電解-磁力復(fù)合研磨TA18鈦合金管內(nèi)表面研究*

譚 悅，陳 燕，曾加恒，許召寬

(遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

鈦合金具有耐高溫、耐磨損、抗腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶等領(lǐng)域，主要用于制造整體葉盤、渦輪軸、封嚴(yán)環(huán)等高溫零部件[1]。但由于鈦合金屬于典型的難加工材料，運(yùn)用傳統(tǒng)研磨加工方法對(duì)鈦合金管內(nèi)表面拋光變得困難。特別是一些直徑比較小的鈦合金管內(nèi)表面根本無法加工。針對(duì)鈦合金管內(nèi)表面精密拋光這一技術(shù)難題，國內(nèi)外學(xué)者做出了大量的研究[2]。任敬心等提出采用剛玉和碳化硅砂輪對(duì)鈦合金進(jìn)行磨削，但此方案中砂輪磨削用量不易控制，易使表面產(chǎn)生微裂紋、燒傷熔覆物等[3]。辛磊等采用自行設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)永磁場(chǎng)研磨裝置對(duì)鈦合金管內(nèi)表面進(jìn)行研磨，取得較好的光整效果。但由于鈦合金硬度高，利用單純磁力研磨加工時(shí)磨削難度大，加工效率低[4]。本課題組曾采用球形磁鐵輔助研磨彎管內(nèi)表面，不但可以提高研磨效率，且球形磁鐵能夠順利通過彎曲處，但對(duì)于較大的管內(nèi)表面而言，球形磁鐵形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大的面積較小，對(duì)加工效率的提高不明顯[5]?；谏鲜鰡栴}，提出了電解輔助磁力研磨的方法，這樣可以先通過電解生成鈍化膜，降低工件表面硬度，再利用磁力研磨對(duì)生成的鈍化膜進(jìn)行去除，有助于提高加工效率，改善其內(nèi)表面質(zhì)量。

本文分析了電解-磁力研磨工藝的工作原理，對(duì)比了單純磁力研磨與電解-磁力研磨兩種加工方法對(duì)TA18鈦合金管內(nèi)表面質(zhì)量與應(yīng)力的影響。同時(shí)，采用單因素法研究了磁極轉(zhuǎn)速和電解電壓對(duì)加工效率的影響。為鈦合金管內(nèi)表面研究提供了一種新的方法。

1 電解-磁力研磨加工機(jī)理

電解-磁力研磨是先利用電化學(xué)陽極溶解的作用，使工件表面生成硬度比工件材料低很多的鈍化膜，再利用磁力研磨在研磨間隙不斷翻滾、擠壓、變形和摩擦的作用對(duì)鈍化膜微量去除。整個(gè)加工過程中，工件經(jīng)歷電化學(xué)腐蝕→磁力研磨→電化學(xué)腐蝕→磁力研磨的循環(huán)作用，從而實(shí)現(xiàn)表面光整加工。

圖1示出了電解-磁力復(fù)合研磨加工鈦合金管內(nèi)表面的加工示意圖。工件通過碳刷連接直流電源的正極作為陽極，銅棒連接電源的負(fù)極作為陰極。在加工過程中，電解液通過蠕動(dòng)泵抽取并填充在加工間隙中，使工件內(nèi)表面發(fā)生電解反應(yīng)，且工件由車床帶動(dòng)作軸向旋轉(zhuǎn)，有助于對(duì)電解液進(jìn)行攪拌。由于鈦合金管為非導(dǎo)磁性工件，因此其內(nèi)部放置吸附磁性磨粒的V型輔助磁極，與外部磁極構(gòu)成磁回路，從而增大了加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度；吸附在V型輔助磁極兩極的磁性磨粒沿磁力線方向排列形成具有一定剛性的磁力刷，壓附在鈦合金管內(nèi)表面，隨工件的高速旋轉(zhuǎn)和外部磁極沿鈦合金管軸向地往復(fù)進(jìn)給，磁性磨粒在鈦合金管內(nèi)表面進(jìn)行微量摩擦、刻劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金管內(nèi)表面的電解-磁力復(fù)合研磨加工[6]。

1.三爪卡盤 2.絕緣墊 3.工件 4.碳刷 5.直流電源 6.控制閥 7.流量計(jì) 8.蠕動(dòng)泵 9.過濾器 10.外部磁極 11.磁性磨料 12.V型輔助磁極 13.銅棒 14.電解液

圖1電解-磁力復(fù)合研磨加工鈦合金管內(nèi)表面的加工示意圖

2 實(shí)驗(yàn)條件與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

圖2為試驗(yàn)裝置圖，工件裝卡在車床主軸上做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直流電源陽極通過碳刷與工件相連，陰極通過連桿與銅棒相連，電解液通過蠕動(dòng)泵抽取填充在加工間隙中，放置工件內(nèi)部的V型輔助磁極與電極在直流電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

1.臥式車床 2.三爪卡盤 3.外部磁極 4.工件 5.工作臺(tái) 6.電機(jī) 7.直流電源 8.蠕動(dòng)泵

圖2電解-磁力復(fù)合研磨加工鈦合金內(nèi)表面試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)條件

鈦合金管的材質(zhì)為TA18，其外徑40mm，內(nèi)徑34mm，長90mm。具體工藝條件為：進(jìn)給速率2mm/s，磁性研磨粒子粒徑185μm，陰極銅棒與管內(nèi)表面間隙為1mm，V型輔助磁極與管內(nèi)表面間隙為2mm，外部磁極與管的間隙為15mm，V型輔助磁極和外部磁極均為Nd-Fe-B永磁極。使用的電解液為16%的NaNO3溶液，電解液流速2.5L/min。所用磨料由平均粒徑200～250μm的鐵粉和平均粒徑40～50μm的Al2O3按質(zhì)量比2:1混合燒結(jié)后破碎篩分而成。研磨液為勞力恩SR-9912水溶性研磨液，加工時(shí)間均為50min。

2.3 試驗(yàn)表征

采用廣精JB-08型指針式表面粗糙度儀測(cè)量工件的表面粗糙度Ra，每加工10min測(cè)1次，測(cè)量時(shí)取5個(gè)不同的測(cè)量點(diǎn)，取平均值。采用基恩士的VHX-500F型超景深3D顯微鏡觀察工件的表面形貌。利用荷蘭帕納科X射線殘余應(yīng)力分析儀對(duì)加工前后工件表層殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同加工方式對(duì)表面粗糙度的影響

試驗(yàn)分2組進(jìn)行，分別采用單純磁力研磨與電解-磁力復(fù)合研磨對(duì)TA18管內(nèi)表面進(jìn)行研磨，按2.2節(jié)的工藝條件，采用電解電壓為9V在磁極轉(zhuǎn)速1200r/min的情況下進(jìn)行加工試驗(yàn)。如圖3所示，經(jīng)過50min的研磨，單純磁力研磨的表面粗糙度由0.9μm下降到0.37μm；電解-磁力復(fù)合研磨的表面粗糙度由0.9μm下降到0.08μm。主要原因是因?yàn)門A18本身基體材料較硬，磁性磨料的硬度偏小，經(jīng)單純磁力研磨后的磨料容易出現(xiàn)磨粒相斷裂，磨料外部的有效加工部分脫落，磨料變得圓潤，影響磨料的加工效率與壽命[7]，而電解-磁力復(fù)合研磨首先使得工件表面的尖點(diǎn)和毛刺由于電解作用變成較軟的鈍化膜，再利用磁性研磨粒子去除，達(dá)到表面光整的效果。研磨后有效地保留了研磨相，使其能夠保持較好的加工性能。

圖3 不同加工方式表面粗糙度與研磨時(shí)間的關(guān)系

3.2 不同加工方式對(duì)表面顯微形貌影響

利用超景深電子顯微鏡觀察不同加工方式研磨TA18管件內(nèi)表面形貌如圖4所示,純磁力研磨加工后表面仍會(huì)殘留一些未被去除的加工痕跡，且出現(xiàn)少量小區(qū)域的燒傷熔覆物,表面波峰波谷高度差較大，表面紋理分布不均勻且加工缺陷較多，如圖4a所示；經(jīng)復(fù)合加工后，工件表面缺陷基本完全去除，研磨痕跡細(xì)密均勻，工件表面無燒傷，表面質(zhì)量得到顯著提高[8],如圖4b所示。

(a) 單純磁力研磨

(b) 電解-磁力復(fù)合研磨圖4 不同加工方式表面顯微形貌

3.3 不同加工方式對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

應(yīng)用X射線衍射法，采用荷蘭帕納科X射線衍射儀測(cè)量工件表面殘余應(yīng)力，根據(jù)X射線衍射sin2φ應(yīng)力分析法[9]，得到應(yīng)力計(jì)算方程如下。

式中，σφ為φ反向上的應(yīng)力，MPa；E為材料的楊氏模量，GPa；v為材料的泊松比；φ為傾斜角度，°；dφ為傾斜角的晶面間距，μm。dn為初始傾斜角(0°)的晶面材料初始表面由于受到初加工時(shí)的塑性變形間距，μm。經(jīng)測(cè)量，工件原始表面的殘余應(yīng)力擬合線關(guān)系如圖5a所示。計(jì)算結(jié)果如圖5b所示，結(jié)果表明，材料初始表面由于受到初加工時(shí)的塑性變形和加工溫度的影響，表面殘余應(yīng)力為+169.7MPa拉應(yīng)力；純磁力研磨后，表面殘余應(yīng)力為-39.6MPa壓應(yīng)力；電解-磁力研磨復(fù)合顯著地降低了表面的殘余應(yīng)力，表面殘余應(yīng)力為-202.2MPa壓應(yīng)力。根據(jù)資料顯示，殘余壓應(yīng)力可以有效地提高零件表面的抗疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕及抗蠕變開裂的能力[10]；此外，良好的壓應(yīng)力狀態(tài)可以在零件受力時(shí)釋放自身的殘余壓應(yīng)力以達(dá)到保護(hù)零件的目的[11]。

(a) 原始?xì)堄鄳?yīng)力擬合線

(b) 殘余應(yīng)力結(jié)果圖5 研磨前后的表面殘余應(yīng)力

3.4 磁極轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

按2.2節(jié)的工藝條件，采用9V的電解電壓在不同的磁極轉(zhuǎn)速下對(duì)TA18合金管內(nèi)表面進(jìn)行加工試驗(yàn)，結(jié)果見圖6。從圖6可知，隨著磁極轉(zhuǎn)速升高，工件表面粗糙度下降，表面加工質(zhì)量顯著改善。當(dāng)磁極頭轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí)，工件表面粗糙度變化相對(duì)較慢，并且達(dá)到的表面粗糙度Ra值較高。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到1200r/min時(shí)，試件加工效率相應(yīng)增高，表面粗糙度值下降較快，這是由于隨著轉(zhuǎn)速提高，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)表面凸起、尖點(diǎn)去除量增大，致使改善工件的表面形貌并最終獲得的較小的表面粗糙度值[12]。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1600r/min時(shí)，試件表面粗糙度值剛開始的20min內(nèi)下降很快，初始加工效率較高，但最終獲得的表面粗糙度值并沒有比加工轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)低。主要原因是轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致磁性磨粒飛濺嚴(yán)重，使得有效研磨粒子減少，磁力刷剛度下降，加之離心力的影響，使得研磨粒子對(duì)工件表面的有效研磨壓力減小，致使切深減小，導(dǎo)致加工效率較低[1]。所以，為了提高研磨效率，磁極轉(zhuǎn)速應(yīng)選用轉(zhuǎn)速1200r/min。

圖6 不同磁極轉(zhuǎn)速下工件表面粗糙度隨研磨時(shí)間的變化

3.5 電解電壓對(duì)表面粗糙度的影響

采用1200r/min的磁極轉(zhuǎn)速在不同電壓下對(duì)TA18合金管內(nèi)表面進(jìn)行加工試驗(yàn)，結(jié)果見圖7。從圖7可知，隨著電解電壓的升高，工件的表面粗糙度下降，表面加工質(zhì)量顯著改善。當(dāng)電解電壓為9V時(shí)，加工10min后表面粗糙度Ra由初始的0.9μm降至0.08μm。繼續(xù)增大電解電壓到12V時(shí)，表面粗糙度相比電壓為9V時(shí)并無太大的變化。原因是當(dāng)繼續(xù)增大電解電壓到12V時(shí)，電解生成的鈍化膜厚度增大，使已經(jīng)研磨加工的工件表面因再次電解鈍化而被破壞，表面粗糙度無太大的變化，且造成了資源浪費(fèi)[8]。因此為保證加工效率和質(zhì)量，宜選擇電解電壓為9V。

圖7 不同電解電壓下工件表面粗糙度隨研磨時(shí)間的變化

4 結(jié)論

(1)電解-磁力復(fù)合研磨與單純磁力研磨相比，由于電解作用使工件表面產(chǎn)生較軟的鈍化膜，有利于磁性磨料對(duì)工件表面研磨，使得加工效率和表面質(zhì)量明顯提高。

(2)電解-磁力研磨后表面更加均勻、平整，且使得表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力+169.7MPa變到壓應(yīng)力-202.2MPa,有效地提高零件表面的抗疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕及抗蠕變開裂的能力。

(3)當(dāng)在電解電壓9V下采用1200r/min的磁極轉(zhuǎn)速對(duì)TA18管內(nèi)表面進(jìn)行研磨50min時(shí)，研磨效果最好，工件表面均勻、平整，表面粗糙度Ra從原始的0.9μm降至0.08μm。

[1] 郭文龍. 磁力研磨加工對(duì)TC4鈦合金表面完整性影響的研究[D]. 鞍山：遼寧科技大學(xué)，2013.

[2] TK B JVINOD,Y Cylindrical.Electrochemical Magnetic Abrasive Machining of AISI-304 stainless steel[J].Materials and Manufacturing Processes,2013(28):449-456.

[3] 任敬心,康仁科,吳小玲,等.鈦合金的磨削燒傷和磨削裂紋[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2000(10):40-42.

[4] 辛磊, 范文勝. 磁力研磨優(yōu)化鈦合金管內(nèi)表面光整度試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2015(2): 168-170.

[5] 韓冰, 鄧超, 陳燕. 球形磁鐵在彎管內(nèi)表面磁力研磨中的應(yīng)用[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2013,33(6): 565-570.

[6] 廖明, 韓冰, 陳燕, 等. 鈦合金管內(nèi)表面的電化學(xué)磁力研磨復(fù)合光整試驗(yàn)[J]. 中國表面工程, 2016, 29(3): 123-131.

[7] 焦安源，全洪軍，李宗澤，等. 磁力研磨法光整外環(huán)槽的工藝參數(shù)研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2015(5): 119-123.

[8] 張琳，趙吉賓，李論. 復(fù)雜曲面磁力研磨加工方法研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014(1):36-40.

[9] Ferreira N G，Aramof E，Corat E J，et al. Residual stresses and erystalline quality of heavily boron-doped diamond films analysed by micro-Raman spectroscopy and X-ray diffraction[J]. Carbon，2003,41(6):1301-1308.

[10] Meng Longhui, HeNing, Yang Yinfei, et al. Method for Measuring Residual Stresses Induced by Boring in Internal Surface of Tube and Its Validation with XRD Method[J]. Transaction of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 31(5): 508-514.

[11] 羅玉梅,任鳳章,張偉,等.X射線法測(cè)量多晶體材料殘余應(yīng)力[J].材料導(dǎo)報(bào),2014,28(6):112-114.

[12] 陳燕,張耀明,鄧超.V型磁鐵在SUS304管內(nèi)表面拋光中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,50(15):187-191.