磁力研磨加工718 模具鋼表面質量和形貌試驗研究

吳 昊 張桂香 陳春增

(山東理工大學機械工程學院，山東 淄博255049)

進入21 世紀以來，模具的使用變得越來越重要，模具型腔的精度與表面粗糙度有密切關系，所加工產品尺寸精度和光澤主要取決于模具型腔表面形貌和表面粗糙度［1］。718 模具鋼作為瑞典P20 鋼的改進鋼種，添加了1%Ni 使此鋼的淬透性有所提高，而且Ni在鐵素體中的固溶，更能增加材料的強度和韌性［2］，所以廣泛應用于制造高檔次塑料模具。一般718 模具鋼經過拋光后，其表面粗糙度值要求達到0. 016 μm［3］。光整加工作為模具加工的最后一道工序，是直接影響模具質量好壞的最重要一環，因此備受國內外專家重視［4-5］。目前光整加工的方法有:手工拋光、超聲波拋光、化學和電化學拋光。但這些方法受限于模具型腔的復雜性、多樣性、不規則性，很難在模具加工行業推廣應用。

磁力研磨是磁力光整加工技術的一個分支，被定義為存在于加工區域中的磁場對表面進行研磨和微去除［6-7］。由于磁力研磨具有柔性、自適應性、磁場可控性、工具無須補償修型等［8］特點，可以和數控技術相結合實現加工自動化，加工復雜的模具型腔表面具有獨到的效果。而且磁力研磨在三維切削加工、電火花加工等預加工情況下，都可以對模具進行光整加工［1］。同時，磁力研磨也最有潛力成為解決模具型腔光整加工的有效方法。因此，探討718 模具鋼磁力研磨的加工機理、表面形貌特征及表面粗糙度的變化是非常有必要的。

1 磁力研磨機理

磁力研磨是由前蘇聯學者提出的一種全新的加工方法，它是將磁場應用到對工件的磨削加工中，借此獲得具有高光整度的表面形貌。本試驗采用的是永磁極產生磁場對工件表面進行研磨，磁力研磨加工示意圖如圖1 所示。磁性磨料在磁場的作用下形成磁力研磨刷，在機床主軸的帶動下對工件進行微去除如圖2 所示。試驗中所用磨料為新型的球形磨料，該磨料采用氣體霧化與快速凝固相結合的技術制得。磨料由鐵基合金與硬質磨料粉末組成，鐵基合金是Fe -Si -Al -Ni- Cr 按照質量比為9. 6% Si、5. 4% Al、5% Ni 和0.5%Cr，其余的為Fe 配制而成。硬質磨料粉末為白剛玉微粉(W7)。采用這種方法制得的磨料有如下特點:(1)磨粒均勻分布在基體表面，并與基體結合緊密;(2)鐵基合金的加入，能增加硬質磨料粉末的潤濕性，提高鐵基與硬質粉末的結合力、基體強度、韌性及抗氧化性，延長磨料的使用壽命;(3)該磨料具有微刃等高性的良好特性，提高了研磨工件的效率和研磨質量［9］。由于此球形磨料具有微刃等高性，其磨削機理主要包括以下兩個方面:

(1)磨粒微刃的切削

磨粒在研磨模具鋼表面時，磨粒的微刃作為切削刃對工件進行微量切削。在研磨時，由于磨粒自身的彈性導致磨粒微刃在研磨工件時具有了等高性即加工深度的一致，所以被研磨工件表面粗糙度值迅速減小。

(2)磨粒微刃的擠壓和拋光

開始加工時，磨粒表面的微刃主要對工件表面進行切削，達到材料去除的目的。然而經過一段時間的加工后，磨粒表面的微刃出現磨損導致微刃變鈍，此時磨粒表面的微刃主要對工件表面進行擠壓和拋光，從而提高了工件研磨效率，工件表面質量得到進一步的改善［10］。

2 試驗加工條件及參數

試驗裝置為改裝數控銑床XK7136C;工件為718模具鋼;磁極N38 釹鐵硼永磁極(φ10 mm)在1.5～2 mm 的間隙內產生的磁感應強度為0.85～0.65 T;研磨液為46#機械油(粘稠度為46)。試驗參數設定為主軸轉速S=2000 r/min、進給速度f=30 mm/min、加工間隙δ=2 mm、磨料填充量t=2 g、研磨液添加量為1 mL。選用Al2O3 系磨料，100～200 目、200～300 目、300～400 目，加工時間依次為5 min、10 min、5 min，總加工時間為20 min。

3 試驗結果與討論

3.1 濕研磨與干研磨對比分析

從圖3a 中可以看出干研后，在工件表面形成一層灰色硬質層。這是由于718 模具鋼具有強導磁性，在試驗過程中，極易被磁極所磁化，從而吸附磨料在工件表面。而強永磁極吸附大量磨料形成的磁力研磨刷在高轉速下對所加工表面形成極大的壓力，致使磨料中的微小顆粒壓嵌在工件表面，沒有達到材料去除和光整加工的目的。采用濕研磨，在加工前向工件被加工區域表面滴上研磨液，使其均勻分布在表面，然后對工件進行加工。從圖3a 中可以看到加工后在濕研磨區域形成一層黑色油污，清潔油污后(如圖3b 所示)在原區域呈現光亮表面。這是由于在加入研磨液后，在物理吸附作用下，分子間吸引力相互作用在工件表面和磁力研磨刷之間形成了一層潤滑膜。這層潤滑膜對工件表面起到了保護作用，避免微小磨料和細屑嵌入工件表面;同時，大大增加了磁力研磨刷中磨料的流動性，提高了研磨效率。

3.2 表面形貌與表面微裂紋的改善

原始工件經過精密磨床磨削，由于受到機械振動、磨盤溫度變化、材料變形等諸多因素的影響，原工件產生了一定程度的塑性變形和彈性變形并在樣件表面留下了溝壑型劃痕(圖4a 所示)及大量毛刺(圖5a 所示)。同時，原始工件在磨床磨削過程中對工件表面有擠壓、粘附等作用，以壓力切入方式進行加工，導致工件表面沿加工方向形成微細裂紋(圖4a 所示)。經過磁力光整加工后，工件微觀二維形貌發生明顯變化(圖4b 所示)，原始工件表面溝壑型劃痕消失不見取而代之的是點狀凹凸平面(圖5b 所示)。這是由于在磁力研磨過程中，磁極吸附磨料所形成的磁力研磨刷具有很好的彈性和自適應性，對研磨各區域都進行等高磨削，并產生最大的法向壓力，提高了研磨效率和加工質量。同時，在磁力研磨過程中，磁性磨粒隨著磁場的旋轉能同時在加工表面產生滑動和滾動，使得每個磨粒的磨削時間短、切削深度小，在不破壞表面的晶相組織結構的前提下，去除并改善了微觀裂紋。表面形貌的改善能夠減少工件微應力集中現象并且增強材料的疲勞性能［11］。

3.3 表面粗糙度影響

表面粗糙度是研究表面完整性中重要的一環，研究了零件表面與其各項性能之間的關系，度量工件表面微觀不平度，實現了對表面形貌的量化描述。原始工件在加工過程中受到磨床擠壓作用和磨削過程中材料變形等因素影響使得工件表面粗糙度值增大。在磁力研磨光整加工過程中，磨粒的微刃猶如刀具的切削刃對工件進行微量切削。隨著微刃的磨鈍，等高的磨粒表面會變得光滑平整，對工件表面進行擠壓和拋光，快速降低表面粗糙度值，使工件的研磨效率和表面質量顯著提高。從圖6 中可以看出，經過20 min 磁力研磨光整加工后，工件表面粗糙度值由原始的0.413 μm減小到0.014 μm，其加工前后鏡面效果對比如圖7 所示。經過磁力研磨后，工件表面粗糙度值降低，其疲勞強度、抗腐蝕性有很大程度的改善，延長了718 模具鋼作為模具型腔材料的使用壽命。

4 結語

(1)在磁力研磨試驗中，發現濕研磨可以對718 模具鋼達到材料去除和光整加工的目的。加入研磨液所形成的潤滑膜增加了磨料的流動性，提高了研磨效率。

(2)由于磁力研磨刷具有很好的彈性和自適應性，以及磁力光整加工中的微刃切削、滑擦、拋光作用，使原始工件表面的微觀表面形貌得到改善和微觀裂紋得以去除，從而提高了模具鋼的疲勞強度和使用壽命。

(3)在磁力研磨后，工件表面達到鏡面效果，表面粗糙度值由原始的0.413 μm 降到0.014 μm，達到了作為模具型腔材料所要求的表面粗糙度值。

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