磁力研磨法去除燃油噴嘴積碳的試驗研究

徐會，康仁科，陳燕

1. 大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024 2. 遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，鞍山 114051

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)化的進程，中國目前大力發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)?！吨袊圃?025》提出[1]“實施高端再制造、智能再制造、在役再制造，推進再制造產(chǎn)品認定，促進再制造產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康地發(fā)展”。再制造產(chǎn)品和原型產(chǎn)品相比，具有顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益優(yōu)勢。再制造產(chǎn)品質(zhì)量和原型新品相當，甚至高于新品，但生產(chǎn)成本卻是新品的50%左右，能夠節(jié)省70%的材料和60%的能源，降低80%的污染物排放量[2-4]。再制造流程如圖1所示，主要包括5個關鍵步驟：① 廢舊產(chǎn)品的拆解；② 零部件清洗；③ 檢測；④ 再制造成形裝配；⑤ 性能測試。在整個再制造生產(chǎn)流程中,零部件清洗占據(jù)著十分重要的位置。再制造清洗就是借助設計開發(fā)的針對被清洗零部件的清洗劑及清洗工藝，通過機械、物理、化學等方法，將清洗件表面附著的油脂、積碳、表面涂覆層等污物去除。再制造清洗的目的是使零部件表面的清潔度達到零部件再制造要求，同時也為零部件分類檢測、再制造設計加工、再制造裝配等做好準備[5]。

圖1 再制造生產(chǎn)流程圖

燃油噴嘴是航空發(fā)動機燃燒室的關鍵零件，其噴霧性能的優(yōu)劣對火焰的燃燒效率以及飛機動力的輸出均有重要影響[6-7]。在實際使用過程中，噴嘴易產(chǎn)生積碳，一旦被積碳嚴重堵塞，噴嘴的燃油噴射質(zhì)量，即液霧尺寸及尺寸分布、燃油流量、噴霧錐角和燃油周向分布的均勻度都將惡化，對燃油效率、熱部件壽命乃至發(fā)動機工作可靠性和安全性都有重要的影響。由于噴嘴結(jié)構(gòu)復雜，積碳無法徹底清洗，大部分都直接報廢，造成人力、物力、財力浪費。

目前，國內(nèi)對燃油噴嘴結(jié)焦積碳做了一些研究，黃艷斐等[8]對結(jié)焦積碳的微觀形態(tài)和性質(zhì)進行了分析，提出通過改進燃料本身的性質(zhì)和添加金屬鈍化劑抑制金屬元素催化作用來抑制結(jié)焦積碳的生成。但是抑制劑的加入會引起燃料組分及性能改變，影響發(fā)動機的工作穩(wěn)定性。李范等[9]采用化學強氧化陰極還原法，在噴嘴材料表面制備了穩(wěn)定的富鉻氧化層，達到抑制噴嘴結(jié)焦積碳的目的。但由于噴嘴工作的環(huán)境常為高溫高壓，所以氧化層的穩(wěn)定性存在一定風險。

以某機型廢舊噴嘴為研究對象，依據(jù)綠色再制造清洗技術(shù)，采用磁力研磨方法(Magnetic Abrasive Finishing, MAF)對噴嘴上的積碳進行清理，并確定最佳工藝參數(shù)，以及評價磁力研磨后的噴嘴表面質(zhì)量。清理后的工件表面光滑，產(chǎn)品質(zhì)量不低于原型新品，滿足使用要求。

1 積碳分析

試驗選取某企業(yè)提供的大修拆卸下來的廢舊噴嘴，材質(zhì)為銅合金。在高溫工作環(huán)境下，噴嘴表面積聚了大量積碳，利用SIGMA HD場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)(Zeiss，德國)觀察工件表面微觀形貌如圖2所示。

圖2 積碳微觀形貌圖

由圖2(a)可以清晰地看出積碳以黑色塊狀和片狀結(jié)構(gòu)為主，表面凹凸不平，不均勻分布著不規(guī)則形狀顆粒。顆粒之間是無規(guī)則、互相鑲嵌堆積在一起。進一步放大2 000倍如圖2(b)所示，堆積的顆粒成球形，蜂窩狀。蜂窩狀和縫隙增加了新的積碳附著和沉積的機會，從而使積碳結(jié)焦逐漸惡化。因此制造或再制造噴嘴時，在滿足使用性能要求的前提下，應減小其表面粗糙度，從而有效地抑制結(jié)焦積碳的生成。

利用SEM對積碳的成分進行檢測，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出積碳的主要成分是C元素和O元素，原子含量分別為38.9%和27.2%，這表明積碳的形成以C元素的氧化反應為主。其中少量的Si元素，來源于灰塵顆粒，這是由于空氣中混有的灰塵顆粒被工作中的噴嘴吸入所致；含有的S、P元素，主要是燃油和潤滑油中的添加劑殘留；除此之外，積碳中還有金屬元素，分別是Cu、Fe和Na，這是噴嘴在工作過程中基體磨損產(chǎn)生的金屬小顆粒。

使用線切割對工件進行切割，對切割后的剖面進行觀測。圖3為SEM觀察的工件剖面微觀形貌圖。在剖面選取了相同間隔的點進行觀測，對不同深度位置進行元素分析檢測。由于積碳主要是C的氧化反應，因此以C、O和Cu元素原子百分比為分析對象。不同深度下C、O和Cu元素原子百分比結(jié)果如圖4所示。

在工件表面，C和O元素原子百分比為66.1%，Cu的原子百分比為24.6%。隨著檢測深度的增加，C和O元素的含量逐漸減少,Cu元素的含量大幅度增加。深度Ⅰ層的C和O元素原子百分比下降到42.8%，Cu的原子百分比上升為40%。深度Ⅱ?qū)拥腃u的原子百分比為65%。隨著測量深度增加，C和O元素原子百分比逐漸減小，Cu原子百分比逐漸升高。從剖面進行測量，積碳的厚度大致為1～2 mm。

圖3 剖面微觀形貌圖

圖4 剖面不同深度元素原子百分比

2 磁力研磨工作機理

2.1 旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生原理

旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生原理是以電磁感應理論為基礎。當相位差為120°的三相正弦交流電依次通過定子線圈繞組時，即可得到旋轉(zhuǎn)磁場。正弦交流電的瞬時表達式為

(1)

式中：Im為交流電的最大值;ω為交流電的角速度。電流隨時間變化的曲線如圖5 (a)所示。電流在不同時刻，磁場的分布情況如圖5 (b)所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)磁場原理圖

如圖5所示，A-X、B-Y和C-Z為三相繞組，分別接入正弦交流電iA、iB和iC。設定電流瞬時值為正，電流從各繞組的首端流入，繞組末端流出。t1時，A-X繞組電流iA為0；B-Y繞組電流iB從Y端流入，B端流出；C-Z繞組電流iC從C端流入，Z端流出。由右手螺旋定則，判定磁場的N-S方向如圖5中t1所示。t2時，B-Y繞組電流iB為0；A-X繞組電流iA從A端流入，X端流出；C-Z繞組電流iC從Z端流入，C端流出，磁場的N-S方向如圖5中t2所示。同理，可以得出t3和t4時刻磁場的方向。從t1到t4，磁場方向隨著電流的變化而改變。電流周期交替，磁場同步旋轉(zhuǎn)，即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場[10]。

2.2 磁針的受力分析

磁針為細小圓柱狀，材質(zhì)是經(jīng)過磁化處理的304不銹鋼，具有極強的導磁性。在磁場中，無序的磁針束被磁化后會沿著磁場線方向分布，其表面和內(nèi)部都存在磁化電流[11-13]。分別用δs和δv表示表面磁化電流密度和體磁化電流密度，則有

δs=-nPm

(2)

δv=ΔPm

(3)

(4)

式中：Δ表示對矢量做偏導；-n為表面法向矢量；Pm為介質(zhì)磁化強度；μm為磁介質(zhì)的磁導率；μv為真空磁導率。電磁場對磁針的作用力可以表示為

(5)

式中：B為磁感應強度,T,由于磁針為各向同性的磁介質(zhì)，所以受到磁力為

(6)

將式(2)、式(3)代入到式(5)中，經(jīng)矢量運算可得

(7)

又因為矢量梯度積分公式為

(8)

因此，式(7)可簡化為

(9)

式(9)即磁場力計算公式。工程應用中，一般假設在加工區(qū)域內(nèi)磁場分布均勻[14]，且μm?1，則式(9)可簡化為

(10)

式中：H為加工區(qū)域的磁場強度，A/m；S為作用面積，m2。

2.3 磁針的運動分析

磁針在電磁研磨機構(gòu)中受到兩側(cè)線圈所產(chǎn)生的磁場力，同時受到一個磁轉(zhuǎn)力矩M的作用。隨著電磁場的旋轉(zhuǎn)，磁針本身也繞研磨容器旋轉(zhuǎn)。磁針相互之間也有磁力作用，在加工區(qū)域的位置不斷變化。當旋轉(zhuǎn)磁場在某一瞬時旋轉(zhuǎn)φ角度，瞬時磁場會與磁針在旋轉(zhuǎn)磁場中被磁化后的磁場相互作用影響，磁針受力情況如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)磁場磁針受力圖

磁針兩端N、S極分別受到旋轉(zhuǎn)磁場磁場力T1和T2，兩個力相互平行但方向相反。磁針兩端磁場力經(jīng)過平移中心點后，受到磁場力合力(T1和T2)以及力矩M共同作用。磁針的運動形式為繞自身中心點自轉(zhuǎn)，同時又由于受到旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動的驅(qū)動，所以磁針做自轉(zhuǎn)運動的同時，還繞著工作容器的中心軸線做公轉(zhuǎn)運動[15-17]。

圖7 磁針運動軌跡示意圖

在電磁場中，磁針的運動軌跡是一種在三維空間的公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)形式，此外，還有一個Z軸方向的跳動，且無規(guī)律可循。跳躍運動的原因是因為磁針與磁針、工件、筒壁之間碰撞相互作用的影響所致。為了更加接近真實的運動軌跡，在Z軸方向添加三角函數(shù)跳動，圖7為磁針在二維平面內(nèi)運動軌跡的近似圖，V為磁針速度。圖中點O1為磁針初始端點，t時間后，O2磁為磁針端點。磁針自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向的夾角為θ，運動軌跡可表示為

(11)

式中：r1為磁針公轉(zhuǎn)半徑；r2為磁針自轉(zhuǎn)半徑；

ω1為磁針公轉(zhuǎn)角速度；ω2為磁針自轉(zhuǎn)角速度；A為磁針上下跳動的幅度；ω3為跳躍頻率。其中，r1和r2決定了磁力研磨工藝的加工區(qū)域大小，ω1和ω2決定了磁針運動軌跡的形狀，即單個磁針運動軌跡的復雜程度。單個磁針的自轉(zhuǎn)頻率與磁極轉(zhuǎn)換頻率有關：磁極轉(zhuǎn)換頻率越快，磁針自轉(zhuǎn)角速度就越快，磁針運動軌跡越復雜，加工質(zhì)量越好[18]。另外，磁針與工件表面的作用時間短，速度快，雖然磁針質(zhì)量較小，但是根據(jù)動量定理，仍然可以提供足夠的研磨壓力和切削力。

3 磁力研磨去除積碳的試驗

3.1 試驗條件

試驗采用的是電磁研磨設備，如圖8所示，該設備主要由控制面板、研磨容器、線圈、風機、變頻器等部分組成，可設定加工時間和旋轉(zhuǎn)磁場速度等工藝參數(shù)。

圖8 電磁研磨設備示意圖

將工件、磁針與混合溶液裝入容器放置于電磁研磨裝置套筒內(nèi)，套筒周圍均勻分布著由線圈和鐵芯組成的繞組，給線圈通以三相交流電，電磁研磨裝置即開始工作。工作中可以通過實時控制線圈中電流的有無及方向來控制旋轉(zhuǎn)磁場的從產(chǎn)生與停止；通過控制線圈中電流的大小及變化周期來改變旋轉(zhuǎn)磁場的強弱及旋轉(zhuǎn)速度。在旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動下，被磁化的磁針高速運動的同時與工件產(chǎn)生隨機高頻的接觸[19]。如圖8所示，磁針與工件的接觸形式有碰撞、劃擦和滾壓3種形式。當磁針以一定的速度對工件表面接觸作用時，工件表層的積碳會發(fā)生相應的塑性變形。多次接觸作用后，當塑變程度超過材料的塑性變形極限時，微小積碳會脫落，從而達到去除工件表面積碳的效果[20]。旋轉(zhuǎn)磁場可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，從而保障工件各處的受力均衡。同時磁場強度存在“尖點效應”，所以凸出的積碳最先被磁針撞擊而脫落。當積碳逐漸脫落，尖點效應隨之減弱，磁針劃過工件，實現(xiàn)材料去除的均勻性。

試驗中，工件的表面微觀形貌觀測采用日本基恩士VHX-500F超景深電子顯微鏡。采用精密電子天平稱重，測量的質(zhì)量變化量表征材料去除量。試驗工藝參數(shù)如表2所示。

表2 試驗工藝參數(shù)

3.2 試驗因素設計

為了對磁力研磨法去除噴嘴積碳的工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計，把旋轉(zhuǎn)磁場速度，磁針直徑，研磨時間作為主要影響因素進行響應面法分析。如表3所示設計三因素三水平試驗研究方案，設定各因素的范圍值為：旋轉(zhuǎn)磁場速度800、1 000、1 400 r/min；磁針型號為?0.5 mm×5 mm、?0.8 mm×5 mm和?1.2 mm×5 mm，研磨時間為20、40、60 min。

表3 試驗參數(shù)

采用響應面法對各實驗點的數(shù)值進行擬合，結(jié)合Design-Expert軟件建模和線性回歸方程計算，得出兩兩因素交互式影響關系。分析旋轉(zhuǎn)磁場速度、磁針型號、研磨時間對噴嘴表面粗糙度和材料去除量的影響。線性回歸方程分別為

Y1=2.53+0.036A-0.091B-0.23C-

0.16AB+0.032AC+0.12BC+

0.54A2+0.26B2+0.40C2

(12)

Y2=8.49+0.40A+0.58B+1.62C+

(7.250E-0.003)AB-0.21AC+

0.016BC-0.54A2-1.825B2-0.61C2

(13)

兩個模型的R2值分別為0.929 8和0.981 8，都比較接近于1。這說明經(jīng)過Design-Expert軟件擬合的表面粗糙度和材料去除量的數(shù)學模型可靠性較好，擬合程度高[21]。兩個模型的Pr>F的值分別為0.009 8和0.000 1，都小于0.5，這說明所選的3個參數(shù)對表面粗糙度和材料去除量影響顯著。實際值與預測值的擬合曲線如圖9所示，預測值和實際值的分布基本在一條直線。從分布規(guī)律可以得出，建立的數(shù)學模型擬合的適應性好，可以較好地反映旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速、磁針直徑和研磨時間對表面粗糙度和材料去除量的影響。

圖9 實際值與預測值擬合曲線

3.3 主要因素分析

在磁力研磨工藝中，磁針作為一種研磨介質(zhì)，其型號按直徑大小可分為多種。在磁場強度不變的條件下，磁針的大小決定了磁針受到磁力的大小。如果磁針型號較小，則磁針在加工區(qū)域內(nèi)受到的磁力較小，磁針對工件表面的碰撞、劃擦、和滾壓的力度不夠，起不到研磨的效果；如果磁針型號較大，則磁針受到的磁力也相對來說較大，當加工工件材質(zhì)較軟時，會對工件表面造成一定的損傷，出現(xiàn)過磨現(xiàn)象或形成凹坑，對研磨后的工件表面質(zhì)量造成影響[22]。

加工時間過短，磁針與工件表面之間的碰撞、劃擦和滾壓次數(shù)較少，一方面對工件表面形貌的改善作用不大，起不到研磨去除的作用，而且工件表面的微量塑性變形不夠充分，起不到表面強化的作用；加工時間過長造成能源的浪費，降低加工效率，有時還會對工件表面造成不必要的損傷。

旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速決定了磁場轉(zhuǎn)換頻率的快慢。磁場轉(zhuǎn)換頻率決定了磁針自轉(zhuǎn)角速度，在其他條件不變的情況下，磁針自轉(zhuǎn)速度越快其運動軌跡就越復雜，磁針與工件之間的碰撞、劃擦和滾壓就越充分，加工效果就越好。

3.3.1 磁針型號和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的交互影響

圖10所示研磨時間為40 min的條件下，磁針直徑和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速交互影響圖。

圖10 磁針直徑和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的交互影響

如圖10所示，磁針直徑和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速都增大的同時，表面粗糙度出現(xiàn)先降后增的現(xiàn)象。當旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為800 r/min 時，由于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速較低，相對于筒壁，磁針的運動速度較低，不利于磁針翻滾。單位時間內(nèi)磁針對工件表面碰撞、劃擦和滾壓作用的次數(shù)不足，致使表面加工質(zhì)量較差，材料去除量不高，表面粗糙度下降緩慢；當旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速增至1 400 r/min 時，在過快的轉(zhuǎn)速下，磁針在單位時間運動的更加激烈。磁針和工件作用次數(shù)增加，運動軌跡重復疊加，導致工件表面研磨劃痕較深，表面粗糙度較大。最終確定旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，磁針型號為?0.8 mm×5 mm，研磨效果最佳。

3.3.2 研磨時間和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的交互影響

圖11所示磁針型號為?1.2 mm×5 mm的條件下，研磨時間和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速交互影響圖。由圖11可得，研磨開始到40 min期間，表面粗糙度下降很快，材料去除量急劇提高；達到40 min時候，表面粗糙度達到最低。隨著研磨時間的增加，工件表面的劃痕加劇，表面粗糙度有所增加，工件的材料去除量趨于穩(wěn)定。

圖11 研磨時間和旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的交互影響

3.3.3 研磨時間和磁針型號的交互作用

當旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，研磨時間和磁針直徑之間的交互影響如圖12所示。隨著研磨時間的增加，磁針直徑的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)先降后增，材料去除量先增后減的趨勢。當磁針型號為?0.8 mm×5 mm，研磨時間為40 min時，表面粗糙度最小。當磁針型號為?0.8 mm×5 mm，研磨時間為60 min時，材料去除量為最大，但是工件表面粗糙度較大，表面質(zhì)量不佳。綜合分析影響因素，得出優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合為：旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速1 000 r/min，磁針型號?0.8 mm×5 mm，研磨時間40 min。

圖12 研磨時間和磁針直徑的交互影響

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 表面形貌

圖13 原始表面微觀形貌圖

圖14 加工20 min微觀形貌圖

圖13～圖15是采用VHX-500F超景深3D電子顯微鏡(KEYENCE，日本)觀察研磨前后噴嘴的微觀形貌圖。圖13為原始形貌，可以看出工件表面基本被積碳覆蓋，呈黑色狀，表面溝壑縱橫，最低處和最高處的高度差較大，且最高處到達了319.4 μm，表面粗糙度無法測量。在旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速1 000 r/min、磁針型號?0.8 mm×5 mm、經(jīng)過20 min的研磨，工件的微觀形貌如圖14所示。如圖所示，工件的表面逐漸露出金屬基體，部分呈現(xiàn)金屬光澤，且表面開始趨于平緩。由于積碳沒有完全去除，所以工件表面仍有89.1 μm的高度差。

圖15為研磨40 min后，工件的微觀形貌圖。結(jié)果表明，積碳基本全部去除，金屬基體完全呈現(xiàn)，工件表面平整，高度差大幅度降低，為52.1 μm，表面質(zhì)量得到了很大改善。

圖15 加工40 min微觀形貌圖

使用掃描電鏡，對工件表面研磨前后的微觀形貌觀測如圖16所示。圖16(a)可以看到研磨前基體表面堆積厚重的積碳，圖16(b)是研磨后的工件表面，積碳基本完全去除，表面呈現(xiàn)出了金屬光澤，劃痕很小且淺。研磨后的噴嘴經(jīng)專家評定和專業(yè)檢測，積碳去除率達98%以上，滿足企業(yè)綠色再制造要求。

圖16 研磨前后工件SEM微觀形貌圖

4.2 殘余應力分析

使用X射線應力分析儀Empyrean(PANALYTICAL，荷蘭)對磁力研磨加工后的噴嘴表面進行應力檢測。在工件表面選取6個點進行應力晶面間距檢測，并擬合出相應的直線，如圖17所示。由式 (14) 計算工件表面殘余應力值:

(14)

式中：σφ為殘余應力，MPa；υ為材料泊松比；ψ為傾斜角度；E為材料的彈性模量，GPa；dψ為傾斜晶面間距，μm；dn為初始傾斜角的晶面材料初始表面由于受到初加工時的塑性變形間距，μm。

磁力研磨過程中的切削力相對很小，工件表面主要受到磁針的反復碰撞而產(chǎn)生的沖擊作用，積碳被去除的同時，工件表面的變質(zhì)層也大部分被去除，工件表面殘余應力明顯下降。研磨前噴嘴表面積碳聚集，殘余應力無法測量。磁力研磨加工后工件表面的殘余應力值是-194.1 MPa，為壓應力，表面質(zhì)量得到明顯改善。

圖17 殘余應力相應點圖的擬合曲線

5 結(jié) 論

1) 研究了磁力研磨燃油噴嘴的材料去除機理，得到了電磁線圈產(chǎn)生的交變旋轉(zhuǎn)磁場是以電磁感應理論為基礎，電流持續(xù)周期交替變化，磁場同步不斷旋轉(zhuǎn)。磁場中的磁針被磁化，在三維空間進行自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)的運動形式。通過與工件隨機高頻的碰撞、劃擦和滾壓，實現(xiàn)微量切削的目的，達到去除工件積碳的效果，經(jīng)試驗結(jié)果驗證，積碳去除率可以達到98%以上。

2) 建立了磁力研磨燃油噴嘴的表面粗糙度和材料去除量的數(shù)學模型并進行實驗驗證，得到了磁力研磨方法去除工件積碳的最佳的工藝參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速1 000 r/min，磁針型號?0.8 mm×5 mm。經(jīng)過40 min研磨后，噴嘴上的積碳基本被去除，表面光滑，經(jīng)過專業(yè)測試，研磨后的殘余積碳小于技術(shù)要求規(guī)定值，滿足工件再清洗的技術(shù)要求。

3) 磁力研磨后的工件表面殘余應力為壓應力，值為-194.1 MPa，內(nèi)部應力狀態(tài)得到改善，有效地提高零件的使役壽命。