磁性磨料电解研磨在冲压模具加工中的应用

王晓强，霍 颖，李新华，牟红霞

（1.山东职业学院，山东 济南 250104；2.济南铁路高级技工学校，山东 济南 250117）

0 前言

磁性磨料电解研磨加工（Magnetic Abrasive Electrochemical Machining简称MAECM）是近十几年来发展起来的光整加工工艺。作为一种新兴的特种加工方法，在冲压模具制造业中得到日益广泛的应用。模具工件最后一道加工工序的光整加工所得到的表面粗糙度值，直接影响到冲压产品的质量。由于很多模具型腔表面形状复杂，一般刀具难以介入，因此用传统工艺很难得到理想的模具型腔表面粗糙度值。目前还没有一套比较成熟的自动化加工方法和工艺来解决这一难题。MAECM因其具有很好的柔性、自适应性、可控性等优点，可以在复杂形状模具型腔表面得到较低的粗糙度值，因而近年来得到国际上广泛关注。

1 基本原理

磁性磨料研磨的原理在本质上与机械研磨相同，只是磨料是导磁的，磨料作用于模具工件表面的研磨力是磁场形成的。图1为圆柱表面进行磁性磨料电解研磨加工的原理示意图。在垂直于工件圆柱表面轴线方向加一磁场，在S、N两磁极之间加入磁性磨料，磁性磨料吸附在磁极和工件表面上，并沿磁力线方向排列成有一定柔性的“磨料刷”。工件一边旋转，一边作轴向振动。磁性磨料在工件表面轻轻刮擦、挤压、窜滚，从而将工件表面上极薄的一层金属及毛刺切除，使微观不平度逐步整平。在磁性磨料研磨的基础上，再加上电解加工的阳极溶解作用，以加速阳极工件表面的整平过程，提高工艺效果，故称之为磁性磨料电解研磨加工。

图1 MAECM加工原理

2 加工特点及其影响因素

2.1 加工特点

磁性磨料电解研磨加工时，加工间隙中的研磨粒子组成磁性刷，随着模具表面形状的变化而变化，可在模具表面仿形压附、翻滚、分离，不受模具表面形状的限制，有很好的加工柔性，可以对任意形状的模具型腔表面进行抛光处理。其另一个特点是，由于磁力线象X射线一样能够穿过模具工件，所以，磁性研磨粒子可以进入普通刀具无法介入的任意形状的模具型腔内部表面。通过变化外部的磁铁改变磁力线的方向即可控制磁性研磨粒子按照规定的轨迹研磨模具型腔内表面，完成以往模具加工过程中无法实现的工作。磁性磨料电解研磨的模具表面光整效果是在以下三重因素作用下产生的：

（1）电化学阳极溶解作用。阳极模具工件表面的金属原子在电场及电解液的作用下失去电子成为金属离子溶入电解液，或在金属表面形成氧化膜即钝化膜，微凸处比凹凸处的这一氧化过程更为显著。

（2）磁性磨料的刮磨作用。实际上主要是刮除模具工件表面的金属钝化膜，而不是刮金属本身，使露出新的金属原子不断阳极溶解。

（3）磁场的加速、强化作用。电解液中的正、负离子在磁场中受到洛仑兹力作用，使离子运动轨迹复杂化。当磁力线方向和电力线方向垂直时，离子按螺旋线轨迹运动，增加了运动长度，增加了电解液的电离度，促进了电化学反应，降低了浓差极化。

2.2 影响因素

影响磁性研磨加工效率和质量的因素很多，磁力大小是影响研磨效率的最主要的因素之一。分布在磁场中的研磨粒子所受到的磁力主要由磁场强度、磁场强度的变化率、磁性磨粒的直径以及磁性磨粒的磁化率大小所决定。

（1）磁场强度的大小与工作间隙有关，即与磁极N－S间的距离成反比。当模具工件是磁性材料时，在磁场中，模具工件被磁化，成为新的磁极，模具工件与磁极间的间隙就是工作间隙，此时的间隙通常很小，在1mm～3mm之间，所以，可以得到较大的磁场强度，研磨效率较高。由此可见，工作间隙越小，研磨力越大，研磨效率也越高，具体见图2所示。对于复杂形状的模具型腔工件，可以考虑改变磁极的形状，尽可能使之与模具零件表面形状相匹配，最大限度减少工作间隙并保持一致性，从而提高效率和质量。

图2 研磨力－工作间隙关系曲线

当模具工件材料磁性不足时，模具工件不能被完全磁化。为得到较大的磁力，工作台采用强磁性材料制成，成为另一个磁极；磁力线象X射线一样穿过模具工件，此时的工作间隙是磁极与工作台之间的距离，造成磁场强度较小，研磨效率不高。因此，在加工材料磁性不足的模具时，提高工作效率的主要方法是提高粒子的磁化率和磨粒的直径。

（2）磁性磨粒直径的影响。增大粒径，磁吸引力将急剧增加，粒子间的相对滑动就会减少，由磁性磨粒所构成的磁力刷会更好地追随磁极转动，粒子间的相对滑动也减少。但是，模具加工区域的空间是有限的；另外，随着粒径的增大，参与切削的切削刃的数量也减少，使得研磨效率反而降低。因此，粒径应该有一个最佳值。

（3）磁场强度变化率。可以通过改变磁极的形状来获得。这一点非常重要，因为它不仅影响到磁场的分布，还影响磁力线的方向，影响磁粒在磁场中的受力状态。通常采用在磁极上开槽的方式来获取磁场强度变化率。因为开槽后的磁极，各处的工作间隙不同，所得到的磁场强度也不同，产生了磁场的强弱变化。磁性粒子总是向磁力大的地方流动，这样就促进了磁性磨粒的流动性，从而大幅度提高模具加工效率。

3 设备和工具组成

磁研磨加工装置基本上是由能使磁性研磨粒子转动或相对转动并给予一定圆周速度的驱动系统组成。它可以在普通台钻、立钻或车床、铣床上稍加改装即可实现。比如在普通数控铣床上，粗铣加工出模具三维曲面后再用该铣床直接进行磁力研磨精密抛光处理，这样就可利用加工时的程序数据进行磁研磨加工，从而在精密抛光的同时，保证了模具零件的形状和尺寸精度。当然，也可以在普通机床上增设专用夹具装置来实现。

磁力系统方面，对小型模具零件可采用永磁材料以节省电能消耗，大中型模具零件的磁力系统则用导磁性较好的软铜、低碳钢或硅钢片制成磁极、铁心回路，外加励磁线圈并通以直流电，即成为电磁铁。

磁性磨料是将铁粉或铁合金（如硼铁、锰铁或硅铁）的粉和磨料（如氧化铝或碳化硅、碳化钨等）加入粘结剂搅拌均匀后加压烧结经粉碎而成的。也可将铁粉和磨料混合后用环氧树脂等粘结成块，然后粉碎、筛选成不同粒度。磨料在研磨过程中始终吸附在磁极间，一般不会流失。但研磨日久后磨粒会破碎变钝，且磨料中混有大量金属微屑而变脏，因此需要定期更换磨料。

外设方面，还应有电解加工用的低压直流电源和相应的电解液，泵、箱等循环浇注系统。

4 生产应用

磁性磨料电解研磨加工可应用于模具表面光整加工、去毛刺、倒棱抛光处理，适合于平面、内圆、外圆、曲面的多种加工。目前，对于复杂三维曲面的模具工件，很多企业还停留在加工效率低、费力、费时的手工加工阶段，自动化程度还很低。磁性磨料电解研磨加工无疑可以起到改善工作条件、推动自动化进程的作用。而对于模具型腔而言，可以将微小颗粒的磁性磨料投入进去，利用外部磁极所产生的磁力，将磁性磨粒压附于模具型腔表面，从而完成传统工艺无法加工的复杂形状内表面。

[1] 刘晋春，赵家齐，赵万生.特种加工[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 电解加工编译组.电解加工[M].北京：国防工业出版社，1977.

[3] 贾慈力.模具数控加工技术[M].北京：机械工业出版社，2012.