磁研磨法對鈦合金彎管內(nèi)表面的拋光研究

大連納晶科技有限公司 鄧 超

遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院 韓 冰 陳 燕

隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鈦合金管類零件的種類、形狀、數(shù)量需求隨之增多，而對其表面的質(zhì)量要求也越來越高。根據(jù)裝配要求，精加工表面尺寸精度和表面粗糙度都需要磨削加工才能保證零件表面的質(zhì)量。航空發(fā)動機(jī)所用到的鈦合金管件形狀非常復(fù)雜，往往內(nèi)表面的拋光加工很困難，而其內(nèi)表面的質(zhì)量將直接影響到發(fā)動機(jī)使用壽命[1]。所以，加工時對管的內(nèi)外表面質(zhì)量要求更加嚴(yán)格。由于鈦合金材料本身的物理機(jī)械性能，磨削加工時易使表面燒傷、表面完整性降低，目前急需解決對鈦合金彎管磨削的問題[2]。本文利用一種非傳統(tǒng)的加工方法，即磁力研磨加工，其優(yōu)點為溫升小、自適應(yīng)性強(qiáng)、柔性加工等。目前的研究結(jié)果證明，此技術(shù)比其他加工方法更能有效地降低管類零件內(nèi)壁的粗糙度值，同時縮短加工時間，提高表面的精度[3-9]。

本文將采用磁力研磨加工方法，對難以加工的鈦合金空間彎管件進(jìn)行試驗驗證。

1 磁力研磨加工原理

磁力研磨加工原理是：磁性磨料在旋轉(zhuǎn)磁場中受磁場力作用，沿磁力線方向有規(guī)律的排列，形成具有一定柔性的“磁力刷”，并對工件表面產(chǎn)生一定的壓力，磁極的運動驅(qū)動“磁力刷”在工件表面產(chǎn)生滑擦作用，從而實現(xiàn)對工件表面的光整加工。

圖1為磁力研磨加工原理圖：工件固定不動，將磁性磨料投入彎管中，此時受彎管外部磁場力的作用產(chǎn)生“磁力刷”，同時對彎管內(nèi)表面產(chǎn)生一定的壓力。當(dāng)彎管外部磁極轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場將驅(qū)動“磁力刷”運動，使“磁力刷”與工件內(nèi)表面產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。同時，拋光裝置會沿著彎管軸線方向往復(fù)移動，使磁性磨粒在工件內(nèi)表面上形成螺旋狀的復(fù)合運動，從而達(dá)到對彎管內(nèi)表面拋光的效果。

圖1 磁力研磨加工原理圖Fig.1 Machining principle of magnetic abrasive finishing

圖2 單個磨粒受力分析示意圖Fig.2 Single abrasive particle stress analysis

圖2所示為單個磨粒在磁場中的受力分析，假設(shè)磁力線方向為x方向，與磁力線方向垂直的方向即磁等位線方向為y方向，單個磁性磨粒在磁場中所受到的磁場力分解為沿磁力線方向的力Fx和沿著磁等位線方向上的力Fy，即

式中，V為磨粒的體積，單位為為磨粒的磁化率；H為磨粒所在磁場中所處位置的磁場強(qiáng)度，單位為A/m；分別為沿x、y方向磁場強(qiáng)度變化率。

所以，磁性磨粒在磁場作用下所受到的磁場力F可表達(dá)為：

同時在研磨過程中所產(chǎn)生的磁壓力P可表示為：

式中，B為磁場與導(dǎo)磁材料作用面處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為磁場與導(dǎo)磁材料作用面處的磁場強(qiáng)度；μm為磨粒團(tuán)的相對磁導(dǎo)率；μ0為空氣的相對磁導(dǎo)率。

從式（4）可知，磁壓力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比。在允許的范圍內(nèi)，研磨壓力越大，磁性磨粒對鈦合金彎管內(nèi)表面的切削力就越大，使得彎管內(nèi)壁光整加工效率提高。而磁感強(qiáng)度與磁極間隙大小有關(guān)[9]，所以在拋光裝置中將連接磁極的磁軛做成可以調(diào)節(jié)的，以便改變磁極間隙。

2 試驗裝置與試驗條件

2.1 試驗裝置

本試驗研究中使用的磁力研磨加工彎管內(nèi)表面裝置的主體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由六自由度機(jī)械手、拋光系統(tǒng)組成。在加工彎管時，彎管工件被固定在工作臺上，電機(jī)通過軟軸把動力傳遞到拋光系統(tǒng)，目的是使拋光系統(tǒng)中的磁極發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)運動；同時控制六自由度機(jī)械手臂沿其彎管中心軸向往復(fù)移動，從而帶動內(nèi)部磁性磨粒做復(fù)合運動，實現(xiàn)對鈦合金彎管內(nèi)表面加工過程。這種裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，并且能夠取得很好的內(nèi)表面質(zhì)量。

圖3 磁力研磨加工裝置Fig.3 Magnetic abrasive finishing process apparatus.

2.2 實驗條件

本試驗中采用內(nèi)徑為φ18mm，外徑為φ20mm，長度為200mm的鈦合金彎管；拋光裝置的旋轉(zhuǎn)速度為1710r/min，沿彎管中心軸線方向移動速度為1mm/s；磁極頭部與彎管外表面之間的間隙為2mm；磁性磨粒采用粒徑為46.875μm的氧化鋁與粒徑為75μm的鐵粒子燒結(jié)而成并經(jīng)粉碎篩分后粒徑為150μm的燒結(jié)磁性研磨粒子5g；研磨液采用油性研磨液1.2ml；磁鐵采用方型磁鐵，尺寸為15mm×15mm×10mm；加工時間為35min。

3 試驗結(jié)果及分析

圖4為鈦合金彎管的原始內(nèi)表面和經(jīng)35min研磨后彎管內(nèi)表面的紋理變化情況。圖4（a）為研磨前彎管內(nèi)表面的紋理情況，圖4（b）為研磨35min后內(nèi)表面紋理變化情況。從圖4（b）圖上可以看出，原始表面紋理及缺陷完全被去除，裸露出新的表面，說明經(jīng)研磨35min后鈦合金管內(nèi)表面的拋光效果要優(yōu)于原始表面。同時，鈦合金彎管的內(nèi)表面粗糙度值由原來的Ra0.35μm降至Ra0.12μm。

圖5為鈦合金彎管經(jīng)35min研磨后的效果圖。從圖中可以看出，經(jīng)過磁力研磨光整加工后，鈦合金彎管內(nèi)表面光亮，而沒有加工的區(qū)域則呈灰色。

圖4 研磨前后彎管內(nèi)表面紋理變化情況Fig.4 Inner surface texture contrast before and after grinding

圖5 鈦合金彎管經(jīng)研磨前后效果Fig.5 Effect of titanium alloy elbow pipe before and after grinding

4 結(jié)論

本文針對航空發(fā)動機(jī)所用鈦合金彎管內(nèi)表面拋光這一加工難題，提出利用非傳統(tǒng)的磁力研磨加工法，即采用旋轉(zhuǎn)磁場帶動磁性磨粒旋轉(zhuǎn)與工件產(chǎn)生相對運動，達(dá)到拋光去除內(nèi)表面缺陷的目的，并以試驗結(jié)果為依據(jù)加以分析，得到如下結(jié)論：

（1）六自由度機(jī)械手與磁力研磨拋光裝置相結(jié)合有效地完成了復(fù)雜彎管內(nèi)表面的光整加工。

（2）利用磁力研磨加工方法有效地去除了鈦合金彎管彎曲處內(nèi)表面的缺陷，如裂紋、褶皺等。

（3）經(jīng)35min研磨后，有效地將鈦合金彎管內(nèi)表面粗糙度值由Ra0.35μm降低到Ra0.12μm。

[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.塑性工程學(xué)報,2009,4(16)：44-50.

[2]卑喜敏,王勁松,張同.鈦合金磨削加工技術(shù).硅谷,2012(18)：34-35.

[3]Singh D K, Jain V K, Raghuram V. Experimental investigations into forces acting during a magnetic abrasive finishing process. The International Journal of Advanced Manufacuring Technology, 2006, 30：652-662.

[4]Girma B, Joshi S S, Raghuram MVGS, et al. An experimental analysis of magnetic abrasives finishing of plane surfaces. Machining Science and Technology, 2006, 10(3)：323-40.

[5]Jha S, Jain V K, Komanduri R. Effect of extrusion pressure and number of finishing cycles on surface roughness in magnetorheological abrasive flow finishing (MRAFF) process. The International Journal of Advanced Manufacuring Technology, 2007, 33：725-729.

[6]Nishida H, Shimada K, Goto M. Polishing inner capillary walls by a magnetic compound fluid.The International Journal of Advanced Manufacuring Technology, 2007, 25(1-4)： 25-29.

[7]Yamaguchi H, Shinmura T, Ikeda R. Study of internal finishing of austenitic stainless steel capillary tubes by magnetic abrasive finishing.Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2007, 129(5)：885-892.

[8]Junmo K, Hitomi Y. Internal finishing of capillary tubes by magnetic abrasive finishing using a multiple pole-tip System. Precision Engineering, 2012 ,36：510-516.

[9]陳燕, 巨東英. 應(yīng)用磁研磨法對細(xì)長管內(nèi)表面的拋光處理 .模具制造技術(shù)，2004(10)：48-50.