磨料對(duì)Inconel718鎳基高溫合金磁力研磨效果的影響

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

磨料對(duì)Inconel718鎳基高溫合金磁力研磨效果的影響

趙文聰，張桂香*，董愛梅

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

選擇粒度均為W7(即直徑5 ～ 7 μm)的Al2O3和SiC兩種球形復(fù)合磁性磨粒分別對(duì)Inconel718鎳基高溫合金進(jìn)行磁力光整加工，工藝條件為：以46#機(jī)械油作為研磨液，主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給速率10 mm/min，加工間隙2 mm，磨料填充量2.5 g。從工件表面粗糙度和微觀形貌兩方面對(duì)比分析了兩種磨粒對(duì)Inconel718合金研磨效果的影響。結(jié)果表明，在Al2O3磨粒的研磨下，工件表面粗糙度從0.560 μm降至0.049 μm，表面微觀形貌得以改善，達(dá)到鏡面效果；而在SiC磨粒的研磨下，工件的表面粗糙度由原始的0.493 μm降至0.124 μm，表面微觀形貌變化不大。Al2O3磨粒對(duì)Inconel718的研磨效果優(yōu)于SiC磨粒。

鎳基高溫合金；磁力研磨；氧化鋁；碳化硅；表面粗糙度；微觀形貌

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

Inconel718鎳基高溫合金具有較好的高溫力學(xué)性能、良好的熱工藝和焊接性能，目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、葉片，石油管道，核工業(yè)結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。然而由 Inconel718制造的各種零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度要求較高，導(dǎo)致在加工過程中出現(xiàn)材料利用率和加工效率低等問題，因此提高Inconel718鎳基高溫合金的加工效率和加工質(zhì)量是提高航空制造技術(shù)的關(guān)鍵。磁力研磨光整加工(MAF)技術(shù)是將磁場(chǎng)應(yīng)用于傳統(tǒng)研磨技術(shù)中的新型光整加工工藝，是改善產(chǎn)品表面質(zhì)量的有效手段[2]，具有柔性、自適應(yīng)性、自銳性、可控性、溫升小等特點(diǎn)[3]，已經(jīng)成功應(yīng)用于平面、外圓面、內(nèi)圓面和復(fù)雜曲面以及微小結(jié)構(gòu)零件和去毛刺等許多場(chǎng)合[4-5]。磁性研磨粒子可以看作磁力研磨中的磨具，是影響其表面質(zhì)量的因素之一，但磁性磨粒存在制備困難、成本高等問題，制約了磁力研磨技術(shù)的發(fā)展[6]。本試驗(yàn)分別選擇Al2O3和SiC球形復(fù)合磁性磨粒作為磨料對(duì)Inconel718進(jìn)行磁力研磨，探討不同類型的磁性磨粒對(duì)其表面質(zhì)量及微觀形貌的影響，選出較為適合的磁性磨粒，提高磁力研磨Inconel718的加工效率，為后續(xù)磁力研磨試驗(yàn)提供一定的技術(shù)參考。

1 磁力研磨機(jī)理及設(shè)備

磁性磨粒光整加工是利用磁性研磨粒子在磁場(chǎng)作用下沿著磁力線分布排列并形成具有一定剛性的磁力刷，通過磁力刷與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工件表面研磨的加工方法[7]，因此磁性磨粒必須具備受磁極磁場(chǎng)作用的磁化能力和對(duì)工件的切削能力。本文分別選擇霧化快凝法制備的球形Al2O3、SiC復(fù)合磨粒作為磨料，兩者均為由鐵基合金(含F(xiàn)e、Si、Al、Ni和Cr)和磨粒微粉構(gòu)成的復(fù)合磁性磨料，磨粒微粉為粒度W7(即直徑5 ～ 7 μm)的α-Al2O3或α-SiC，圖1所示為兩種磁性磨料的形貌[8-9]。

圖1 Al2O3磁性磨粒與SiC磁性磨粒的形貌Figure 1 Morphologies of Al2O3and SiC magnetic abrasives

研磨裝置如圖2所示，該裝置由山東魯南機(jī)床廠的XK7136C改造而來。磁極安裝在主軸端部，可進(jìn)行一定轉(zhuǎn)速的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)則做x、y軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了工件與磁性磨粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁極更換也較為方便快捷[10]。

圖2 磁力光整加工裝置Figure 2 Setup for magnetic abrasive finishing

2 磁力研磨加工試驗(yàn)

采用N38釹鐵硼磁極，Al2O3磨料和SiC磨料均能自主吸附于磁極端面，形成磁力研磨刷。工件為70 mm × 30 mm × 2 mm的Inconel718鎳基高溫合金樣板。根據(jù)先粗后精的研磨原則選擇80 ～ 100目、100 ～200目和300 ～ 400目的磁性磨粒對(duì)工件進(jìn)行梯度研磨，研磨時(shí)間均為8 min。采用46#機(jī)械油作研磨液，研磨工藝條件為：主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給速率10 mm/min，加工間隙2 mm，磨料填充量2.5 g[11]。

采用MicroXAM-100白光干涉儀測(cè)量工件的表面粗糙度Ra并觀察三維微觀形貌，采用Axio Lab.A1金相顯微鏡觀察工件經(jīng)加工后的表面狀態(tài)。

3 結(jié)果與討論

3. 1 不同磨粒研磨下表面粗糙度的變化

工件的表面粗糙度對(duì)其在日后的使用有很大的影響。表面粗糙度越低，工件的使用壽命越長(zhǎng)，使用效率越高。Inconel718鎳基高溫合金工件的表面粗糙度在磁力研磨過程中的變化情況如圖3所示。從圖3可以看出，在不同球形磁性磨粒的研磨下，工件表面粗糙度的變化趨勢(shì)一致。其中，在 Al2O3磨粒的研磨下，工件表面粗糙度在24 min內(nèi)由0.560 μm(圖4a)下降到0.049 μm(圖4b)。在SiC磨粒的研磨下，工件表面粗糙度在24 min內(nèi)由0.493 μm(圖4c)下降到0.124 μm(圖4d)。在Al2O3磨粒的磁力研磨下，工件表面粗糙度在前12 min內(nèi)的下降速率快，隨后趨于平緩。這是因?yàn)樵谘心サ某跏茧A段，工件表面存在大量凹坑和毛刺而凹凸不平，凸起處因受磁場(chǎng)力的作用較大，所受研磨壓力也就越大，從而使工件表面粗糙度下降得較快。隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，工件表面的尖端效應(yīng)減緩，表面粗糙度的下降速率隨之減緩。在SiC磨粒的加工下，工件表面粗糙度在初始8 min內(nèi)就下降了48%左右，最后工件表面粗糙度緩慢降低甚至不變。這是因?yàn)樵谘心ミ^程中SiC硬質(zhì)磨粒的硬度高于Al2O3磨粒，從而導(dǎo)致在相同條件下對(duì)工件的研磨壓力要高于 Al2O3磨粒，而過高的研磨壓力使工件表面發(fā)生二次劃傷，從而無(wú)法獲得更低的表面粗糙度。因此Al2O3磨料對(duì)工件的研磨效果優(yōu)于SiC磨料。

圖3 不同磨粒下表面粗糙度和材料去除量隨時(shí)間的變化Figure 3 Variation of surface roughness and material removal with time when using different magnetic abrasives

圖4 磁力研磨加工前后表面粗糙度輪廓曲線Figure 4 Surface roughness profile curve before and after MAF

3. 2 不同磨粒研磨下表面形貌的變化

樣件經(jīng)不同磨料研磨前、后的二維和三維形貌分別見圖5和圖6。從中可知，原始樣件表面均存在劃痕、凹坑(見圖5a和5c)以及大量毛刺(見圖6a和6c)。經(jīng)Al2O3磨粒磁力研磨光整加工后，工件表面的劃痕和凹坑均被大量去除(見圖5b)，毛刺大量減少(見圖6b)。而經(jīng)SiC磨粒磁力研磨加工工件的表面劃痕已基本去除(見圖5d)，但是凹坑、毛刺等仍然存在(見圖6d)。進(jìn)一步證明采用Al2O3磨粒對(duì)Inconel718合金的表面光整加工效果優(yōu)于SiC磨粒。

圖5 磁力研磨加工前后工件的二維表面形貌Figure 5 2D surface morphologies of workpieces before and after MAF

圖7示出了分別采用不同磨料研磨后Inconel718鎳基高溫合金表面的鏡面效果。從圖7可知，采用Al2O3磨粒研磨后，工件表面具有良好的鏡面效果；而以SiC磨料研磨后，工件表面并未達(dá)到鏡面效果。

4 結(jié)論

相同研磨工藝條件下，選用Al2O3磁性磨料對(duì)Inconel718進(jìn)行磁力研磨的效果比用SiC磨料更好。采用Al2O3磨料對(duì)Inconel718進(jìn)行磁力研磨后，工件表面劃痕、凹坑及毛刺完全去除，表面粗糙度由0.56 μm降至0.049 μm，達(dá)到鏡面效果。使用SiC磨料研磨后，工件表面仍存在凹坑等缺陷，表面粗糙度由0.493 μm降至0.124 μm，未達(dá)到鏡面效果。

圖6 磁力研磨加工前后工件的三維表面形貌Figure 6 3D surface morphologies of workpieces before and after MAF

圖7 磁力研磨加工后工件鏡面照片F(xiàn)igure 7 Mirror images of workpieces after MAF

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[ 編輯：周新莉 ]

Effect of abrasive on magnetic abrasive finishing efficiency of Inconel718 nickel-based superalloy

// ZHAO Wen-cong, ZHANG Gui-xiang*, DONG Ai-mei

Magnetic abrasive finishing (MAF) was conducted on the surface of Inconel718 nickel-based superalloy with two kinds of spherical magnetic composite abrasives—Al2O3and SiC with a size of W7 (i.e. diameter 5-7 μm). The process conditions are: using 46# machinery oil as grinding fluid, spindle speed 1000 r/min, feeding speed 10 mm/min, machining gap 2 mm and abrasive filler amount 2.5 g. The effects of both abrasives on finishing efficiency of Inconel718 alloy were comparatively analyzed in respect of surface roughness and microscopic morphology. The results showed that the surface roughness of substrate was decreased from 0.560 μm to 0.049 μm and its surface microscopic morphology was improved as shown by the mirror effect when finished with Al2O3abrasives. The surface roughness of work sheet was decreased from 0.493 μm to 0.124 μm and its surface microscopic morphology changes little when finished with SiC abrasives. The finishing efficiency of Al2O3abrasive on Inconel718 is better than that of SiC abrasive.

nickel-based superalloy; magnetic abrasive finishing; alumina; silicon carbide; surface roughness; microscopic morphology

10.19289/j.1004-227x.2017.04.005

分類：TG175.3

：A

：1004 – 227X (2017) 04 – 0203 – 05

2016–11–08

2017–01–19

山東省自然科學(xué)基金（ZR2015EL029）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51375285、51675316）。

趙文聰（1990–），男，山東淄博人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與裝備、特種加工與表面工程。

張桂香，博士，副教授，(E-mail) zgx1999@126.com。