電解輔助磁力研磨整體葉盤試驗研究

于克強(qiáng)，周錕，靳鐵輝，陳燕

（1.遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍鋼股份有限公司 中厚板事業(yè)部，遼寧 鞍山 114042）

整體葉盤是航空發(fā)動機(jī)的重要部件，它的表面質(zhì)量對航空發(fā)動機(jī)具有重要影響。整體葉盤的加工，多由多軸數(shù)控機(jī)床銑削完成，加工成形后的整體葉盤葉片表面銑削紋理清晰，表面粗糙度值較高，無法滿足航空發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)要求，需對銑削后的整體葉盤進(jìn)行進(jìn)一步精密加工處理。各類針對整體葉盤的精密加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如數(shù)控拋光、磨料流拋光、磁力研磨拋光和電解拋光等技術(shù)。國內(nèi)整體葉盤的研究比較廣泛，李文輝等［1-2］對整體葉盤的拋磨技術(shù)包括數(shù)控拋磨、磨粒流和電解拋光等技術(shù)進(jìn)行了全面的綜述；陳燕等［3-6］使用徑向磁極磁力研磨等工藝對航空發(fā)動機(jī)整體葉盤表面處理進(jìn)行了探索；李鼎威等［7］進(jìn)行了針對整體葉盤的機(jī)器人力控磨拋技術(shù)的實驗；徐正揚(yáng)等［8-9］研究了整體葉盤葉片的電解加工方法和陰級工具設(shè)計。各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：磁力研磨效率較低；磨粒流拋光難以保證整體葉盤進(jìn)排氣邊對倒角的要求；數(shù)控拋磨存在顫振和干涉的困擾；電解拋光雖然加工效率高，但穩(wěn)定性差、電極加工困難和裝置成本高［10］。鎳基高溫合金由于具有耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕等優(yōu)異性能廣泛用于制造整體葉盤［11］。陳春增等［12-13］提出了采用磁力研磨對鎳基高溫合金進(jìn)行加工，但磁力研磨法存在對鎳基高溫合金工件加工效率較低的不足。徐慶［14］采用多通道電解加工整體葉盤取得了良好效果，但需要設(shè)計復(fù)雜的陰極、機(jī)床和控制系統(tǒng)，且只針對Q235鋼進(jìn)行了試驗。許召寬等［15-16］采用獨(dú)特的電解-磁力復(fù)合研磨法，利用電解作用在平面型和彎管型工件表面產(chǎn)生薄薄的一層鈍化膜，再通過磁力研磨去除這層鈍化膜，兩種作用反復(fù)進(jìn)行從而達(dá)到表面質(zhì)量與加工效率的共同提高。針對鎳基高溫合金材料的整體葉盤復(fù)雜曲面的加工是目前研究的難點(diǎn)，本試驗采用電解-磁力復(fù)合研磨法同時借助多自由度機(jī)械手針對整體葉盤復(fù)雜曲面進(jìn)行初步探索。

1 電解-磁力研磨工作原理

圖1是電解-磁力研磨原理圖。該裝置是電解裝置與磁力研磨裝置分離可替換式結(jié)構(gòu)，其工作原理是將整體葉盤固定在回轉(zhuǎn)工作臺上，電極或磁極固定在機(jī)器手前端裝置彈性筒夾上，分別通過電極和磁極實現(xiàn)對工件表面的電解及磁力研磨。

圖1 電解-磁力研磨原理Fig.1 Principle of electrolytic magnetic abrasive finishing

圖2所示是電解-磁力研磨機(jī)理示意圖。將電極固定在機(jī)器手端部專用裝置上，工件接直流電源正極，電極接負(fù)極，利用液壓蠕動泵將電解液滴落在電極與工件間隙間。工件表面局部將發(fā)生電解反應(yīng)，陽極工件金屬變?yōu)橛坞x的金屬離子狀態(tài)，與陰極產(chǎn)生的氫氧根等離子結(jié)合生成氧化物和氫氧化物，即相對基體質(zhì)軟的鈍化膜，使鈦鎳合金等難加工材料表面更容易加工。電極是采用簡單形狀的外噴式銅棒電極，通過類似數(shù)控展成法的機(jī)器手根據(jù)工件不同的曲面曲率形成加工軌跡［17-18］，同時根據(jù)鈍化膜色澤明暗來調(diào)整機(jī)械手位姿和行走軌跡速度以達(dá)到最佳電解效果［19］。

圖2 電解-磁力研磨機(jī)理Fig.2 Schematic diagram of electrolytic magnetic abrasive finishing

將電極替換為徑向磁極，通過電機(jī)和軟軸使磁極作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而帶動磁極與工件之間的磁粒形成的磁粒刷研磨工件表面。徑向磁極的引入減少了磁極占用的空間，避免了因葉片間距小而產(chǎn)生與葉片表面的干涉碰撞。通過編程可實現(xiàn)機(jī)器人與回轉(zhuǎn)工作臺的聯(lián)動，完成鈍化膜-磁力研磨的反復(fù)循環(huán)加工。

圖3為電解-磁力研磨加工裝置，機(jī)器人前端的單一磁力研磨裝置與電解加工裝置可以互相替換。電解加工裝置包括電解液槽和攪拌器、電解液恒流泵、直流穩(wěn)壓電源和電極棒等。經(jīng)過電解加工形成鈍化膜后，將電解加工裝置替換為磁力研磨裝置，將白剛玉磁性磨粒添加到加工間隙內(nèi)形成磁粒刷壓附在工件表面，進(jìn)行磁力磨削。

圖3 電解-磁力研磨加工裝置Fig.3 Electrolytic magnetic abrasive finishing device

2 電解-磁力研磨實驗

2.1 實驗條件

燕峰等［20］探究了磁極轉(zhuǎn)速、電解電壓和磁性研磨粒子直徑等對GH4169 高溫鎳基合金表面粗糙度的影響，獲得了較佳的電解-磁力復(fù)合研磨參數(shù)。在此研究基礎(chǔ)上，設(shè)定本試驗工藝條件，具體實驗條件如表1所示。磁極轉(zhuǎn)速1200 r/min，磁極尺寸Φ8×50 mm2，研磨液為勞力恩SR-9912水溶性研磨液，研磨粒子選取平均直徑為185 μm的磁性研磨粒子10 g。電解液為 16%的NaNO3溶液，設(shè)定電解電壓9 V，電解液流速 2.5 L/min，陽極銅棒尺寸Φ8×160 mm2，陰極電極為石墨。加工間隙為1 mm，進(jìn)給速率1.5 mm/s。

表1 實驗條件Tab.1 Experimental conditions

采用JB-08E表面粗糙度測量儀測量加工件的表面粗糙度，在工件表面加工區(qū)域測量5次，并求取平均值作為最終的測量結(jié)果。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。采用英國牛津儀器公司的X-MAX50能譜儀對工件進(jìn)行能譜分析。

2.2 結(jié)果分析

圖4所示為整體葉盤工件加工前后工件表面經(jīng)顯微鏡300倍放大后的形貌對比。

圖4 電解-磁力研磨前后工件表面形貌對比Fig.4 Workpiece surface topography before and after electrolytic magnetic abrasive finishing

從圖4（a）中可以看出工件加工前表面紋理清晰可見，局部區(qū)域有小的凹坑出現(xiàn)，工件的表面狀況較差；圖4（b）為用電解的方法加工10 min后工件表面形貌，在顯微鏡下觀察可以發(fā)現(xiàn)工件表面紋理已得到明顯去除，但表面附著了一層黑色的物質(zhì)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，鎳基高溫合金GH4169主要化學(xué)成分：Ni（50%～55%），Cr（17%～21%）。經(jīng)分析可知這層黑色物質(zhì)是工件表面的鎳、鉻合金元素經(jīng)電解溶解后與氫氧根離子結(jié)合生成的黑色氫氧化物/氧化物鈍化層；圖4（c）為經(jīng)過電解加工和磁力研磨各10 min后的工件表面形貌，加工后工件表面的黑色鈍化層被摩擦去除，漏出比較平整的表層金屬。與原工件表面形貌相比，表面質(zhì)量更加細(xì)密、均勻。

圖5所示為整體葉盤加工前后工件表面粗糙度值對比情況。從圖5（a）中看出，銑削加工后工件表面的加工紋理比較清晰，R曲線波動較為劇烈，工件表面粗糙度值Ra為1.5 μm；圖5（b）為經(jīng)電解加工后工件表面紋理狀況，可以看出工件的R曲線波動相對圖5（a）有所減緩，但仍然比較清晰，表面粗糙度值Ra為0.93 μm；圖5（c）為電解加工后的工件用磁力研磨法加工10 min后的工件表面紋理，觀察比較發(fā)現(xiàn)R曲線明顯變緩，表面粗糙度值Ra為0.4 μm。

圖5 加工前后葉盤表面粗糙度值對比Fig.5 Workpiece surface roughness before and after machining

圖6為電解-磁力復(fù)合研磨加工前后工件的EDS分析結(jié)果?？梢娂庸で昂?GH4169 鎳基合金工件的表面成分幾乎沒有改變。這是由于電解使合金表層鎳、鈷等元素發(fā)生溶解，并以離子狀態(tài)擴(kuò)散到電解液中，與陰極產(chǎn)生的氫氧根等離子結(jié)合，共同生成了較軟的鈍化膜。磁力研磨的作用則使電解鈍化膜有效去除，重新裸露出較光滑的原始工件表面。

圖6 電解-磁力復(fù)合研磨前后工件的 EDS分析結(jié)果Fig.6 EDS analysis results of workpiece before and after electrolytic-magnetic composite grinding

電解-磁力研磨和單純磁力研磨的加工工件表面的粗糙度值隨時間的變化情況如圖7所示。由圖可知采用單純磁力研磨連續(xù)加工20 min后工件表面的粗糙度值Ra下降至0.75 μm。改用電解-磁力研磨后變化情況為AC段，其中AB段表示電解加工過程的粗糙度值變化，BC段表示磁力研磨加工過程的粗糙度值變化情況。AB段用電解加工10 min，工件表面凸起的部分被電解液以極快的速度電解去除，與凹下的部分逐漸趨于一致，因此表面粗糙度值下降較快。加工5 min后，由于工件表面層的鎳、鉻元素被電解掉后在工件表面產(chǎn)生了灰黑色的不導(dǎo)電的鈍化膜，電解液無法滲透進(jìn)入，阻止了電解過程的進(jìn)一步進(jìn)行，因此工件表面的粗糙度值不再發(fā)生明顯下降。BC段為改用磁力研磨加工10 min，工件表面較基體更軟的鈍化膜以很快的速度被磁粒刷摩擦去除，表面粗糙度值迅速下降。加工5 min后，鈍化膜被幾乎完全去除，露出硬度較高的工件基體。延長加工時間工件表面粗糙度值下降幅度很小，加工效率明顯較低。綜上可知，將電解加工和磁力研磨加工合理結(jié)合，均取加工時下降最快的那段作為每個過程的實際加工時間，可有效提高磁力研磨的加工效率。

圖7 電解-磁力研磨表面粗糙度值變化Fig.7 Changes of surface roughness by electrolytic magnetic finishing

3 結(jié) 論

（1） 通過3D超景深顯微鏡觀測，采用電解輔助磁力研磨方法加工，工件表面粗糙度Ra值由1.5 μm下降到0.4 μm，可以明顯改善GH4169 高溫鎳基合金整體葉盤的表面形貌，表面更細(xì)密、均勻。

（2） 針對復(fù)雜形狀和難加工材料的工件表面，電解輔助磁力研磨方式相比單純磁力研磨具有更高的加工效率。