辛 磊 范文勝

(神華神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔礦)

磁力研磨優(yōu)化鈦合金管內(nèi)表面光整度試驗(yàn)

辛 磊 范文勝

(神華神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔礦)

基于磁力研磨加工技術(shù)，采用自行設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)永磁場磁力研磨裝置，對(duì)鈦合金管內(nèi)表面進(jìn)行了研磨加工光整度試驗(yàn)。利用正交試驗(yàn)研究了當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場旋轉(zhuǎn)速度為定值時(shí)，研磨加工時(shí)間、磁性磨粒中磨粒相SiC和鐵磁相Fe粉的質(zhì)量比、SiC顆粒粒徑、Fe粉顆粒粒徑對(duì)內(nèi)表面光整度加工效果的影響。結(jié)果表明：在磁力研磨加工時(shí)間為15 min,SiC和Fe粉質(zhì)量比為1∶2、SiC顆粒粒徑為180目、Fe粉為400目的最優(yōu)條件下，鈦合金管內(nèi)表面的粗糙度值大幅降低、表面形貌細(xì)化，光整效果最好。

鈦合金 磁力研磨 正交試驗(yàn) 光整度

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐熱性好、密度小、耐腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)良物理化學(xué)性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。然而正是由于這些優(yōu)良的性能造成了對(duì)其進(jìn)行精密或超精密磨削加工的困難[1-2]。磁力研磨技術(shù)是利用外加磁場，將磁性磨粒沿磁場方向吸引、聚集到一起，形成具有良好柔性和自適應(yīng)性的磁力研磨刷。磁力研磨刷在磁場力的作用下和工件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁性磨粒對(duì)工件表面產(chǎn)生滑動(dòng)、滾動(dòng)、切削等運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)磁性磨粒對(duì)工件表面的研磨加工，使工件表面粗糙度值降低、表面形貌細(xì)化[3-5]。因此可利用磁力研磨技術(shù)對(duì)鈦合金表面進(jìn)行光整加工，去除毛刺、改善棱邊質(zhì)量等表面物理力學(xué)性能，提高使用壽命。

影響磁力研磨加工效果的工藝因素有多種，如磁極轉(zhuǎn)速、加工時(shí)間、加工間隙、磁性磨粒粒徑及配比等[6]，確定合適的磁力研磨工藝參數(shù)如磁性磨粒中鐵磁相和磨粒相質(zhì)量比和粒徑等，以提高鈦合金管內(nèi)表面的光整度，顯得尤為必要。

1 磁力研磨的加工機(jī)理

磁力研磨是一種磁場輔助、表面光整加工技術(shù)，工作內(nèi)表面磁力研磨加工原理見圖1，磁性磨粒的受力情況見圖2。

由圖1可知，磁場發(fā)生裝置由永磁極和磁軛組成，磁極在磁軛內(nèi)圈上成90°布置。利用加工區(qū)域的輔助非均勻磁場的作用，磁性磨粒就會(huì)沿磁力線方向有序地排列，形成磁力研磨刷，磁場發(fā)生裝置在電機(jī)帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得磁性磨粒與工件形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使工件被磁性磨料研磨[7-8]。

圖1 內(nèi)表面磁力研磨原理

圖2 磁力研磨原理

由圖2可知，在磁場力驅(qū)動(dòng)下，磁性磨粒沿著工件內(nèi)表面以同樣的轉(zhuǎn)速作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于工件與粘彈性磁性磨粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力對(duì)磁性磨粒產(chǎn)生阻礙作用，二者將在空間位置上滯后一個(gè)角度θ。磁性磨粒受到的力有磁場力Fm、磨粒與工件之間的摩擦力Ff、工件對(duì)磨粒的法向支撐力Fn、離心力F0等。當(dāng)磁性磨粒在切向方向的受力滿足Fmsinα>mgsinβ+Ff時(shí)，磁性磨粒與工件發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)并隨磁極一起運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)表面的光整加工。其中

F0=4π2mRf2，

Fn=Fmcosα+mgcosβ+F0，

Ff=μk×Fn，

式中，m為粘彈性磁性磨具的質(zhì)量，kg；R為粘彈性磁性磨具的質(zhì)心至回轉(zhuǎn)中心的距離,m；f為旋轉(zhuǎn)永磁場的旋轉(zhuǎn)頻率,r/min;μk為摩擦阻力系數(shù)。

工件表面在研磨壓力作用下，磁性磨粒將對(duì)工件表面產(chǎn)生切削作用，同時(shí)磨粒中的鐵磁相還將對(duì)工件表面起到很好的擠壓、滾壓、滑擦作用以及摩擦腐蝕磨損等[9]，從而實(shí)現(xiàn)工件表面光整度的改善。

2 試驗(yàn)裝置及參數(shù)

2.1 試驗(yàn)裝置

針對(duì)鈦合金內(nèi)表面磁力研磨加工的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套磁力研磨試驗(yàn)裝置，見圖3。由軸向進(jìn)給裝置(1、2、3、11)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置(6、8、9)、磁場發(fā)生裝置(5、10)、附屬裝置(4、7、12)等幾部分組成。磁極

的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由電機(jī)8旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)大帶輪6實(shí)現(xiàn)的，磁極被安裝于磁極支架10上面；軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由電機(jī)1帶動(dòng)絲杠3旋轉(zhuǎn)，磁場發(fā)生裝置通過連接螺母11與絲杠連接，從而通過滑動(dòng)裝置12實(shí)現(xiàn)磁極的軸向運(yùn)動(dòng)。因此，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以間接調(diào)節(jié)磁極的旋轉(zhuǎn)速度和軸向移動(dòng)速度。

圖3 現(xiàn)場試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

采用磁力研磨技術(shù)對(duì)鈦合金內(nèi)表面進(jìn)行加工，以內(nèi)表面光整度作為考察加工效果的優(yōu)劣。由表1可知，影響光整度優(yōu)劣有多個(gè)因素，不同的試驗(yàn)參數(shù)下，研磨加工的光整效果也會(huì)不同。

本次試驗(yàn)只考察研磨加工時(shí)間、磁性磨粒中磨粒相(SiC)和鐵磁相(Fe粉)的質(zhì)量比、SiC顆粒粒徑、Fe粉顆粒粒徑等4個(gè)因素對(duì)光整度加工效果的影響，以確定最佳的研磨加工條件。

3 磁力研磨加工試驗(yàn)

3.1 光整度加工時(shí)間條件試驗(yàn)

固定磨粒相和鐵磁相質(zhì)量比即m(SiC)∶m(Fe)為1∶2，在SiC顆粒和Fe粉顆粒粒徑分別為180目和200目、400目和400目、800目和600目3個(gè)組合水平下進(jìn)行加工時(shí)間條件試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4可知，在Fe粉和SiC顆粒粒徑3組目數(shù)組合水平下，隨著加工時(shí)間的不斷增加，鈦合金內(nèi)表面粗糙度逐漸下降，即光整度逐漸提高。加工時(shí)間不足，內(nèi)表面光整度達(dá)不到預(yù)期要求；加工時(shí)間過長，會(huì)對(duì)鈦合金管過度切削，使壁厚變薄，降低了鈦合金管的性能。綜合考慮，確定加工時(shí)間15 min為宜。

圖4 光整度加工時(shí)間條件試驗(yàn)

3.2 SiC和Fe粉質(zhì)量比、SiC顆粒粒徑、Fe粉顆粒粒徑正交試驗(yàn)

SiC與Fe粉的質(zhì)量比會(huì)影響磁性磨具的粘彈性和磁導(dǎo)率，決定著磁性磨粒所受磁場力的大小，進(jìn)而影響研磨效果。SiC與Fe粉的粒徑代表了各自顆粒的大小。以SiC和Fe粉質(zhì)量比、SiC顆粒粒徑、Fe粉顆粒粒徑為考察對(duì)象，依次為因素A、B、C。每個(gè)因素取3個(gè)水平，采用正交表L9(34)安排試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素水平見表2，加工效果取內(nèi)表面的粗糙度降低值衡量，粗糙度降低值越大，研磨加工效果越好，光整度提高幅度越大。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 正交試驗(yàn)因素水平安排

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

注：C1、C2分別為加工前、后內(nèi)表面的粗糙度，Δ為C1與C2的差值，即內(nèi)表面加工前后，粗糙度的降低值。

對(duì)表3進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表4。

表4 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

由表3、表4可知：①隨著SiC和Fe粉質(zhì)量比由1∶2、1∶3變化到1∶4，磁力研磨加工前后鈦合金管內(nèi)表面的粗糙度降低值逐漸降低。為保證研磨加工后鈦合金管內(nèi)表面具有較好的光整度，SiC和Fe粉質(zhì)量比選擇1∶2為宜；②隨著磁性磨粒中SiC顆粒粒徑目數(shù)的增大，鈦合金管內(nèi)表面粗糙度降低值先下降后升高。在正交試驗(yàn)的3個(gè)水平下，較優(yōu)水平為1，即選擇SiC顆粒為180目；③隨著Fe粉顆粒粒徑目數(shù)的增大，鈦合金管內(nèi)表面粗糙度降低值先上升后下降，降低值最大在Fe粉顆粒粒徑為400目時(shí)出現(xiàn)。因此，確定Fe粉顆粒粒徑為400目為宜。

3.3 光整度加工效果

根據(jù)研磨加工時(shí)間的條件試驗(yàn)和正交試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)鈦合金管內(nèi)表面進(jìn)行光整度磁力研磨加工試驗(yàn)。試驗(yàn)在SiC和Fe粉質(zhì)量比為1∶2、磨粒相SiC顆粒粒徑目數(shù)為180目、鐵磁相Fe粉顆粒粒徑為400目的條件下進(jìn)行，試驗(yàn)裝置參數(shù)不變，研磨加工時(shí)間為 15 min。

對(duì)鈦合金管內(nèi)表面光整度加工前后形貌的變化進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)觀察(放大倍數(shù)為 1 000)，結(jié)果見圖9。

圖5 鈦合金管內(nèi)表面光整度磁力研磨

鈦合金管內(nèi)表面加工前由于在軋制過程中產(chǎn)生劃傷、劃痕等缺陷，內(nèi)表面存在深度不等的溝槽；由圖5可知，加工后內(nèi)表面的劃痕變細(xì)、變淺，且呈現(xiàn)各向異性，表面形貌細(xì)化，表面光整度得到提高。

4 結(jié) 語

鈦合金物理化學(xué)性能優(yōu)良，但精密磨削加工困難。采用磁力研磨加工技術(shù)對(duì)鈦合金管內(nèi)表面光整度進(jìn)行加工，在固定其他試驗(yàn)參數(shù)的情況下，研究研磨加工時(shí)間、磁性磨粒中磨粒相SiC和鐵磁相Fe粉的質(zhì)量比、SiC顆粒粒徑、Fe粉顆粒粒徑對(duì)內(nèi)表面光整度研磨加工的影響。結(jié)果表明：在加工時(shí)間為15 min，SiC和Fe粉的質(zhì)量比為1∶2、SiC顆粒粒徑為180目、Fe粉顆粒粒徑為400目時(shí)，鈦合金管內(nèi)表面劃痕去除明顯、形貌細(xì)化，光整度加工效果最好。該試驗(yàn)結(jié)果可作為磁力研磨加工鈦合金工件、以提高工件質(zhì)量的技術(shù)參考。

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2014-12-16)

辛 磊(1985—)，男，助理工程師，017209 內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗。