康 璐， 陳 燕， 錢之坤， 杜兆偉， 韓 冰

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

鎳基高溫合金具有耐高溫、比強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，大量應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件生產(chǎn)上[1-2]。航空航天領(lǐng)域的高溫、高壓工作環(huán)境對零部件結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量有很高要求，只有通過精密加工來實現(xiàn)[3]。傳統(tǒng)的磁力研磨法精密拋光是依靠磁力將剛性磁粒刷壓在工件上，當(dāng)兩者發(fā)生相對運(yùn)動時，磁刷會在磁力、摩擦力和離心力的帶動下劃擦工件，完成對工件表面的微量去除，實現(xiàn)工件的研磨拋光[4-5]。

在磁力研磨中，集導(dǎo)磁性能和研磨性能于一體的磁性磨粒決定著研磨質(zhì)量，它主要由鐵基相與研磨相通過燒結(jié)等方式復(fù)合而成。鐵基相被磁化后提供研磨壓力，研磨相憑借其鋒利的切削刃完成對工件表面的研磨[6-7]。面對材質(zhì)較硬且切削加工性能較差的工件時，在加工過程中，磁性磨粒切削刃(研磨相)會因沖擊反作用力而破損脫落，脫落的研磨相在離心力的作用下飛離工作區(qū)域，使具備研磨作用的粒子數(shù)量減少，研磨效率下降，必須更換或再添加磁性磨料[8-9]。為了解決磁性磨料研磨壽命這一難題，我們提出磁力研磨與電化學(xué)相結(jié)合的方式，利用電化學(xué)陽極的溶解物與鎳基高溫合金工件表面反應(yīng)生成質(zhì)軟的鈍化層[10]，再借助磁力研磨將鈍化層去除，降低研磨難度，延長磁性磨粒的使用壽命。

1 磁性磨粒的失效原因

圖1為磁性磨粒失效示意圖。鎳基高溫合金相對切削系數(shù)為0.08 ～ 0.20，屬于典型的難加工材料；且由于高含量的金屬化合物和硬質(zhì)點的存在，經(jīng)過銑削后，其表面的硬化程度增大2倍多，較好的韌性使得研磨過程中斷屑困難[11]。所以，單純磁力研磨時，磁性磨粒將會承受較大的研磨阻力，在研磨阻力的沖擊下切削刃將會發(fā)生崩斷，如圖1b所示。此外，鎳基高溫合金中存在點陣常數(shù)類似于氧化鋁的合金氧化物(如Al、Cr、Ti、Co等金屬的氧化物)，當(dāng)磁性磨粒接觸到工件表層這類氧化物時，易發(fā)生黏附，磁性磨粒附著在工件表面，而不能團(tuán)聚成剛性磁粒刷，無法對工件表面進(jìn)行有效的研磨。再者，鎳基高溫合金較低的導(dǎo)熱系數(shù)和較差的導(dǎo)熱性，使切削刃尖端集聚大量的熱而無法散出[12]。加上復(fù)合磁性磨料中各粒子的物理、化學(xué)性能差異導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度不高，當(dāng)磁性磨粒處于高熱集聚的環(huán)境中，研磨相易脫落，如圖1c所示，導(dǎo)致切削刃數(shù)量減少，磁性磨粒的研磨能力降低。

2 電解-磁力復(fù)合研磨機(jī)理及試驗分析

圖2為電解-磁力復(fù)合研磨加工原理圖。將直流電源正負(fù)極分別與工件和石墨電極相連，構(gòu)成電解的陽極和陰極。工件由連桿裝夾固定，夾具將磁極固定在機(jī)床主軸上，在磁極和工件相距1～2 mm的間隙內(nèi)填入磁性磨粒。加工時，主軸電機(jī)啟動并帶動磁極旋轉(zhuǎn)，同時工作臺完成水平移動；啟動蠕動泵，電解液途經(jīng)連桿與電極之間的中空孔后，按照設(shè)定的時間周期滴落在電極和工件之間的間隙中；直流電源控制電解進(jìn)程，電解液中的陽離子與工件表面陰離子結(jié)合反應(yīng)生成軟質(zhì)鈍化膜；幾十秒后，平移的工作臺將鈍化后的工件送至磁極下，利用剛性磁刷完成對鈍化膜的去除。在電化學(xué)溶解—生成鈍化膜—磁粒刷刮除鈍化膜的循環(huán)加工下，工件表面毛刺、微裂紋等缺陷均被去除，其表面紋理細(xì)密、均勻，達(dá)到研磨拋光的效果。

(a)正常磨削

(b)研磨相破碎

(c)研磨相脫落

圖2 電解-磁力復(fù)合加工原理圖

為研究不同工藝對磁性磨粒壽命的影響，在表1所示的試驗條件下，選用燒結(jié)法制備的Al2O3-Fe磁性磨粒對鎳基高溫合金表面加工10 min，分別采集原始磁性磨粒、單純磁力研磨工藝和電解-磁力復(fù)合加工工藝對鎳基高溫合金加工后的磁性磨粒殘渣，能譜分析研磨前后磁性磨粒的元素及含量(半定量)，分析結(jié)果如圖3所示。

表1 試驗條件

(a)原始磁性磨粒能譜圖

(b)單純磁力研磨后磁性磨粒能譜圖

(c) 復(fù)合加工后磁性磨粒能譜圖

圖3磁性磨粒能譜圖

從圖3可知：經(jīng)研磨加工后，磁性磨粒均發(fā)生鐵含量升高、鋁含量降低的現(xiàn)象。由圖3b可知：單純磁力研磨加工后，磁性磨粒中的鋁的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)由27.60%降至13.38%。這是由于高溫鎳基合金為硬質(zhì)材料，當(dāng)磁性磨粒作用其表面時，磁性磨粒受到較大的剪切反作用力，使得切削刃斷裂的同時降低了結(jié)合處強(qiáng)度，導(dǎo)致研磨相脫落，在離心力的作用下飛離出工作區(qū)域，使磁性磨粒中研磨相Al2O3含量大幅度減少，所以鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

由圖3c可知：電解-磁力復(fù)合研磨加工后，磁性磨粒中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由27.60%僅降至23.48%，鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降幅度比單純磁力研磨小。這是因為在電解-磁力復(fù)合加工工藝中，磁性磨粒主要參與軟質(zhì)鈍化膜的去除，受到的剪切反作用力較小，崩損的切削刃數(shù)量較少，鐵基相與研磨相之間的結(jié)合強(qiáng)度保持較好的狀態(tài)，研磨相(Al2O3)幾乎不發(fā)生脫落，工作區(qū)域的磁性磨粒損失較少，所以鋁含量變化不大。

利用3D超景深電子顯微鏡觀察工件研磨前后的表面形貌變化以進(jìn)一步評價磁性磨粒的研磨性能，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知：原始工件表面加工紋理較明顯，其凸起、凹坑較多，致使高度差較大；利用單純磁力研磨加工10 min后，工件表面凹坑等表面缺陷得到了少許改善，表面高度差從33.1 μm降至16.0 μm，但表面較深的銑削溝痕仍然存在。在電解-磁力復(fù)合加工10 min后，工件表面的尖角凸起、凹坑和加工紋理都得到了較強(qiáng)的去除，工件表面更加細(xì)密、均勻，工件表面最大高度差從33.1 μm降低至8.5 μm，工件表面質(zhì)量和均勻性得到提高。

(a)工件原始表面形貌

(b)單純磁力研磨加工后

(c)電解-磁力復(fù)合加工后

3 結(jié)論

(1)電化學(xué)作用可以有效地使硬質(zhì)材料表面產(chǎn)生較軟的鈍化膜，降低了磁性磨粒的剪切力，有利于磁力研磨對工件表面缺陷的高效去除，保證了加工質(zhì)量。

(2)單純的磁力研磨加工后磁性磨粒中鋁相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)由27.60%降至13.38%；電解-磁力復(fù)合加工后磁性磨粒中鋁的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)由27.60%僅降至23.48%。電解-磁力復(fù)合加工有效地降低了磁性磨粒中研磨相成分的損失，保證了磁性磨粒的完整性，延緩其失效率，提高了磁性磨粒的利用率和使用壽命，使工件表面形貌更加細(xì)密、均勻。

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