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　　摘要　基于数控机床的插补运动控制采用磁性研磨方法进行了灯具罩模芯反射块表面的研磨加工，在保证形状精度和尺寸精度的前提下，加工表面粗糙度Ra由原始的0.065μm降低到0.035μm。采用单因素实验方法分析了几种主要加工参数，包括加工间隙、磁极转速、加工时间和工件进给量对灯罩模芯表面粗糙度的影响。验证了磁性研磨方法可以用于模芯表面数量多、尺寸小的反射块表面加工，并且选择合适的加工参数能够获得较好的加工表面质量，如加工间隙在1.5mm左右、磁极转速300~600r/min、加工时间为8min左右、工件进给量120~300mm/min。


　　随着人们生活质量的提高，对灯具质量的要求也越来越高，不仅要求足够的亮度、精致的外观，还要求节能环保，并且从光源散射出的光线具有良好的均匀和柔和性。一般灯具包括电源、光源和反射罩三部分，其中反射罩在很大程度上影响着灯光的均匀性、柔和性以及灯具的整体节能效果。对于灯具反射罩的加工一般有冲压、旋压和注塑成型3种方法[1]，但无论采用何种加工方式，都需要制造出具有光线反射曲面和块状反射单元的凸模，由于反射罩是控光元件，因此凸模的曲面既需要较高的轮廓精度，又需要接近镜面的表面精度。目前对于模具曲面的精加工一般采用电火花或传统的手工研磨抛光来达到其粗糙度要求，效率低而且有时会牺牲其形状精度为代价，对于这种模芯表面数量多尺寸小的反射块加工，其弊端尤为突出，影响了我国灯具产品的性能和质量。
　　磁性研磨加工技术具有良好的柔性、自锐性、温升小、加工质量高等特点[2－3]。尤其对于解决复杂模具曲面的研磨加工具有突出优势。磁性研磨加工的原理如图1所示，工件在数控机床的控制下，以恒定的进给量作往复运动，位于磁极工具和加工表面间的磁性磨料在磁场作用下，沿磁力线方向排列在磁极上形成“研磨刷”，并随磁极工具一起作旋转运动，对工件表面产生一定的压力，从而实现对工件表面的研磨加工。本研究基于黏结磨料磁性研磨方法对塑料模具钢表面加工，取得粗糙度Ra0.06μm光滑表面的结果，采用混合抛光，通过分析被加工表面粗糙度变化规律，研究加工过程参数对表面质量的影响。

　　1 试验装置与试验条件
试验在广州市某有限公司开发的CMP306车磨抛复合加工中心机床上进行，分布于灯具罩模芯表面的反射块采用自动研磨抛光方式，磁性工具旋转，工件沿机床的Y、Z轴同时进给往复运动，加工原理如图1所示，试验装置如图2所示，加工过程中所使用的试验条件如表1所示。反射块表面粗糙度采用Mahr XT20表面粗糙度轮廓仪测量。

　　2 试验结果分析

　　研磨加工前后灯具模芯表面粗糙度测量结果如图3所示。对比可知，磁性研磨加工之后模芯表面粗糙度显著减小。实际加工过程中影响磁性研磨效果的因素很多，我们主要就加工间隙、加工转速、加工时间、工件进给量这几个主要因素来分析他们的影响规律和原因。

　　2.1 加工间隙的影响
　　在灯罩模芯磁性研磨加工过程中，工具磁极与加工表面之间的距离即加工间隙，是影响研磨质量的一个重要因素。间隙过大，磨粒排列就会变得疏松，磨粒间的压力随之减小，磨削能力相应降低，同时研磨效率也随之降低；间隙过小，又不能充分发挥磨粒在加工区域中的翻滚和自锐优势，且过小的间隙会造成磨粒间的压力过大，有可能划伤工件表面，影响工件的表面质量。在试验条件下，反射块表面粗糙度与加工间隙之间的关系如图4所示。由图4可见，反射块表面粗糙度随加工间隙先减小再升高，加工间隙为1.5mm左右时具有较低的表面粗糙度，所以合适的加工间隙是取得较好粗糙度的关键参数之一。

　　2.2 磁极转速的影响
　　灯具罩模芯反射块表面可磁性研磨试验，是通过磁极工具带动磁性“研磨刷”旋转，以实现对模芯反射面的研磨加工，磁极转速在很大程度上决定了研磨加工效率和表面粗糙度。实际加工过程中磁极转速会受到多种因素的制约和影响，如研磨液的黏度、磨粒尺寸、磁场强度、加工间隙等。在保持其他参数不变时，有规律的改变磁极转速进行分组研磨试验，结果如图5所示。磁极转速在200~500r/min范围内时，随着转速的增加，单位时间内磨粒在工件表面上划过的次数增多，材料表面去除速度相应增大，粗糙度值随之降低。当转速增大到500r/min后，离心力显著增大，磨料沿着磁极工具旋转的切线方向飞出，加工区域的磨料质量浓度明显降低，研磨能力相应减弱；同时，研磨液被大量甩出，促使加工区域供液不足，大量减弱了研磨液的润滑和冷却作用。尤其当磁极转速超过600r/min后，磨料和工件表面的摩擦太过激烈，加工区域内的热量大幅增加，不但影响工件的尺寸精度，同时还会使加工面出现变质层、裂纹以及残余应力等加工缺陷。较高的温度，还会减少磨料的使用寿命，不利于最终磁性研磨加工的质量和效率。

　　2.3 加工时间的影响
　　加工时间对灯罩模芯表面研磨效果的影响如图6所示。由图6可见，研磨初期工件表面的粗糙度下降较快，这是由于在开始研磨阶段参与磨削的磨粒数较多，磨粒较锋利，同时研磨液比较充裕，能起到良好的润滑和冷却加工区域的作用。当加工持续到8min以后，表面粗糙度Ra下降到0.04μm左右后趋于稳定，继续延长加工时间粗糙度反而有上升趋势。根据对加工过程的观察，这是由于当研磨加工一段时间后，磨粒开始钝化，并且随着离心力的作用，单位时间内参与磨削的磨粒数减少，研磨液也大量减少，磨料温度升高，在研磨后期，由于研磨液和部分磨粒被甩出加工区域，使得“磨料刷”中磁性粒子所占的比例增加，磁导率相应提高，使得磁性“研磨刷”刚性增大，但由于磨削刃减少，造成单颗磨粒对加工表面的研磨压力增大，加工表面容易产生新的划痕。所以在研磨8min后，工件表面粗糙度并没有继续减小而是稍有波动。因此，控制适当的研磨时间也是取得良好表面的条件之一。

　　2.4 进给量的影响
　　在灯具罩模芯磁性研磨加工过程中，工件是沿着机床的Y、Z轴同时进给，以便保证加工表面与磁性研磨刷具有最佳接触状态，实现加工面的均匀性。工件进给量在一定程度上也决定了磁性研磨的加工效率和均匀性，在转速相同的情况下，较低的工件进给量能增加工件表面单位面积上被磨削的次数，且单颗磨粒在工件表面上驻留的时间增长，研磨效率较高，但是过低的进给量造成磨粒在加工区域内得不到充分的翻滚、自锐和更新，磨粒钝化较快，反倒不能更好地降低工件表面粗糙度。但是，过高的工件进给量，虽然能使加工区域内磨粒更新速度加快，但磨粒在工件表面驻留的时间太短，并且造成工件在往复加工区域的同时，将磨料排挤到磁极工具的非加工部位，从而达不到很好的材料去除效果。从图7的加工结果中可以看出，工件进给量保持在120~200mm/min，能取得较好的加工效果。

　　3 结语
　　采用混合磨料磁性研磨加工方法进行了灯具罩模芯反射块表面研磨加工，分别研究了加工过程中加工间隙、磁极转速、加工时间以及工件进给量，对灯罩模芯表面粗糙度的影响规律。试验研究的结果可以归纳为：磁性研磨可以用于灯罩模芯表面数量多、尺寸小的反射块加工，能够有效降低加工表面粗糙度；选择如下的工艺参数可以得到较好的加工效果：加工间隙1.5mm左右、磁极转速300~600r/min、加工时间8min左右、工件进给量120~300mm/min。



　　参考文献：
　　[1]　柯顿JR,马斯登ＡＭ.光源与照明[Ｍ].4版.上稍顷：复旦大学出版社，2000.
　　[2]　邱腾雄，阎秋生.曲面磁性研磨加工的表面粗糙度特性研究[Ｊ].金刚石与磨料磨具工程，2008
　　[3]　邱腾雄，面向模具曲面的磁性研磨加工技术研究[Ｄ].广州：广东工业大学，2008.
　　[4]　WANG Y,HU D J.Study on the inner surface finishing of tubing by magnetic abrasive finishing [J].Internatinal Journal of Machine Tools and Manufacture,2005,45:43-49.
　　[5]　肖作义.磁力研磨光整加工技术的实验研究[Ｊ].模具工业，2004，286（12）：47－50.
　　[6]　MORI T,HIROTA K,KAWASHIMA T.Clarification of magnetic abrasive finishing mechanism[J].Journal of Materials Processing Technology,2006,143-144:682-686.


　　作者简介
　　黄志英，女，1986年生，广东工业大学硕士研究生，主要研究方向为超精密研磨抛光。