磁力研磨法去除航空發(fā)動機(jī)渦輪軸內(nèi)表面積碳的試驗(yàn)分析

徐會，康仁科，劉冬冬，陳燕

（1.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

航空發(fā)動機(jī)渦輪軸是航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪部分的重要組成零件，也是航空發(fā)動機(jī)主要的傳動部件。航空發(fā)動機(jī)渦輪軸的結(jié)構(gòu)具有航空發(fā)動機(jī)大型零部件的共同特點(diǎn)，既有薄壁盤類型部分，也有傳動長軸類型部分。在發(fā)動機(jī)裝配要求中，對該類零件的表面潔凈度要求較高。航空發(fā)動機(jī)渦輪軸在高溫環(huán)境工作過程中，由于表面質(zhì)量和毛刺等原因，在渦輪軸內(nèi)表面流動的燃油容易在內(nèi)表面生成積碳。積碳的產(chǎn)生，導(dǎo)致燃油內(nèi)摻雜積碳顆粒物，可能使后續(xù)的流道堵塞，造成嚴(yán)重影響[1]。因此，需要定期對航空發(fā)動機(jī)渦輪軸進(jìn)行拆洗，除去積碳或其他雜質(zhì)。

目前，研究人員對積碳的機(jī)理和去除方法進(jìn)行了一系列研究。蔣晶等[2]分析了發(fā)動機(jī)積碳產(chǎn)生的影響與危害問題，介紹了積碳產(chǎn)生機(jī)理，提出了高純氫除積碳處理技術(shù)及試驗(yàn)效果。柳熾偉等[3]分析了汽油發(fā)動機(jī)氣門積碳的成因和積碳形成機(jī)理，提出了優(yōu)化發(fā)動機(jī)設(shè)計和應(yīng)用中減少積碳生成的措施。王興等[4]分析了汽車發(fā)動機(jī)氣門桿上積碳的微觀形貌和形成機(jī)理，并通過熔鹽清洗對積碳進(jìn)行了有效去除。針對航空發(fā)動機(jī)渦輪軸，某企業(yè)采用強(qiáng)堿溶液浸泡后，人工用砂輪磨削去除積碳。這種清洗積碳的方法效果差、效率低、污染環(huán)境、工人工作環(huán)境惡劣，且容易對工件表面產(chǎn)生劃痕和損傷。由于航空發(fā)動機(jī)的渦輪軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，最小尺寸為?110 mm×930 mm，表面的積碳成分復(fù)雜，分布范圍廣，以上所述方法并不適合航空發(fā)動機(jī)的大尺寸渦輪軸內(nèi)表面積碳去除，無法滿足航空發(fā)動機(jī)渦輪軸實(shí)際生產(chǎn)和維護(hù)的需要。

磁力研磨作為一種特種加工方法，具有自適應(yīng)性高、自銳性強(qiáng)、溫升小以及無刀具補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在空間彎管、復(fù)雜曲面、內(nèi)外圓表面光整加工等方面。陳燕等[5]提出利用六自由度機(jī)械手臂驅(qū)動N-S-S-N四磁極圓周排布所形成的旋轉(zhuǎn)磁場，完成對6061鋁合金彎管內(nèi)表面的光整加工。直管處表面粗糙度Ra由0.48 μm下降到0.12 μm，管件彎折處表面粗糙度由0.67 μm降低至0.13 μm，加工后液壓導(dǎo)管的使役可靠性顯著提高。韓冰等[6]針對普通磁力研磨超硬精密陶瓷管內(nèi)表面加工效率低且紋理不均勻的問題，采用曲柄滑塊振動機(jī)構(gòu)和超聲振動機(jī)構(gòu)輔助磁力研磨，通過改變磁粒刷的運(yùn)動軌跡，實(shí)現(xiàn)對陶瓷管內(nèi)表面的高效精密加工。吳金忠等[7]通過利用低頻交變磁場下產(chǎn)生的變動磁力，改善傳統(tǒng)磁力研磨加工中磁力刷變形、磨料結(jié)塊、磨料利用率低等問題，實(shí)現(xiàn)平面超光滑、納米級加工。Pandey等[8]研究了超聲波振動輔助磁力研磨UAMAF（Ultrasonic Assisted Magnetic Abrasive Finishing）技術(shù)的加工機(jī)理，通過引入超聲波振動輔助磁力研磨工藝進(jìn)行拋光，使表面加工效率得到了顯著提升。

鑒于上述情況，本文通過分析航空發(fā)動機(jī)渦輪軸內(nèi)表面積碳的形貌和成分，并根據(jù)渦輪軸的材料和結(jié)構(gòu)特性，采用磁力研磨的方法對渦輪軸內(nèi)表面積碳進(jìn)行去除加工。

1 積碳表征

1.1 微觀形貌分析

在德國蔡司場發(fā)射SIGMA HD掃描電子顯微鏡不同的放大倍數(shù)下，積碳表面的微觀形貌如圖1所示。圖1a中，可以清晰地看出，積碳以黑色塊狀和片狀結(jié)構(gòu)為主，表面分布大量的裂紋。進(jìn)一步放大可以看出，在塊狀結(jié)構(gòu)及積碳上，其表面凹凸不平，分布大量微小裂紋，并且不均勻地分布著不規(guī)則形狀的白色發(fā)亮固體顆粒，如圖1b、c所示。放大到3000倍（如圖1d所示），顆粒之間是無規(guī)則狀、互相鑲嵌地堆積在一起。由于形狀各異，分布不規(guī)則，在表面沉積的過程中出現(xiàn)間隙，因而形成縫隙和凹坑。無規(guī)則的縫隙和凹坑增加了新的積碳附著和沉積的機(jī)會，從而使積碳結(jié)焦逐漸惡化[9]。因此，在制造和清洗渦輪軸的時候，應(yīng)降低其表面粗糙度，從而抑制積碳的生成。

1.2 積碳成分

通過掃描電鏡檢測積碳的元素分布，如圖2所示。積碳元素構(gòu)成比較復(fù)雜，分布也不均勻。其中，C和O元素含量很高，特別是C元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65%。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知，此時的碳和石墨具有相同的六邊形結(jié)構(gòu)。這表明積碳的形成是以C和O元素為主的芳烴和環(huán)烷烴類物質(zhì)在渦輪軸內(nèi)表面經(jīng)過氧化→裂化→熱解→焦化→聚合等一系列過程形成的。同時，積碳成分中含有Al、Si、Ti等金屬元素，和渦輪軸基體材料所含元素相同，說明在高溫環(huán)境下，燃料在裂解時，積碳在渦輪軸內(nèi)表面形成，并沉積。隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，積碳逐漸沉積，并向基體的金屬層滲透，導(dǎo)致基體表層中的部分金屬原子遷移到積碳中。

2 磁力研磨法去除積碳

2.1 基本原理

磁力研磨法加工機(jī)理如圖3所示?？梢钥闯?，渦輪軸內(nèi)腔放置包裹有磁性磨料的圓柱形輔助磁極，與渦輪軸外部的永久磁鐵形成閉合的磁回路[11]。在磁場作用下，磁性磨料被磁化形成有一定剛性的“磨粒刷”，以一定的壓力貼附在渦輪軸內(nèi)表面。渦輪軸轉(zhuǎn)動的同時，外部磁鐵沿著渦輪軸軸向往復(fù)運(yùn)動，兩種運(yùn)動的疊加，使渦輪軸內(nèi)腔的磁性磨粒追隨磁極在工件內(nèi)表面做螺旋狀復(fù)合運(yùn)動的同時滑擦工件內(nèi)表面，從而達(dá)到研磨拋光的效果。輔助磁極受到了磁場力、摩擦力和離心力的作用，自身還做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。輔助磁極的運(yùn)動帶動磁性磨料產(chǎn)生自發(fā)攪拌現(xiàn)象，避免了磁性磨料的堆積，有利于磨粒刷的變形和磨削刃的更替，研磨質(zhì)量和加工效率均得到了提高[12]。

2.2 研磨效率影響因素

研磨拋光中的普林斯頓公式為[13-14]：

式中：k為磁性研磨粒子與加工有關(guān)的比例常數(shù)；R為磨粒刷在加工區(qū)域處的材料去除量，g；v為磁力研磨粒子與工件之間的相對速度，m/s；p為研磨壓力，Pa；t為研磨時間，s。

將處于平衡狀態(tài)的磨粒介質(zhì)劃分為n個等元，試圖求得該過程的材料去除量。第i個單元如圖4所示，hi為介質(zhì)單元厚度，θ·hi為作用面積。相對轉(zhuǎn)速v=?·r，ω為工件的角速度，r為工件半徑。可得如下公式：

式中：Fi為第i個單元加工區(qū)域處的研磨壓力，并且與磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi和接觸面積成正比；是考慮分布材料在整個圓周上的移動。

第i個單元的去除量為：

進(jìn)一步整理得出：

R為磁力研磨材料去除量，它與磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、磁鐵幾何形狀、工件與磁性磨粒的相對轉(zhuǎn)速、研磨時間等因素有關(guān)[15]。由式（6）得知，增加磁力研磨過程中材料去除量的方法有兩種：一是提高加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度；二是增加工件內(nèi)表面與磁性磨料之間的相對運(yùn)動速度。當(dāng)工件的轉(zhuǎn)速太高，離心力大于磁力時，磁性磨料會飛離工作區(qū)域而無法參加研磨，所以轉(zhuǎn)速受到限制。在工件內(nèi)腔添加輔助磁極后，內(nèi)外磁鐵形成封閉磁回路，可以加大加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而提高材料去除量和研磨效率[16]。

2.3 磁場仿真對比分析

為了分析磁性磨粒在磁場中的受力情況，需要對比工件內(nèi)添加輔助磁極前后磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況，利用Maxwell 磁場模擬軟件進(jìn)行有限元分析。依據(jù)輔助磁極的幾何尺寸，在模擬結(jié)果中，截取渦輪軸下內(nèi)表面中心線的線段，對比分析磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖5所示。未加輔助磁極時，研磨區(qū)域處的最高磁場強(qiáng)度最大為210 mT，最低為190 mT。在渦輪軸內(nèi)部添加輔助磁極后，加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度提高至270～330 mT之間，整體提高了1.4倍左右。磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，研磨壓力增大，研磨效率得到大大提高[17]。

選擇粒徑為250 μm的磁性研磨粒子作為分析對象，通過Solidworks軟件建立磁性研磨粒子和渦輪軸模型，并導(dǎo)入Workbench分析軟件中，采用多區(qū)域網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過計算，可得磁性研磨粒子的應(yīng)力。添加輔助磁極前后，單個磁性研磨粒子受到的法向壓應(yīng)力如圖6所示。由圖6可知，和未添加輔助磁極相比，添加輔助磁極后，磁性磨粒的法向壓應(yīng)力得到很大提高。這是因?yàn)樵陂]合磁回路中，由于磁極間距的減小，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，所以磁場力，即磁性磨粒的法向壓應(yīng)力也增強(qiáng)。在工件轉(zhuǎn)速恒定的條件下，添加輔助磁極后的磨粒由于所受法向壓應(yīng)力增大，不容易被甩飛，增大了切向切削應(yīng)力，研磨效率得到大幅提高。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)裝置及條件

以航空發(fā)動機(jī)鈦合金渦輪軸為研究對象，磁力研磨去除渦輪軸內(nèi)表面積碳試驗(yàn)裝置如圖7所示。試驗(yàn)中所用永磁鐵為強(qiáng)磁性材料釹鐵硼。渦輪軸內(nèi)部放置磁性磨料、研磨液和輔助磁極，兩端分別由卡盤和頂尖固定在數(shù)控機(jī)床上。外部磁極固定于刀架上，且與渦輪軸保持5 mm的加工間隙。在啟動數(shù)控機(jī)床帶動工件旋轉(zhuǎn)的同時，外部磁極隨刀架做軸向平移往復(fù)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對渦輪軸內(nèi)表面積碳的去除。

影響研磨效果的因素有磁性磨粒的粒徑、工件轉(zhuǎn)速、外部磁極軸向運(yùn)動速度、磁性磨料的填充量以及外部磁極與工件外壁的加工間隙等[18-20]。其中，提高外部磁極軸向運(yùn)動速度可以有效地提高工件表面質(zhì)量，但速度不是越高越好。根據(jù)工件的尺寸及以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，確定外部磁極的軸向速度為2 mm/s。磁性磨料的填充量一般為覆蓋渦輪軸體積的2/3為最佳。填充量過多，部分磨料就會因受到的磁場力小于離心力的作用而在運(yùn)動中溢出槽外，產(chǎn)生飛散，同時也不利于磁性磨料的自我攪拌更新。填充量過少，實(shí)際參與切削的磨料數(shù)量過少，最終導(dǎo)致切削能力下降，工件表面粗糙度降低的速度變慢。外部磁極與工件外壁的加工間隙影響磁場力的大小，一般取2～3 mm?？紤]到渦輪軸的變徑和凸起，確定加工間隙為5 mm。

為達(dá)到去除渦輪軸內(nèi)表面積碳的目的，同時提高工件的表面質(zhì)量，優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)驗(yàn)采用的主軸轉(zhuǎn)速分別為 600、800、1000 r/min，磁性研磨粒子粒徑為 185、250、375 μm，每5 min記錄一次，且每個點(diǎn)測量10次，取平均值。由于渦輪軸原始內(nèi)表面積碳層很厚，表面質(zhì)量很差，無法測量表面粗糙度，所以在研磨10 min后開始檢測。試驗(yàn)所用的磁性研磨粒子采用燒結(jié)法自制，由Al2O3和鐵粉按照質(zhì)量比為1:2均勻混合，加入粘結(jié)劑后，經(jīng)壓制、干燥、高溫?zé)Y(jié)、破碎和篩分得到。其中燒結(jié)爐燒結(jié)溫度1200 ℃，燒結(jié)時間為3 h。試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)工藝參數(shù)Tab.1 Test parameters

3.2 工件轉(zhuǎn)速對研磨效果的影響

在添加輔助磁極的試驗(yàn)裝置中，工件轉(zhuǎn)速分別為600、800、1000 r/min的工況下，渦輪軸內(nèi)表面粗糙度和材料去除量的變化曲線如圖8所示。分析可知，隨著工件轉(zhuǎn)速的增加，單位時間內(nèi)磁性磨粒的更替更加頻繁，磁性磨粒與工件表面摩擦更激烈。切削次數(shù)增加，工件的材料去除量和表面粗糙度變化明顯。

如圖8所示，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速為800 r/min時，工件內(nèi)表面的研磨質(zhì)量最好，600 r/min次之，1000 r/min最差。這是因?yàn)楣ぜD(zhuǎn)速是影響研磨效果的重要因素之一。轉(zhuǎn)速提高，磁性磨粒受到的離心力增大，接觸到工件本身的研磨壓力增強(qiáng)，表面粗糙度下降趨勢較快，工件材料的去除量增大。當(dāng)工件的轉(zhuǎn)速過大，反而會使加工效率降低。這是因?yàn)榇判阅チ？朔帕Ξa(chǎn)生的向心力而被甩出加工區(qū)域，起不到研磨作用。當(dāng)工件轉(zhuǎn)速過低時，大部分磁性磨粒會聚集在加工區(qū)域，起不到研磨工件內(nèi)表面的作用，表現(xiàn)為粗糙度下降趨勢較慢，工件的材料去除量也減少。

3.3 磁性磨料的粒徑對研磨效果的影響

為了優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，確定最佳的磁性磨粒參數(shù)，在工件轉(zhuǎn)速為800 r/min的試驗(yàn)條件下，選取平均粒徑為185、250、375 μm的磁性磨粒進(jìn)行分組試驗(yàn)，對工件表面粗糙度和材料去除量的對比如圖9所示。在研磨前30 min內(nèi)，三種粒徑對應(yīng)的工件表面粗糙度值下降都很快，并且磁性磨粒粒徑越大，對應(yīng)工件的表面粗糙度下降得越快。這是因?yàn)樵诖艌鲋?，磁性磨粒所受的磁場力與其粒徑成正比。磁性磨粒的粒徑越大，受到的磁場力越大，對工件表面的切削力也就越大，從而材料去除量越大，粗糙度下降越快。

研磨30 min后，三種粒徑對應(yīng)的表面粗糙度下降緩慢。其中375 μm的磨料對應(yīng)的表面粗糙度下降最慢，并且在研磨后期呈現(xiàn)出表面粗糙度上升的現(xiàn)象。其次是粒徑185 μm的磨料，粒徑250 μm磨料對應(yīng)的表面粗糙度下降最快。這是因?yàn)樵谘心ズ笃?，工件的表面粗糙度趨于穩(wěn)定，粒徑對工件表面粗糙度和材料去除量的影響很大。粒徑過大，會導(dǎo)致與工件表面的劃擦磨削作用加劇，甚至產(chǎn)生新的劃痕；粒徑過小，劃擦磨削作用不足，研磨效果不明顯。同時，三種粒徑的材料去除量也發(fā)生變化。粒徑375 μm的磨料的材料去除量最小，粒徑185 μm的磨料其次，粒徑250 μm的磨料最大。這是因?yàn)樵谘心ズ笃冢竭^大的磨粒組成的磨粒刷翻滾更替下降，對工件表面的磨削能力變?nèi)?；粒徑過小的磨料對表面材料切削力不足，導(dǎo)致去除量下降。因此綜合考慮研磨效率和表面質(zhì)量，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速為800 r/min時，確定磁性磨料的平均粒徑為250 μm，研磨效果最佳。研磨60 min后，表面粗糙度穩(wěn)定在1.47 μm，材料去除量為39.6 mg。

3.4 輔助磁極對工件研磨后表面形貌的影響

采用日本基恩士生產(chǎn)的VHX-500F超景深3D電子顯微鏡進(jìn)行工件表面形貌觀測，添加輔助磁極前后，工件研磨后表面形貌的對比如圖10所示。圖10a為研磨前渦輪軸內(nèi)表面積碳原始表面，可以看出，渦輪軸原始表面凸凹不平，積碳很厚，且不均勻，劃痕明顯，無法測量表面粗糙度。研磨60 min后，未添加輔助磁極的渦輪軸內(nèi)表面形貌如圖10b所示。金屬基體明顯顯現(xiàn)，大部分積碳已被去除，但還有少量積碳未去除，表面粗糙度Ra為2.16 μm。添加輔助磁極研磨60 min后，渦輪軸內(nèi)表面的形貌如圖10c所示。工件內(nèi)表面完全呈現(xiàn)出金屬光澤，積碳完全去除，表面粗糙度為1.47 μm，滿足研磨后表面粗糙度小于1.6 μm的要求。

4 結(jié)論

1）針對航空發(fā)動機(jī)大尺寸渦輪軸內(nèi)表面積碳高效低損傷去除問題，提出了磁力研磨技術(shù)方案。在磁場力的作用下，磁性研磨粒子群翻滾變形，同時壓附工件表面，從而完成對工件表面的光整加工，達(dá)到去除積碳的目的，提高了工件表面質(zhì)量，滿足工件使用要求。

2）利用Maxwell 磁場模擬軟件分別對添加輔助磁極的工件內(nèi)表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，利用Solidworks和Workbench軟件對添加輔助磁極前后的單個磨粒進(jìn)行受力分析。結(jié)果驗(yàn)證了添加輔助磁極后，切削區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，切削力增大，材料去除率增大，研磨效率提高。

3）采用數(shù)控磁力研磨設(shè)備，對航空發(fā)動機(jī)渦輪軸內(nèi)表面積碳進(jìn)行去除試驗(yàn)。當(dāng)工件轉(zhuǎn)速為800 r/min，磁性磨料粒徑為250 μm，加工間隙為5 mm，研磨時間為60 min時，去除效果最佳，表面粗糙度Ra達(dá)到1.47 μm，滿足工件使用要求。