磁力研磨法對(duì)整體葉盤的拋光工藝研究

遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 杜兆偉 陳 燕 周 錕 牛鳳麗

航空航天產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，使整體葉盤類零件的形狀呈多樣化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)該類零件的表面質(zhì)量要求也越來越高。為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)條件，葉盤表面的尺寸精度和表面粗糙度都必須經(jīng)過磨削加工后才能得到保證。航空發(fā)動(dòng)機(jī)所用到的整體葉盤葉片形狀較為復(fù)雜，相鄰葉片間的間隙窄小[1]，此外整體葉盤的葉形必須達(dá)到某些數(shù)學(xué)特征的高精度，加工時(shí)對(duì)葉片表面涉及到的曲面造型具有很高的精度要求[2]，以上各因素決定了對(duì)葉片表面完成機(jī)械拋光且達(dá)到所要求的高精度非常困難。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體葉盤葉片表面高精度、高效率的研磨拋光顯得尤為必要和緊迫[3]。常用的磨削加工方法多屬剛性加工，加工時(shí)易出現(xiàn)表面燒傷、表面完整性降低、形狀精度破壞等缺陷[4]。本文利用一種非傳統(tǒng)的新型精加工方法即磁力研磨法來拋光整體葉盤，其優(yōu)點(diǎn)是自銳性好、自適應(yīng)性強(qiáng)、柔性加工等。目前的研究結(jié)果表明，該技術(shù)比其他加工方法更能有效地降低葉盤葉片表面的粗糙度值，同時(shí)可極大地縮短加工時(shí)間，提高葉片的表面精度[5-10]。

1 磁力研磨加工原理

磁力研磨的基本原理是磁性磨料受到磁場(chǎng)力作用，會(huì)沿磁力線方向有規(guī)律地排列，形成磁粒刷壓附在工件表面，同時(shí)在工件表面產(chǎn)生一定的研磨壓力。當(dāng)磁極帶動(dòng)磁粒刷高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁性磨料在工件表面產(chǎn)生擠壓、摩擦，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的研磨加工。

圖1為磁力研磨加工原理圖，將整體葉盤固定在工作臺(tái)上，徑向磁極靠近葉盤的葉片表面并與其表面保持1～2mm的加工間隙，將磁性研磨粒子添加到加工間隙內(nèi)。受磁極磁力作用，磁性磨料會(huì)在加工間隙內(nèi)沿著磁力線方向整齊排列，形成具有一定剛性的磁粒刷壓附在工件表面上。當(dāng)磁極高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁力作用抑制了磁性磨料因離心力的作用向外飛散，使磁粒刷的剛性得到保持。磁粒刷與工件表面產(chǎn)生相對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片表面的研磨拋光。

圖1 磁力研磨加工原理Fig.1 Magnetic abrasive finishing principle

圖2顯示了單個(gè)磨粒在研磨加工過程中的受力情況，假設(shè)磁力線方向?yàn)閤方向，與磁力線方向垂直的方向(即磁等位線方向)為y方向，則單個(gè)磁性磨粒在磁場(chǎng)中所受到的磁場(chǎng)力可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（m3）；χ為磨粒的磁化率；H為磨粒所在磁場(chǎng)中所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度，（A/m）；為沿x、y方向磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率。

磁性磨粒在磁場(chǎng)作用下所受到的磁場(chǎng)力F可表達(dá)為：

在研磨過程中，磁粒刷對(duì)工件表面所產(chǎn)生的研磨壓力P可表示為：

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

磁極在某一點(diǎn)處的材料去除量和研磨壓力之間的關(guān)系可表示為：

圖2 單個(gè)磁性磨粒受力分析Fig.2 Stress analysis single magnetic abrasive particle

式中，R（x，y）為磁極在某加工點(diǎn)處的材料去除（mg）；k為與加工條件相關(guān)的比例常數(shù)；P（x，y）為磁極作用在工件上的研磨壓力（N）；V（x，y）為磁極與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（mm/s）。

由公式（4）可知，研磨壓力P與磁感應(yīng)強(qiáng)度H的平方成正比。在允許的范圍內(nèi)，研磨壓力P越大，磁性磨粒對(duì)整體葉盤表面的切削力就越大，單位時(shí)間的材料去除量越大，使得葉片的研磨加工效率也越高。而磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁極結(jié)構(gòu)和加工間隙大小有關(guān)[9]，所以通過改變拋光裝置中的磁極結(jié)構(gòu)和調(diào)整研磨拋光過程中的加工間隙可使研磨壓力增大，提高研磨拋光效率。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)使用的磁力研磨加工整體葉盤裝置的主體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由六自由度機(jī)械手和磁力研磨系統(tǒng)組成。在加工整體葉盤時(shí)，工件被固定在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，調(diào)速電機(jī)通過軟軸把動(dòng)力傳遞到磁力研磨系統(tǒng)，使磁極產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)控制機(jī)械手臂不斷調(diào)整姿態(tài)以避免磁極與工件發(fā)生干涉碰撞；磁極帶動(dòng)磁性磨粒做旋轉(zhuǎn)和直線的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉盤葉片表面的研磨拋光。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，并且能夠?qū)φw葉盤起到良好研磨拋光效果。

2.2 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)對(duì)象為整體葉盤；拋光裝置的旋轉(zhuǎn)速度為1500r/min，磁極沿葉盤葉片表面的進(jìn)給速度為1mm/s；磁極周向與葉片表面之間的加工間隙為1mm；磁性磨粒采用粒徑為45μm的SiC與粒徑為75μm的鐵粒子燒結(jié)而成，經(jīng)粉碎篩分后粒徑為150μm的燒結(jié)磁性研磨粒子5g，油性研磨液2mL，永久磁鐵采用φ6×50mm徑向磁鐵，加工時(shí)間為30min，具體見表1。

圖3 試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Experimental device

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

圖4為經(jīng)顯微鏡300倍放大后整體葉盤葉片的原始表面和30min研磨后葉片表面的加工紋理變化情況。通過圖4（a）、（b）兩圖比較后能夠看出，經(jīng)30min研磨后整體葉盤葉片表面的微小裂紋基本消除，銑削紋理變淺或消失，表面質(zhì)量有明顯提高。

原因在于：原始的葉片表面通過銑削加工完成，由于刀具作用面窄及相鄰刀軌之間行距的存在，必然導(dǎo)致殘留高度的產(chǎn)生，大量殘留高度相互疊加形成規(guī)律性的波峰和波谷，加上銑削過程中產(chǎn)生的微裂紋使得工件表面的加工紋理更為清晰，局部區(qū)域微裂紋明顯；用磁力研磨工藝對(duì)葉片原始表面進(jìn)行光整加工，由于該工藝本身存在尖點(diǎn)效應(yīng)，表面突起部分會(huì)被優(yōu)先去除，這樣因殘留高度產(chǎn)生的波峰被抹平，與波谷高度一致，表面加工紋理得到明顯改善。

表1 試驗(yàn)條件

圖4 研磨前后葉片表面紋理比較Fig.4 Comparison of surface texture before and after grinding

此外，由于工件表面的加工紋理和微裂紋被明顯去除，表面質(zhì)量變得更加細(xì)密、均勻，使得工件的疲勞強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕能力等都得到大大增強(qiáng)，工件的使用性能和使用壽命得到顯著提高。

圖5為整體葉盤葉片的原始表面與經(jīng)30min研磨加工后葉片表面粗糙度值的變化對(duì)比，可以看出研磨前葉片表面粗糙度值為0.82μm，經(jīng)30min研磨后表面粗糙度值降至0.25μm。

圖6為整體葉盤葉片研磨前和經(jīng)30min研磨后的效果對(duì)比?？梢钥闯觯心デ叭~片表面顏色灰暗，加工紋理清晰；經(jīng)過磁力研磨光整加工后，葉盤葉片表面較為光亮，加工紋理得到明顯去除。

圖5 研磨前后葉盤葉片Ra值Fig.5 Ra values before and after grinding

圖6 整體葉盤葉片研磨前后效果Fig.6 Effect of the leaf of the blisk before and after grinding

4 結(jié)論

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤葉片表面的研磨拋光這一加工難題，提出利用非傳統(tǒng)的磁力研磨加工方法進(jìn)行研磨加工。采用徑向圓柱形磁極吸附磁性磨粒形成磁粒刷壓附在工件表面上，同時(shí)磁極高速旋轉(zhuǎn)并與工件產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到拋光去除葉片表面加工紋理等缺陷的目的，并以試驗(yàn)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)合可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)整體葉盤復(fù)雜曲面的光整加工；

（2）磁力研磨加工方法可有效去除整體葉盤葉片表面的缺陷，如加工紋理、微裂紋等，加工效率較高；

（3）經(jīng)30min磁力研磨后，有效地將整體葉盤葉片表面的粗糙度值由0.82μm降低到0.25μm。

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