譚悅，陳燕*，曾加恒

（遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨對TA18管內(nèi)表面光整加工

譚悅，陳燕*，曾加恒

（遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

采用旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨加工技術(shù)對TA18管內(nèi)表面進(jìn)行光整加工。對比了旋轉(zhuǎn)磁極輔助和單純磁力研磨加工前后表面粗糙度的變化，探究了輔助磁極轉(zhuǎn)速和管件轉(zhuǎn)速對TA18管內(nèi)表面粗糙度的影響。獲得了如下較佳的工藝參數(shù)：輔助磁極轉(zhuǎn)速1 500 r/min，管件轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給速率2 mm/s。在上述工藝條件下對TA18合金管內(nèi)表面研磨15 min，其表面粗糙度從原始的0.89 μm降至0.12 μm，表面的應(yīng)力狀態(tài)由原始的殘余拉應(yīng)力+169 MPa變?yōu)閴簯?yīng)力-112 MPa，有效提高了工件的疲勞強(qiáng)度。

鈦合金管；磁力研磨；旋轉(zhuǎn)磁極；表面粗糙度；微觀形貌；殘余應(yīng)力

鈦合金材料具有較高的韌性和比強(qiáng)度，且抗腐蝕性好，被廣泛運(yùn)用于軍事領(lǐng)域，作為輸送液體與氣體的載體管道[1]。鈦合金管內(nèi)表面凹凸不平會造成氣體或液體在鈦合金管內(nèi)部的壓力和流速不均而產(chǎn)生喘振現(xiàn)象[2]。因此鈦合金管內(nèi)表面的拋光處理很重要。不同的加工工藝相繼被提出，如鄧超[3]提出的單純磁力研磨，以及筆者提出的電解-磁力復(fù)合研磨工藝[4]和超聲輔助磁力研磨工藝[5]。但這些方法都存在著一些不足之處，如單純磁力研磨易產(chǎn)生加工紋理，電解-磁力復(fù)合研磨易發(fā)生短路，超聲輔助磁力研磨易出現(xiàn)缺陷波。采用旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨法對鈦合金管內(nèi)表面進(jìn)行精密研磨拋光，可以有效避免上述現(xiàn)象發(fā)生。本文對比了旋轉(zhuǎn)磁極輔助和單純磁力研磨加工后的表面粗糙度，確定了旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨的最佳工藝參數(shù)，考察了在最佳工藝參數(shù)下鈦合金管內(nèi)表面的加工質(zhì)量和表面完整性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨的加工機(jī)理

將前期研究的超聲輔助磁力研磨裝置中的超聲裝置[5]換成自行研制的旋轉(zhuǎn)磁極裝置。旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨管內(nèi)表面的加工原理如圖1所示，通過固定在支撐桿上的電機(jī)帶動，給輔助磁極增加一個(gè)沿管件徑向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，調(diào)節(jié)電機(jī)電流的大小便可控制旋轉(zhuǎn)磁極的旋轉(zhuǎn)速率。對管件光整加工時(shí)，將鈦合金管裝卡在臥式車床上，通過車床給管件提供轉(zhuǎn)速，外圍磁極與支撐桿同步往復(fù)進(jìn)給，管內(nèi)電機(jī)帶動輔助磁極進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過多種復(fù)合運(yùn)動形成交叉軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對鈦合金管內(nèi)表面光整加工的效果。

圖1 旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨加工示意圖Figure 1 Schematic diagram of rotating magnetic pole-assisted magnetic abrasive machining

1.2 旋轉(zhuǎn)磁極輔助加工工藝

基體材料為普通TA18鈦合金，外徑68 mm、內(nèi)徑60 mm、長100 mm。加工時(shí)進(jìn)給速率為2 mm/s，加工時(shí)間均為15 min。外圍磁極為50 mm × 50 mm × 25 mm的方形磁極，輔助磁極為直徑20 mm、高5 mm的圓形磁極，研磨液為勞力恩SR-9912水溶性研磨液。磁性磨粒由平均直徑200 ～ 250 μm的鐵粉和平均直徑40 ～ 50 μm的Al2O3按質(zhì)量比2∶1混合燒結(jié)后破碎篩分而成。

1.3 旋轉(zhuǎn)磁極輔助加工效果的表征

采用廣精JB-08E表面粗糙度測量儀測量加工件的表面粗糙度Ra，每加工3 min測1次，測量5個(gè)不同點(diǎn)，取平均值。采用基恩士的VHX-500F型超景深3D顯微鏡觀察工件的表面形貌。利用荷蘭帕納科X射線殘余應(yīng)力分析儀檢測加工前后工件表層的殘余應(yīng)力。根據(jù)X射線衍射 sin2ψ應(yīng)力分析法[7]，通過在衍射角范圍內(nèi)選取6個(gè)點(diǎn)測定晶面間距d，繪制出相應(yīng)的點(diǎn)圖并擬合成直線，通過式(1)計(jì)算出表面上的應(yīng)力。

式中，φσ為φ方向的應(yīng)力(單位：MPa)，E為材料的楊氏模量(116 GPa)，υ為材料的泊松比(0.32)，φ為衍射角(單位：°)，ψ為傾斜角度(單位：°)，dψ為傾斜角的晶面間距(單位：μm)；0d為初始傾斜角(0°)的晶面材料初始表面在初加工時(shí)的塑性變形間距(單位：μm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同加工方式下表面粗糙度的變化

其余參數(shù)同1.2，在輔助磁極轉(zhuǎn)速1 500 r/min、管件轉(zhuǎn)速1 000 r/min的條件下，分別采用單純磁力研磨和旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨對鈦合金管內(nèi)表面進(jìn)行加工。從圖2可以看出，在前9 min內(nèi)，表面粗糙度的下降速率較快。加工15 min后，采用單純磁力研磨加工后的表面粗糙度Ra由初始的0.64 μm降至0.23 μm，而采用旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨后的表面粗糙度Ra由初始的0.65 μm降至0.12 μm。

磁力研磨過程中存在尖點(diǎn)效應(yīng)。開始加工時(shí)，表面材料的凸起與磁性磨粒接觸的概率大，材料去除量大，表面粗糙度變化較明顯。隨著加工的進(jìn)行，表面尖點(diǎn)逐漸被去除，表面趨于平整，尖點(diǎn)變成了微小平臺。添加旋轉(zhuǎn)輔助磁極后，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，使研磨壓力增大，且在旋轉(zhuǎn)作用下，磁粒刷的剛性減弱，輔助磁極的振顫效果較弱，磁性磨粒與管件內(nèi)表面充分接觸，因此加工后的表面粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單純磁力研磨的粗糙度，加工效率顯著提升，表面質(zhì)量明顯提高。

2.2 輔助磁極轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

圖2 不同加工方式下，TA18鈦合金管的表面粗糙度隨研磨時(shí)間的變化Figure 2 Variation of surface roughness of TA18 titanium alloy pipe with grinding time when using different processing methods

圖3 不同輔助磁極轉(zhuǎn)速下，TA18鈦合金管的表面粗糙度隨研磨時(shí)間的變化Figure 3 Variation of surface roughness of TA18 titanium alloy pipe with grinding time at different rotating rates of auxiliary magnetic pole

其他工藝參數(shù)同2.1節(jié)，在1 000 r/min的管件轉(zhuǎn)速和不同的輔助磁極轉(zhuǎn)速下對鈦合金管內(nèi)表面進(jìn)行加工，結(jié)果見圖3。在加工的前6 min內(nèi)，隨著輔助磁極轉(zhuǎn)速的提高，表面粗糙度下降，表面質(zhì)量顯著改善。加工時(shí)間大于6 min后，在輔助磁極轉(zhuǎn)速2 000 r/min下研磨加工后的表面粗糙度大于轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)的表面粗糙度。這是因?yàn)檩o助磁極旋轉(zhuǎn)后，研磨角度不斷改變，表面紋理對磁性磨粒運(yùn)動方向的干涉較小，能夠較好地去除波峰，獲得較好的表面質(zhì)量，并且隨著輔助磁極轉(zhuǎn)速的增大，軌跡間的夾角增大，表面粗糙度降低。當(dāng)輔助磁極轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，表面粗糙度最低。當(dāng)輔助磁極轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，磁性磨粒因受到的離心力大于磁場的束縛力而脫離加工區(qū)域，參與研磨的磁性磨粒減少，鈦合金管內(nèi)表面未能得到有效加工，因此在2 000 r/min的輔助磁極轉(zhuǎn)速下加工超過6 min后，管內(nèi)表面粗糙度比1 500 r/min時(shí)有所提高。

2.3 管件轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

設(shè)定輔助磁極轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，其他工藝參數(shù)同2.2，采用不同的管件轉(zhuǎn)速對鈦合金管內(nèi)表面進(jìn)行加工，結(jié)果見圖4。管件轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，由于管件轉(zhuǎn)速過低，切削力過小，導(dǎo)致對管件內(nèi)表面的塑性變形概率減小，并且因?yàn)楣芗D(zhuǎn)速較低，單位時(shí)間內(nèi)磁性磨?？虅澒芗?nèi)表面的次數(shù)少，因此加工效率較低，加工后表面粗糙度偏高。管件轉(zhuǎn)速提高到1 000 r/min時(shí)，磁性磨粒對管件內(nèi)表面的切削力增大，單位時(shí)間內(nèi)的刻劃次數(shù)增多，加工15 min左右時(shí)表面粗糙度降至0.12 μm。當(dāng)管件轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，在前3 min的加工過程中，表面粗糙度的下降速率較管件轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)的下降速率無太大的區(qū)別，但管件轉(zhuǎn)速提高后，磁性磨粒對管件內(nèi)表面的切削力增大，并且研磨軌跡的交叉角變小，表面粗糙度略有增大，最后穩(wěn)定在0.17 μm。

圖4 不同管件轉(zhuǎn)速下，TA18鈦合金管的表面粗糙度隨研磨時(shí)間的變化Figure 4 Variation of surface roughness of TA18 titanium alloy pipe with grinding time at different rotating rates of pipe

2.4 表面微觀形貌的對比

采用VHX-500F型3D超景深電子顯微鏡觀察鈦合金管在最佳工藝條件(輔助磁極轉(zhuǎn)速1 500 r/min，管件轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給速率2 mm/s)下加工前、后的表面形貌，結(jié)果見圖5。從圖5可知，原始管件內(nèi)表面紋理呈螺旋狀，并且紋理深淺不一，表面缺陷較多。采用旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨時(shí)，輔助磁極的旋轉(zhuǎn)作用促使磁性磨粒團(tuán)被動攪拌，促進(jìn)了磁性磨粒的翻滾與更替，對材料表面的去除能力較好，加工后管件內(nèi)表面缺陷基本消失。

圖5 旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨前后TA18鈦合金管的的微觀表面形貌Figure 5 Microscopic surface morphologies of TA18 titanium alloy pipe before and after rotating magnetic pole-assisted magnetic grinding

2.5 加工前后表面殘余應(yīng)力的變化

圖6為旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨前后工件表面的應(yīng)力線圖。由于受初加工時(shí)塑性變形和加工溫度的影響，研磨前的殘余應(yīng)力為+169 MPa(正號表示拉應(yīng)力)，研磨后工件表面的殘余應(yīng)力降至-112 MPa(負(fù)號表示壓應(yīng)力)，有效提高了工件的疲勞壽命。

圖6 旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨前后TA18鈦合金管的表面的應(yīng)力線Figure 6 Stress line of TA18 titanium alloy pipe surface before and after rotating magnetic pole-assisted magnetic grinding

3 結(jié)論

在管件轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，輔助磁極轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，進(jìn)給速率為2 mm/s的優(yōu)化參數(shù)下，對鈦合金管內(nèi)表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磁極輔助磁力研磨15 min，管件內(nèi)表面粗糙度Ra從原始的0.89 μm降至0.12 μm，表面微缺陷被去除，達(dá)到光整加工的效果，另外殘余應(yīng)力從加工前的拉應(yīng)力+169 MPa變?yōu)閴簯?yīng)力-112 MPa，說明工件的疲勞壽命得到提高。

[1] 江志強(qiáng), 楊合, 詹梅, 等.鈦合金管材研制及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景[J].塑性工程學(xué)報(bào), 2009, 16 (4): 44-50, 84.

[2] 廖明, 韓冰, 陳燕, 等.鈦合金管內(nèi)表面的電化學(xué)磁力研磨復(fù)合光整試驗(yàn)[J].中國表面工程, 2016, 29 (3): 123-131.

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Finishing of inner surface of TA18 pipe by rotating magnetic pole-assisted magnetic grinding

TAN Yue,CHEN Yan*, ZENG Jia-heng

The inner surface of TA18 pipe was machined and finished by magnetic grinding with the assistance of a rotating magnetic pole.The variation of surface roughness before and after magnetic grinding with and without rotating magnetic pole assistance was compared.The effects of rotation rates of auxiliary magnetic pole and pipe on the inner surface roughness of TA18 pipe were studied.The optimal parameters were obtained as follows: rotation speed 1 500 r/min for auxiliary magnetic pole and 1 000 r/min for the pipe, and feeding rate 2 mm/s.The roughness of inner surface of TA18 pipe is decreased from 0.89 μm previously to 0.12 μm after grinding under the optimal process conditions for 15 min.The surface stress is converted from tensile (+169 MPa) to compressive (-112 MPa), improving the fatigue strength of the pipe effectively.

titanium alloy pipe; magnetic grinding; rotating magnetic pole; surface roughness; microscopic morphology;residual stress

TG175.3; TC669

A

1004 - 227X (2017) 20 - 1081 - 04

10.19289/j.1004-227x.2017.20.003

First-author address: School of Mechanica1 Engineering and Automation, University of Science and Technology,Anshan 114051, China

2017-09-23

2017-09-28

國家自然科學(xué)基金（51105187）；遼寧省教育廳基金（2016HZZD02）。

譚悅（1990-），男，重慶人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫芗庸ぜ夹g(shù)、表面處理技術(shù)。通信作者：陳燕，博士，教授，(E-mail) 1336852522@qq.com。

[ 編輯：周新莉 ]