cBN-Fe磁性磨粒的制备工艺及性能.pdf

cBN-Fe 磁性磨粒的制备工艺及性能*马雨寒，张宝瑞，周长乐，陈保池，王大庆，田鑫，丁云龙（辽宁科技大学 机械工程与自动化学院,辽宁 鞍山 114051）摘要针对现有烧结法制备的磁性磨粒中研磨相材料硬度较低，对硬度高、导磁性差的钛合金等工件的研磨效果差，且硬度最高的金刚石材料无法作为研磨相用烧结法来制备磁性磨粒的问题，以 Fe 粉为基体，cBN粉末为研磨相，烧结制备 cBN-Fe 磁性磨粒；以 Ti-6A1-4V（TC4）板为研磨对象，用控制变量法探究烧结法制备的 cBN-Fe 磁性磨粒中烧结时间、升温速度、原料配比对其研磨性能的影响，确定其最佳的制备工艺参数；并以 45#钢和 202 不锈钢为研磨工件，比较 cBN-Fe 与烧结法制备的 Al2O3-Fe、SiC-Fe 3 种磁性磨粒研磨前后工件的表面粗糙度、表面形貌，探究不同磁性磨粒的研磨性能和使用寿命。结果表明：当 Fe 粉与 cBN 粉的质量比为 31，烧结温度为 1 150，烧结时间为 6 h，保温时间为 2 h，升温速度为 3.19/min 时，制备的cBN-Fe 磁性磨粒研磨性能最佳，优于烧结法制备的 Al2O3-Fe、SiC-Fe 磁性磨粒的，且其使用寿命分别是 Al2O3-Fe 磁性磨粒和 SiC-Fe 磁性磨粒的 1.6 倍和 1.3 倍。关键词烧结法；磁性磨粒；升温速度；原料配比 中图分类号TG73;TG58;TQ164文献标志码A文章编号1006-852X(2023)04-0422-10DOI 码10.13394/ki.jgszz.2022.0130收稿日期2022-08-15修回日期2022-11-30 随着先进制造技术的发展，航空航天、医用、精密器械等领域对机械构件的质量要求不断提高，也促使其光整加工技术快速发展，磁粒研磨光整加工技术即是其中的一种。磁粒研磨光整加工技术是利用磁性磨粒在磁场作用下，在工件表面仿形形成柔性磁粒刷，对工件表面进行研磨，达到光整加工的目的1。磁粒研磨因具有自锐性好、适应性好、研磨温升低、残余应力小等特点，且不受加工工件形状的影响，可对平面、曲面、内外圆、复杂小零件的表面进行光整加工2-3。目前，成熟的磁性磨粒制备工艺有黏接法4、烧结法5、雾化快凝法6、等离子喷涂法7、化学复合镀法8等，其中的烧结法具有制作工艺简单、结合强度高、成本低等优势。现有的磁性磨粒基本上以 SiC、Al2O3和金刚石等为研磨相。以 SiC、Al2O3为研磨相的磁性磨粒，因研磨相的硬度较低，在研磨加工硬度较高的金属材料时效率低，甚至无法研磨。金刚石硬度最高、尖锐锋利，适合用来加工非金属材料、有色金属及其合金等，因而被广泛用于加工硬质合金、陶瓷、光学玻璃、宝石、半导体、石材等硬而脆的材料。潘韩飞9用化学复合镀制备铁基金刚石磁性磨粒，探究了铁粉装载量、金刚石磨料浓度、搅拌速度等对金刚石磁性磨粒表面形貌的影响，用其加工石英，石英表面粗糙度虽有下降，但研磨后石英的表面质量较差。牛凤丽等10采用烧结法制备铁基白刚玉磁性磨粒，并用其对 3Cr2Mo 模具钢材料进行磁力研磨，以此确定了磨粒的最佳制备工艺参数。康璐等11采用烧结法制备 SiC-Fe 磁性磨粒，通过对磁性研磨粒子进行能谱分析，结合钛合金板磁力研磨试验评价研磨粒子的研磨能力，确定了合理的磁性研磨粒子工艺制备参数。贺美云等12-13在试验中得出，加工 45#钢时烧结法制备的 Al2O3-Fe 磁性磨粒的磨削性能优于 SiC-Fe 磁性磨粒的。理论上磁性磨料中研磨相的硬度越高，磁性磨粒的研磨效果和研磨质量越好。硬度最高的材料是金刚石，其次是立方氮化硼（cBN）。但金刚石的热稳定性差，当温度超过 900 时就会碳化；另一方面，高温 *基金项目：辽宁省教育厅科学研究经费（2019LNQN01）；辽宁省科技厅博士启动经费（2021-BS-241）。2023 年 8 月 第 4 期金刚石与磨料磨具工程Aug.2023第 43 卷 总第 256 期Diamond&Abrasives EngineeringNo.4 Vol.43 Serial 256下金刚石易与铁发生反应，不能用来加工钢铁类材料14。cBN 是一种人工合成的超硬材料，其原子结构近似于金刚石的，硬度仅次于金刚石，且密度极高15，被广泛用于刀具行业和超硬工具中16，加工比较难磨的金属材料尤其是工具钢、模具钢、不锈钢、耐热合金钢等。同时，cBN 的耐热温度达 1 400，化学惰性较好，高温下不易与铁反应；且 cBN 具有弱的铁磁性，是烧结法制备磁性磨粒理想的研磨相材料。因此，以 Fe 粉为基体，cBN 粉末为研磨相，烧结制备 cBN-Fe 磁性磨粒，解决现有研磨相硬度低，对硬脆工件加工效果差，且金刚石无法作为研磨相来烧结制备磁性磨粒的问题。通过对不导磁的硬脆材料 Ti-6A1-4V（TC4）板的研磨效果，确定烧结法制备磁性磨粒的最佳工艺参数。并以 45#钢和 202 不锈钢为研磨工件，使其与烧结法制备的 SiC-Fe、Al2O3-Fe 磁性磨粒的研磨质量对比，通过比较工件研磨前后的表面粗糙度、表面形貌，探究 3 种磁性磨粒的研磨性能和使用寿命。1烧结法制备磁性磨粒工艺烧结法制备磁性磨粒的原理是基于粉末冶金理论，其制备流程如图 1 所示：将一定质量比的铁基体和研磨相混合均匀后再加入黏接剂（黏接剂选用 PVA 粉和适量的蒸馏水），继续搅拌混合均匀；再将均匀混合的粉末倒入模具，用液压机压制坯体；然后使用干燥箱对压制成形的胚体进行干燥，去除胚体内多余水分，干燥时间为 8 h，干燥温度为 100；后将干燥的坯体放入真空加热炉中烧结；待坯体自然冷却后，用破碎机破碎，采用专业工具吸取磁性颗粒，去除没有磁性的废料杂质；将破碎后的颗粒放进振动筛，经过不同目数的筛网筛分，最终得到不同粒径的磁性磨粒。Fe+研磨相黏接剂压力机干燥箱干燥压坯备料混合黏接筛分粉碎冷却烧结烧结炉空冷粉碎机标准筛图1烧结法制备磁性磨粒流程图Fig.1Flowchartofpreparationofmagneticabrasiveparticlesbysintering铁基体与研磨相的结合强度是影响磁性磨粒性能的重要因素之一。因此，制备工艺中对原料配比、烧结时间和升温速度的控制至关重要。其中的升温速度过快或过慢，都会影响铁基相和研磨相的结合强度，进而影响其研磨相状态，导致磁性磨粒质量改变。2制备工艺对 cBN-Fe 磨粒性能的影响为研究制备工艺中原料配比、升温时间和升温速度对磁性磨粒性能的影响，采用控制变量法在不同原料配比、烧结时间、升温速度条件下烧结 cBN-Fe 磁性磨粒，破碎筛分后选用基本颗粒尺寸为 250 m（60 目）的磁性磨粒对TC4 板（尺寸为50 mm 50 mm 50 mm）进行研磨试验，探究不同因素对磁性磨粒研磨性能的影响。图 2 为基于 H5 炮塔立式铣床改造的磁性磨粒光整加工装置。图 2 中：磁极吸附磁性磨粒形成磁粒刷，并由主轴带动高速旋转，与计算机和控制器共同控制的旋转移动平台上的旋转试验工件往复平移接触，完成工件的光整加工。由于研磨加工时，磁感应线无法穿过 TC4 钛合金工件而形成闭合回路，受到的磁场力较小，且磁粒刷中磁性磨粒间彼此吸附力小，导致磁性磨粒在高转速下易飞离研磨区域，影响研磨效率，因此设定研磨总时长为 18 min；为防止磨料堆积及研磨压力小导致的研磨效率低，故选择加工间隙为 2 mm；研磨时加入 SH-190 水基研磨液，润滑的同时确保加工区域温度不会过高。研磨试验条件如表 1 所示。研磨试验后，通过 VHX-500F 超景深 3D 电子显微镜，观察TC4 工件研磨前后的微观形貌；利用 JB-8E 触针式表面粗糙度测量仪测量研磨前后工件的表面粗糙度，以随机选取的 6 处位置测量结果的平均值作为最终的表面粗糙度值。磁极磨粒刷主轴旋转移动平台计算机控制器图2磁粒研磨光整加工装置Fig.2Magneticabrasivefinishingdevice 第 4 期马雨寒，等：cBN-Fe 磁性磨粒的制备工艺及性能423表1试验条件Tab.1Experimentalcondition参数取值SH-190水基研磨液体积 V/mL 5主轴转速 n1/(rmin1)1 500工件进给速度 vw/(mms1)1工件转速 n2/(rmin1)10加工间隙 d/mm 2 2.1原料配比的影响磁性磨粒中铁基体含量在总原料中所占比例决定了磁性磨粒的相对磁导率，其相对磁导率 m可由下式表示：m=FeababVFe+FeVab（1）式中：Fe为铁基体相对磁导率；ab为 cBN 研磨相相对磁导率；VFe为铁基体的体积分数，Vab为研磨相的体积分数，VFe+Vab=100%。根据磁性磨粒制备时所选材料可知 Feab，因而研磨相的相对磁导率可忽略不计。由式（1）可知：铁基体的体积分数增大时，磁性磨粒的相对磁导率增大。图 3 为磁性磨粒不同体积占比示意图。如图 3a所示：若铁基相占比过大，研磨相占比就会减小，磁性磨粒上的切削刃随之减少，导致其研磨效率低。如图 3b所示：当研磨相体积占比过大时，虽然磨粒上的切削刃增多但其相对磁导率降低（见式（1），研磨时的研磨压力小，也影响磁粒研磨加工的表面质量17-19。铁基体研磨相铁基体研磨相(a)铁基体占比大Large proportion of iron matrix(b)研磨相占比大Large proportion of grinding phase图3磁性磨粒不同体积占比示意图Fig.3Schematicdiagramofdifferentvolumeproportionsofmagneticabrasiveparticles 因此，铁基体与研磨相的配比是影响磁性磨粒性能的重要因素，也是烧结法制备工艺中重要的参数之一。与此同时，当铁基相和研磨相的粒径比 A=1.333.32 时，磁性磨粒的研磨效果达到最佳20。因此，试验选取平均粒径为 178 m（80 目）的铁粉，平均粒径为75 m（200 目）的cBN 粉末，其粒径比A=2.37 满足要求。用型号为 JD1000-3 的精密电子天平称取 3 组总质量为 100.0 g 的原料进行混合，其中铁粉、cBN 粉组合分别为 66.7 g、33.3 g，75.0 g、25.0 g，80.0 g、20.0 g，制备出铁与 cBN 原料质量配比为 21、31、41 的磁性磨粒，分别标记为 MAP-1、MAP-2、MAP-3。同时，添加的黏接剂 PVA 质量为 4.0 g，蒸馏水体积为 10 mL。根据图 1 流程压制及烧结磁性磨粒时，压力选择 90 kN，干燥时间为8 h，干燥温度为100。根据文献21，在1 1001 300 的烧结温度下，铁基体的熔化程度适中，可以促进铁基体与研磨相间的流动传质、扩散传质等过程。因此，选择烧结温度为 1 150，保温时间为 2 h，烧结时间为 4 h，升温速度为 4.79/min 的烧结条件进行烧结得到块体，后块体经粉碎、吸取磁性颗粒、筛分得到基本颗粒尺寸 250 m（60 目）的磁性磨粒用于 TC4板的后续研磨试验。图 4 为磁性磨粒产量与废料比例关系。其中：不具备铁磁性的粉体颗粒不能进行磁性研磨光整加工，被称为废料；具备铁磁性的粉体颗粒可成功制备磁性磨粒。从图 4 易知：MAP-1 的废料率最高，可能是因为其中的 cBN 研磨相质量占比高，研磨相未与铁基相充分接触而结合，也可能是因为破碎时研磨相与铁基相脱离造成。MAP-2，MAP-3 的磁性磨粒占比较理想且彼此相差不大。MAP-1MAP-2MAP-352%75%81%48%25%19%磁性磨粒废料图4磁性磨粒产量与废料比例关系Fig.4Relationshipbetweenmagneticabrasivegrainyieldandwasteratio 图 5 为 3 种磁性磨粒的原子成分及能谱分析图，图中显示了磁性磨粒表面 B、N、Fe 元素的质量分数。由图 5 可知：MAP-2 的 B 和 N 元素含量较高，结合图 4，说明 MAP-2 的原料配比合理，磁性磨粒铁基体表面的研磨相包覆效果较好；MAP-1 的 B 和 N 元素含量最高，结合图 4，其废料率高，可推测其原料配比使得 cBN 颗粒过多，接近饱和，使得 cBN 颗粒无法与 Fe 颗粒接触424金刚石与磨料磨具工程总第 256 期结合，且其铁基体表面覆盖的 cBN 颗粒处于接近饱和的状态；MAP-3 中的 Fe 元素含量最高，说明其原料配比使得磁性磨粒表面的 cBN 颗粒少，未能完全覆盖铁基相，而使 Fe 基体裸露。102345678E/keVFeFeN38.77%46.38%14.85%MAP-1FeBN102345678E/keVFe FeFeNBB33.82%45.54%20.64%MAP-2FeBN102345678E/keVFeFeFeNB28.43%36.38%35.19%MAP-3FeBN(a)MAP-1(b)MAP-2(c)MAP-3图5磁性磨粒的原子质量分数和能谱分析图Fig.5Atomicmassfractionandenergyspectrumanalysisofmagneticabrasiveparticles 表 1 条件下 3 种磁性磨粒研磨后的 TC4 板表面粗糙度随时间变化的曲线如图 6 所示。由图 6 可以看出：MAP-1 时的工件表面粗糙度下降最快，表明其研磨效率最高，研磨 18 min 后工件的表面粗糙度 Ra达 0.163m；研磨 12 min 后 Ra达 0.206 m，且基本趋于稳定。这是由于 MAP-1 表面的研磨相最多，也就是切削刃最多，所以其加工效率最高，工件表面粗糙度下降最快；MAP-2 研磨 18 min 后的研磨效果仅次于 MAP-1 的，其Ra为 0.209 m；MAP-3 的研磨效果和研磨效率最差，研磨 18 min 后的 Ra最终降到 0.307 m，且研磨 15 min 后其表面粗糙度 Ra基本趋于稳定。TC4 板加工前后的表面形貌如图 7 所示。由图 7a可知，TC4 板原始表面有麻点、划痕且表面纹理粗糙。用 MAP-1 磁性磨粒研磨 18 min 后，由于其研磨相最多，在相同时间内有更多的切削刃参与研磨，磨削后工件的表面质量最好，达到最佳的研磨效果，研磨后 TC4 板表面的纹理细腻，原始缺陷被完全去除（图 7b）。MAP-2 的研磨效果虽然比 MAP-1 的有所降低，但依然可以有效去除 TC4 板表面的原始缺陷，满足工件表面抛光需求（图 7c）。由于 MAP-3 的切削刃最少，所以MAP-3 的研磨效率和研磨效果为 3 组中最差的，但仍能基本去除 TC4 板表面的原始缺陷（图 7d）。36912时间 t/min1518MAP-1MAP-2MAP-300.200.400.600.801.001.201.401.601.80表面粗糙度 Ra/m图6原料配比对工件表面粗糙度的影响Fig.6Effectofrawmaterialratiosonsurfaceroughnessofworkpiece 100 m(a)工件表面原始形貌Original topography of workpiecesurface(b)用 MAP-1 研磨 18 min 后After grinding 18 min with MAP-1(c)MAP-2 研磨 18 min 后After grinding 18 min with MAP-2(d)MAP-3 研磨 18 min 后After grinding 18 min with MAP-3100 m100 m100 m图7研磨前后 TC4 的表面微观形貌Fig.7SurfacemicromorphologyofTC4beforeandaftergrinding 总的看来，烧结法制备 cBN-Fe 磁性磨粒时铁与cBN 原料质量配比为 21 时，制备的磁性磨粒虽然研磨效率和研磨质量最好，但废料率高，造成了原料浪费；当原料配比为 31 时，研磨质量和效率较好，满足工件表面光整加工的要求且磨粒成品率高，不会造成浪费：当原料配比为 41 时，磁性磨粒表面的研磨项包覆效果差，研磨效率和质量最差。所以，制备磁性磨粒第 4 期马雨寒，等：cBN-Fe 磁性磨粒的制备工艺及性能425时宜选择的铁与 cBN 原料质量配比为 31，在保证加工质量的同时，也保证了磨粒产量，最大化地运用原材料而节约成本。2.2烧结时间和升温速度的影响压制后的坯体内仍存在气体和孔隙，且铁基相和研磨相的结合方式是不牢固的物理结合。烧结时间和升温速度影响铁基体与研磨相间的浸润性，同时也会影响坯体内气体的排出和烧结后坯体的密度，从而影响制备的磁性磨粒的结合强度。适当的烧结时间和升温速度，可在铁基相和研磨相间产生烧结颈使二者嵌合。烧结时间不足，升温速度过快，坯体内的气体、水分等无法排出，铁基相熔融不充分，铁基体和研磨相的结合强度低，废料率高；烧结时间过长，升温速度过慢，铁基体过熔包覆研磨相，不易破碎的同时研磨效率降低。同样，升温速度快慢的影响效果与烧结时间的相同。由 2.1 节知铁与 cBN 最佳原料配比为 31，此时唯 一 变 量 烧 结 时 间 分 别为 4 h、6 h 和 8 h（升 温速度分别对应 4.79/min、3.19/min 和 2.40/min），其他条件与 MAP-1、MAP-2 和 MAP-3 的完全相同，压制及烧结 3 组磁性磨粒，烧结坯体及磁性磨粒编号分别为 MAP-4、MAP-5 和 MAP-6。MAP-4、MAP-5 和 MAP-6 烧结坯体的外观形貌如图 8 所示。图 8a 的 MAP-4 坯体表面出现裂纹，坯体边缘保形差，颗粒结合不牢固。由于烧结时间为 4 h，坯体内排出的气体阻碍了铁基相粒子和 cBN 粒子间的相互运动，无法消除二者间的间隙，坯体中心受热慢，铁基相熔融不完全，导致铁基相和研磨相之间的结合强度低。因此，极容易破碎，且废料较多。图 8b 中烧结时间为 6 h 的 MAP-5，其坯体与烧结前的未发生明显变化，边缘保形良好，表面致密光滑，具有光泽。这是因为在烧结时间为 6 h 时，除了排出气体外没有其他阻碍烧结的因素，铁基相在达到熔而不化的状态后有充分的时间与研磨相相互运动至嵌合，其破碎时较为困难，磁性磨粒废料少、产量高。烧结时间为 8 h 的 MAP-6坯体（图 8c）已完全变形，表面出现孔洞。这是由于烧结时间过长，铁基相粒子过熔出现了团聚现象。破碎时极为困难，废料较多。分别对 MAP-4、MAP-5 和 MAP-6 烧结后的坯体进行破碎、吸磁抛弃废料、吸磁料筛分，后选用平均粒径为 250 m（60 目）的 3 种磁性磨粒进行磨削试验。图 9 为在表 1 研磨条件下用 MAP-4、MAP-5、MAP-6 研磨相同的 TC4 板后其表面粗糙度随加工时间的变化。图 10 为 MAP-4、MAP-5、MAP-6 加工后 TC4 板的表面形貌。由图 9 可知：MAP-5 时的表面粗糙度最低，其研磨效率最高，研磨效果最好，研磨 18 min 后工件的表面粗糙度 Ra下降到 0.122 m。结合图 7a、图 10b，TC4 板表面的原始缺陷已被去除，表面纹理细腻，满足抛光需求。这是因为 MAP-5 的烧结时间充足，铁基相粒子与研磨相粒子结合强度高，制备出的磁性磨粒切削能力强，磨削性能好；MAP-4 前 12 min 的研磨效果较好，研磨 12 min 时 工 件 表 面 粗 糙 度 Ra由 1.576 m 下 降 至0.395 m，但继续研磨工件表面粗糙度反而上升。且结合图 10a 可知：此时的 TC4 板表面的原始纹理得到部分去除，但仍存有较深的沟痕和麻点。这可能是由于MAP-4 的烧结时间过短，铁基相粒子与研磨相粒子的结合强度低，研磨 12 min 后切削刃从磁性磨粒上脱落并继续参与研磨，划伤了工件表面，导致工件表面粗糙度上升；MAP-6 的研磨效果最差，研磨效率最低。研磨 18 min 后，工件表面粗糙度由1.552 m 下降到0.473 m，且研磨 12 min 后工件表面粗糙度趋于平稳。结合图 10d(a)MAP-4(b)MAP-5(c)MAP-6图8不同烧结时间下烧结的坯体形貌Fig.8Morphologiesofgreenbodiessinteredatdifferentsinteringtimes 36912时间 t/min1518MAP-4MAP-5MAP-600.200.400.600.801.001.201.401.60表面粗糙度 Ra/m图9加工时间对工件表面粗糙度的影响Fig.9Influenceofmachiningtimeonsurfaceroughnessofworkpiece426金刚石与磨料磨具工程总第 256 期的结果发现：TC4 板表面的原始纹理有小部分去除，但仍存有大量缺陷。这是由于 MAP-6 的烧结时间过长，铁基相粒子深度嵌合研磨相粒子，导致切削刃变短，使其研磨效率下降。(a)MAP-4 研磨 12 minGrinding 12 min with MAP-4100 m100 m100 m(b)MAP-5 研磨 18 minGrinding 18 min with MAP-5(c)MAP-6 研磨 18 minGrinding 18 min with MAP-6图10研磨后 TC4 表面微观形貌Fig.10SurfacemicromorphologyofTC4aftergrinding 因此，当烧结时间为 6 h，升温速度为 3.19/min时，坯体可排出阻碍铁基相粒子和研磨相粒子结合的气体，熔融态的铁基相粒子可充分流动，与研磨相粒子充分结合，在不会产生熔融团聚的同时保证磁性磨粒的切削力和使用寿命。3cBN-Fe 磁性磨料性能研究3.1方案设计试 验 用的 3 种 不 同 磁 性 磨 粒 cBN-Fe、SiC-Fe、Al2O3-Fe 全部采用烧结法制备，其中 Fe 的平均粒径为178 m（80 目），cBN、SiC 和 Al2O3研磨相的平均粒径为 75 m（200 目），并在表 2 的最佳制备工艺参数条件下11-12制得平均粒径为 250 m 的 cBN-Fe、SiC-Fe、Al2O3-Fe 3 种不同磁性磨粒。分别用 3 种不同的磁性磨粒对 45#钢和 202 不锈钢（尺寸都为 30 mm 30 mm 5 mm）板进行研磨，对比 cBN-Fe 磁性磨粒与 SiC-Fe 和 Al2O3-Fe 磁性磨粒的铁磁性能和使用寿命间的差异。研磨时主轴转速为1 000 r/min，SH-190 水基研磨液为3 mL。为保证有足够的磁性磨粒参与研磨，加工间隙选择 2 mm，其他试验参数见表 1。表23 种磁性磨粒制备参数Tab.2Threepreparationparametersofmagneticabrasiveparticles参数名称取值cBN-Fe质量比 R131SiC-Fe、Al2O3-Fe质量比 R221cBN-Fe压制力 p1/kN 90SiC-Fe压制力 p2/kN 110Al2O3-Fe压制力 p3/kN 75cBN-Fe、SiC-Fe烧结温度 1/1 150Al2O3-Fe烧结温度 2/1 200cBN-Fe、SiC-Fe、Al2O3-Fe烧结时间 t1/h 6cBN-Fe、Al2O3-Fe保温时间 t2/h 2SiC-Fe保温时间 t3/h 3 3.2磁性磨粒的铁磁性能研磨工件时，磁性磨粒向工件施加的压力决定了材料去除量，从而影响其研磨效果和研磨效率，而磁性磨粒施加压力的大小受磁性磨粒铁磁性的影响。在相同磁场强度下，铁磁性好的磁性磨粒可以提供更大的研磨压力。同时，铁磁性能好的磁性磨粒的团聚性更好，在加工间隙小、转速高的加工条件下，较铁磁性差的磁性磨粒更难脱离研磨区域，确保研磨区域内有足够的切削刃参与研磨。评判磁性磨粒的铁磁性能，保证其研磨效率和加工质量，主要通过饱和磁化强度 Ms和矫顽力 Hc 2 个指标来衡量。饱和磁化强度是指磁性材料在外加磁场中被磁化时所能达到的最大磁化强度。磁性磨粒的饱和磁化强度越大，磁场的感应灵敏度越强，磁化速度越快，相对磁导率更高，其铁磁性能越好，工作时磁性磨粒向工件施加的研磨压力和彼此间团聚力更强。磁性磨粒饱和磁化后，当外磁场退回至 0 时，其磁感应强度并不能退回至 0，只有在外加磁场反方向上施加一定大小的磁场，才能将磁感应强度退回至 0，施加的这个磁场称为矫顽磁场，又称矫顽力22。使用型号为 YP07-VSM-130 的振动样品磁强计检测 3 种磁性磨粒的铁磁性能，测量数据经处理后得到磁性磨粒的磁化曲线，如图 11 所示。由图 11 可知：随着外加磁场强度增大，磁性磨粒的磁化强度也不断增大，但当磁场强度增大到一定数值时，磁性磨粒的磁化强度不再随磁场强度的增大而变化。3 种磁性磨粒具体的铁磁性能参数对比结果见第 4 期马雨寒，等：cBN-Fe 磁性磨粒的制备工艺及性能427表 3。表 3 中：cBN-Fe 磁性磨粒的饱和磁化强度最大且矫顽力适中，可向工件表面施加足够的研磨压力，并提升磨粒刷的团聚能力，可有效磨削工件表面，提高研磨效率。15 000 10 000 5 00005 000磁场强度 H/Oe10 00015 000cBN-FeSiC-FeAl2O3-Fe12018060060120180磁化强度 Ms/(emug1)图11磁性磨粒的磁化曲线Fig.11Magnetizationcurvesofmagneticabrasiveparticles 表33 种磁性磨粒铁磁性能对比Tab.3Comparisonofferromagneticpropertiesofthreekindsofmagneticabrasivegrains名称饱和磁化强度 Ms/（emug1）矫顽力 Hc/OecBN-Fe133.152.4SiC-Fe 92.245.7Al2O3-Fe 75.793.6 3.3磁性磨粒的研磨性选用 3.1 中烧结法制备的 cBN-Fe、Al2O3-Fe 和 SiC-Fe 3 种磁性磨粒各 10 g，分别研磨 45#钢板工件，仍在图 2 的立式车床上进行研磨。图 12 为 45#钢表面粗糙度随研磨时间变化的关系曲线。图13 为45#钢板研磨前后的表面微观形貌。由图12可知：cBN-Fe 磁性磨粒的研磨效率最高，在研磨 12 min后，研磨效果达到最佳，45#钢板的表面粗糙度 Ra由1.210 m 下降至 0.068 m，且继续研磨的工件表面粗糙度无明显变化。结合图 13b 发现在研磨 12 min 后，工件表面的原始缺陷已被完全去除，表面纹理细腻，加工效果理想；SiC-Fe 磁性磨粒的研磨效率较 cBN-Fe 磁性磨粒的差，在研磨 18 min 后，45#钢板的表面粗糙度 Ra由 1.195 m 下降至 0.218 m，为最佳研磨效果，继续研磨 3 min 后，工件表面粗糙度无明显变化。结合图 13c发现，SiC-Fe 磁性磨粒研磨 18 min 后，45#钢板表面仍存在少量的划痕和麻点；Al2O3-Fe 磁性磨粒的研磨效率与 SiC-Fe 磁性磨粒的研磨效率相差不大，研磨 15 min后，研磨效果达到最佳，45#钢板的表面粗糙度从 1.162 m下降至 0.385 m。结合图 13d 可知，Al2O3-Fe 磁性磨粒研磨 15 min 后，工件表面仍存在较多划痕和麻点，研磨效果为 3 组中最差的。36912时间 t/min15211800.200.400.600.801.001.20表面粗糙度 Ra/mcBN-FeSiC-FeAl2O3-Fe图1245#钢表面粗糙度随时间的变化Fig.12Variationofsurfaceroughnessof45#steelwithtimes 100 m100 m100 m100 m(a)工件表面原始形貌Original topography of workpiecesurface(b)cBN-Fe 研磨 12 minGrinding 12 min with cBN-Fe(c)SiC-Fe 研磨 18 minGrinding 18 min with SiC-Fe(d)Al2O3-Fe 研磨 15 minGrinding 15 min with Al2O3-Fe图1345#钢研磨前后的表面微观形貌Fig.13Surfacemorphologyof45#steelbeforeandaftergrinding 3.4磁性磨粒的使用寿命将磁性磨粒在研磨过程中丧失自锐性后工件表面粗糙度不再有明显变化的时间，视为该磁性磨粒在本次研磨过程中的使用寿命。选用基本颗粒尺寸为 150 m（100 目）的小粒径磁性磨粒以降低研磨效率，因而有更充足的时间对比 3 种磁性磨粒的使用寿命，研磨对象为 202 不锈钢板。在图 2 的立式车床上对 202 不锈428金刚石与磨料磨具工程总第 256 期钢板进行研磨加工，研磨加工时主轴转速为 1 000 r/min，其他加工条件见表 1。加工完成后，使用 JB-8E 触针式表面粗糙度测量仪和 JD1000-3 精密电子天平对 202 不锈钢的表面粗糙度以及去除量进行测量和称量，以工件的表面粗糙度和材料去除量衡量磁性磨粒的寿命。图 14 为磁性磨粒寿命对比分析曲线。6121824时间 t/min(a)表面粗糙度随时间变化的曲线Variation curve of surface roughness with time30423600.400.801.201.602.002.40表面粗糙度 Ra/mcBN-FeSiC-FeAl2O3-Fe6121824时间 t/min(b)材料去除量随时间变化的曲线Curve of material removal amount with time304236020406080100材料去除量 m/mgcBN-FeSiC-FeAl2O3-Fe图14磁性磨粒寿命对比分析Fig.14Comparativeanalysisofmagneticabrasivelife 由图 14 可知：cBN-Fe 磁性磨粒研磨的工件表面粗糙度最低，材料去除量最高，且其具有稳定的研磨能力。研磨约 40 min 时，工件表面粗糙度由 2.176 m 下降至0.070 m；同时，cBN-Fe 磁性磨粒在研磨 36 min 时，工件的材料去除量达到稳定，此后延长时间无明显变化；SiC-Fe 磁性磨粒研磨的工件表面粗糙度及研磨效率次之。在研磨 30 min 时，因 SiC-Fe 磁性磨粒中 SiC 开始脱落，工件表面粗糙度最小，随后随之上升，但变化不大。此时的工件材料去除量最大，此后随时间增加无明显变化。在研磨时间为 42 min 时，最终材料去除量约为 51 mg，表面粗糙度 Ra约为 0.400 m；Al2O3-Fe 磁性磨粒的研磨效率最低，材料的表面粗糙度最大、材料去除量最小。是因为磁性磨粒失效时间最早，在研磨时间为 24 min 时，工件表面粗糙度下降至 0.640 m，约 36 min 后由于磁性磨粒研磨相脱落，划伤试验工件表面，导致其表面粗糙度上升。另外，cBN-Fe 磁性磨粒的使用寿命最长，有效研磨时间为 40 min,使用寿命是 SiC-Fe 磁 性 磨 粒（有 效 研 磨 时 间 为 30 min）的1.3 倍，是 Al2O3-Fe 磁性磨粒（有效研磨时间为 24 min）的 1.6 倍。4结论（1）烧结法制备的 cBN-Fe 磁性磨粒适用于多种金属材料的研磨加工，对应用广泛、加工条件苛刻的TC4 板的研磨加工效果较理想。（2）烧结法制备的 cBN-Fe 磁性磨粒铁粉与 cBN粉的质量比为 31 时，磁性磨粒的产量较高，磨削性能较好。（3）当烧结时间为 6 h，保温时间为 2 h，升温速度为 3.19/min 时，铁基相与 cBN 研磨相的结合强度高，磨削性能好，磁性磨粒的使用寿命长。选用平均粒径为 250 m 的 cBN-Fe 磁性磨粒研磨 TC4 板 18 min 后，其表面粗糙度 Ra达到 0.122 m。且其研磨效果优于同等试验条件下制备的 Al2O3-Fe 和 SiC-Fe 磁性磨粒的。用其研磨 45#钢，研磨 12 min 后的 Ra为 0.068 m。（4）cBN-Fe 磁 性 磨 粒 的 饱 和 磁 化 强 度 Ms为133.1 emu/g，矫顽力为 52.4 Oe，相较 Al2O3-Fe 和 SiC-Fe磁性磨粒具有最优铁磁性。在研磨过程中，能向工件施加更大研磨压力，同时不易脱离研磨区域，且不会吸附于工件表面，从而提高了研磨效率。（5）当 Fe 粉与 cBN 粉的原料质量比为 31，烧结温度为 1 150，烧结时间为 6 h，保温时间为 2 h，升温速度为 3.19/min 时，制备的 cBN-Fe 磁性磨粒研磨性能最佳。用其对 202 不锈钢进行对比研磨试验，与同等条件下制备的 Al2O3-Fe 和 SiC-Fe 磁性磨粒比，cBN-Fe 磁性磨粒的使用寿命最长，研磨效果最好，效率更高且具有稳定的加工质量；其使用寿命是 Al2O3-Fe 磁性磨粒的 1.6 倍，是 SiC-Fe 磁性磨粒的 1.3 倍。参考文献：SHINMURA T,TAKAZAWA K,HATANO E,et al.Study on magneticabrasive finishing J.CIRP Annals，1990，39(1)：325-328.1第 4 期马雨寒，等：cBN-Fe 磁性磨粒的制备工艺及性能429SHINMURA T,YAMAGUCHI H.Study on a new internal finishingprocess by application magnetic abrasive machining(internal finishing ofstainless steel tube and clean gas bombs)J.Transactions of the JapanSociety of Mechanical Engineering Series C，1993，59(560)：1261-1267.2SHINMURA T,AIZAWA T.Study on internal finishing of a non-ferromagnetic tubing by magnetic abrasive machining process J.Bulletin of the Japan Society of Precision Engineering，1988，54(4)：767-773.3白旭.磁性磨粒的溶胶凝胶法制备工艺及其性能研究 D.太原:太原理工大学,2019.BAI Xu.Preparation and properties of magnetic abrasive particles by sol-gel method D.Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2019.4张旭.烧结磁性磨料制备过程分析及工艺优化 D.鞍山:辽宁科技大学,2013.ZHANG Xu.Mechanism study and process control of sintering magneticabrasive D.Anshan:Liaoning University of Science and Technology,2013.5张桂香.雾化快凝磁性磨料制备及其磁力光整加工性能研究 D.南京:南京航空航天大学,2012.ZHANG Guixiang.Study on preparation of magnetic abrasives by gasatomization with rapid solidification and their finishing performance D.Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and A