磁力研磨對Inconel718合金表面質(zhì)量的影響

陳春增，張桂香*，趙玉剛（山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

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磁力研磨對Inconel718合金表面質(zhì)量的影響

陳春增，張桂香*，趙玉剛
（山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

摘要：為改善鎳基高溫合金Inconel718制造零部件的表面質(zhì)量，降低其表面粗糙度，基于磁力研磨加工方法，選用霧化快凝法制備的Al2O3球形磁性磨料，對Inconel718合金樣件進行光整加工。探究了主軸轉(zhuǎn)速、進給速率、加工間隙和磨料填充量對Inconel718合金表面粗糙度的影響，獲得了較佳的磁力研磨參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進給速率10 mm/min，加工間隙2 mm，磨料填充量2.5 g。在優(yōu)化的工藝參數(shù)下對Inconel718合金樣件磁力研磨20 min，試樣的表面粗糙度由原始的0.359 μm下降到0.036 μm，達到鏡面效果。由此表明，磁力研磨對Inconel718合金具有良好的光整加工效果。

關(guān)鍵詞：鎳基高溫合金；磁力研磨；氧化鋁；表面粗糙度

First-author's address: School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China

隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鎳基高溫合金Inconel718材質(zhì)的零部件使用越來越多，對其表面質(zhì)量的要求也越來越高[1]。Inconel718是沉淀硬化型的鎳鉻鐵合金，具有優(yōu)秀的機械性能和較高的塑性。在700 °C時具有高的抗拉強度、疲勞強度、抗蠕變強度和斷裂強度，而且在高、低溫環(huán)境均具有耐腐蝕性[2]，因此能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，被廣泛應(yīng)用于高性能航空發(fā)動機中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動零件，如盤、葉片、軸、環(huán)、緊固件等[3]。

磁力研磨加工是將磁場應(yīng)用于研磨加工中而開發(fā)出來的新型光整加工工藝，是提高零件表面質(zhì)量的有效手段。Inconel718合金制造的零件一般為復(fù)雜型面、微小結(jié)構(gòu)零件等[4]，磁力研磨加工具有很好的柔性和自適應(yīng)性，可以有效解決此類零件的光整加工問題。通過對Inconel718合金零部件失效現(xiàn)象分析得知：失效的根源發(fā)生或者開始于零件表面，究其主要原因都是零件表面質(zhì)量不良。光整加工可以有效地降低表面粗糙度，提高零件的表面質(zhì)量，延長零件的使用壽命[5]。因此，探究磁力研磨Inconel718合金中各研磨因素對表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并獲得優(yōu)化的研磨工藝參數(shù)意義重大。

1 磁力研磨機理

磁力研磨是在磁場的作用下，將被磁化的磁性磨料吸引到一起，沿磁力線方向形成一條條“磁串”，“磁串”受磁場力作用而吸附在磁極端面并形成磁力研磨刷，且在研磨刷與工件間施加相對運動，磁性磨粒將在工件表面產(chǎn)生切削、滾動、滑動等現(xiàn)象，實現(xiàn)對工件表面的研磨加工[6]。研磨刷具有很好的柔性和仿形性，且磁力研磨加工熱影響區(qū)小、加工范圍廣、加工表面質(zhì)量高[7]，因此可用于各種復(fù)雜曲面及微小結(jié)構(gòu)零件等光整加工場合。

磁力研磨Inconel718合金的試驗裝置如圖1所示。光整加工過程中，研磨刷隨主軸做旋轉(zhuǎn)運動，提供研磨加工所需的線速度；工件裝夾在機床工作臺上，隨工作臺的運動在X、Y平面內(nèi)完成研磨進給運動；研磨加工間隙通過Z軸進給量控制。試驗中選用的磁性磨料為霧化快凝法制備的球形復(fù)合磁性磨料，包括鐵基合金相和硬質(zhì)磨粒微粉相，其中鐵基合金含F(xiàn)e、Si、Al、Ni等成分；硬質(zhì)磨粒微粉為Al2O3粉末(W7)。此種磨料具有以下優(yōu)點[8]：(1)微韌分布一致性好，靜態(tài)有效磨刃數(shù)多，可以提高磁力研磨質(zhì)量和研磨加工效率；(2)鐵基合金的加入增強了硬質(zhì)磨粒微粉的潤濕性，提高了磨粒相與鐵基合金相的結(jié)合力，延長了磨料的使用壽命；(3)硬質(zhì)磨粒微粉全部分散于鐵基合金基體表面，保證了磁性磨料良好的導(dǎo)磁能力，以產(chǎn)生足夠的研磨壓力。

圖1 磁力研磨加工裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram showing the processing apparatus of magnetic abrasive finishing

2 實驗

鎳基高溫合金Inconel718中含有大量可以提高合金強度、硬度、耐磨性的強化相，使合金的研磨加工性變差，而且其高溫強度高、塑性變形程度大，導(dǎo)致磨削力較大[9]。為分析主要研磨工藝參數(shù)對磁力研磨效果的影響，采用山東魯南機床廠XK7136C改造的平面磁力研磨系統(tǒng)進行研磨試驗，樣件為100 mm × 30 mm × 1 mm的Inconel718合金板，自制直徑26 mm、長10 mm軸向充磁的N38釹鐵硼永磁極，自制無機鹽研磨液，以霧化快凝法制備Al2O3系球形磨料。在磁力研磨過程中采用美國KLA Tencor公司的MicroXAM-100型白光干涉儀檢測樣件表面粗糙度Ra和微觀形貌，用來對比分析磁力研磨加工效果。

3 結(jié)果與討論

3. 1 主軸轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

圖2所示為進給速率10 mm/min、加工間隙2.0 mm、磨料填充量2.5 g的條件下磁力研磨Inconel718合金樣件時，不同主軸轉(zhuǎn)速下表面粗糙度的變化曲線。由圖2可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時，粗糙度下降趨勢較弱，研磨加工10 min后樣件表面粗糙度降低了40%。原因是主軸轉(zhuǎn)速過低時，相同時間內(nèi)磁性磨粒對樣件表面的磨削次數(shù)較少，工件表面材料的去除量降低，表面粗糙度下降趨勢緩慢。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min和1 500 r/min時，研磨10 min后表面粗糙度分別降低了68%和62%，是因為相同時間內(nèi)參與加工的磁性磨粒增多，工件表面材料去除量增大，粗糙度下降趨勢加快。轉(zhuǎn)速1 500 r/min下研磨6 min后，由于研磨刷研磨性能的下降和磨粒磨削刃的鈍化，無法有效去除工件材料，造成表面粗糙度下降趨勢變緩，同時隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，磨粒在加工區(qū)域內(nèi)受到的離心力增大，克服研磨摩擦力的運動性能減弱。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過研磨臨界線速度時，磁性磨粒和研磨液會沿著研磨的切線方向飛離加工區(qū)域，使研磨刷的研磨性能急劇降低，同時研磨液的甩出會導(dǎo)致磁性磨料與加工表面之間的摩擦因數(shù)增大，工件表面易產(chǎn)生劃傷等缺陷，造成表面粗糙度升高[10]。所以，選取主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min進行后續(xù)的研磨試驗，此時研磨壓力適當(dāng)，且保證研磨刷的高效研磨性能，最終獲得較好的表面質(zhì)量。

3. 2 加工間隙對表面粗糙度的影響

磁力研磨中加工間隙發(fā)揮作用重大。當(dāng)加工間隙過大時，磁極在加工區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度就會減弱，磁力研磨刷的柔性過強，研磨壓力減小，研磨效率降低；當(dāng)加工間隙過小時，加工區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強度過大，導(dǎo)致研磨刷的剛性加大，磁性磨粒易在工件表面產(chǎn)生劃痕，從而降低工件的表面粗糙度。因此，在磁力研磨中必須尋求合適的加工間隙。

圖3所示為主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進給速率10 mm/min、磨料填充量2.5 g的條件下，加工間隙與研磨不同時間后Inconel718合金表面粗糙度的關(guān)系。從圖3可看出，當(dāng)加工間隙為1.0 mm時，工件表面粗糙度下降緩慢，表面質(zhì)量改善不佳，這主要是由于加工間隙太小，研磨區(qū)域內(nèi)可用的磨料較少，形成的磁力研磨刷變短，導(dǎo)致研磨刷的柔性變?nèi)?，剛性磨削增強[11]，磁力研磨加工的優(yōu)勢無法顯示出來，因此樣件表面粗糙度下降的趨勢較緩。當(dāng)加工間隙為1.5 mm和2.0 mm時，經(jīng)10 min研磨后的表面粗糙度分別降低了64%和66%，且兩種加工條件下獲得的表面粗糙度變化趨勢基本相同，說明磁力研磨Inconel718合金的最佳加工間隙在1.5 ~ 2.0 mm之間。當(dāng)加工間隙為1.5 mm時，磁極在加工區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度較大，磁性磨粒的磨削作用增強，可對原始表面進行快速研磨，粗糙度下降趨勢明顯；2.0 mm的加工間隙所產(chǎn)生的磨削力稍小于1.5 mm時產(chǎn)生的力，研磨4 min后可獲得更小的表面粗糙度。由于隨著表面光整加工的進行，過大的磨削作用力反而會劃傷光整后的表面，造成表面質(zhì)量變差，因此2.0 mm為適宜的加工間隙。

圖2 不同主軸轉(zhuǎn)速下Inconel718合金表面粗糙度隨研磨時間的變化Figure 2 Variation of surface roughness of Inconel718 alloy with grinding time under different spindle speeds

圖3 不同加工間隙時Inconel718合金表面粗糙度隨研磨時間的變化Figure 3 Variation of surface roughness of Inconel718 alloy with grinding time at different machining gaps

3. 3 磨料填充量對表面粗糙度的影響

磨料填充量是指加入到加工間隙內(nèi)的磨料數(shù)量。圖4所示為主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進給速率10 mm/min、加工間隙2 mm的條件下，磨料填充量分別為1.5、2.5和3.5 g時Inconel718合金表面粗糙度歲研磨時間的變化。從圖4可知，磨料填充量不足(如僅為1.5 g)時，在光整加工中參與研磨的磨粒數(shù)量較少，形成的磁力研磨刷的研磨性能較弱，此時無法高效去除樣件表面材料，表面粗糙度降低效果不好。反之，若磨料填充量過多(如3.5 g)時，形成的研磨刷厚度增大，磨料相對運動時的自我攪拌、靈活磨削性能就會下降，同時磨料填充過多還會造成磨料堆積，研磨加工時由于受力不均而飛離加工區(qū)域，難以保證優(yōu)質(zhì)的研磨質(zhì)量。由圖4可見，當(dāng)磨料填充量為3.5 g時，研磨起初階段由于研磨刷剛性較強，參與磨削的磨粒較多，粗糙度下降較快，但隨著研磨加工的進行，其劣勢凸顯出來。因此，適當(dāng)?shù)哪チ咸畛淞?本文是2.5 g)才能保證工件在相同的時間內(nèi)獲得最小的表面粗糙度，在確保加工間隙內(nèi)有足夠的磨粒參與磨削的同時，又保證了研磨刷良好的自銳性，使研磨加工能夠高效地進行。

圖4 不同磨料填充量時Inconel718合金表面粗糙度隨研磨時間的變化Figure 4 Variation of surface roughness of Inconel718 alloy with grinding time with different contents of abrasive filler

綜合以上試驗結(jié)果，確定優(yōu)化的磁力研磨條件為：主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進給速率10 mm/min，加工間隙2.0 mm，磨料填充量2.5 g。

3. 4 磁性研磨對表面粗糙度及表面微觀形貌的改善

表面粗糙度能夠定量表征加工表面的微觀不平度，實現(xiàn)對表面微觀形貌的量化描述，是研究表面完整性的重要指標(biāo)[12]。在常規(guī)機械加工過程中，由于刀具與工件表面是剛性接觸，切屑從工件表面分離時易產(chǎn)生塑性變形和撕裂作用，加之刀具本身的微變形，因此工件表面粗糙度較大，難以滿足使用要求。磁力研磨加工中，在磁場力的作用下形成的磁力研磨刷具有很好的柔性，且磁性磨料粒徑較小，在工件表面產(chǎn)生磨削、擠壓、塑變磨損及電化學(xué)磨損等作用，可快速降低工件表面粗糙度。在優(yōu)化組合條件下研磨20 min，樣件表面粗糙度下降趨勢較明顯，通過白光干涉儀測得Inconel718合金樣件研磨前后的表面粗糙度情況如圖5所示，樣件表面粗糙度Ra由原來的0.359 μm降低到0.036 μm，達到鏡面效果。

圖5 磁力研磨前后Inconel718合金表面粗糙度的測試結(jié)果Figure 5 Result of surface roughness test for Inconel718 alloy before and after magnetic abrasive finishing

為進一步分析磁力研磨對Inconel718合金表面的影響，采用白光干涉儀測出研磨前后樣件的三維微觀形貌，如圖6所示。常規(guī)加工的剛性接觸在接觸表面會產(chǎn)生劇烈的切削、擠壓、摩擦等作用，使加工區(qū)域溫度急劇升高，同時受機械振動的影響，磨削表面會產(chǎn)生大量毛刺和溝狀劃痕(如圖6a所示)。經(jīng)過磁力研磨加工，樣件表面毛刺和劃痕基本被去除，微觀平整性得到大幅度提高，如圖6b所示。這是因為研磨刷具有很好的柔性，磨粒在整個研磨過程中進行了復(fù)雜的合成運動，不斷地摩擦、翻滾、碰撞，對去除工件表面規(guī)則的機械劃痕具有較好的效果，磁力研磨在加工過程中能夠始終保持足夠的研磨壓力作用于工件表面，對工件表面產(chǎn)生擠壓、摩擦等作用，可以有效去除工件表面的毛刺[13]。因此磁力研磨可以大幅度改善工件表面微觀形貌，達到光整加工目的。

圖6 Inonel718合金磁力研磨前后表面的三維微觀形貌Figure 6 3D microscopic morphology of Inconel718 alloy surface before and after magnetic abrasive finishing

4 結(jié)論

(1) 在優(yōu)化的研磨參數(shù)下，即主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min、進給速率10 mm/min、加工間隙2 mm、磨料填充量2.5 g，采用霧化快凝法制備的Al2O3系磨料對Inconel718合金進行磁力研磨20 min，樣件表面粗糙度Ra從原始的0.359 μm下降到0.036 μm，達到鏡面效果。

(2) Inconel718合金磁力研磨過程中，由于研磨刷具有柔性、自銳性等優(yōu)點，因此在合理的工藝條件下可以有效去除合金零件表面毛刺、劃痕等缺陷，改善零件表面微觀形貌，獲得良好的表面質(zhì)量。

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[ 編輯：溫靖邦 ]

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【工藝開發(fā)】

Effect of magnetic abrasive finishing on surface quality of Inconel718 alloy

CHEN Chun-zeng, ZHANG Gui-xiang*, ZHAO Yu-gang

Abstract:Magnetic abrasive finishing was conducted on the surface of Inconel718 nickel-based superalloy with spherical and magnetic Al2O3abrasives produced by gas atomization/rapid solidification technique to reduce its surface roughness and improve its surface quality. The effects of grinding conditions including spindle speed, feed rate, machining gap and abrasive filler amount on surface roughness of Inconel718 alloy were studied. The optimal parameters were obtained as follows: spindle speed 1 000 r/min, feed rate 10 mm/min, machining gap 2 mm and abrasive filler amount 2.5 g. The surface roughness of Inconel718 alloy is reduced from 0.359 μm previously to 0.036 μm after magnetic abrasive finishing under the optimal conditions for 20 min, showing a mirror effect. It is indicated that a perfect finishing effect can be achieved for Inconel718 alloy by magnetic abrasive finishing.

Keywords:nickel-based superalloy; magnetic abrasive finishing; alumina; surface roughness

中圖分類號：TG175.3; TG176

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1004 – 227X (2016) 01 – 0023 – 05

通信作者：張桂香，博士，副教授，(E-mail) zgx1999@126.com。

作者簡介：陳春增（1989–），男，山東棗莊人，在讀碩士研究生，研究方向為先進制造技術(shù)與裝備，特種加工與表面工程。

基金項目：山東省自然科學(xué)基金（ZR2015EL029）；國家自然科學(xué)基金（51375285）。

收稿日期：2015–08–26 修回日期：2015–11–24