譚 悅，陳 燕，曾加恒，許召寬

(遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

鈦合金具有耐高溫、耐磨損、抗腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶等領(lǐng)域，主要用于制造整體葉盤、渦輪軸、封嚴環(huán)等高溫零部件[1]。但由于鈦合金屬于典型的難加工材料，運用傳統(tǒng)研磨加工方法對鈦合金管內(nèi)表面拋光變得困難。特別是一些直徑比較小的鈦合金管內(nèi)表面根本無法加工。針對鈦合金管內(nèi)表面精密拋光這一技術(shù)難題，國內(nèi)外學者做出了大量的研究[2]。任敬心等提出采用剛玉和碳化硅砂輪對鈦合金進行磨削，但此方案中砂輪磨削用量不易控制，易使表面產(chǎn)生微裂紋、燒傷熔覆物等[3]。辛磊等采用自行設(shè)計的旋轉(zhuǎn)永磁場研磨裝置對鈦合金管內(nèi)表面進行研磨，取得較好的光整效果。但由于鈦合金硬度高，利用單純磁力研磨加工時磨削難度大，加工效率低[4]。本課題組曾采用球形磁鐵輔助研磨彎管內(nèi)表面，不但可以提高研磨效率，且球形磁鐵能夠順利通過彎曲處，但對于較大的管內(nèi)表面而言，球形磁鐵形成的磁場強度增大的面積較小，對加工效率的提高不明顯[5]。基于上述問題，提出了電解輔助磁力研磨的方法，這樣可以先通過電解生成鈍化膜，降低工件表面硬度，再利用磁力研磨對生成的鈍化膜進行去除，有助于提高加工效率，改善其內(nèi)表面質(zhì)量。

本文分析了電解-磁力研磨工藝的工作原理，對比了單純磁力研磨與電解-磁力研磨兩種加工方法對TA18鈦合金管內(nèi)表面質(zhì)量與應(yīng)力的影響。同時，采用單因素法研究了磁極轉(zhuǎn)速和電解電壓對加工效率的影響。為鈦合金管內(nèi)表面研究提供了一種新的方法。

1 電解-磁力研磨加工機理

電解-磁力研磨是先利用電化學陽極溶解的作用，使工件表面生成硬度比工件材料低很多的鈍化膜，再利用磁力研磨在研磨間隙不斷翻滾、擠壓、變形和摩擦的作用對鈍化膜微量去除。整個加工過程中，工件經(jīng)歷電化學腐蝕→磁力研磨→電化學腐蝕→磁力研磨的循環(huán)作用，從而實現(xiàn)表面光整加工。

圖1示出了電解-磁力復合研磨加工鈦合金管內(nèi)表面的加工示意圖。工件通過碳刷連接直流電源的正極作為陽極，銅棒連接電源的負極作為陰極。在加工過程中，電解液通過蠕動泵抽取并填充在加工間隙中，使工件內(nèi)表面發(fā)生電解反應(yīng)，且工件由車床帶動作軸向旋轉(zhuǎn)，有助于對電解液進行攪拌。由于鈦合金管為非導磁性工件，因此其內(nèi)部放置吸附磁性磨粒的V型輔助磁極，與外部磁極構(gòu)成磁回路，從而增大了加工區(qū)域的磁感應(yīng)強度；吸附在V型輔助磁極兩極的磁性磨粒沿磁力線方向排列形成具有一定剛性的磁力刷，壓附在鈦合金管內(nèi)表面，隨工件的高速旋轉(zhuǎn)和外部磁極沿鈦合金管軸向地往復進給，磁性磨粒在鈦合金管內(nèi)表面進行微量摩擦、刻劃，實現(xiàn)對鈦合金管內(nèi)表面的電解-磁力復合研磨加工[6]。

1.三爪卡盤 2.絕緣墊 3.工件 4.碳刷 5.直流電源 6.控制閥 7.流量計 8.蠕動泵 9.過濾器 10.外部磁極 11.磁性磨料 12.V型輔助磁極 13.銅棒 14.電解液

圖1電解-磁力復合研磨加工鈦合金管內(nèi)表面的加工示意圖

2 實驗條件與方法

2.1 試驗裝置

圖2為試驗裝置圖，工件裝卡在車床主軸上做勻速旋轉(zhuǎn)運動，直流電源陽極通過碳刷與工件相連，陰極通過連桿與銅棒相連，電解液通過蠕動泵抽取填充在加工間隙中，放置工件內(nèi)部的V型輔助磁極與電極在直流電機的帶動下進行旋轉(zhuǎn)。

1.臥式車床 2.三爪卡盤 3.外部磁極 4.工件 5.工作臺 6.電機 7.直流電源 8.蠕動泵

圖2電解-磁力復合研磨加工鈦合金內(nèi)表面試驗裝置

2.2 試驗條件

鈦合金管的材質(zhì)為TA18，其外徑40mm，內(nèi)徑34mm，長90mm。具體工藝條件為：進給速率2mm/s，磁性研磨粒子粒徑185μm，陰極銅棒與管內(nèi)表面間隙為1mm，V型輔助磁極與管內(nèi)表面間隙為2mm，外部磁極與管的間隙為15mm，V型輔助磁極和外部磁極均為Nd-Fe-B永磁極。使用的電解液為16%的NaNO3溶液，電解液流速2.5L/min。所用磨料由平均粒徑200～250μm的鐵粉和平均粒徑40～50μm的Al2O3按質(zhì)量比2:1混合燒結(jié)后破碎篩分而成。研磨液為勞力恩SR-9912水溶性研磨液，加工時間均為50min。

2.3 試驗表征

采用廣精JB-08型指針式表面粗糙度儀測量工件的表面粗糙度Ra，每加工10min測1次，測量時取5個不同的測量點，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)力分析儀對加工前后工件表層殘余應(yīng)力進行檢測。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同加工方式對表面粗糙度的影響

試驗分2組進行，分別采用單純磁力研磨與電解-磁力復合研磨對TA18管內(nèi)表面進行研磨，按2.2節(jié)的工藝條件，采用電解電壓為9V在磁極轉(zhuǎn)速1200r/min的情況下進行加工試驗。如圖3所示，經(jīng)過50min的研磨，單純磁力研磨的表面粗糙度由0.9μm下降到0.37μm；電解-磁力復合研磨的表面粗糙度由0.9μm下降到0.08μm。主要原因是因為TA18本身基體材料較硬，磁性磨料的硬度偏小，經(jīng)單純磁力研磨后的磨料容易出現(xiàn)磨粒相斷裂，磨料外部的有效加工部分脫落，磨料變得圓潤，影響磨料的加工效率與壽命[7]，而電解-磁力復合研磨首先使得工件表面的尖點和毛刺由于電解作用變成較軟的鈍化膜，再利用磁性研磨粒子去除，達到表面光整的效果。研磨后有效地保留了研磨相，使其能夠保持較好的加工性能。

圖3 不同加工方式表面粗糙度與研磨時間的關(guān)系

3.2 不同加工方式對表面顯微形貌影響

利用超景深電子顯微鏡觀察不同加工方式研磨TA18管件內(nèi)表面形貌如圖4所示,純磁力研磨加工后表面仍會殘留一些未被去除的加工痕跡，且出現(xiàn)少量小區(qū)域的燒傷熔覆物,表面波峰波谷高度差較大，表面紋理分布不均勻且加工缺陷較多，如圖4a所示；經(jīng)復合加工后，工件表面缺陷基本完全去除，研磨痕跡細密均勻，工件表面無燒傷，表面質(zhì)量得到顯著提高[8],如圖4b所示。

(a) 單純磁力研磨

(b) 電解-磁力復合研磨圖4 不同加工方式表面顯微形貌

3.3 不同加工方式對表面殘余應(yīng)力的影響

應(yīng)用X射線衍射法，采用荷蘭帕納科X射線衍射儀測量工件表面殘余應(yīng)力，根據(jù)X射線衍射sin2φ應(yīng)力分析法[9]，得到應(yīng)力計算方程如下。

式中，σφ為φ反向上的應(yīng)力，MPa；E為材料的楊氏模量，GPa；v為材料的泊松比；φ為傾斜角度，°；dφ為傾斜角的晶面間距，μm。dn為初始傾斜角(0°)的晶面材料初始表面由于受到初加工時的塑性變形間距，μm。經(jīng)測量，工件原始表面的殘余應(yīng)力擬合線關(guān)系如圖5a所示。計算結(jié)果如圖5b所示，結(jié)果表明，材料初始表面由于受到初加工時的塑性變形和加工溫度的影響，表面殘余應(yīng)力為+169.7MPa拉應(yīng)力；純磁力研磨后，表面殘余應(yīng)力為-39.6MPa壓應(yīng)力；電解-磁力研磨復合顯著地降低了表面的殘余應(yīng)力，表面殘余應(yīng)力為-202.2MPa壓應(yīng)力。根據(jù)資料顯示，殘余壓應(yīng)力可以有效地提高零件表面的抗疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕及抗蠕變開裂的能力[10]；此外，良好的壓應(yīng)力狀態(tài)可以在零件受力時釋放自身的殘余壓應(yīng)力以達到保護零件的目的[11]。

(a) 原始殘余應(yīng)力擬合線

(b) 殘余應(yīng)力結(jié)果圖5 研磨前后的表面殘余應(yīng)力

3.4 磁極轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

按2.2節(jié)的工藝條件，采用9V的電解電壓在不同的磁極轉(zhuǎn)速下對TA18合金管內(nèi)表面進行加工試驗，結(jié)果見圖6。從圖6可知，隨著磁極轉(zhuǎn)速升高，工件表面粗糙度下降，表面加工質(zhì)量顯著改善。當磁極頭轉(zhuǎn)速為800r/min時，工件表面粗糙度變化相對較慢，并且達到的表面粗糙度Ra值較高。當轉(zhuǎn)速提高到1200r/min時，試件加工效率相應(yīng)增高，表面粗糙度值下降較快，這是由于隨著轉(zhuǎn)速提高，單位時間內(nèi)對表面凸起、尖點去除量增大，致使改善工件的表面形貌并最終獲得的較小的表面粗糙度值[12]。當轉(zhuǎn)速達到1600r/min時，試件表面粗糙度值剛開始的20min內(nèi)下降很快，初始加工效率較高，但最終獲得的表面粗糙度值并沒有比加工轉(zhuǎn)速為1200r/min時低。主要原因是轉(zhuǎn)速過高導致磁性磨粒飛濺嚴重，使得有效研磨粒子減少，磁力刷剛度下降，加之離心力的影響，使得研磨粒子對工件表面的有效研磨壓力減小，致使切深減小，導致加工效率較低[1]。所以，為了提高研磨效率，磁極轉(zhuǎn)速應(yīng)選用轉(zhuǎn)速1200r/min。

圖6 不同磁極轉(zhuǎn)速下工件表面粗糙度隨研磨時間的變化

3.5 電解電壓對表面粗糙度的影響

采用1200r/min的磁極轉(zhuǎn)速在不同電壓下對TA18合金管內(nèi)表面進行加工試驗，結(jié)果見圖7。從圖7可知，隨著電解電壓的升高，工件的表面粗糙度下降，表面加工質(zhì)量顯著改善。當電解電壓為9V時，加工10min后表面粗糙度Ra由初始的0.9μm降至0.08μm。繼續(xù)增大電解電壓到12V時，表面粗糙度相比電壓為9V時并無太大的變化。原因是當繼續(xù)增大電解電壓到12V時，電解生成的鈍化膜厚度增大，使已經(jīng)研磨加工的工件表面因再次電解鈍化而被破壞，表面粗糙度無太大的變化，且造成了資源浪費[8]。因此為保證加工效率和質(zhì)量，宜選擇電解電壓為9V。

圖7 不同電解電壓下工件表面粗糙度隨研磨時間的變化

4 結(jié)論

(1)電解-磁力復合研磨與單純磁力研磨相比，由于電解作用使工件表面產(chǎn)生較軟的鈍化膜，有利于磁性磨料對工件表面研磨，使得加工效率和表面質(zhì)量明顯提高。

(2)電解-磁力研磨后表面更加均勻、平整，且使得表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力+169.7MPa變到壓應(yīng)力-202.2MPa,有效地提高零件表面的抗疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕及抗蠕變開裂的能力。

(3)當在電解電壓9V下采用1200r/min的磁極轉(zhuǎn)速對TA18管內(nèi)表面進行研磨50min時，研磨效果最好，工件表面均勻、平整，表面粗糙度Ra從原始的0.9μm降至0.08μm。

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