航空發(fā)動(dòng)機(jī)圓板槽壁重熔層去除研究

吳 冬，張亞光，高軍帥，米天健，郝 娟，姚特力

（1. 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空維修工程學(xué)院，陜西 西安 710089； 2. 西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片通過(guò)焊接固定在圓板卡槽上，圓板經(jīng)過(guò)電火花開(kāi)槽后槽壁的重熔層顯著影響葉片與圓板間的焊接強(qiáng)度，焊接點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)間受交變應(yīng)力載荷作用下易發(fā)生斷裂，造成事故，因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)圓板在電火花加工卡槽后，槽壁的重熔層需要徹底去除，杜絕隱患［1-2］。圓板異形月牙槽槽壁重熔層的去除方法一直是工程界難題，主要來(lái)自異形復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)難處理、重熔層較厚以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的高質(zhì)量要求。

目前圓板卡槽槽壁重熔層去除方法主要有化學(xué)/電化學(xué)拋光、磨粒流拋光、機(jī)械/機(jī)器人和手工打磨?；瘜W(xué)/電化學(xué)拋光在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造中歸屬于限制工藝，會(huì)對(duì)加工面甚至整個(gè)零件表面造成變質(zhì)、腐蝕和元素污染問(wèn)題，同時(shí)對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生不利影響［3］。磨粒流拋光是一種較好的內(nèi)腔磨拋技術(shù)，但要求內(nèi)腔接近圓形、橢圓形等規(guī)則形狀，不規(guī)則形狀中僅對(duì)尖角小通量區(qū)域有顯著效果［4-5］。因此對(duì)于本文所研究的月牙槽結(jié)構(gòu)，使用磨粒流技術(shù)將對(duì)月牙兩側(cè)尖角這一“窄”區(qū)域有效，對(duì)月牙中間“寬”區(qū)域失效，強(qiáng)行研磨會(huì)導(dǎo)致月牙槽尖角處產(chǎn)生倒角變形。機(jī)械加工去除效果理論上雖好，但實(shí)際中使用微細(xì)銑刀對(duì)圓板月牙尖處加工時(shí)，由于卡槽槽壁為異形曲面，微細(xì)銑刀經(jīng)過(guò)月牙尖處容易憋刀，甚至憋斷［6］。手工打磨難以確保所有部位表面均一去除且無(wú)法量化可控，月牙尖處甚至受工具可達(dá)性限制無(wú)法加工，同時(shí)手工打磨會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，對(duì)作業(yè)人員身體和環(huán)境也會(huì)造成影響［7-8］。傳統(tǒng)磁力研磨所用的不銹鋼磁針由于材料韌性過(guò)大存在磨削效率過(guò)低且去量極小的問(wèn)題，難以高效并徹底去除重熔層，同時(shí)關(guān)于磁力研磨的磨拋機(jī)理鮮有報(bào)道。有文獻(xiàn)報(bào)道嘗試用熱噴涂技術(shù)對(duì)磁針材料進(jìn)行表面陶瓷化從而提高磨粒的磨削力，然而熱噴涂由于結(jié)合力較低且涂層較薄，研磨涂層會(huì)很快破損、脫落甚至失效［9］。此外工程經(jīng)驗(yàn)中常發(fā)現(xiàn)零部件磁力研磨后在后續(xù)使用過(guò)程中容易出現(xiàn)生銹的情況，推測(cè)磁針磨粒中的鐵元素有可能滲入零件表面。綜合以上研究結(jié)果表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)圓板槽壁重熔層去除仍然是工程界關(guān)鍵性技術(shù)難題，迫切需要一種高效、可靠、量化可控并易于自動(dòng)化去除的技術(shù)手段。

磁力研磨通過(guò)容器底部電磁感應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)渦流磁場(chǎng)帶動(dòng)磁針做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)水平磁場(chǎng)帶動(dòng)磁針做水平運(yùn)動(dòng)，脈沖磁場(chǎng)帶動(dòng)磁針做上下震動(dòng)。磁針通過(guò)旋轉(zhuǎn)、水平和震動(dòng)三者的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，碰撞摩擦容器中的待加工零部件表面，實(shí)現(xiàn)零部件溝槽和小孔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面均一的拋光。其技術(shù)原理適合圓板異形月牙槽結(jié)構(gòu)的研磨，柔性研磨的方式對(duì)表面不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和硬度影響［10-11］。探究磁力研磨的局限性，本質(zhì)在于磁針通常為耐腐蝕性的不銹鋼材料，但不銹鋼材料具有韌性高硬度低的特點(diǎn)，不利于高溫合金這類(lèi)硬質(zhì)材料的磨削，而通常具有優(yōu)良磨削性能的高硬度陶瓷材料因不具有磁性，無(wú)法應(yīng)用于磁力研磨系統(tǒng)。

因此本文提出對(duì)傳統(tǒng)磁力研磨使用的不銹鋼磁針磨粒表面進(jìn)行陶瓷顆粒黏結(jié)，繼而將不銹鋼磁針改性成金屬基陶瓷固結(jié)磨粒。通過(guò)陶瓷磨粒自身的高硬度，優(yōu)良的切削、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)圓板卡槽槽壁重熔層高效去除并量化可控的研磨技術(shù)，同時(shí)解決傳統(tǒng)磁力研磨受限待加工零部件材質(zhì)硬度這一技術(shù)瓶頸，擴(kuò)展磁力研磨對(duì)材料的技術(shù)適用范圍。文章通過(guò)對(duì)圓板異形月牙槽槽壁去除量的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)分析，基于外圓切入表面磨削理論，建立去除量與相關(guān)參量間的量化關(guān)系，豐富磁力研磨技術(shù)的磨削機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣制備

使用高溫合金GH600 板材，板材厚度1 mm，在板材表面電火花加工出月牙狀的卡槽，圖1 為本文圓板卡槽槽壁重熔層去除的研究試樣。月牙槽最長(zhǎng)線(xiàn)寬為19 mm，中心區(qū)最寬線(xiàn)寬為1.24 mm，兩側(cè)月牙尖最窄區(qū)域線(xiàn)寬為0.8 mm，黃色虛線(xiàn)標(biāo)識(shí)的月牙槽輪廓所對(duì)應(yīng)的槽壁表面結(jié)構(gòu)如圖1 中三維圖所示，呈空間三維曲面結(jié)構(gòu)。月牙槽試樣尺寸結(jié)構(gòu)按照航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z101—1997 等比例縮小。

圖1 試樣Fig. 1 Specimen

1.2 磁力研磨裝置

磁力研磨設(shè)備采用陜西金信天鈦材料科技有限公司研制的臥式磁力研磨機(jī)，設(shè)備實(shí)物如圖2所示。

圖2 磁力研磨裝置Fig.2 Magnetic abrasive device

設(shè)備可放置最大尺寸為230 cm×50 cm×35 cm的加工容器，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.32 T，渦流磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)半徑為30 cm，水平磁場(chǎng)水平運(yùn)動(dòng)周期為60 s，脈沖磁場(chǎng)頻率為120 Hz。

1.3 金屬基陶瓷固結(jié)磨粒制備

磁針選用Φ0.2 mm的304不銹鋼絲材，304不銹鋼材料具有良好的耐腐蝕性能和韌性，刀具將絲材沖切剪裁成長(zhǎng)3 mm 的短棒。選用Φ0.2 mm 較細(xì)規(guī)格磁針的目的是磁針大小可以順利通過(guò)月牙槽兩側(cè)最窄區(qū)域?qū)崿F(xiàn)加工。固結(jié)磨粒的制備裝置及方法如圖3 所示。在磁力研磨機(jī)中放置傳動(dòng)面板，將磁針均勻撒在位于電磁感應(yīng)線(xiàn)圈上方的容器中，通過(guò)電磁感應(yīng)控制器調(diào)節(jié)平板電極磁場(chǎng)方向使磁針受電磁場(chǎng)作用豎立起來(lái)并且彼此間有一個(gè)微小間距，如圖4 所示。將300 ℃高溫液態(tài)黏結(jié)劑環(huán)氧AB 膠通過(guò)手持噴膠噴嘴均勻噴淋到磁針表面，然后通過(guò)電磁感應(yīng)控制器調(diào)節(jié)平板電極磁場(chǎng)方向使磁針受電磁場(chǎng)作用反向豎立起來(lái)并且彼此間有一個(gè)微小間距，繼續(xù)對(duì)反向豎立的磁針進(jìn)行手持噴膠，最終實(shí)現(xiàn)磁針?biāo)斜砻婢鶆蛲磕z。然后將陶瓷磨粒通過(guò)手持噴砂噴嘴均勻噴射到涂膠后的磁針表面，經(jīng)過(guò)磁針兩次反向豎立實(shí)現(xiàn)陶瓷磨粒的均勻黏結(jié)。其中膠水選擇和噴射速度，噴射距離和手持噴膠噴砂次數(shù)影響陶瓷磨粒黏結(jié)后的致密度和厚度。傳動(dòng)面板可以實(shí)現(xiàn)磁針的整體平動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴膠區(qū)域，輔助不同區(qū)域磁針噴膠噴砂的完整性。

圖3 固結(jié)磨粒的制備裝置Fig. 3 Device for preparing consolidated abrasive particles

圖4 在磁場(chǎng)中磁針豎立并保持間距Fig. 4 Vertical and spacing magnetic needles in magnetic field

噴砂中所使用的陶瓷磨粒具有很高硬度，通過(guò)磨?？虅澖饘俦砻嫱瓿赡ハ魅コ?。但陶瓷磨粒硬度不易過(guò)高，因?yàn)橛捕冗^(guò)高則會(huì)對(duì)整個(gè)圓板表面產(chǎn)生劃傷，因此磨粒除硬度外兼具對(duì)高溫合金具有切削和拋光效果的磨粒材料最佳。本文結(jié)合磨削材料相關(guān)經(jīng)驗(yàn)選擇鉻剛玉作為噴砂材料，粒徑約100 μm，主要成分為Al2O3（97.5%）和Cr2O3［12-15］。

固結(jié)磨粒制備后的實(shí)物圖如圖5所示，通過(guò)圖5可以看出，呈現(xiàn)紅色的鉻剛玉材料較均勻致密地黏結(jié)，包裹在不銹鋼磁針表面，鉻剛玉厚度約有100 μm，環(huán)氧膠的黏性可以有效保證陶瓷顆粒在研磨過(guò)程的結(jié)合力和強(qiáng)度［16］，較厚的陶瓷涂層可以保證研磨過(guò)程中磨粒較好的使用壽命，同時(shí)不銹鋼磁針芯依然保證固結(jié)磨粒具有磁性并受磁場(chǎng)作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，適用于磁力研磨系統(tǒng)。

圖5 金屬基陶瓷固結(jié)磨粒照片F(xiàn)ig. 5 Photos of consolidated wear particles of metal matrix ceramic

1.4 尺寸測(cè)量

選用蔡司Primostar 1顯微鏡對(duì)月牙槽進(jìn)行尺寸測(cè)量， 用于判斷磁力研磨過(guò)程中槽壁的去除量。尺寸檢測(cè)如圖6 所示，分別測(cè)量月牙槽Φmax、lmin、l′min三個(gè)尺寸。Φmax為月牙槽中間最大線(xiàn)寬口徑，通過(guò)顯微鏡兩切點(diǎn)畫(huà)圓測(cè)出?；￠L(zhǎng)lmin和弧長(zhǎng)l′min按照如圖6 所示月牙槽口向下的方位，左側(cè)AB 弧長(zhǎng)記為lmin，右側(cè)A′B′弧長(zhǎng)記為l′min?；￠L(zhǎng)通過(guò)顯微鏡弧長(zhǎng)工具測(cè)出，弧長(zhǎng)具體為以月牙尖點(diǎn)為圓心，做半徑1 mm的圓，與月牙槽相交于AB 和A′B′兩點(diǎn)。檢測(cè)并記錄口徑Φmax、弧長(zhǎng)lmin和弧長(zhǎng)l′min三者隨加工時(shí)間的數(shù)據(jù)可獲得月牙槽最“寬”和最“窄”處雙邊去除量數(shù)據(jù)。之所以選擇月牙槽最“寬”和最“窄”處去除量作為特征數(shù)據(jù)，是因?yàn)檫@兩處是磁針磨粒在月牙槽內(nèi)分布通量和磨削效果區(qū)別最大的兩處。

圖6 尺寸檢測(cè)方案示意圖Fig. 6 Schematic scheme of dimension inspection

1.5 金相測(cè)量

選用蔡司Axioscope7 金相顯微鏡對(duì)加工后的圓板月牙槽進(jìn)行金相組織分析，檢測(cè)重熔層的厚度和去除情況。其中金相檢測(cè)位置如圖7中虛線(xiàn)圓框區(qū)域所示，通過(guò)金相顯微鏡檢測(cè)月牙槽中間最“寬”和尖角最“窄”處，因?yàn)檫@兩處是磁針磨粒在月牙槽內(nèi)分布通量和磨削效果區(qū)別最大的兩處。

1.6 表面檢測(cè)

選用蔡司SIGMA300型號(hào)進(jìn)行掃描電鏡和EDS檢測(cè)，依然選擇月牙槽最“寬”和最“窄”處特征區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，用于磁力研磨后表面質(zhì)量和元素分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 尺寸檢測(cè)分析

表1 是使用不銹鋼磁針磨粒研磨后的尺寸結(jié)果，從第2 h起每隔1 h測(cè)得lmin、Φmax和l′min三者數(shù)據(jù)。從表1 中可以看出，當(dāng)加工時(shí)間達(dá)到6 h 后，lmin、Φmax和l′min三個(gè)尺寸數(shù)據(jù)幾乎不再變化，說(shuō)明磁力研磨對(duì)月牙槽槽壁磨削去除量隨時(shí)間具有上限值，其中月牙槽中間“寬”處的雙邊去除量為0.056 mm，月牙槽尖角“窄”處的雙邊去除量分別為0.026 mm 和0.011 mm，不同區(qū)域雙邊去除速率在1.8 μm/h～9.3 μm/h，反映不銹鋼磁針磨粒去除速率較低， 同時(shí)上限去除量達(dá)不到一般電火花加工后的重熔層厚度0.05 mm～0.10 mm［17-18］。另外月牙槽中間“寬”處的雙邊去除量高于月牙槽尖角“窄”處約2～5 倍，說(shuō)明中間“寬”處由于口徑大，磁針?lè)植纪扛鎸?dǎo)致磨削去量更大，因此判斷重熔層去除情況應(yīng)以月牙槽尖角“窄”處去除量作為主要指標(biāo)。

表1 不銹鋼磁針磨粒研磨后尺寸檢測(cè)結(jié)果Tab. l Results dimension inspection of stainless steel magnetic needle abrasives after grinding

表2 是金屬基陶瓷固結(jié)磨粒磁力研磨后的尺寸檢測(cè)結(jié)果，從第2 h 起每隔1 h 測(cè)得lmin、Φmax和l′min三個(gè)尺寸。從表中可以看出，當(dāng)加工時(shí)間達(dá)到6 h 后，lmin、Φmax和l′min三個(gè)尺寸趨于穩(wěn)定，其中月牙槽中間“寬”處的雙邊去除量為0.426 mm，月牙槽尖角“窄”處的雙邊去除量為0.200 mm和0.207 mm，不同區(qū)域雙邊去除速率33 μm/h～71 μm/h。結(jié)合表1和表2中的數(shù)據(jù)可以看出金屬基陶瓷固結(jié)磨粒較不銹鋼磁針磨粒去除速率提升7～18倍，說(shuō)明固結(jié)磨粒的磨削效率較不銹鋼磁針明顯提高，可有效對(duì)高溫合金材料實(shí)現(xiàn)高效磨削去除，6 h后可充分去除電火花加工后的重熔層厚度0.05 mm～0.10 mm，但仍然存在6 h 之后磨削效率下降且去除速率趨近于0。此外月牙槽中間“寬”處較月牙槽尖角“窄”處的雙邊去除量約高2 倍，這是由于磨粒在中間“寬”處通過(guò)量大使磨削去量更大的原因。此外金屬基陶瓷磨粒研磨后對(duì)月牙槽雙邊輪廓尺寸公差即“寬”處和“窄”處最大去除量差值約200 μm，未超過(guò)圓板焊接所要求的尺寸公差300 μm 及焊絲寬度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19867.4—2008規(guī)定的最小值200 μm［19］。

表2 金屬基陶瓷固結(jié)磨粒研磨后尺寸檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Size test results of consolidated abrasive particles of metal matrix ceramic after grinding

2.2 金相組織分析

圖8 是原始樣品的月牙槽尖角“窄”處槽壁截面重熔層金相檢測(cè)照片，可以明顯的觀察到在樣品邊緣存在一層有別于基體的重熔層組織，重熔層與原有基材組織存在明顯的因金屬冷卻凝固后形成的分界線(xiàn)。重熔層組織是因?yàn)樵陔娀鸹庸み^(guò)程中產(chǎn)生的高溫、高壓條件使原有基體材料瞬間融化，然后在基體表面重新凝固形成的組織。從圖8紅色虛線(xiàn)圓圈中的基體金相組織可以看出，基底金屬晶粒分布均勻，無(wú)明顯析出相，晶粒尺寸較大約為50 μm。從圖8藍(lán)色虛線(xiàn)圓圈中的重熔層金相組織放大可以看出，重熔層的晶粒組織因瞬間融化和快速冷卻出現(xiàn)晶粒細(xì)化，晶粒有大有小且分布不均勻，晶粒尺寸整體較小約為15 μm～20 μm 并出現(xiàn)明顯的第二相析出。電火花熱加工過(guò)程金屬快速熔化和凝固出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力擠壓，堅(jiān)硬第二相析出對(duì)晶界釘扎，這都是重熔層晶粒細(xì)小的原因。此外通過(guò)圖8可以看出本文電火花加工后月牙槽試樣槽壁重熔層厚度約為34.65 μm～54.19 μm，重熔層相比通常電火花加工后的100 μm 厚度較薄是由于試樣板材厚度較薄為1 mm的原因所致。

圖8 原始樣品月牙槽尖角“窄”處槽壁截面金相組織照片F(xiàn)ig. 8 Metallographic structure picture of groove wall section at the "narrow"point of crescent groove of the original sample

圖9 是不銹鋼磁針磨粒研磨6 h 后的金相照片，從圖中可以明顯的觀察到不銹鋼磁針磨粒即使在去除量上限值的情況下，試樣表面仍然出現(xiàn)一層凹凸不平邊緣破碎的重熔層組織，且這層組織的晶粒細(xì)小，無(wú)法觀察到明顯的晶粒存在。圖9（a）是不銹鋼磁針研磨后月牙槽一側(cè)尖角“窄”處的金相照片，可以發(fā)現(xiàn)重熔層殘留厚度約為43.7 μm；而圖9（b）是樣品月牙槽中間“寬”區(qū)域的金相照片，此處的重熔層殘留厚度較薄為8.66 μm。說(shuō)明由于不銹鋼磁針磨粒的低硬度和高韌性，幾乎無(wú)法對(duì)較高硬度的高溫合金實(shí)現(xiàn)高效切削，在月牙槽尖角處只能產(chǎn)生約10 μm 的單邊去量，只有在月牙槽中間的“寬”區(qū)域，由于磁針通量很高才能實(shí)現(xiàn)幾十微米的切削去量，但即使達(dá)到磁力研磨去除量的上限值也未能徹底去除重熔層，顯然不銹鋼磁針研磨無(wú)法去除通常電火花加工后的重熔層厚度0.05 mm～0.20 mm，即使月牙槽中間“寬”處去除量較大也無(wú)法徹底去除重熔層。

圖9 不銹鋼磁針磨粒研磨6 h金相照片F(xiàn)ig. 9 Metallographic photos of stainless steel magnetic needle abrasive grinding for 6 h

圖10 是金屬基陶瓷固結(jié)磨粒研磨6 h 后的金相照片，不論月牙槽“寬”處還是“窄”處都可以明顯地觀察到重熔層與基體金屬的分界線(xiàn)徹底消失，試樣的表面不再出現(xiàn)有別于基體組織的重熔層，如圖8中藍(lán)色虛線(xiàn)圓圈區(qū)域中金相分析放大圖可以看出表面和基體金相組織相近，晶粒分布均勻且晶粒尺寸約為50 μm，第二相消失；說(shuō)明本文所制備的金屬基陶瓷固結(jié)磨粒相比不銹鋼磁性磨粒，依靠陶瓷自身的高硬度和良好的磨削性能顯著實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫合金材料重熔層的充分去除，最小單邊去除量＞100 μm，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)圓板重熔層自動(dòng)化、高效、環(huán)保及量化可控的有效去除。

2.3 固結(jié)磨粒研磨后的表面質(zhì)量

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)表面質(zhì)量的高要求，通過(guò)對(duì)高溫合金經(jīng)金屬基陶瓷磨粒研磨6 h 后的表面和截面進(jìn)行SEM 檢測(cè)和元素分析，判斷在加工過(guò)程中磨粒對(duì)樣品是否造成表面損傷和元素污染。原始重熔層SEM 照片如圖11 所示。圖11（a）中對(duì)表面藍(lán)色圓圈虛線(xiàn)區(qū)域進(jìn)行放大可以觀察到原始樣品重熔層表面整體呈熔化凝固后的流態(tài)狀，其中出現(xiàn)一些離散分布的金屬熔滴。對(duì)圖11（a）中截面白色圓圈虛線(xiàn)區(qū)域進(jìn)行放大可以觀察到重熔層是由熔化金屬液滴凝固后堆疊而成，整體結(jié)構(gòu)疏松且不平坦。圖11（b）是樣品通過(guò)金屬基陶瓷固結(jié)磨粒研磨去除后的月牙槽中間“窄”區(qū)域的結(jié)果，對(duì)表面藍(lán)色圓圈虛線(xiàn)區(qū)域進(jìn)行放大可以觀察到表面完整、致密、平坦沒(méi)有明顯的缺陷，金屬熔滴已被完全去除。對(duì)截面白色圓圈虛線(xiàn)區(qū)域進(jìn)行放大可以看出整體結(jié)構(gòu)致密平坦。圖11（c）是樣品通過(guò)金屬基陶瓷固結(jié)磨粒研磨去除后的月牙槽中間“寬”區(qū)域的結(jié)果，與圖11（b）具有相同的結(jié)果。

圖11 金屬基陶瓷固結(jié)磨粒研磨6 h后SEM圖Fig. 11 SEM photos consolidated abrasive particles of metal matrix ceramic after 6 h grinding

表3 是不銹鋼磁針磨粒研磨后的點(diǎn)能譜分析結(jié)果，從表中可以發(fā)現(xiàn)磁針研磨后與基材相比并未對(duì)樣品表面造成明顯的元素污染，但磁針磨粒中的Fe元素會(huì)滲入表面，出現(xiàn)Fe元素含量較基體金屬輕微上升1.41%，F(xiàn)e 元素的滲入污染將會(huì)使高溫合金隨后續(xù)工程使用過(guò)程易誘發(fā)生銹問(wèn)題，佐證了工程中所發(fā)現(xiàn)的磁力拋光后零件常出現(xiàn)生銹的情況。而金屬基陶瓷固結(jié)磨粒并未出現(xiàn)Fe元素的上升，與基材元素略有偏差但仍在正常測(cè)量誤差范圍內(nèi)，結(jié)合其它元素含量說(shuō)明金屬基固結(jié)磨粒并未對(duì)GH600 高溫合金帶來(lái)元素污染。

表3 能譜分析結(jié)果Tab.3 Results of energy spectrum analysis

2.4 磁力研磨中的磨削機(jī)理

在磁力研磨的過(guò)程中，單個(gè)磨粒在工件表面的作用力可分為法向力Fn和切向力Fz。法向力Fn使磨粒壓向工件并擠壓表面，可改變表面的應(yīng)力狀況。磨粒受高頻磁場(chǎng)短暫作用產(chǎn)生短程運(yùn)動(dòng)并與材料表面發(fā)生碰撞，磨粒短程積累的速度決定磨粒和材料表面碰撞動(dòng)能大小，由于高頻磁場(chǎng)對(duì)磨粒作用和加速的時(shí)間有限，即碰撞動(dòng)能和法向力Fn在磁力研磨系統(tǒng)下是有限的。當(dāng)磨粒表面紋理初始為粗糙的尖刃時(shí)，法向力Fn對(duì)尖刃所產(chǎn)生的應(yīng)力很高，磨粒能有效切入材料表面實(shí)現(xiàn)切削。當(dāng)樣品表面尖刃隨磁力研磨逐漸平坦化，又因磨粒碰撞動(dòng)能和法向力Fn在磁力研磨系統(tǒng)下為定值。磨粒法向力Fn對(duì)微區(qū)應(yīng)力會(huì)隨研磨時(shí)間逐漸降低到某一臨界值，隨后磨粒對(duì)材料表面由切削轉(zhuǎn)變?yōu)榛?，磨粒此時(shí)無(wú)法對(duì)材料產(chǎn)生切削作用，即磁力研磨隨時(shí)間達(dá)到去除量上限值后便無(wú)法對(duì)材料繼續(xù)去除。這也是實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的磁力研磨6 h 后材料去除速率趨向于0 的原因。

磁力研磨系統(tǒng)中待加工材料表面紋路對(duì)去除量具有關(guān)鍵作用，因此以材料表面幾何學(xué)為基礎(chǔ)對(duì)磁力研磨系統(tǒng)的去除量進(jìn)行研究。依據(jù)外圓切入磨削表面理論公式（1）［20-21］：

式中：Rs為砂輪半徑；rw為待加工材料半徑；a為切削刃間隔平均值；b為待加工材料表面平均紋路間隔；f為工件每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量；B為砂輪寬度；vw為工件運(yùn)動(dòng)速度；vs為砂輪運(yùn)動(dòng)速度；h為切削后去除量。

將砂輪半徑Rs等效為磨粒粒徑d，磁力研磨系統(tǒng)中待加工材料為靜止固定，磨粒粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于待加工材料半徑，因此可認(rèn)為1/rw趨近于0。磨粒受高頻磁場(chǎng)短暫作用產(chǎn)生短程運(yùn)動(dòng)后碰撞速度為定值，因此公式（1）中vw/vs可視為一常數(shù)C，即磨粒的碰撞速度。磁力研磨中無(wú)進(jìn)給量因此f可視為0，a可由待加工材料表面粗糙度Ra進(jìn)行量度。由此公式（1）變?yōu)楣剑?）：

通過(guò)公式（2）可以看出磁力研磨系統(tǒng)中隨著待加工材料表面紋路從尖刃逐漸變的光滑和平坦化（Ra趨向于0），切削后單邊去除量將趨向于0。

考慮研磨后粗糙度隨時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式（3）［22］：

公式中k為磨削系數(shù)，數(shù)值介于0～1 之間，由磨粒材料的硬度和韌性以及待加工材料的屈服強(qiáng)度決定，反映磨粒對(duì)材料的切削能力，k越大表示磨粒相對(duì)加工材料硬度越高，切入材料表面的能力越強(qiáng)，切削后對(duì)應(yīng)的Ra也越低。將公式（2）代入公式（3）求解出單邊去除量h關(guān)于時(shí)間的動(dòng)力學(xué)公式（4）：

公式（4）即為磁力研磨系統(tǒng)下單邊去除量h隨時(shí)間t的動(dòng)力學(xué)方程，可以看出隨時(shí)間t的增加去除量h將按照反比例函數(shù)逐漸趨向于0。其中k越大，h越大。公式（4）中h0表示磁力研磨開(kāi)始2 h 后的單邊去除量記為初始去除量，考慮磨粒粒徑d為0.2 mm，將以上數(shù)據(jù)和表2 中l(wèi)min、Φmax和l′min代入公式（4）并進(jìn)行多次檢測(cè)數(shù)據(jù)的代入驗(yàn)證，求解得到C≈0.1，k≈0.2，如公式（5）所示。

公式（5）即為磁力拋光系統(tǒng)下金屬基固結(jié)磨粒研磨過(guò)程中高溫合金單邊去除量h隨時(shí)間t的動(dòng)力學(xué)方程。

將表1 中5 h 的數(shù)據(jù)代入公式（5）進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算值為0.01345 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為0.01350 mm，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差僅為0.37%，符合工程要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于磁力研磨系統(tǒng)，分別使用不銹鋼磁針磨粒和金屬基陶瓷固結(jié)磨粒對(duì)GH600 高溫鎳鉻鐵基固溶強(qiáng)化高溫合金板材和電火花制作的圓板月牙卡槽進(jìn)行磁力研磨，發(fā)現(xiàn)不銹鋼磁針磨粒對(duì)GH600高溫合金雙邊去除量只能達(dá)到0.011 mm～0.056 mm，無(wú)法實(shí)現(xiàn)重熔層的有效去除，同時(shí)磁針中Fe 元素的滲入污染將誘發(fā)高溫合金生銹。金屬基陶瓷黏固結(jié)磨粒雙邊去除量達(dá)0.200 mm～0.406 mm，可有效實(shí)現(xiàn)重熔層的去除，金相組織分析佐證了這一結(jié)果，并揭示重熔層由融化凝固的流態(tài)和球狀結(jié)構(gòu)堆疊而成，重熔層晶粒細(xì)小且與基體組織存在明顯的分界線(xiàn)。金屬基陶瓷固結(jié)磨粒中的磁性不銹鋼芯能夠保證磨粒適用于磁力研磨系統(tǒng)并且研磨后并無(wú)元素污染和表面損傷，是一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)圓板卡槽槽壁重熔層的高效、可靠、環(huán)保且量化可控的去除技術(shù)。

借助磁針在磁場(chǎng)作用下豎立固定，通過(guò)環(huán)氧AB 膠噴淋和鉻剛玉磨粒噴砂復(fù)合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種陶瓷黏結(jié)金屬對(duì)傳統(tǒng)磁力研磨中的不銹鋼磁針改性方法，繼而解決了傳統(tǒng)磁力研磨因磁針材料低硬度高韌性受限于待加工材料硬度而無(wú)法有效磨削的技術(shù)瓶頸。文章揭示磁力研磨系統(tǒng)中磨粒短程加速存在速度上限，隨著加工過(guò)程表面紋理刃尖光滑，磨粒由切削轉(zhuǎn)變?yōu)榛潦菍?dǎo)致磁力研磨系統(tǒng)下材料去除速率隨時(shí)間趨向于0的根本原因。借助外圓切入表面磨削理論基礎(chǔ)，創(chuàng)新地提出了磁力研磨系統(tǒng)下金屬基陶瓷固結(jié)磨粒研磨高溫合金的去除量隨時(shí)間的量化方程，并根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)給出GH600 高溫合金去除量隨時(shí)間的具體經(jīng)驗(yàn)公式。