状和3D表面轮廓进行检测，具体检测位置如图3所示。

（1）粗糙度与材料去除量

使用Surfcorder表面粗糙度测定仪SE－2300进行粗糙度的测定，评定长度为4.0 mm。传统方法与改善轨迹后的研磨方法相比较，其粗糙度和材料去除量随研磨时间的变化规律分别如图4、5所示。材料的去除量均随着研磨时间的增加而增加，改善轨迹后材料去除量接近于传统方法的2倍，这主要是由于改善轨迹后的研磨区域是传统方法加工区域的2倍所致。图4可知，采用传统研磨轨迹，加工完成的区域中，粗糙度值在两侧A、C处较中间B处的下降速度快很多，累计耗时18 min后，最终A、C处的粗糙度分别为0.04 μm和0.05 μm;B处的粗糙度为0.07 μm。而改善研磨轨迹后，粗糙度值在B处的下降速度明显高于A、C处，但是当研磨时间到30 min后，A、B、C处的粗糙度值均在0.05 μm附近，且36 min后仍无明显变化。

结果表明:改善轨迹后，材料去处量变化规律与传统磁研磨方法一致;A、B和C处的粗糙度值比较接近，但是在研磨区域的不同位置处表面粗糙度值下降速度不同。

（2）横截面形状

P－P处利用表面粗糙度测量仪（MITSUTOYO SV－624－3D）进行横截面形状检测，结果如图6所示。从图6的横截面形状可以看出，传统研磨方法的A、C处磨损最深，研磨区内轮廓最大高度差值约为2.8 μm;而新研磨方案中B处磨损明显最深，研磨区域内轮廓最大高度差值约为1.1 μm，其次为A、C两处。

结果表明:改善轨迹后，研磨区域在横截面内的轮廓更加平滑，最大高度差值较传统研磨方法减小60%。

（3）3D表面轮廓

利用光学轮廓仪（WYKO）检测2个工件A、B和C处的3D微观形貌，如图7和图8所示。比较各个研磨区域的粗糙度Ra值发现与前面粗糙度测定仪的测量值基本一致。但传统研磨方法加工区域中，纹理比较明显，A区域的纹理为右上至左下，B区域纹理水平，而C区域纹理为左上至右下。改善轨迹后，纹理并不明显。原因是在传统方法中，A、B、C各个区域在进行研磨加工时，研磨刷与工件间的相对运动方向始终不变，所以导致出现纹理。而改善后的方法，研磨刷轨迹复杂，所以不易在工件表面形成有规律的纹理。

两种方法的最终加工结果照片如图9所示。

结果表明:改善轨迹后，研磨区域内的表面轮廓纹理并不清晰，而传统研磨方法中，磁力刷运行轨迹简单，会导致研磨区域内不同位置处均会产生清晰的纹理。

3．2 理论分析

图10为磁刷轨迹改善后的分析图，磁力刷上一点Q经过任意时间t后到达Q'位置，可得任意时刻该点的坐标方程为:

式中:r1为公转半径，mm;ωW为公转速度，rad/s;r2为自转半径，mm;ωP为自转速度，rad/s;v为电动滑台速度，mm/s;α 为Q点初始角，rad。

传统研磨方法时，即公转半径r1=0;公转速度ωW=0。则公式（1）变为

根据磁力场分布原理，可知圆柱形磁石，其最外周处磁力最强，即当平面研磨时，磁石外周的磨粒对工件的压力高于中间部分，参照研磨材料去除量的公式（3）可以确定:磁力刷外周部分材料去除量最大，所以选取外周上对称2点Q1和Q2并通过软件绘出其研磨轨迹，通过对研磨轨迹的分析可以对研磨结果进行预测。

式中:M为材料去除量;k为去除因数;P为压力;V为相对运动速度;t为时间。

4 结语

（1）设计了平面磁研磨实验装置，使磁力刷能够实现复杂轨迹研磨。

（2）改善磁力刷研磨轨迹后，材料去处量变化规律与传统磁研磨方法一致;尽管在研磨区域的不同位置处表面粗糙度值减小速度也不相同，但平面内各处粗糙度值接近。

（3）改善磁力刷研磨轨迹后，横截面的形状更加平滑，最大高度差值较传统研磨方法减小60%，而且研磨区域内的表面轮廓纹理并不清晰，不会产生清晰的研磨纹理，平面精度更高。

（4）通过理论方法合理规划研磨刷的运行轨迹可以预测研磨效果。

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