研磨液对440c不锈钢磁力研磨效果的影响

吴昊，张桂香*

（山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049）

研磨液对440c不锈钢磁力研磨效果的影响

吴昊，张桂香*

（山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049）

分别以46#机械油和煤油对440c不锈钢表面进行磁力研磨。通过正交试验对研磨加工的工艺参数进行优化，从表面粗糙度基体质量损耗、三维表面形貌等方面对比研究了上述 2种研磨液对不锈钢表面光整效果的影响。结果表明，以机械油为研磨液时的光整效果更好，磁力研磨的最佳工艺条件为：主轴转速2 500 r/min，加工间隙1.8 mm，进给速率60 mm/min，磨料填充量2.0 g在最佳工艺条件下研磨后，工件的表面粗糙度由0.381 μm降至0.032 μm，大量毛刺和划痕得以去除，镜面效果良好。

不锈钢；磁力研磨；研磨液；表面形貌；粗糙度

First-author’s address: School of Mechanical Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255049， China

440c不锈钢是铬含量为17%的马氏体不锈钢，由于具有高铬的特性，热处理后碳化物含量高［1-4］。因此440c不锈钢在不锈钢系列中的强度和硬度最高，耐磨性最好，并具有磁性，较多应用于制作抗弱腐蚀性介质并需承受冲击负荷的零件，如切削刀片、手术器械、轴承以及泵和阀的耐磨损件等［5］。

不锈钢的应用发展在很大程度上取决于其表面光整加工技术。磁力研磨作为光整技术的一个重要分支，是一种将超精加工与磁场控制相结合的新型光整加工方法［6-9］。该方法在技术上具有自适应性、自锐性、可控性，无需进行工具磨损补偿、无需修形等诸多优点［10-12］，可以很快获得高质量的加工表面［12-14］，并且降低了加工成本［15］。本试验将磁力研磨应用于440c不锈钢光整加工阶段，研究加入不同研磨液对其表面质量与形貌的影响规律，为磁力研磨加工不锈钢表面提供理论指导和工艺参考。

1　加工和检测

试验装置为由山东鲁南机床厂生产的XK7136C型数控铣床（如图1所示）改装而来的平面研磨装置，加工现场如图2所示。工件为440c不锈钢薄板，磁极为N38钕铁硼永磁极（φ 12 mm），在1.5 ～ 2.0 mm间隙内产生的磁感应强度为0.85 ～ 0.70 T，研磨液为煤油或46#机械油。针对440c不锈钢硬度高，磨削时材料表面黏性大且升温快的特点，依次用100 ～ 180目、180 ～ 300目、300 ～ 400目的Al2O3系磨料分别加工8、8和4 min，研磨过程中每隔2 min向工件表面滴加1 mL研磨液。

用北京时代公司生产的TR200手持式表面粗糙度仪测定工件的表面粗糙度Ra，在加工区域内随机测量数次，取平均值。采用美国KLA-Tencor公司生产的MicroXAM-100白光干涉仪观察工件的表面形貌。选用德国赛多利斯BS224S电子天平（分辨率为0.1 mg）称取工件研磨前后的质量，其差值即为材料的微观去除量MR。

图1　平面研磨装置实物图Figure 1　Physical diagram of plane magnetic abrasive finishing device

图2　磁力研磨加工示意图Figure 2　Schematic diagram showing the processing of magnetic abrasive finishing

2　结果与讨论

2. 1正交试验

采用46#机械油为研磨液，以表面粗糙度为评价指标，按L9（43）正交表对磁力研磨的主轴转速S、加工间隙δ（磁极下表面与被研磨工件之间的垂直距离）、进给速率f、磨料填充量m等主要参数进行正交优化，结果和极差分析如表1所示。

表1　正交试验结果和极差分析Table 1　Results and range analysis of orthogonal test

由表1可知，各参数对440c不锈钢磁力研磨效果的影响顺序为：主轴转速 ＞ 进给速率 ＞ 加工间隙 ＞ 磨料填充量，最优工艺组合为：主轴转速2 500 r/min，加工间隙1.5 mm，进给速率60 mm/min，磨料填充量2.0 g。在该工艺条件下进行试加工发现，加工后440c不锈钢的表面粗糙度为0.035 μm。其余参数相同，加工间隙为1.8 mm时，工件表面粗糙度为0.032 μm，总体加工效果更好。这是因为选用1.8 mm的加工间隙既保证了磁极吸附磨料后对工件有足够的研磨力，还使磁极与被研磨工件之间有足够的间隙来填充磨料，使磨料有一定的流动性。因此选择加工间隙为1.8 mm。

2. 2研磨液对工件表面粗糙度的影响

其余工艺参数为最优，以煤油或46#机械油为研磨液时，被磨工件的粗糙度和材料去除量在加工过程中的变化如图3所示。从图3中可以看出，在前8 min，即使用100 ～ 180目Al2O3系磨料时，以煤油为研磨液的工件表面粗糙度下也降得比46#机械油快，材料的去除量更大。这是由于在初始加工阶段，磁极吸附磨料主要以切削和滑擦运动为主。46#机械油的黏稠度比煤油高，更易在工件表面形成耐高温、耐摩擦而不被破坏的润滑膜从而保护了工件表面。从第9 min开始用180 ～ 300目磨料，以机械油为研磨液的工件表面粗糙度下降较快。这是由于在高转速下加入的磁性磨粒切削刃迅速变钝，在工件表面产生多次塑变磨损和腐蚀磨损。同时由于工件升温快而煤油易挥发，难以在工件表面形成吸附膜，相对而言，加入机械油形成的润滑膜能使磨粒的流动性加强，导致微小切屑难以进入工件表面，保护工件的同时还提高了研磨效率。从第16 min开始使用300 ～ 400目磨料对工件进行研磨，由于磨料非常细，只能对工件表面起抛光的作用，表面粗糙度略有下降。以46#机械油、煤油为研磨液时，工件的表面粗糙度由初始的0.381 μm分别降至最终的0.032 μm和0.042 μm。

图3　表面粗糙度和材料去除量随加工时间的变化Figure 3　Variation of surface roughness and weight loss with processing time

图4所示为在最佳工艺条件下，以46#机械油为研磨液时，工件加工前后的照片。从图4可知，经磁力研磨后，工件表面获得良好的镜面效果。

图4　用46#机械油磁力研磨前后工件的镜面效果Figure 4　Mirror effect of workpiece before and after magnetic abrasive finishing with 46# mechanical oil

2. 3研磨液对工件表面形貌的影响

图5所示为工件经不同研磨液加工前后的三维表面形貌。从图5a可知，由于受传统机械加工的影响，原始工件表面存留大量毛刺且有较为明显的机械划痕。从图5b和图5c可知，磁力研磨时，由于受磁场作用，磁性磨粒形成“磁力研磨刷”而对工件表面起接触滑擦、挤压和微量切削等作用，使工件表面的弹塑性变形区域很小，因而加工变质层也很薄，工件表面大量毛刺得以去除；另外由于加工过程中工件表面凸起处的塑变磨损相对较大，最终沟壑型机械划痕消失，获得光滑的工件表面。以机械油为研磨液的加工表面形貌好于以煤油为研磨液的加工表面。这是由于机械油更易在工件表面形成一层物理吸附膜，对磨粒有浸润作用，增强了磁性磨料的流动性，提高了研磨效率，同时降低了工件表面磨削热，防止微小切屑压入工件表面，促进了磁性磨粒的磨削光整作用。

图5　磁力研磨前后工件的三维表面形貌Figure 5　Three-dimensional surface morphologies of workpieces before and after magnetic abrasive finishing编者注：图5原为彩色，请见C1页。

3　结论

（1） 采用46#机械油为研磨液对导磁440c不锈钢进行磁力研磨的最佳工艺参数为：主轴转速2 500 r/min，加工间隙1.8 mm，进给速率60 mm/min，磨料填充量2.0 g。

（2） 以46#机械油为研磨液对导磁不锈钢进行磁力研磨后，工件表面粗糙度由0.381 μm降至0.032 μm，光整效果好于煤油。

（3） 采用研磨液进行磁力研磨后，工件表面大量毛刺得以去除，划痕消失，表面形貌改善。

［1］MUTHUKUMARAN V， SELLADURAI V， NANDHAKUMAR S， et al. Experimental investigation on corrosion and hardness of ion implanted AISI 316L stainless steel ［J］. Materials & Design， 2010， 31 （6）： 2813-2817.

［2］徐秀清， 魏丹， 俞莹滢， 等. Cl-浓度对含盐污水中10#碳钢腐蚀行为的影响［J］. 表面技术， 2013， 42 （4）： 59-61， 82.

［3］尹力， 曹顺安， 吴善宏， 等. Q235钢在海水及海水淡化一级RO产水中的腐蚀特性研究［J］. 表面技术， 2012， 41 （3）： 43-46.

［4］叶文君， 胡隆伟， 王川. 高碳马氏体不锈钢440C的热处理工艺［J］. 金属加工（热加工）， 2014 （3）： 46-47.

［5］THAMIZHMANII S， OMAR B B， SAPARUDIN S， et al. Surface roughness analyses on hard martensitic stainless steel by turning ［J］. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering， 2008， 26 （2）： 139-142.

［6］LIN C T， YANG L D， CHOW H M. Study of magnetic abrasive finishing in free-form surface operations using the Taguchi method ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2007， 34 （1/2）： 122-130.

［7］SINGH D K， JAIN V K， RAGHURAM V， et al. Analysis of surface texture generated by a flexible magnetic abrasive brush ［J］. Wear， 2005， 259 （7/12）：1254-1261.

［8］SINGH D K， JAIN V K， RAGHURAM V. Experimental investigations into forces acting during a magnetic abrasive finishing process ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2006， 30 （7/8）： 652-662.

［9］WANG A C， LEE S J. Study the characteristics of magnetic finishing with gel abrasive ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2009， 49 （14）：1063-1069.

［10］ 周锦进， 方建成， 徐文骥. 光整加工技术的研究与发展［J］. 制造技术与机床， 2004 （3）： 7-11.

［11］ KIM J D， CHOI M S. Study on magnetic polishing of free-form surfaces ［J］. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 1997， 37 （8）： 1179-1187.

［12］ JAIN V K， KUMAR P， BEHERA P K， et al. Effect of working gap and circumferential speed on the performance of magnetic abrasive finishing process ［J］. Wear， 2001， 250 （1/12）： 384-390.

［13］ KUMAR G， YADAV V. Temperature distribution in the workpiece due to plane magnetic abrasive finishing using FEM ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2009， 41 （11/12）： 1051-1058.

［14］ YAMAGUCHI H， KANG J， HASHIMOTO F. Metastable austenitic stainless steel tool for magnetic abrasive finishing ［J］. CIRP Annals - Manufacturing Technology， 2011， 60 （1）： 339-342.

［15］ KANG J， YAMAGUCHI H. Internal finishing of capillary tubes by magnetic abrasive finishing using a multiple pole-tip system ［J］. Precision Engineering， 2012，36 （3）： 510-516.

［ 编辑：周新莉 ］

Effect of grinding fluid on magnetic abrasive finishing efficiency of 440c stainless steel

// WU Hao， ZHANGGui-xiang

440c stainless steel was treated by magnetic abrasive finishing with 46# mechanical oil and kerosene as grinding fluid respectively. The process parameters of magnetic abrasive finishing were optimized through orthogonal test. The effects of the two kinds of grinding fluid on finishing efficiency of stainless steel surface were comparably studied from several aspects including surface roughness， weight loss of substrate， and three-dimensional surface morphology. The results showed that the finishing efficiency is preferable when using mechanical oil as grinding fluid. The optimal process conditions of magnetic abrasive finishing are as follows： rotation speed of spindle 2 500 r/min， machining gap 1.8 mm， feed rate 60 mm/min and filling amount of abrasives 2.0 g. After grinding under the optimal conditions， the surface roughness of workpiece was decreased from 0.381 μm to 0.032 μm and lots of bur and nick are removed， resulting in excellent mirror effect.

stainless steel； magnetic abrasive finishing； grinding fluid； surface morphology； roughness

TG580.68

A

1004 - 227X （2015） 03 - 0121 - 04

2014-09-26

2014-12-01

吴昊（1989-），男，山东淄博人，在读硕士研究生，主要研究方向为先进制造技术与设备。

张桂香，博士，副教授，（E-mail） zgx1999@126.com。