引言
近年来，改善机器部件表面质量的精加工方法得到了持续的发展。磁性磨料精加工（图1）是一种能够实现低表面粗糙度和高精度的加工方法。其发展得益于现代磁性材料的广泛应用和铁磁性磨料颗粒生产技术的进步，这使得能够达到Ra 0.1 μm以下的低粗糙度值。磁性磨料加工的一个主要优势是能够进入非磁性材料，并使柔性磨料工具适应加工表面的形状。该方法尤其在选择性激光熔化（SLM）打印管的内表面加工中得到了广泛应用。

磁性磨料加工效率低仍然是一个问题。因此，许多科学研究专注于提高其效率，例如通过结合两种不同加工操作的混合过程。Gurpreet等人研究了电化学辅助磁性磨料加工Inconel 625管的工艺表现。结果表明，随着工件速度和加工时间的增加，加工效率提高，但化学浓度的影响尚不明确。同样，Ce等人结合了磁性磨料加工与超声波加工，结果表明加工效率提高了100%，并且粗糙度降低了10–20%。

提高磁性磨料加工效率的第二种方法是通过增加加工区的磁感应强度并尽可能减少加工间隙，来压实加工区内的磨料颗粒。例如，Zhang等人开发了一个实验站，其中添加了一个自由旋转的磁体，磁体被磨料工具环绕并放置在工件内部。该解决方案可以增加加工区磁感应的分布，从而使生产率比没有额外磁体时提高了近50倍（15 m/min）。在另一项研究中，Chunjin等人利用磁场线密度加工304和Inconel 718钢的薄壁涡轮叶片。他们创建了一个模型来预测加工性能，然而该方法中的工件夹紧方式起到了至关重要的作用。研究人员随后扩展了分析，考虑了工件形状和工具角度对加工结果的影响。类似的，Karpuschewski等人使用磁场线密度来加工F75钢的医疗部件，结果显示，在两分钟的加工后，粗糙度减少了46%。同时，工件表层的压应力也有所增加。最后，Jiang等人通过结合旋转运动和纵向振动，使磨料颗粒在3毫米宽的加工间隙中密实，从而在3小时的加工后，使Inconel 718的粗糙度从Ra 7.22 μm降低至Ra 0.23 μm。Lida等人开发了一个移动磁体的技术来加工不对称的管材，研究结果显示，在20分钟后，粗糙度达到了0.05 μm，材料去除率为0.266 mg/min。

从上述工作中可以得出结论，磨料颗粒密实化是显著提高磁性磨料加工效率的一种有效方法。

如前所述，这一效果可以通过使用额外的磁体或实现轴向或径向振动来实现。然而，这些方法也有其优缺点。缺点包括：

·必须引入额外的磁体，这需要足够的空间，

·加工效率与额外磁体的大小相关（磁体越小，磁感应梯度越小），

·引入振动需要专用设备，这使得工艺难以自动化，

·磁体的轴向运动频率受到压力球跟踪机制的限制（最高600 rpm）。

还有一种方向取得了有前景的结果。文献中有报告采用偏心运动作为磁性磨料加工工具运动学的一部分，结果表明，使用偏心运动可以在不需要复杂设备的情况下，获得非常好的加工效果。例如，Cheng等人开发了一种三点偏心磁流变抛光装置，能够抛光硬脆铝土矿陶瓷。样品的表面粗糙度Ra从500降至22.41 nm，显示出抛光硬脆材料的巨大潜力。类似的结果在Rensheng等人使用磁流变加工平面光学玻璃K9时也得到了，Ra降至50.8 nm。Jisheng等人的研究显著降低了蓝宝石样品的粗糙度，Ra从7.6 nm降至0.27 nm，仅用时8小时。在另一项研究中，Jiao等人提出了一种使用偏心旋转工具对TC4钛合金孔表面进行精加工的方法。这使得粗糙度降低了13.7%，而加工效率提高了25%，相较于没有使用偏心时的加工结果。更好的结果出现在Anyuan等人的研究中，他们尽管将加工时间缩短了六倍，但依然提高了33.3%的效率。然而，关于偏心运动如何影响磨料颗粒的混合和磨损效果，目前尚无相关信息。

上述研究激发了作者开展偏心运动学用于强化加工的研究兴趣。本文提出了一种新的方法，通过工件的偏心运动来实现磨料颗粒在加工区的密实化，从而加强了加工过程。这一独特的运动学过程尚未在磁性磨料加工研究中进行过探讨。

材料与方法

实验站：进行加工的实验站由直径为ø50毫米、高度为20毫米的永磁体组成，通过“C”形磁路连接（如图2所示）。这些磁体之间通过一块铝制板分隔，铝板保护磁体免受损坏，并便于更换磨料粉末。磁路与磁体一起被放置在车床的滑座基座上，使得磁场可以精确地相对于工件移动。车床具有0到1200转/分钟的可调速度范围。加工头被放置在主轴上，工件被放入其中。

LZ-614 H霍尔效应传感器（ENES MAGNESY Paweł Zientek Sp. K., 波兰）用于测量空心加工间隙中的实际磁通密度。该过程的精度为±2×10^-3 T，而其在X和Y轴上的分布为2毫米。由于探头的结构存在一些限制，初始测量在距离磁体表面6毫米的位置进行，随后每次测量间隔为3毫米。图3显示了在实验站加工间隙对称轴沿截面区域内的磁感应梯度。

夹具：实现偏心加工要求开发一个夹具（如图4所示）。夹具的任务是为工件提供稳定的夹持，并减少所有自由度，以确保工件在加工过程中不会发生运动，从而避免结果失真。夹具由EN AW-2017 A铝合金制成，该材料为顺磁性材料。为减少自由度，使用了DIN916 M3×8毫米的六角螺钉，并配有安培扳手插座。

工件材料：采用了直径为ø3毫米、长度为90毫米的奥氏体型铬镍钢1.4401（AISI 316）滚筒（PHU Kastal，波兰）作为样品（见表1）。这是第二种最常用的耐腐蚀钢，具有良好的物理和机械性能。与304钢不同，316钢含有2到3%的钼。该添加剂增加了钢材的耐腐蚀性，特别是对氯化物的抗腐蚀能力，能有效防止点蚀和缝隙腐蚀。样品在中心less磨床上预磨。

表一316不锈钢的牌号及参数

磨料颗粒：POLIMAG公司提供了固体铁磁性磨料颗粒，在磁性磨料加工过程中，其性能优于磨料颗粒与磁性颗粒的混合物。此外，它们的性能也优于同一过程中烧结磨料颗粒。实验中使用的固体Fe-Si粉末颗粒，粒度范围为160至80μm（如图5所示）。它是通过内氮化方法制成的，具有良好的抛光性能和优异的铁磁性。颗粒粒度为80μm至160μm的混合物，可以获得低粗糙度的表面。

实验设计：实验采用了哈特利实验的三因子五水平旋转正交设计（如图6所示），其星臂半径为1.682。变化的因素为：偏心位移a [mm]，工件速度n [rpm]和加工时间t [min]（见表2、表3和表4）。此外，还计算了样品表面的加工速度V。

表二316不锈钢的化学成分

表三 实验设计输入参数的值

表四

图6

加工在恒定条件下进行（如图7所示），加工间隙为38±1毫米，使用40克的Fe-Si 160/80μm铁磁性磨料颗粒和4毫升煤油。

二维表面轮廓（图8和图9）的测量及其分析，使用了Form Talysurf系列2接触式轮廓仪（Taylor Hobson Ltd.，英国）。粗糙度参数的测量符合ISO 4287和ISO 4288标准。测量时，采用恒定的切割值为0.8毫米，进给速度为1毫米/秒，测量长度为15毫米。每个样品的加工表面测量重复三次。加工前，Ra粗糙度的标准偏差为0.016μm，而加工后不超过0.0075μm。测量沿样品的轴线进行，从最强烈加工表面开始，该表面在图8中标记为红色。测量针与测量路线平行度的对准误差为±0.1毫米。每个样品的测量重复三次，偏移量为0.1毫米。

Ra参数被选为表面粗糙度的描述参数，因为它是最常用的参数，同时也便于不同样品之间的快速比较。Rq参数通过均方根粗糙度对较大偏差更加敏感。Rz常用于工业质量控制，因为它能很好地反映表面的最大峰值和谷值。特别是在表面存在可能对生产过程或使用过程中造成问题的高峰值时，Rz非常重要。Rt用于确定粗糙度的极值。Rt和Rz参数的比较可以提供关于表面均匀性和极值存在的信息。

结果与讨论

根据结果，开发了回归方程，展示了偏心位移a [mm]、转速n [rpm]和时间t [min]对粗糙度Ra（算术平均粗糙度）、Rq（均方根粗糙度）、Rz（轮廓的平均最大高度）和Rt（轮廓的总高度）的影响。

为验证所开发模型的适用性，进行了残差分析（ΔRa/Ra）。残差的正态概率图（图10）显示残差呈正态分布。将残差图与预测值图（图11）进行比较，发现残差呈现随机性。分析图示的残差与实验值的关系，证明了误差项之间是相互独立的。残差分析表明，所开发的模型是适用的。

表面纹理采用激光共聚焦显微镜Keyence VX-100（Keyence Corporation，日本）进行了检测。通过对加工前后的3D和2D粗糙度轮廓进行比较（图12和13a与图13b和14），可以明显看到去除粗糙度顶点并获得“平台型”表面。这种表面具有更好的摩擦学性能（更高的接触面积、更好的润滑性能和较低的摩擦系数）。

可以观察到表面结构从随机分布转变为垂直于样品轴的结构。这是磨料颗粒对旋转样品作用的结果。同时，这也可能是由于在样品的轴向方向上没有或很少有颗粒迁移，这一点需要在随后的研究中进一步分析。

粗糙度Ra值从初始值Ra 0.575μm降至Ra 0.111μm，减少了80%，所需时间为9分钟10秒。Rz粗糙度值从初始值Rz 3.74μm降至Rz 0.843μm，减少了77%。

对于粗糙度参数Rt（从4.469μm降至1.057μm，减少了76%）也观察到类似的变化。Rz和Rt参数常用于评估最大粗糙度值对部件功能或外观的影响。然而，Rz参数对单个极值的影响较小。

粗糙度参数RSm（轮廓元素的平均宽度）从94.95μm降至50.79μm（减少了46%），表明表面具有更大的规律性和更高的粗糙度频率。这一变化对工件的滑动性能和承载能力具有重要影响。

偏心性a对粗糙度Ra值没有显著影响，但随着转速n的增加，Ra值在整个时间范围内呈下降趋势（图15）。有趣的是，Ra粗糙度的减少与加工时间t成反比。通过这种方式，可以在转速超过1100 rpm、加工时间为5至14分钟的范围内，实现在Ra值低于0.1 μm的效果。

加工时间对Rq粗糙度（均方根粗糙度，RMS）没有显著影响，Rq值随着转速n的增加在整个时间范围内减少（图16）。Rq粗糙度的减少与偏心性a的值成反比，在1200 rpm的转速和偏心值为2至3 mm的范围内，Rq值可以降低到0.1 μm以下。这可能与磨料材料在不同偏心值下的行为有关。在较高的偏心值（>5～6 mm）下，磨料颗粒会分散形成空隙（图17a），而在较高的转速下（>800 rpm），它们无法填充这些空隙。而在较小的偏心值下，即使在较高的转速下，磨料颗粒也能每次填充样品旋转轴相对于主轴旋转轴所围成的空间（图17b）。这一现象的另一个特点是，使用较大的偏心性会增加颗粒的混合程度，从而导致磨损更加均匀。

加工时间和转速对Rz粗糙度没有显著影响，Rz仅取决于偏心性a的值（图18）。然而，与Rq粗糙度不同，Rz参数随着偏心性的增加而减少。这可能是因为与磨料颗粒的相互作用产生的更大力量导致更为密集的粗糙度顶点去除。

加工时间对Rt粗糙度没有显著影响，Rt与Rz参数类似，随着偏心性a的增加而减少（图19）。然而，转速的影响更为显著，转速的增加在整个时间范围内会降低Rt粗糙度。图表显示了一个粗糙度为负值的区域，这可能是由于插值误差导致的，确定系数为R² = 0.73。

加工前后的表面显微图（图20a和图20b）显示了表面相对于所施加旋转运动学的方向。在加工前，可以观察到表面上有不规则的坑洞（黑色区域），而没有明显的粗糙度顶点。另一方面，加工后，表面没有坑洞，并且表面更加均匀，具有细微的平行划痕，这些划痕来源于单独切削边角的作用。这些划痕的方向与工件相对于磨料颗粒的运动方向一致，划痕宽度为单微米，且与所使用的160/80 μm范围的颗粒尺寸相当。

使用额外的偏心性对加工过程的性质有显著影响。一个影响是增加样品在加工区相对于轴对称运动学的速度。不幸的是，使用偏心性需要增加加工间隙，这会导致磁感应梯度的减小。这个影响可以通过使用更多的磨料颗粒来填充加工间隙来补偿。同时，样品的偏心运动导致磨料颗粒的混合效应，使得更多的颗粒参与到加工过程中。因此，预计磨料颗粒可以在较长时间内不需要更换。

在轴对称加工的情况下，磁场线的移动可以忽略不计（主要波动可能是由于磁性颗粒在间隙内的移动）。相比之下，在实施偏心运动时，样品通过具有更大磁感应梯度的区域。在每个梯度区域内，作用在磨料颗粒上的力是不同的。此外，在每个区域内，磨料颗粒相对于加工表面的磁场线方向也有所不同。这一效应尚未被任何人研究过。

结论与未来工作

偏心磁性磨削显著改善了表面质量，特别是在粗糙度参数方面。通过本研究，我们得出以下结论：

Ra粗糙度显著降低，并与加工时间成反比，可以实现Ra值低于0.1 μm，从过程效率的角度看具有潜在优势。此外，Rz粗糙度的降低随着偏心性a的增加而进展。

在加工过程中，磨料的行为取决于偏心值。具体来说，当偏心值超过5～6 mm时，磨料颗粒会分散并形成空隙，而当偏心值低于该阈值时，颗粒会填满整个空间。这种变化非常重要，因为使用更大的偏心性增加了颗粒的混合程度，从而导致磨损更加均匀。

为了进一步研究这些特性，应在较低的时间范围（少于5分钟）和转速超过1200 rpm的情况下进行额外的测试。下一阶段的研究还应考虑在夹持器中实施样品的旋转轴运动，这可能实现更均匀的表面平整化。采用这种方法可以提高加工效率，允许在单次循环中处理更多的工件。因此，这为未来的研究提供了一个有前景的方向。

作者：Michał Marczak, Piotr Maj & Łukasz Gortat