本科毕业论文---光整加工技术.doc

学院****届毕业论文
目录
1绪论 1
2光整加工技术研究现状 5
2.1发展历史 5
2.1.1 国外光整加工的发展历史 5
2.1.2 国内光整加工的发展历史 6
2.2研究现状 6
2.2.1 手工、机械光整加工 8
2.2.2 非传统光整加工 9
2.2.3 复合非传统光整加工 11
3典型光整加工技术 14
3.1磁力研磨加工原理及特点 14
3.1.1加工原理 14
3.1.2加工特点[17] 19
3.1.3典型加工设备 19
3.2磁流变光整加工机理 22
3.2.1磁流变光整加工原理 22
3.2.2磁流变液流变特性 24
3.2.3磁流变液粒子作用 25
3.2.4磁场磁路设计分析 26
3.2.5磁流变加工算法与模型的研究 26
3.2.6磁流变流体开发技术 28
3.2.7磁流变光整加工技术关键问题 30
4应用及发展趋势 33
4.1 磁力研磨的发展及发展趋势 33
4.1.1磁力研磨的分类 33
4.1.2磁力研磨的应用 34
4.1.3磁力研磨的发展趋势 36

第I页 共 II 页

4.2磁流变光整加工的应用及其发展趋势 37
4.2.1 磁流变液体工业应用 37
4.2.2 磁流变的发展趋势 38
5总结与展望 40
5.1 总结 40
5.2 展望 40
参考文献 41
致谢 45

第 II 页 共 II 页

1绪论
随着工业的发展，对零件的表面光整加工技术和棱边精加工提出越来越高的要求。光整加工技术正是以提高零件表面质量作为出发点，经过光整加工的零件表面具有低的表面粗糙度和良好的表面微观几何形貌，不仅具有良好的外观质量，而且还有耐磨、防腐蚀和抗疲劳等作用。在国外精加工领域中，人们正通过各种渠道，借助多种能量形式，探索新的工艺途径。国际上目前采用的光整加工的方法主要有：手工抛光、机械研磨抛光、超声波抛光、化学与电化学抛光、电化学机械光整加工、磁力研磨等[1-2]。其中，手工抛光是最常用的光整加工方法，这种方法不仅劳动强度大，加工效率低，而且对工人的技术熟练程度要求高。超声波抛光也是一种手工操作的辅助抛光方式，主要用于槽、缝、边角等人的手指难触及部位的抛光，这种抛光方式的加工效率非常低。相比之下，化学、电化学抛光和电化学机械光整加工的加工效率则要高得多，由于这三种加工方式属于腐蚀和溶解加工，对材料的硬度、韧性和强度等几乎不受任何限制，目前己经在内、外圆柱表面的镜面加工中获得了应用。虽然化学、电化学和电化学机械光整加工方法有着很高的加工效率，但由于影响它们的加工因素很多，难于控制，对环境和工人的健康也有一定程度的危害，其应用范围受到很大的制约，目前还仅能用于一些简单型面或小的复杂工件表面的光整加工。尽管目前的精加工方法很多，但仍然难以满足所有产品的精度需要。
市场经济给制造业带来了机遇，也带来了严峻的挑战。据报道，工业化国家的真实财富中有60%～80%是制造业创造的，因此制造技术已成为我国目前赶超世界发达国家经济水平并获得成功的关键技术。为了改变我国制造业落后的现状，专家们极力倡导制造过程的自动化、柔性化、智能化、敏捷化、集成化。最终目标就是要解决好产品质量、加工精度、生产效率和制造成本，提高产品的市场占有率，增强出口创汇能力。这也是制造技术面临的重大课题。
光整加工是指被加工对象表面质量得到大幅度提高的同时，实现精度的稳定甚至提高加工精度等级的一种技术，是先进制造技术的一个重要组成部分。光整加工工艺不同，零件的表面质量也不同，致使零件的使用性能和寿命也不同，如表1所示。从表中可知，机械光整加工的微观表面形貌为尖峰状，此时的摩擦系数大，在摩擦时容易磨损，初磨损量大，精度保持性差。同时由于磨具的强力挤压，尖点金属产生塑性流动而被挤入微观凹坑内，掩盖了真实的表面形貌。使用一段时间以后，由于疲劳磨损而剥离，使表面质量更差;而非传统及复合光整加工的微观表面形貌为波浪或圆弧凹坑，摩擦系数小，初磨损量小，轮廓支承长度率高，精度保持性好，耐磨、耐腐蚀、耐疲劳性能得到显著提高。以大量使用的齿轮和轴承为例，六级精度齿轮经过电化学光整加工以后，能降低齿面粗糙度值，纠正齿形误差，磨损量由48 mg减少到7 mg，接触疲劳强度提高一倍以上，比机械磨齿效率提高2倍以上，寿命提高1.5倍以上，减小了齿轮的冲击振动和噪声;轴承采用机械磨削后抛光，粗糙度只能到达Ra0.2～0.1μm。而采用先进的非传统光整加工工艺，可实现粗、精加工一道工序完成，粗糙度可达Ra0.04μm以下，寿命提高4倍以上，加工效率和精度也大大提高，并能减少波纹度，降低轴承的振动和噪声[1]。另一方面，在解决细小孔、窄槽、细小管、弯管、特大型容器、具有复杂型腔内壁等传统工艺难以加工的零件的表面质量问题时，非传统光整加工工艺也具有明显的优势。因此研究和开发先进的非传统光整加工工艺，对促进制造技术的发展具有重大的意义。

表1 不同光整加工方法微观表面形貌与使用性能关系
加工方法及微观表面形貌
摩擦系数
初磨损量
精度保持量
寿命
疲劳强度
耐蚀性
接触刚度
粘附性

机械光整加工

大

大

低

低

低

低
低

低

非传统及其复合 光整加工
融化加工
中
中
中
中
中
中
中
中
溶解加工
小
小
高
长
高
高
高
高

随着工业的发展，对零件的表面光整加工技术和棱边精加工提出越来越高的要求。光整加工技术正是以提高零件表面质量作为出发点，经过光整加工的零件表面具有低的表面粗糙度和良好的表面微观几何形貌，不仅具有良好的外观质量，而且还有耐磨、防腐蚀和抗疲劳等作用。在国外精加工领域中，人们正通过各种渠道，借助多种能量形式，探索新的工艺途径。国际上目前采用的光整加工的方法主要有：手工抛光、机械研磨抛光、超声波抛光、化学与电化学抛光、电化学机械光整加工、磁力研磨等[1-2]。其中，手工抛光是最常用的光整加工方法，这种方法不仅劳动强度大，加工效率低，而且对工人的技术熟练程度要求高。超声波抛光也是一种手工操作的辅助抛光方式，主要用于槽、缝、边角等人的手指难触及部位的抛光，这种抛光方式的加工效率非常低。相比之下化学、电化学抛光和电化学机械光整加工的加工效率则要高得多，由于这三种加工方式属于腐蚀和溶解加工，对材料的硬度、韧性和强度等几乎不受任何限制，目前己经在内、外圆柱表面的镜面加工中获得了应用。虽然化学、电化学和电化学机械光整加工方法有着很高的加工效率，但由于影响它们的加工因素很多，难于控制，对环境和工人的健康也有一定程度的危害，其应用范围受到很大的制约，目前还仅能用于一些简单型面或小的复杂工件表面的光整加工。尽管目前的精加工方法很多，但仍然难以满足所有产品的精度需要。
磁力研磨是一种把磁场能应用于传统的研磨技术中，开发出的一种新兴的磨削加工技术，通过磁极产生的磁场力作用到磁性磨料(填充在磁极与工件之间)上形成一个与加工面形状相当的磁力研磨刷，对工件表面进行磨削加工的方法。它不仅应用于模具的精加工中，而且在制药业、航空航天业、大规模集成电路、精密仪器和精密量具等行业也将有很好的应用前景，是一种有效的光整加工方法之一。这种加工方法具有高效率、高精度和高表面质量的特点，适合于平面、球面、圆柱面和其它复杂形状零件的加工，并能控制研磨效率和研磨精度。值得一提的是磁性研磨加工技术可以很好地与数控机床、加工中心和机器人技术结合，实现光整加工的自动化[3]。因此，磁力研磨加工技术越来越得到重视。
但是目前许多企业对光整加工工艺的重要性还缺乏足够的认识和理解，没能真正掌握光整加工工艺的本质，致使采用同样的工艺，而质量却赶不上国外。轻工、化工行业的大量零件如化学反应釜、热交换器的细长管等，大多由不锈钢制成。国产的粗糙度太大，常引起物料挂壁、堵塞，导致间断生产甚至停产，维修周期频繁，经济损失巨大。因此常采用砂轮打磨，砂带、叶轮修整至Ra0.8～0.4μm，再用布轮抛光，工序多、工作量大、效率低、成本高。而且不锈钢粘性大，粗糙凹坑常常被堵死、填平，造成假象。而进口板材售价昂贵，很多企业难以承受，因此亟待开发新的光整加工工艺来解决这些难题。在模具制造中，有30%～40%[2]的工作量是光整加工，传统上采用了风动或电动机械抛光甚至依靠经验丰富、技术熟练的老工人进行人工抛光。磨料由粗到细，多道工序实现抛光，劳动强度大，生产效率低。因此国际上相继研究出多轴数控机床、机器人，在苛刻的条件下使用固结砂轮来实现，但是每道工序间必须清洗干净，给自动化光整加工过程增加难度;对于一些特殊模具如细小槽、窄槽、细小孔、异型管及带有复杂型腔的内表面等固结砂轮难以触及的，其加工更是难以实现。如何解决这些问题已成为模具行业发展的关键。纺织行业的阻纬片、综丝等零件存在的表面质量、加工效率和制造成本等问题更加严峻，同样不容乐观。因此由表面质量所引起的产品质量问题，已严重地阻碍了这些企业正常的生产和经济效益的提高，甚至有的零件不得不以高价进口来解决质量问题，给企业、国家带来了沉重的负担。
总之光整加工技术在制造业中具有重要的地位和作用。因此必须从我国国情出发，深入研究和开发适合我国国情和具有我国特色的光整加工新工艺，否则我国的产品质量将与国外差距越来越大。
2光整加工技术研究现状
2.1发展历史
2.1.1 国外光整加工的发展历史
磁力光整加工这一概念最早由苏联工程师Kargolow在1938年正式提出的【4】。前苏联自20世纪60年代起有不少学者一直在致力于MAF的研究和推广运用工作。由于磁力光整加工的基础是磁性磨料，因此前苏联对磁性磨粒的制备方法进行了大量的研究工作，并磁性磨料的组成、配比和结构等方面取得了多项发明专利。保加利亚从70年代中期一直在发展MAF技术(如Makedonsky)并举办了多次国际性的专题学术会议，德国已经出版了这方面的学术论文。
日本是从80年代初开始对MAF进行研究的，并开发了多种磁粒光整加工设备。其中有代表性的研究人员有日本东京宇都宫大学的Take Shinmura，Toshio Aizawa，日本东京大学的Masahiro Anzai，Koichi Masaki等。其中Take Shinmura研制开发了多种加工铁磁性工件和非铁磁性工件的磁粒光整加工装置，如平面、内外圆柱面、球面磁粒加工装置，并分别对它们的光整加工特性进行了研究。这些加工装置有的采用永久磁体来生产恒定磁场，有的采用电磁体来形成强度可以控制的磁场，有的采用工件移动外加一定幅度和频率的振动来实现磁粒光整加工，有的采用旋转磁场的办法实现磁粒光整加工。Take Shinmura在研制各种形式磁粒加工设备的同时，对各种场合的加工工艺进行了较深入的理论分析和实验研究，如磁场强度、加工间隙、磨粒与工件的相对移动速度、磁性磨料的成分和粒度等因素对加工质量和效率的影响以及它们之间的相互关系。Masahiro Anzai和Koichi Masaki对磁性磨粒的制备技术进行了研究，并研究开发成功了几种比较有应用价值的磁性磨料。
Masahiro Anzai和Koichi Masaki对磁性磨料的制备技术进行了研究，并研究开发了几种比较有应用价值的磁性磨料。他们采用的磁性磨料制备方法包括：(1)等离子粉末熔融法(PPM)；(2)铁磁性金属材料与磨料纤维混合法；(3)液体磁性磨料。与高温烧结法相比，这些磁粒制备方法的特点是：制备方法简单、成本低、有较高的使用价值。
韩国近几年来也在磁粒光整加工的研究方面做了不少深入的研究。前述的磁磨料喷射光整加工装置就是由韩国先进科学技术所的Jeong-Du kim，Youn-Ha kang等人发明的，该装置为非圆截面管子内壁的光整加工提供了有效的加工方法[5]。
2.1.2 国内光整加工的发展历史
我国开展对磁力研磨加工的研究起步较晚，开始于80年代初，目前仍处于试验研究阶段，实际推广应用极少，开展磁力研磨的加工技术的研究单位均自行研制开发出不同的磁力研磨装置并对不同的工件(如轴承内环的外轨道，螺纹环规、丝锥、仪表、电机轴、仪表齿轮、阶梯轴、钢球等)进行了实验研究，取得了较好的加工效果。八十年代后期，哈尔滨科技大学首先开始磁力研磨方面的研究，并于90年代初，完成了“仪器仪表零件磁力研磨加工技术的开发”项目，成功试制了MAC系列磨料，并对仪器仪表的零件开发了磁力研磨装置，进行了实验研究。此外，哈尔滨工业大学对液压伺服阀阀芯轴棱边毛刺的磁力研磨去除法进行了可行性研究，开发了磁力研磨去毛刺的装置，毛刺去除后，阀芯棱边圆角半径均不超过5µm，阀芯表面粗糙度没有变大，工件圆柱度在2µm以下；大连理工大学开展了电化学磁力加工技术方面的实验研究，并且证明电化学磁力加工生产效率更高，表面质量也有改善；另外，华侨大学、长春光机学院等几家高校也对磁粒研磨进行了一系列研究，目前国内对磁力研磨的研究还局限于工艺实验方面，对其加工机理还缺乏深入系统的研究。磁力研磨加工技术未能在国内推广应用的症结在于磁性磨料制作成本较高，工件的装夹和去磁问题尚未得到解决，尤其是理论基础匮乏，可使用的参数很少，因此最终不能批量生产。另外研究单位不多，这也许是该技术未能在我国得到实际应用的原因之一。
此外，山东理工大学自行研制了三坐标数字化加工控制磁力研磨机床。该加工设备除了具有普通三坐标数控铣床控制系统的功能之外，还具有曲面示教方式三坐标数字化测量功能、曲面加工轨迹的自动编程和磁性磨料的自动更换等功能。
2.2研究现状
磁力研磨加工具有较好的柔性、自适应性、自锐性、可控性、温升小、无变质层、加工质量高、效率高和工具无须进行磨损补偿、无须修形等特点，在国际上引起了广泛的关注，其研究成果已在平面、外圆面、内圆面和成形面光整加工的许多场合得到了应用【6】。目前，磁力研磨加工已能达到亚微米级加工精度。
光整加工技术要解决的核心问题是表面质量，有时也有生产率和加工精度要求，这是保证产品质量的基础和前提，也是实现从微米、亚微米加工技术向纳米级加工技术发展的重要途径。光整加工主要有采用固结磨料或游离磨料的手工研磨和抛光、机械(传统)光整加工、非传统光整加工、复合光整加工，其分类见图1。

图1 光整加工分类

2.2.1 手工、机械光整加工
手工方法研磨、抛光，能够实现平面、回转体、自由曲面的光整加工，适用于单件小批量生产。但这种方法劳动强度高，同时受到工人的技术等级和技术熟练程度的影响，质量不稳定，效率低。
随着科学技术的发展和制造水平的不断提高，机械光整加工得到了迅速的发展，各国相继开发出多种形式的数控机床、机器人来替代手工作业。尤其是CAD/CAE/CAM在模具行业的应用，自由曲面的光整加工将成为可能。如图2所示[3]，机器人通过工具头上激光测量装置和压力传感器组成的反馈系统，可在曲面上进行研磨、抛光。图3为数控机床光整加工系统，计算机通过控制调压器A和调压器B调节工具头与工件的接触力，可以模拟手工作业过程。存在问题:(1)如果没有很好地规划研磨、抛光的工艺过程和预先获取工艺参数，其加工后的表面质量不一定比手工作业好;(2)预先获取工艺参数需要相当长的经验积累过程，加上曲面的多样性和复杂性，需要更长的准备时间，工序间的清理和清洁也需要一定的时间，因此效率不一定高;(3)数据采集过程中用空间有限点模拟真实曲面，运动过程的点位精度差，因此最终的加工精度也不一定高;(4)设备昂贵，只有少数技术发达国家才拥有，所以要在实际中大范围推广应用，还需要相对较长的时间。因此，目前的实际生产中手工研磨、抛光还大量地得到应用。

图2机器人光整加工系统
无论是手工作业还是机械光整加工，都需要多道工序完成。各工序间必须更换磨料，磨料从粗到细。同时还必须将前道工序留下的磨料清洗干净，工作量大，效率低，已满足不了生产的需要;而且对工具头无法触及的异型件、细长管件或大型工件，实现光整加工难度更大，甚至无法加工。这也是实现自动化光整加工的难点，因此迫切需要开发新的光整加工工艺，来解决这些难点。

图3 数控机床光整加工系统
2.2.2 非传统光整加工
由于非传统加工在制造技术中的特殊地位，并针对手工作业、机械光整加工存在的缺陷，各国研究者在致力于研究进一步提高机械光整加工表面质量、加工精度和生产率的同时，也致力于非传统光整加工的研究。如化学抛光的历史可以追溯到19世纪，而20世纪初R Winer[4]等人申请了银的电化学抛光第一个专利，法国电话公司的D A J acguet于1931年开始较系统的研究。化学抛光和电化学抛光都是有选择性地溶解峰点，实现表面光整，不受导电材料硬度的限制，生产率高，但是光整加工后粗糙度等级只能提高1～2级，且精度难以控制。70年代开发的电化学机械光整加工，设备结构简单、成本低，吸收了机械光整加工精度的可控性和电化学抛光高效率的优点，成功地实现了电化学抛光和机械光整加工的复合，改变了常规磨床高精度的要求，而且不必更换磨料，使加工效率大大提高。
尽管如此，对原始粗糙度较大的表面(如Ra>1.6μm)，电化学机械光整加工需要的时间较长。为获得更高的生产率，大连理工大学在80年代末提出了脉冲电化学光整加工技术和脉冲电化学机械光整加工新思想[5]，并在实际生产中得到了应用。脉冲电化学机械光整加工技术综合了脉冲电化学和电化学机械光整加工的优点，并充分发挥脉冲电化学机械光整加工独特的优势，进一步提高了加工精度和生产效率，主要用于较为粗糙表面(如Ra>1.6μm)的光整加工。加工后的表面粗糙度可达0.08μm。
前面论述的机械光整加工和(脉冲)电化学机械光整加工要实现对复杂曲面的光整加工，工具头必须是高度柔性连接。但是对那些U型管、异型槽、口径小的大型容器等内表面，电极制作困难，甚至无法加工。
近几年不断得到重视的磁粒光整加工，由于自由磁粒受到磁场力的控制，形成具有“柔性”的磁刷，对解决上述一些难题有明显的优势。磁粒光整加工技术是前苏联工程师提出的，上世纪60年代得到迅速发展，先后申请了多项专利并开发设计多种型号的平面磁粒光整加工机床，已在实际生产中推广应用;保加利亚于上世纪60年代起一直在研究开发磁粒光整加工技术，已经取得了可喜的成果，相关国际会议已定期在保加利亚举行;德国在这一方面也进行了研究并出版了一些论文集;日本自上世纪80年代中期开始进行了大量的研究，开发出适用于不同形状、不同材质的磁粒光整加工设备。从原理上说磁粒光整加工适用于平面、回转体、球面、管内壁、细小管、大型容器、异型管、自由曲面的光整加工。

图4 磁粒光整加工示意图
图4为磁粒光整加工系统示意图[6]。图中永久磁铁产生的磁场在工具和试件间形成磁路，磁粒在磁场力的作用下形成磁刷，不但具有刚性，同时还具有自身的“柔性”和“自锐性”，在相对运动过程中磁粒压向试件实现弹性微刃切削;工具头与被加工面之间有间隙，导轮沿着自由曲面轮廓运动时具有自我调节功能，不需要任何复杂的装置来提供切削力，也不需要精密的数控系统和数字化采集系统，因此更适合于自由曲面如模具的自动化光整加工。
磁粒光整加工与机械光整加工、电化学机械光整加工相比，虽然更容易实现自由曲面的自动化加工，但是其最致命的缺点是生产效率低，而且还受到磁粒制造水平的制约。
2.2.3 复合非传统光整加工
从前面的分析可知，(脉冲)电化学机械光整加工、磁粒光整加工都有各自的最佳应用范围，或多或少存在着不足或局限性。如何充分发挥两者的优势，扬长避短，既可以大幅度降低表面粗糙度值、实现精度的可控性，又能提高加工效率，实现自由曲面自动化光整加工，为此各国研究者都在探求两者复合的光整加工新技术[7]。大连理工大学于1988年提出了电化学磁粒复合光整加工新思想，并采用分离法即磁极/电极分离，既解决了电化学过程短路问题，又能够利用导电铁基磁粒，提高了光整加工效率，取得了可喜成果。1989年进村武男采用整体式磁极/电极，对烧结法制成的铁氧体磁粒进行研究，解决了电化学过程易短路问题。但是铁氧体的饱和磁感应强度低，切削能力无法通过提高磁感应强度的方法来实现。为了改变这种状况，1993年安齐正博[8]提出了改进磁粒制造工艺，即采用铁氧体+Al2O3充分混合后高温高压下烧结，希望通过Al2O3磨料来提高其切削能力和使用寿命，从而提高加工效率。但铁氧体及其复合磁粒，其使用性能和寿命都不如铁基磁粒。总之，实现磁极/电极一体化，既可使用高性能的铁基磁粒提高生产率，又能避免电化学过程中的短路问题，因此必须解决好磁极导磁不导电和电极导电不导磁的关键技术。但至今为止，人们对此束手无策。
前面讨论的电化学抛光、电化学机械光整加工和电化学磁粒光整加工，都存在着阳极的选择性溶解过程。就电化学系统本身而言，提供离子运动的动力是电场力。长期的研究表明，电力线的分布直接影响了电流密度的分布，也就是说离子的运动方式不同将直接影响电流密度的分布，最终也影响加工质量和效率。因此在电化学过程中引入其他动力以改变离子运动状态，提高光整加工质量和效率，已成为国际上的研究热点。St.Enache等[9]研究表明，磁场能够提高电化学加工精度和效率并建立了数学模型。而其电解液是必须满足对磁场高敏感性的磁性匀质的两相液体，以便形成磁流体;G.Kuppuswamy[10，11]在研究磁场电化学磨削中指出，在磁场的影响下电离离子受洛仑兹力的作用使金属去除量提高表面粗糙度值降低;K.Ku2magai[12]还研究磁场对研磨力和铁磁性材料的去除量的影响。
磁粒是磁粒光整加工和电化学磁粒光整加工技术在实际生产中推广应用，实现自由曲面自动化、柔性化、机械化和高效率光整加工的核心问题，也是两者技术发展的前提。因此如何制造出切削性能好、磁导率高、寿命长、成本低的磁粒显得特别重要。
但是在电化学抛光中直接引入磁场的磁场电化学光整加工技术，国内外研究甚少[13，14]。对在磁场环境下的电化学磁粒光整加工的研究，国际上几乎空白[15]。
在国内，光整加工技术的发展还年轻，对光整加工工艺及其机理的研究不够深入，而且没有引起足够的重视。虽然化学及电化学抛光的研究自上世纪60年代开始，但是与国外的差距很大。脉冲电化学和电化学机械光整加工技术于上世纪80年代初，在我国得到迅速发展。主要研究单位有大连理工大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、合肥工业大学、苏州电加工研究所等高校、研究所和企业。大连理工大学在电化学机械光整加工和脉冲电化学机械光整加工方面进行了大量而深入的研究，在实际生产中推广应用已取得了一定的社会效益和经济效益。目前国内对磁粒光整加工的研究单位主要有大连理工大学、哈尔滨科技大学、哈尔滨工业大学、沈阳工业高等专科学校、太原工业大学、郑州纺织工学院;在电化学磁粒光整加工方面，主要有大连理工大学和哈尔滨科技大学，上海交通大学目前也在进行这方面的研究。
华侨大学近期与大连理工大学合作，对磁场电化学光整加工、磁粒光整加工、电化学磁粒光整加工、磁场电化学磁粒复合光整加工进行了研究，取得了较好的成果。
现代制造技术的一个重要发展方向是精密和超精密加工技术、微细和超微细加工技术，而磁流体研磨、电解磨削、磁粒光整加工、(脉冲)电化学机械光整加工、电化学磁粒光整加工等技术是实现这些加工的重要途径之一。新型材料及复合材料的蓬勃发展也给光整加工技术提出了新的课题和挑战，研究和开发新的复合光整加工技术是解决新型材料和复合材料超精密加工的重要手段。当前对于细小孔、窄槽、细小管、弯管、特大型容器、具有复杂型腔内壁等传统工艺难以加工的工件，也迫切需要研究开发新的光整加工工艺以便更好地解决这个难题。同时它也是解决当前产品存在的表面质量和生产率等问题，实现光整加工过程自动化、柔性化、集成化和智能化的必然要求。
从表1可知，非传统光整加工的微观表面形貌不同于机械光整加工，但机械光整加工精度容易控制。充分发挥两种工艺方法的优势，扬长避短，实现传统光整加工与非传统光整加工的复合，是一条可行之道。从手工研磨和抛光、机械光整加工、非传统光整加工到复合光整加工的发展过程也可知，光整加工技术的发展趋势应该是朝着大幅度改善表面质量和提高生产效率，在实现精度稳定甚至提高精度等级的同时还应实现机械化、自动化、柔性化、智能化和高效率。因此复合光整加工技术应该是今后的发展方向和研究重点。
3典型光整加工技术
3.1磁力研磨加工原理及特点
3.1.1加工原理
磁力研磨加工是在强磁场作用下，填充在磁场中的磁性磨料被沿着磁力线的方向排列起来，吸附在磁极上形成“磨料刷”，并对工件表面产生一定的压力，磁极在带动“磨料刷”旋转的同时，保持一定的间隙沿工件表面移动，从而实现对工件表面的光整加工。
在加工中磁性磨粒（A）的受力状态如图5所示，磨粒受到工件表面法向力Fn和切向力Fm的作用，作用力Fm使磨粒有向切线方向飞散的趋势，但由于磁场效应，磨粒同时还受到沿磁力线方向的一个压向工件的力Fx和沿磁等位线方向的作用力Fy，Fy可以防止磨粒向加工区域以外流动，从而保证研磨工作的正常进行[16]。

图5磁力研磨示意图
1磁性磨粒;2.3磁极;4工件
磁力研磨的加工机理
在磁力研磨的过程中，磨粒基本上以三种状态存在，即：滑动、滚动和切削【19】。当磨粒所受磁场力大于切削力时，磁性磨料处于正常切削状态；当磨粒所受磁场力小于切削力时，磁性磨粒就会产生滑动或滚动。根据精密切削理论和摩擦学理论，可以得知磁性磨粒在加工过程中与工件表面产生接触滑擦、挤压、刻划、切削等状态现象。其磨削机理主要包括以下四个方面。
由磁性磨料的成分可知，磨粒硬度高于工件材料硬度。研磨加工时，工件与磁极作相对运动，磨粒刃尖在研磨压力作用下对工件表面产生微切削作用，同时磨粒中的铁基体还对工件表面起到一定的挤压作用。磨粒的微刃切削作用主要依靠磨粒上的不规则棱尖构成的比较锋利而又有一定圆角的切削刃来实现的。
一般磨粒切削刃形状可简化为以下几类：
(1)圆锥或棱锥形；
(2)球形(圆角半径为10～20µm)；
(3)尖端带圆角的圆锥形；
(4)平顶圆锥形。
磨粒切削时，由于各自切削刃有不同形状，前刀面方向很不规则，而且负前角往往很大，因此在研磨压力作用下，只能对工件表面进行微刃切削作用。
暂且不考虑磁场保持力的作用，单个磨粒在工件表面的作用力可分为法向力F1和切向力F2。法向力F1使磨粒压向工件表面，如测试硬度一样，在工件表面形成压痕，对表面形成一定的挤压，可改变表面的应力状况。切向力F2使磨粒向前推进，当磨粒的形状和方向适当时，磨粒就如刀具的切削刃一样，在零件表面进行切削而产生切屑。该切削作用的强弱与磁性磨粒的形状、位置、工作角度、磁场特性等工艺参数有关，通过合理选取工艺参数即可控制磨粒的切削作用，达到微量切除金属的目的。
同时由于磨粒在磁场中构成了弹性磁粒刷以及磁场分布的不均匀性，磨粒随机的变换方位参与磨削。就每个磨粒而言，其切削过程是随机的和不连续的。假设磨粒切削刃为圆锥形，其切削挤压的模型如图6所示。在金属切削机理的研究中，占有重要地位的就是刀具的几何形状和切削角度，其中前角是影响刀具切削性能的关键因素。对于磁性磨料来说，它的切削刃前刀面很不规则，大都有很大的负前角，因此在磁场力F1作用下吃刀量都很小，一般在1µm数量级甚至更小，所以磁力研磨属于微量切削，切削力很小，产生的切削热也很小。这样，一方面使弹性变形区域很小；另一方面，对切削过程影响表面粗糙度的主要因素—理论残留面积高度和切削刃复印性等的影响也是非常小的。这种磨粒的微量切削加工可以获得非常好的零件表面，粗糙度足可以到0.2µm以下。

图6 磨粒的微量切削挤压模型
以球形切削刃为例，由于磨削厚度很小，典型的磨削的形成过程可分为以下三个阶段：
(1)滑擦阶段

图7磨屑的形成过程
如图7(a)所示，磨粒切削刃与工件开始接触，由于磨粒沿工件表面滑行并和表面发生挤压摩擦，摩擦能转化为热能，材料的屈服极限下降，当剪切应力超过屈服极限时，工件材料发生塑性变形。这一阶段摩擦力可以表示为：
F=KWf
式中：K——磨粒的形状、粒度的修整系数；
f——摩擦系数
W——磨粒所受法向载荷。
(2)耕犁阶段
这时磨粒切削刃嵌入了金属基体，金属材料由于发生滑移而被推到切削刃的前方及两侧，导致材料的流动及表面隆起。根据球形切削刃表面金属材料的分析(如图7（b）所示)，在球形磨粒的前方有一区域(半锥角为摩擦角的圆锥体)，材料静止不动，称为死区。死区以外的材料按最小阻力方向流动即死区上的材料向上流动，死区以下的材料向已加工表面流动，死区左右的材料向两侧流动。耕犁阶段的特点是产生材料的塑性流动与隆起，最后在表面上形成沟纹或刻痕，但并不形成切屑。
(3)切削阶段
随着切削深度的增加，磨削温度升高，死区前方隆起的材料直接和磨粒接触，没有死区的缓冲作用，一般情况下脱落形成磨屑，这时材料的流动变成切削，研磨进入切削阶段(如图7（c）所示)。
以上三个阶段是研磨加工的典型阶段，在研磨加工中，还会发生磨粒与工件表面的粘结磨损，由于振动和进给，磨粒会发生转动，从而对工件表面产生滚压作用。此外，研磨力一般不会很大，且研磨刷具有很好的弹性，故磨粒往往不能一次将隆起的材料切下，疲劳磨损也将在研磨中起到一定的作用[20]。
由磁性磨粒群形成的弹性磨具受磁场作用而吸附在被加工工件表面，磨粒与工件表面始终处于接触状态，磨粒除对工件表面产生切削作用外，有时还会对其产生其它磨削作用，如一带而过的滑擦摩擦，在工件表面仅留下一条痕迹；当磨粒形状较为圆钝时，工件表面或发生塑性变形，擦出一条两边隆起的沟纹，或犁出一条翻出飞边的沟槽，如图8所示。当磨粒形状较圆钝时，或磨粒的棱角而不是棱边对着运动方向时，或磨粒和零件表面间的夹角太小时，以及零件表面材料的塑性很高时，磨粒在表面滑移时，经常发生图8所示的后两种磨削现象。
磨粒的多次塑变磨损机理为：一方面在磁性磨粒的连续加工过程中，已出现塑性变形或飞边堆积的表面金属层将发生反复塑变，产生加工表面硬化作用，最后剥落成为磨屑，这是“擦伤式”犁刨现象与“碾压式”滚擦现象共同作用的结果；另一方面由于磁力研磨时磨粒一般集中在磁力线较密集的表面，凸起的微小轮廓峰附近，因此表面不平的微凸体处的塑变磨损相对较大，从而使该微凸体的不平度下降加快。因此磨粒的多次塑变磨损作用可以较快地获得光滑的工件表面，而不影响工件的尺寸和形状精度。

图8磨粒的其它几种磨削现象
如图8，磨粒在工件表面除了切削和产生塑性变形作用外，还存在着一带而过的滑擦摩擦现象，使金属表面产生腐蚀磨损。由腐蚀磨损机理可知，腐蚀是和其存在的环境有关的化学作用，它在很大程度上取决于环境条件和周围介质。工件表面被磨粒摩擦，纯净金属表面裸露而受环境和介质腐蚀迅速形成一层及薄的氧化膜。由于氧化膜与工件材料的膨胀系数不同，以及加工过程中温度变化等原因，在随后的滑擦摩擦中脱落。连续加工过程中，工件表面层金属不断的氧化——脱落一再氧化——再脱落，从而提高了研磨效率。
在磁力研磨过程中，为了提高加工的效率，经常加一些研磨液，在研磨液中含有硬脂酸、油酸等活性物质，能使工件表面形成一层化合物薄膜。这些薄膜具有厚度薄、形成快、吸附磨粒性能强以及容易去除等特性，这增加了工件表面凸峰的去除速度，从而可以达到提高加工效率的目的。
由于工件的回转，在加工过程中沿磁力线排列的导电磨料链产生运动而偏离磁力线，形成磁场梯度，在这一磁场梯度的作用下，磨粒链两端产生一个微小的电动势，在工件表面产生微小电流，工件在磁极的两极问受一个交变励磁作用，强化了表面金属的化学过程，进一步提高研磨效果。

3.1.2加工特点[17]
磁力研磨发展很快的主要原因是它有着传统研磨抛光工艺不可替代的特点，与传统的研磨、抛光等加工工艺相比，磁力研磨光整加工工艺具有许多优点：
(1)具有很好的柔性和自适应性。在磁场中，磁化的磨粒靠磁场的作用力和彼此间的磁性吸引力非刚性的固结在一起形成磨料刷，这个磨料刷的形状在加工过程中能够随工件形状的变化而变化，表现出极好的柔性和自适应性；
(2)具有很好的自锐性。加工中相对运动的存在，使磨粒沿加工面滑动的同时出现了滚动，磨粒间不断的更换位置，使其具有极好的自锐性。它不像普通砂轮那样存在堵塞和磨粒钝化现象，这在很大程度上提高了加工的效率；
(3)研磨的压力可控性强。磁力研磨的加工压力可以通过改变磁场强度的大小来调节，所以控制起来比较容易；
(4)适用范围广。磁力研磨加工不仅可以用来对工件进行光整加工，而且可以用来去毛刺、倒角和去除30µm的锈。不仅可以加工平面、内外柱面、球面，还可以加工复杂的曲面，甚至能加工普通加工手段无法加工的工件(如细薄壁管类零件内表面的加工)：
(5)加工效率高。当用于加工淬火钢工件表面时，如轴承环、轴瓦和圆棒等。在30~60s的时间里，表面粗糙度Ra值可以从0.5～0.6µm减小到0.2～0.1µm；
(6)可以强化工件的表面。在对工件进行光整加工的同时，工件表面反复受到交变或运动磁场的励磁作用，磁性磨料所产生的电动势使得工件表面反复充电和放电，强化了工件表面的电化学过程，改变了应力分布状况，提高了工件表面的硬度，改善了机械物理性能；
(7)加工装置简单、成本低。不需要砂轮、油石、传动带等预备加工设备(若使用永磁体进行加工，加工装置更加简单)。
同时该方法比较清洁，振动、噪声较小。尤其是如果采用旋转磁场，加工的环境和加工的范围将更加优越。而且，磁力研磨加工良好的柔性和自适应性，为其与数控技术结合起来进行复杂曲面(如空间自由面)的光整加工创造了条件。
3.1.3典型加工设备
1）外圆磁力研磨装置
如图9所示，工件5安装在立式铣床上，在工件与磁极之间的间隙内填入磁性磨料，主轴使工件产生回转和上下进给运动。向线圈通入直流电，即可产生有一定磁感应强度的磁场。实验表明，此方法研磨外圆可使工件表面粗糙度值由Ra1.6µm则降至Ra0.2µm。磨料种类和磁感应强度对研磨效果有较大影响，增加磁感应强度或采用烧结磨料可以提高研磨效率[18]。
2）内圆表面磁力研磨装置
如图10所示，该装置适用于非磁性物质(如黄铜)圆管等的内表面光整加工。圆管内部装有永磁铁和磁性磨料，磁性磨料吸附在永磁铁的周围，当圆管外部加上永磁铁时，磁性磨料在磁场的作用下对圆管内表面产生一定的压力。该装置的本体可以安装到车床的拖板上，工件由主轴带动作回转运动，永磁铁沿工件轴线方向振动，拖板带动工件作进给运动。黄铜圆管内表面加工后，表面粗糙度值可从Ra7µm降至Ra1.3µm。

图9外圆磁力研磨装置示意图 图10内圆表面磁力研磨装置示意图
1线圈;2磁极;3磁轭;4底座; 1永磁铁；2磁性磨料；3.5振动方向；
5工件;6磁性磨料;7主轴 4.6磁极；7非磁性管
3）平面磁力研磨装置
如图11所示，回转磁极与工件下的强磁性体之间形成磁路，回转磁极的一端充满了铁粉混合磁性磨料，铁粉沿磁力线方向形成磁力刷，磁极在旋转的同时工件做进给运动，从而使磨料对工件进行研磨加工。研磨后工件的表面粗糙度值可由Ra0.7µm降至Ra0.05µm。
4）狭小开口容器内表面的磁力研磨
如图11所示，由于容器的开口狭小，一般的研具无法进入，容器的内表面要求表面粗糙度值在Ra0.2µm以下，为此将铁粉混合磁性磨料投入到容器中，外侧放置Fe-Nd-B永磁铁，永磁铁附近产生不均匀磁场，混合磁性磨料在磁场的作用下对容器内表面产生一定的压力。容器与磁极旋转方向相反，容器内表面与磁性磨料间的相对运动实现了对内表面的精密研磨。