第1章 绪论
近年来，电子仪表、医疗、航空、航天等领域的飞速发展，对各种工件的光整加工技术提出了更高的要求。考虑到工件的耐磨性、抗腐蚀性等性能，在保证尺寸精度的基础上，还需要改善工件的表面微观形貌，因此，必须对工件进行精密光整加工。
工件通过机械加工、铸造、冲压等加工方式成型后，不可避免地会在工件表面产生各种各样的缺陷，如表面微观不平、表面皱曲、裂纹凹坑、卷边毛刺等。表面缺陷的产生原因涉及工件的材料性能、加工过程的力学特性、物理化学反应、刀具磨损和机床振动等诸多因素。为了提高工件的可靠性，使每一个工件的作用都能得到充分的发挥，工件在按照自身的设计要求达到规定的尺寸精度之后，如果表面质量、光整度等尚未达到规定指标，需要进行去除刀痕、毛刺、降低表面粗糙度等光整加工处理。
1.1 光整加工技术的分类
所谓表面光整加工技术（surface finishing technology）是在机械加工过程中，以提高工件表面质量为目的的各种加工方法、加工技术，简称光整技术。一般来说，光整加工是工件加工的*后一道工序，其加工质量的好坏直接影响产品的性能和可靠性。目前，国内外研究出的光整加工方法多达数十种。可将光整加工技术功能分为以下三类。
（1）减少卷边、毛刺等，如动力刷、喷砂、滚磨等。
（2）提升工件表面质量，降低工件表面粗糙度，如抛光、研磨、光整磨削和珩磨等。
（3）改善工件的应力分布、力学性能，如金刚石压光、喷丸强化、挤压和滚压等。
近些年来，随着科学技术的飞速发展，在光整加工领域涌现了许多新的加工工艺，或是在原有工艺的基础上进行改进，或将两种甚至多种加工工艺进行有效的结合，使加工后的工件表面质量达到新的高度。但不论是传统的光整加工方法，还是后来涌现的新工艺、新技术，都具有如下的特点[1]。
（1）光整加工的表面材料去除量非常小，理论上仅为上一道工序公差带宽度的几分之一，不会影响工件的形状精度和位置精度。
（2）光整加工后的工件具有很高的表面质量，但是所用到的加工设备并不需要非常精确的运动形式。磨料与工件之间的运动形式要尽量多样、复杂。运动形式越复杂，研磨出的工件表面效果越好。
（3）可以有效地去除机械加工工件和热处理工件表面的毛刺、卷边、氧化皮和积碳。
（4）可以释放工件表面部分残余应力，减小拉应力甚至变为压应力，提高工件的抗疲劳性能。
（5）光整加工后的工件会改善整机性能，有效缩短磨合周期，大约为原来整机磨合周期的 60%。
（6）实现机械化和自动化，工人原有的劳动强度减轻，降低了工件的生产成本，生产效率得到提高。
根据工件加工过程中所需的能量进行划分，可将表面光整加工方法分成机械法、电化学和化学法、热能法和复合加工法四大类[2]，如图 1.1所示。
图1.1 表面光整加工方法分类
由于各种光整加工方法都有各自的*佳应用范围，具有一定的局限性。在确定对某工件进行表面光整加工的方法的时候，首先，分析工件在一部机器中的功用，分析该工件的技术要求，尤其是表面质量有什么特别的要求；其次，综合考虑工件结构特点、尺寸大小、材料、重量、生产效率要求以及加工成本控制等问题；*后，还要考虑工作环境的具体配置如占地面积、水电设施、废液废渣的处理以及对工件的清洗、烘干、筛选、退磁等工程的安排。综合以上分析，归纳为四个方面：加工质量、生产成本、工作效率、工作环境。
随着科学技术的发展，许多新的特种加工技术也在迅速发展，特别是对于微细工件和复杂形状工件的超精密加工要求越来越高，传统的机械加工方法已难以胜任，必须探索研究出更加高效、可靠的加工方法，而非传统光整加工技术可以在一些传统工艺很难加工的场合发挥其独特的优势。
1.2 磁粒研磨的国内外研究现状
目前的机械加工工序一般分为粗加工、精加工。先粗加工出大致形状，然后进行精加工，精整成型以达到所需的尺寸精度和形状精度。机械加工在高速切削过程中，由于运动轨迹生成方式、刀具磨损、热变形、材料本身缺陷、机床振动等原因，工件表面残留明显的刀痕波纹、微裂纹、毛刺等表面缺陷。经电火花加工以及激光加工后的工件表面易形成渗碳硬化和熔融再凝固等变质层，存在较多的微裂纹且有较大的残余拉应力，这将会降低工件的抗疲劳强度。所以无论是从工件的使用寿命，还是工件的表面外观上考虑都有必要进行光整加工，将前面工序遗留下的加工纹理、毛刺等表面缺陷去除[3]。
光整加工一直是实际生产加工中的重要环节，对于很多微小工件和复杂形状工件，传统的各种研磨抛光方法都存在局限性，制约了很多加工企业向产品的高品质领域发展。目前对复杂形状表面的光整加工还以手工为主，工人的劳动强度大、加工效率低，而且质量不稳定，工人的操作失误可能导致整个工件的报废；有些微细工件即使手工作业也无法完成研磨抛光加工。
在20世纪后半叶，精密工件表面光整加工技术已受到各个工业发达国家的普遍重视，美国金属切削研究协会首先提出了表面光整加工技术这个专业术语并强调表面光整加工技术的重要性[4-7]。
（1）减小和细化工件表面粗糙度，去除划痕、微观裂纹等表面缺陷，提高和改善工件表面质量。
（2）提高工件表面物理力学性能，改善工件表面应力分布状态。
（3）去除棱边毛刺、倒圆、倒角等，保证表面光滑过渡，提高工件的装配工艺性。
（4）改善工件表面的光洁度和光亮程度，提高工件表面清洁程度等。
国际标准化组织于 1975年举办了第一届关于去毛刺卷边的国际学术会议，之后，美国、联邦德国、日本、苏联等国家先后成立了许多专门研究机构和产品开发部门，对去除毛刺飞边技术进行了大量的研究，开发了许多实用的光整加工及去毛刺工艺方法和相应设备，对改善工件表面质量在世界范围内的推广和应用起到了积极的作用。进入 20世纪 90年代，这项技术在机械工业中占据重要地位，已得到各国的普遍重视。
我国光整加工及去毛刺技术的发展起步比较晚，20世纪 90年代初，国内先后成立了“中国仪器仪表工艺学会光整技术研究会”和“中国机械工程学会工程技术研究会”，1999年中国机械工程学会生产工程分会的组织机构中增设了光整加工专业委员会。目前我国已经形成每两年举办一次国际光整加工技术及表面工程学术会议的机制，很多新观点、新方法、新工艺、新装备不断涌现，整个光整加工技术的研究和应用呈现了加速发展的良好态势[2]。
磁粒研磨（ magnetic abrasive finishing，MAF，也有学者称为“磁力研磨”“磁研磨法”等）加工技术作为近年来发展迅速的非传统光整加工方法，因其加工工具为柔性的“磁粒刷”（magnetic abrasive brush），对于复杂形状工件表面可以自适应地仿形压附在工件表面进行仿形研磨加工，所以有望部分代替传统的光整加工工艺，实现对复杂工件表面的自动化光整加工。
磁粒研磨加工这一概念*早由苏联工程师提出。从 20世纪 50年代开始，苏联很多学者就磁粒研磨加工方法做了大量的试验研究。Sakulevich等在制备磁性磨粒的方法和工艺方面做了大量的工作并在磁性磨粒的结构、配比、组成等方面申请了多项专利 [8-10]。此外，苏联还针对相关研究举办过多次专题学术活动。到了 20世纪 70年代，苏联自主研发的平面磁粒研磨机床问世后，众多国家也相继研制出具有自主知识产权的专用磁粒研磨机床，如美国、联邦德国、英国等。保加利亚的一些学者也开始着手发展磁粒研磨加工技术，取得了一定的成果，举办了有磁粒研磨光整加工技术的国际性学术会议。联邦德国也发表了相关方向的学术论文[2，5]。到了 20世纪 80年代初，日本的很多学者如日本理化学研究所安斎正博等[11-12]、宇都宫大学的 Shinmura等也开始进行磁粒研磨加工技术的研究。他们设计了多种试验设备用于内外圆、平面、曲面等工件的试验研究，并对磁粒研磨加工的机理和影响因素等方面做了大量的研究工作[13-15]。Yamaguchi等对内表面抛光和去毛刺做了深入的研究，将旋转磁场引入磁粒研磨加工的研究中，利用磁体旋转的方式研制了磁粒研磨内表面加工系统，并进行了理论和试验研究，发表了多篇论文 [16-17]。正是他们的不懈努力，使得磁粒研磨光整加工技术在光整行业中被众人所知晓，这项技术得到了更深层次的研究和推广。近年来，磁粒研磨技术在韩国也推广开，如 Kim等[18-19]也对此项技术进行了研究，并设计了一种基于计算机控制的旋转磁场磁粒研磨加工系统，能够使加工过程中工艺参数自动调节，实现自动化控制；同时还将有限元法引入磁粒研磨加工的理论计算中，并对不同形式的旋转磁场进行了比较，得到了一些重要结论。他们的工作推动了磁粒研磨加工的理论研究和加工系统的自动化研究。
我国从20世纪80年代中期开始对磁粒研磨加工技术进行研究，起步比较晚，因此不论是研究的深度还是广度与国外均有比较大的差距，现在仍处于试验阶段，实际应用案例不多。一直以来国内的磁粒研磨加工重点放在对平面、曲面、圆柱面以及弯管和直管内表面的抛光处理方面。
对于复杂形状工件的磁粒研磨技术，东北大学采用三杆五自由度并联机床，应用磁粒研磨加工工艺探索和研究了对模具型腔自动化研磨，建立了基于三杆五轴联动机床双摆动刀具结构的数学模型，并对磁粒研磨加工的主要影响因素进行了实验研究，结果显示加工间隙为 2mm时研磨效果较好且磁性磨粒的粒径对加工结果影响较大 [20-21]。辽宁科技大学对磁性磨粒的使用性能以及所加工的材料进行了分析，探讨了磁场强度、磁体分布及工件与磨料的相对运动方式对研磨质量的影响；针对阶梯轴表面、自由曲面、复杂弯管内表面、细长管内外表面的抛光处理方法等进行了大量深入的研究，近年发表近百篇相关论文并获得多项国家发明专利授权。辽宁科技大学还提出了将超声加工技术和磁粒研磨技术相结合对模具自由曲面进行加工的思想，总结了超声磁力复合研磨的去除模型和结合研磨机理[22-23]。吉林大学应用力传感器对磁粒研磨加工过程中的主要作用力进行了实时监测，并进行数学建模以研究加工过程中力的变化和材料去除机理 [24-25]。太原理工大学和山东理工大学科研团队对磁性磨粒的制备以及利用数控加工编程系统进行了三维曲面磁粒研磨的研究和分析，针对所设计的各种用于平面和曲面研磨的磁体进行了实验研究 [26-29]。此外还有一些国内的科研院校的专家和学者对磁粒研磨进行了一定研究，主要集中在对曲面磁粒研磨工艺参数的研究。以上大部分的研究还停留在实验室阶段，可参照的实际应用案例资料不多，所以该项技术的应用推广进程较慢。
1.3 磁粒研磨的加工特点
磁粒研磨加工工艺作为一种非传统的光整加工方法，可以用于对复杂型面、球面、复杂型腔内表面的光整加工，且能获得较高的表面质量和加工精度。因磁粒研磨加工工艺是柔性加工，具有误差补偿的特性，所以不需要高精度的专用加工设备，通过对已有的数控机床、普通机床进行改造，添加一套磁场辅助光整加工装置，即可实现光整加工的自动化。
在磁粒研磨加工工艺中，磁场的存在是该加工方法的必要条件。磁场的产生可以通过两种方法获得：一种是靠永磁体产生恒定的磁场强度；另一种是利用电磁线圈通过励磁电流产生，这种方法产生的磁场可以通过调节电流来改变磁场强度。无论何种方法产生的磁场，其本身都具有像 X射线一样穿透非导磁材料且可磁化导磁材料的特点。磁粒研磨加工工艺基于磁场所具有的特性，相对于其他的精密加工工艺，其有独特的加工优势，具有传统研磨抛光手段不可代替的特点，可归纳如下。
（1）无须专用的加工设备。
在已有的加工设备基础上添加磁粒研磨加工装置，即可满足精密研磨加工要求。磁粒研磨属于柔性加工工艺，相对于刚性切削加工工艺，其对设备的精度要求不高，改造成本低，容易实现自动化。
（2）磁粒研磨加工后
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