磁力研磨鎳基高溫合金實驗研究

陳春增，　張桂香，　趙玉剛，　趙文聰

(山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 淄博　255049)

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磁力研磨鎳基高溫合金實驗研究

陳春增，張桂香，趙玉剛，趙文聰

(山東理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 淄博255049)

摘要：針對鎳基高溫合金(Inconel718)機械加工后表面質(zhì)量難以滿足使用要求的問題，基于磁力研磨法，選用霧化快凝法制備的Al2O3系球形磁性磨料，對Inconel718合金樣件進行表面光整加工。采用梯度研磨法提高加工效率，并結(jié)合正交試驗優(yōu)化加工參數(shù)。結(jié)果表明,Inconel718合金表面粗糙由原始的0.359μm下降到0.023μm，達到鏡面效果；表面微裂紋和微觀形貌得到明顯改善，提高了零件的抗疲勞強度和壽命。為磁力研磨在鎳基高溫合金光整加工中的推廣應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞:磁力研磨； 鎳基高溫合金； 表面粗糙度； 表面形貌

引言

隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有優(yōu)秀機械性能的鎳基高溫合金Inconel718的使用越來越多，對其表面質(zhì)量的要求也越來越高[1]。Inconel718合金在700℃時具有高的抗拉強度、疲勞強度、抗蠕變強度和斷裂強度。并在高、低溫環(huán)境均具有高耐腐蝕性[2]。Inconel718合金用來制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在長時間高溫條件下應(yīng)用的高性能航空發(fā)動機中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動零件，如盤和葉片中獲得了極為廣泛的應(yīng)用[3]。通過對以往Inconel718合金零部件失效現(xiàn)象分析得知，失效的發(fā)生或者開始于零件表面[4]，究其主要原因都是零件表面質(zhì)量和形貌不良所致。因此，對Inconel718合金零件進行表面光整加工是非常有必要的。

光整加工可以有效地降低表面粗糙度，提高零件的抗疲勞強度，增加零件的使用壽命[5]?，F(xiàn)在常用的光整加工方法有：手工拋光、電化學(xué)拋光及超聲拋光去毛刺等方法。但是，上述方法都有其針對性和局限性。Inconel718合金制造的零件一般為復(fù)雜型面、微小結(jié)構(gòu)等[6]，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。因此，探究磁力研磨Inconel718合金的光整加工工藝參數(shù)，及其對合金表面質(zhì)量的影響意義重大。

1磁力研磨原理

磁力研磨是磁場輔助光整加工的一個分支，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”受磁場力作用吸附在磁極端面，形成柔性磁研磨刷壓向工件表面，且在研磨刷和工件間施加相對運動，磁性磨粒將在工件表面產(chǎn)生切削、滾動及滑動等現(xiàn)象，實現(xiàn)工件表面的光整加工[7]。研磨刷具有很好的柔性和仿形性能夠隨工件表面形狀的變化而變化，且磁力研磨加工熱影響區(qū)小、加工范圍廣、加工表面質(zhì)量較高[8]。因此，可用于各種復(fù)雜曲面以及微小結(jié)構(gòu)零件等光整加工場合。

磁力研磨Inconel718合金實驗中采用的加工裝置如圖1所示，其中磁極為永磁磁場。

圖1　磁力研磨加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖

光整加工過程中，磁性磨料吸附在磁極端面形成研磨刷，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。實驗中選用霧化快凝法制備的Al2O3系球形復(fù)合磁性磨料。磨料包括鐵基合金相和硬質(zhì)磨粒微粉相。此種磨料具有以下優(yōu)點[9]：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。

2研磨實驗過程

研磨在經(jīng)改造的XK7136C型磁力研磨機上進行。試樣尺寸為100mm×30mm×1mm的Inconel718合金板，磁極為Φ26×10mm軸向充磁釹鐵硼永磁極，研磨液為無機鹽研磨液，磨料是Al2O3球形磨料。采用梯度研磨法以提高研磨效率，選用d為150～180μm和d為75～150μm的磨料依次加工10min，再用d為38～58μm的磨料加工5min。

在實際生產(chǎn)中，零件的表面光整加工一般以獲得較小的表面粗糙度為目標(biāo)，進而能夠提高零件的抗疲勞強度和使用壽命[10]。因此，評定磁力研磨Inconel718合金的加工效果可以用工件表面粗糙度和工件表面微觀形貌表征，實驗中將重點針對磁力研磨后Inconel718合金的表面粗糙度變化情況進行研究。在磁力研磨過程中采用MicroXAM-100的白光干涉儀(美國KLA Tencor公司)對樣件表面粗糙度和表面微觀形貌進行檢測，分析磁力研磨加工效果。

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；合金高溫強度高、塑性變形程度大，導(dǎo)致磨削力較大，同時還會影響研磨刷的加工性能；鎳基高溫合金的熱導(dǎo)率低(45鋼的熱導(dǎo)率是Inconel718合金的4～5倍)易導(dǎo)致研磨區(qū)溫度較高形成表面微裂紋[11]。因此，針對Inconel718合金的磁力研磨工藝參數(shù)主要包括主軸轉(zhuǎn)速n、進給速度v、加工間隙δ和磨料填充量m來設(shè)計正交試驗，探討Inconel718合金優(yōu)化的研磨工藝參數(shù)組合，正交試驗因素水平如表1所示。

表1因素水平表

水平n/(r·min-1)v/(mm·min-1)δ/mmm/g1600101.01.52800201.52.531000302.03.5

研磨中各工藝參數(shù)采用正交表形式組合如表2所示。正交試驗表具有均衡分散、整齊可比的特性，是針對因素變化較多的一種科學(xué)、簡便的優(yōu)化方法[12]。將各研磨工藝參數(shù)下測得的樣件表面粗糙度值記錄在表2中，采用直觀分析法對數(shù)據(jù)進行快速分析。選取表面粗糙度作為評價指標(biāo)，數(shù)值越小越好，每個試驗因素應(yīng)取平均值k最小的水平。經(jīng)正交試驗得出優(yōu)化參數(shù)為：n=1000r/min、v=10mm/min、δ=2mm、m=2.5g。在優(yōu)化參數(shù)組合條件下重復(fù)研磨試驗，經(jīng)過25min樣件表面粗糙度最低可達到0.023μm。用極差分析法確定各工藝參數(shù)對研磨效果影響的大小，極差值R大表征該因素對研磨效果影響就大。由表2可知，各工藝參數(shù)對Inconel718合金研磨效果的影響從大到小依次為：主軸轉(zhuǎn)速>加工間隙>磨料填充量>進給速度。分析結(jié)果表明，主軸轉(zhuǎn)速為影響研磨效果的主要因素，因為主軸轉(zhuǎn)速提供研磨所需的線速度保證足夠的磨料切削刃進行光整加工，同時產(chǎn)生足夠的研磨壓力，確保獲得較小的表面粗糙度值。

表2正交試驗結(jié)果及直觀分析表

試驗號n/(r·min-1)v/(mm·min-1)δ/mmm/gRa/μm1n1v1δ1m10.1452n1v2δ2m20.1593n1v3δ3m30.1324n2v1δ2m30.0995n2v2δ3m10.0906n2v3δ1m20.0757n3v1δ3m20.0528n3v2δ1m30.0769n3v3δ2m10.102k10.1450.0980.0980.112―k20.0880.1080.1200.095―k30.0760.1030.0910.102―極差R0.0690.0100.0290.017―

3結(jié)果與分析

3.1表面粗糙度的變化

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環(huán)節(jié)。在常規(guī)機械加工過程中，由于刀具和工件表面的剛性接觸，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，會導(dǎo)致工件表面微觀不平度增大，表面粗糙度值較大，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，且磁性磨粒粒徑較小，在工件表面產(chǎn)生磨削、擠壓、塑變磨損及電化學(xué)磨損等，可快速降低工件表面粗糙度獲得光潔表面。

通過白光干涉儀測得Inconel718合金樣件磁力研磨前后的表面粗糙度情況如圖2所示，樣件表面粗糙度Ra由原始的0.359μm降低到0.023μm，達到鏡面效果。表面粗糙度的降低，使腐蝕性物質(zhì)難以在零件表面積聚和滲透，腐蝕作用降低，對零件抗腐蝕性能起到很大的改善作用[13]，同時可以改善接觸剛度和振動現(xiàn)象，提高了零件的綜合使用性能。

圖2　磁力研磨前后表面粗糙度對比圖

3.2表面微裂紋的改善

試樣研磨前后試樣表面紋理形貌如圖3所示。原始表面為常規(guī)磨削表面，如圖3(a)所示，由于受到磨削振動、砂輪表面粘附、磨削區(qū)溫度較高等因素的影響，工件表面易發(fā)生撕裂、粘附及塑變等現(xiàn)象，產(chǎn)生微裂紋和溝壑型劃痕，影響工件疲勞壽命。采用磁力研磨加工，磁極高速回轉(zhuǎn)帶動磁力研磨刷在工件表面進行光整加工，磁性磨粒在研磨間隙內(nèi)不斷翻滾、變形、擠壓和摩擦，可以很好的去除工件表面微裂紋和劃痕缺陷。從圖3(b)中可以看出，經(jīng)過磁力研磨的表面機械劃痕和微裂紋等缺陷完全消除，裸露出平整的表面。說明磁力研磨能夠?qū)ぜ砻鎸崿F(xiàn)均勻的磨削作用，提高研磨表面平整性，進而提高零件的抗疲勞強度和使用壽命。

圖3磁力研磨前后表面紋理形貌照片

3.3表面微觀形貌的改善

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4所示。由于砂輪與工件的剛性接觸在接觸表面會產(chǎn)生劇烈的切削、擠壓和摩擦等作用，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4(a)所示。經(jīng)過磁力研磨加工，樣件表面毛刺和劃痕基本去除，樣件微觀凹凸性得到大幅度降低，如圖4(b)所示。這是因為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。磁力研磨運動是磁極回轉(zhuǎn)運動和工件進給運動的疊加，磁性磨粒在整個研磨過程中進行了復(fù)雜的合成運動，不斷的摩擦、翻滾和碰撞，對去除工件表面規(guī)則的機械劃痕具有較好的效果。磁力研磨后工件表面微觀形貌得到大幅度改善，降低了工件在承受交變載荷時，在微觀缺陷處由于應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞裂紋的可能性，使開始于工件表面的疲勞破壞大大降低，提高了工件的抗疲勞強度[14]。

圖4　磁力研磨前后表面三維微觀形貌照片

4結(jié)論

1)總結(jié)了Inconel718合金優(yōu)秀的機械性能，指出了其難于光整加工的原因，探討了采用磁力研磨法對合金良好的光整效果，并通過正交試驗得出優(yōu)化的研磨工藝參數(shù)為：n=1000r/min，v=10mm/min，δ=2mm，m=2.5g。

2)磁力研磨后Inconel718合金表面粗糙度得到大幅度降低，經(jīng)過25min研磨加工Ra從原始的0.359 μm下降到0.023μm，達到鏡面效果，提高了工件的耐蝕性能及接觸剛度。

3)在Inconel718合金的磁力研磨過程中，由于研磨刷的柔性、仿形性等優(yōu)點，可以有效去除工件表面微裂紋、毛刺和溝痕等缺陷，改善工件表面微觀形貌，降低工件疲勞破壞的可能性，提高工件的使用壽命。

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The Experimental Research on Magnetic Abrasive Finishing of Inconel718

CHEN Chunzeng， ZHANG Guixiang， ZHAO Yugang， ZHAO Wencong

(School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China)

Abstract:The surface quality of nickel-based superalloy Inconel718 can not be satisfied with the requirement after machining.New Al2O3 spherical magnetic abrasives produced by gas atomization were used for Inconel718 alloy finishing by magnetic abrasive methods.The working efficiency was improved by the gradient grinding method, combining with orthogonal test, and the process parameters were optimized.The results showed that the surface roughness was significantly reduced from 0.359μm to 0.023μm , and the surface had mirror brightness. The surface morphology and micro-cracks were significantly improved,so the fatigue resistance and life of the parts were enhanced.It provided theoretical and technical supports for the application of magnetic grinding of nickel-base superalloy.

Keywords:magnetic abrasive； Inconel718； surface roughness； surface morphology

中圖分類號：TG580.68

文獻標(biāo)識碼：A

基金項目：山東省自然科學(xué)基金資助項目:No.ZR2015EL029.國家自然科學(xué)基金資助項目:No.51375285

收稿日期：2015-08-19修回日期： 2015-12-04

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.04.002