利用交變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)去除葉片氣膜孔毛刺的試驗(yàn)研究*

（遼寧科技大學(xué)先進(jìn)磨削技術(shù)研究所， 鞍山 114051）

高壓渦輪葉片作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量的好壞直接影響渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的服役年限。而渦輪葉片的性能很大程度上取決于渦輪的進(jìn)口溫度，它受渦輪葉片材料和結(jié)構(gòu)的限制[1-2]。目前，通過氣膜冷卻孔技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片進(jìn)行冷卻已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的冷卻方式之一[3]。通過氣膜孔冷卻技術(shù)對(duì)渦輪葉片進(jìn)行連續(xù)不斷的冷卻，使之可以在允許的工作環(huán)境溫度中超過材料的熔點(diǎn)仍能安全可靠的工作，可大大提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能及葉片的使用壽命，但是該技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)對(duì)氣膜冷卻孔的質(zhì)量提出更高的要求[4-5]。由于氣膜冷卻孔直徑?。ㄍǔ?.4～0.5 mm）、空間分布復(fù)雜且位置精度要求高，目前在航空制造業(yè)中高壓渦輪葉片氣膜冷卻孔大都采用電火花加工，但由于工作液壓力降低、基體雜質(zhì)等導(dǎo)致加工時(shí)間延長，造成重融層增厚超標(biāo)，甚至出現(xiàn)微裂紋；另外，電極進(jìn)出工件材料邊緣時(shí)容易產(chǎn)生電壓突變，會(huì)在氣膜孔的棱邊處留下諸多毛刺。葉片若不經(jīng)處理直接使用，容易造成毛刺的脫落，使氣膜冷卻孔局部堵塞，導(dǎo)致綜合冷卻效率降低，進(jìn)而影響燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和性能[6-9]。針對(duì)這一現(xiàn)象采用傳統(tǒng)的研磨方法很難去除掉氣膜冷卻孔棱邊處的毛刺，而采用磨粒流加工方法只能去除部分毛刺；而且，由于磨粒流中含有一些化學(xué)成分會(huì)對(duì)葉片材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，加之磨粒流的方向性，使得氣膜孔棱邊的毛刺去除不徹底，成為企業(yè)急需解決的問題[9-13]。針對(duì)該問題提出電磁研磨法，通過交變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)微細(xì)磁針旋轉(zhuǎn)與葉片發(fā)生碰撞，從而達(dá)到去除棱邊毛刺的目的。本研究進(jìn)行磁力研磨試驗(yàn)，在保證葉片氣膜冷卻孔的尺寸精度和形狀精度的條件下，采用電磁研磨法有效去除其棱邊毛刺，改善葉片的表面質(zhì)量，提高葉片的使用壽命。

1 磁力研磨的工作原理與參數(shù)分析

1.1 工作原理

圖1所示為磁力研磨法加工原理圖。采用三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，配合變頻調(diào)速控制裝置，不僅能根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)速，而且能周期性地變換轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而最大限度地提高研磨效果。

圖1 交變旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)研磨工作原理Fig.1 Working principle of alternating rotating electromagnetic device

電磁研磨法除繼承了傳統(tǒng)磁研磨法的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）磁場(chǎng)強(qiáng)度比較均勻，而且強(qiáng)度較大，這樣可以增加容器內(nèi)的待加工件的數(shù)量，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，這是傳統(tǒng)磁研磨方式所不具備的；

（2）磁場(chǎng)強(qiáng)度可由勵(lì)磁電流調(diào)整，進(jìn)而改變研磨強(qiáng)度，提高適應(yīng)不同工件的靈活性；

（3）電磁研磨裝置無實(shí)體旋轉(zhuǎn)，延長了設(shè)備使用壽命；

（4）由于沒有運(yùn)動(dòng)慣性的存在，啟動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)都很迅捷，為實(shí)現(xiàn)高效控制提供了可能。

1.2 磁針的運(yùn)動(dòng)分析

磁針在工作過程中，主要存在3種運(yùn)動(dòng)方式，即自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及飛躍運(yùn)動(dòng)。

1.2.1 自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

磁力發(fā)生器生成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就像是一對(duì)磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)一樣，在某一瞬間會(huì)有明顯的N-S極。因此磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中會(huì)被磁化，被磁化后的磁針本身形成一對(duì)新的磁極，并與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極相互作用。圖2所示為磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中被磁化以后的受力分析圖。其中圖2（a）為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁場(chǎng)梯度方向與X軸平行時(shí)磁針的受力分析。此時(shí)，磁針的S極受到N極的吸引力F1，磁針的N極受到S極的吸引力F2，由于磁針更靠近N極，所以F1＞F2，這時(shí)磁針有一個(gè)向左的平移運(yùn)動(dòng)。在之后的一瞬間，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過Φ角度，因?yàn)檫@一時(shí)間間隔是極其短暫的，此時(shí)磁針的受力分析如圖2（b）所示，磁針的S、N極分別受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的N、S極的吸引力F1、F2的作用，這兩個(gè)力均指向磁場(chǎng)的梯度方向，相互平行但方向相反。

根據(jù)力的平移定理，將圖2（b）中的兩個(gè)力F1、F2簡化到磁針的中心點(diǎn)，簡化過程如圖2（c）所示。

圖2 磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的受力分析Fig.2 Force synthesis of magnetic pin in a rotating magnetic field

由圖2（c）可知，磁針在磁力F和力矩M作用下產(chǎn)生兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是在力F的作用下向左下方的平移運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是在力矩M的作用下繞自身中心點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向一致。因此，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)連續(xù)工作過程中，磁針一方面繞著工作容器的中心軸線做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（圖3），一方面繞著自身的中心點(diǎn)做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（圖4）。圖3和4中數(shù)字表示啟動(dòng)時(shí)間先后順序。

1.2.2 飛躍運(yùn)動(dòng)

在工作過程中，磁針除了做繞容器筒軸線的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和繞自身中心點(diǎn)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，還存在飛躍運(yùn)動(dòng)。飛躍運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生原因是因?yàn)楣ぷ鬟^程中，磁針與磁針之間、磁針與工件、磁針與筒壁之間相互碰撞而產(chǎn)生的反作用力形成的方向隨機(jī)不定的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)磁針用量較多時(shí)，飛躍運(yùn)動(dòng)非常劇烈，當(dāng)磁針用量較少時(shí)，也存在飛躍運(yùn)動(dòng)，只是運(yùn)動(dòng)效果不明顯。圖5為飛躍運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡，可知，磁針運(yùn)動(dòng)軌跡異常復(fù)雜且雜亂無章，這是因?yàn)榇裴樑c磁針之間、磁針與容器桶之間、磁針與工件之間劇烈碰撞產(chǎn)生反作用力的綜合結(jié)果。

零件在加工過程中，主要是靠磁針與棱邊處的碰撞、擊打來達(dá)到光整加工、去除毛刺的效果。磁針主要由自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及飛躍運(yùn)動(dòng)組成。磁針的運(yùn)動(dòng)形式越復(fù)雜，越容易從多角度、多方位對(duì)工件進(jìn)行研磨且研磨的效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于方向單一的手工研磨。

圖3 磁針公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.3 Magnetic pin orbital motion diagram

圖4 磁針自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分析Fig.4 Magnetic pin rotation diagram

圖5 磁針飛躍運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Jump motion curve of magnetic pin

1.3 影響加工效率因素分析

工件和磁針在材料上存在差異，所以兩者的相對(duì)磁導(dǎo)率是不同的。根據(jù)電磁學(xué)理論可知，當(dāng)兩種具有不同磁導(dǎo)率的材料在磁場(chǎng)中相互接觸時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于兩者的接觸表面，且在該接觸表面上產(chǎn)生的磁壓力F可由公式（1）計(jì)算得到。

其中，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度（A/m），μ0為真空磁導(dǎo)率（H/m），μm為磁針相對(duì)磁導(dǎo)率（H/m）。

根據(jù)摩擦理論得知，工件與磁針間的作用力F和工件與磁針的碰撞幾率決定了研磨效率，而工件與磁針的碰撞幾率取決于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度v。因此，可以通過作用力F和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度v的乘積Fv值的大小來判斷研磨效率的高低，F(xiàn)v值越大研磨效率越高。結(jié)合公式（1）可以表示出Fv值。

其中，d為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的直徑（mm） ，n為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（r/min）。

根據(jù)公式（2）得出，當(dāng)磁針的材料以及磁場(chǎng)發(fā)生裝置一定的時(shí)候，研磨效率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速成正比。磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，研磨效率越高；旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速越高，研磨效率越高。在實(shí)際應(yīng)用中由于工件材質(zhì)不同，F(xiàn)v應(yīng)通過試驗(yàn)驗(yàn)證選取，不同材料取值不同。

2 磁力研磨加工試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

圖6為電磁研磨法加工微小零件的裝置示意圖。圓柱形套筒固定不動(dòng)，將鐵芯和線圈環(huán)繞其一周。線圈由三相繞組組成，通過特定的纏繞方式纏繞在鐵芯上。在套筒內(nèi)部，放入工作容器，工作容器中盛有工件、混合液和磁針。工作時(shí)，外部線圈通以三相交流電，線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間做周期性變化的交變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。產(chǎn)生的交變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)磁化工作容器內(nèi)部的磁針，迫使磁針隨外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)過程中，由于工件的重量要比磁針的重量大得多，所以工件的旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)于磁針的旋轉(zhuǎn)速度要低而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過磁針與工件產(chǎn)生隨機(jī)高頻的碰撞、擊打，達(dá)到光整加工、去除毛刺的效果。

本試驗(yàn)研究中使用電磁研磨法加工渦輪葉片，在加工渦輪葉片時(shí)，葉片經(jīng)定位后放入容器筒內(nèi)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)筒內(nèi)的磁針做高速復(fù)合運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)節(jié)頻率來控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪葉片表面的研磨拋光。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，并且能對(duì)葉片表面起到良好研磨拋光效果。

圖6 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of experiment device

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選用被研磨對(duì)象是某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片，工件材料為單晶體合金，屬于不導(dǎo)磁材料，具有很強(qiáng)的硬度及耐磨性。該型號(hào)的渦輪葉片尺寸為60mm×45mm×30mm，其形狀示意圖如圖7所示。研磨液為水基研磨液，在研磨過程中有散熱作用，防止磨料對(duì)工件的干摩擦而導(dǎo)致磁針溫升過高，從而磁場(chǎng)強(qiáng)度降低；工件的微觀形貌用基恩士VHX-500F超景深3D顯微鏡觀測(cè)。

試驗(yàn)時(shí)，首先用超聲波清洗機(jī)清洗工件并烘干，清除殘留在氣膜冷卻孔空口的油污，以增加研磨效率；用超景深3D顯微鏡分別觀察研磨前內(nèi)外腔氣膜冷卻孔原始形貌。然后將葉片、研磨液與磁針按一定的比例混合后放入容器內(nèi)，最后將容器放入到套筒內(nèi)。研磨葉片內(nèi)腔時(shí)，需在其內(nèi)腔內(nèi)放入一定量的磁針并封閉。試驗(yàn)選用的磁針直徑一定要大于葉片氣膜孔的直徑，防止磁針在研磨過程中鉆入孔內(nèi)，造成堵塞。由于渦輪葉片內(nèi)腔空間狹小，被放置內(nèi)腔的磁針受空間的限制運(yùn)動(dòng)范圍變小，運(yùn)動(dòng)速度降低，磁針與工件之間發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的力也隨之減小。故而試驗(yàn)中研磨內(nèi)腔的孔使用的磁針直徑是研磨外表面的孔使用的磁針直徑的2.5倍左右。具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，其中磁針參數(shù)以直徑×長度表示。

打開電磁研磨機(jī)進(jìn)行研磨試驗(yàn)，設(shè)定研磨機(jī)參數(shù):每5min改變一次磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向，研磨時(shí)間設(shè)為60 min，研磨頻率為16Hz。研磨完成后，拿出工件，取出封閉在葉片內(nèi)腔的磁針，然后用超聲波清洗機(jī)清洗工件并烘干，在超景深3D顯微鏡下觀察研磨后葉片內(nèi)外腔同一位置的微觀表面形貌。

圖7 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片類零件示意圖Fig.7 Schematic diagram of aeroengine turbine blade parts

圖8 氣膜冷卻孔研磨前后表面形貌Fig.8 Surface morphologies of the film cooling holes before and after polishing

3 結(jié)果與討論

研磨完成后，使用3D超景深顯微鏡觀察研磨后的表面形貌并與研磨前進(jìn)行對(duì)比。研磨前后的表面形貌如圖8所示。觀察可知，葉片氣膜冷卻孔棱邊處的毛刺完全去除、棱邊變得平整、光滑。通過某生產(chǎn)廠專業(yè)測(cè)試儀試驗(yàn)，經(jīng)過研磨后的氣膜孔的流量穩(wěn)定、均勻，冷卻效率高，完全滿足生產(chǎn)技術(shù)要求。

從試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果來看，無論是外表面氣膜冷卻孔還是內(nèi)腔氣膜冷卻孔，其棱邊部位的毛刺去除效果都非常明顯，棱邊變得光滑、規(guī)整，表面質(zhì)量顯著提高。

根據(jù)物理學(xué)定律，在磁針撞擊工件瞬間產(chǎn)生的壓強(qiáng)P可以由公式（3）表示：

式中，F(xiàn)為磁針對(duì)工件產(chǎn)生的撞擊力，S為撞擊過程中磁針與工件的接觸面積。在研磨過程中，由于磁針與工件的撞擊面積非常小，所以產(chǎn)生的壓強(qiáng)足以去除小孔棱邊部位的毛刺，使表面形貌得到改善，滿足工件的使用要求。

4 結(jié)論

采用電磁研磨加工方法，對(duì)渦輪葉片氣膜冷卻孔的棱邊部位進(jìn)行去毛刺處理，由試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論：

（1）電磁線圈產(chǎn)生的交變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以磁化容器內(nèi)部的磁針，使磁針隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，通過磁針與工件隨機(jī)高頻的碰撞、擊打，達(dá)到光整加工、去除毛刺的效果。在工作過程中，磁針主要由3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)組成，即自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和飛躍運(yùn)動(dòng)。復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式可以提升工件研磨后的表面效果。

（2）應(yīng)用磁力研磨光整加工工藝可以有效去除葉片氣膜冷卻孔棱邊部位的毛刺，小孔棱邊變得光滑、規(guī)整，表面質(zhì)量明顯改善，有效提高了葉片氣膜冷卻孔的棱邊質(zhì)量,通過流量測(cè)試，流量穩(wěn)定、均勻，冷卻效率提高，完全滿足生產(chǎn)技術(shù)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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