超聲波輔助磁力研磨TC4薄壁細(xì)長管內(nèi)表面研究*

楊海吉，鄧祥偉，韓 冰，陳 燕，解志文

(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

TC4鈦合金作為一種先進(jìn)的輕量化結(jié)構(gòu)材料，其密度小、強(qiáng)度高、有良好的室溫、高溫及低溫的力學(xué)性能，且在多種介質(zhì)中有優(yōu)異的耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工和機(jī)械制造等領(lǐng)域。鈦合金的熱導(dǎo)率低、彈性模量小、化學(xué)活性高，是一種典型的難加工材料。同時(shí)，由鈦合金管材組成的管路系統(tǒng)是設(shè)備的生命線，其內(nèi)表面質(zhì)量將直接影響到設(shè)備的使用壽命[1]。由于使用環(huán)境的限制，很多管材都是長徑較大的薄壁細(xì)長管，加工時(shí)普通工具很難進(jìn)入，且肉眼無法觀察，傳統(tǒng)方法很難完成[2]。磁力研磨光整加工技術(shù)是磁場輔助加工技術(shù)的一種，可以有效地提高工件的表面質(zhì)量，與傳統(tǒng)方法相比具有較高的自適應(yīng)性、自銳性強(qiáng)、溫升小及無需進(jìn)行工具補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段已經(jīng)較好的應(yīng)用于復(fù)雜曲面、平面、內(nèi)外圓表面[3-5]。若單純地使用磁力研磨法對(duì)工件內(nèi)表面進(jìn)行拋光，受到加工區(qū)域的限制，參與研磨的磁性磨粒很少，而且會(huì)有部分磁性磨粒黏附在工件的內(nèi)壁，致使研磨效率較低。針對(duì)這個(gè)問題，Yamaguchi等[6-7]提出在對(duì)細(xì)長直管進(jìn)行研磨拋光時(shí)，在工件內(nèi)部放置一個(gè)經(jīng)過熱處理分段導(dǎo)磁的奧氏體不銹鋼絲，結(jié)果表明，添加輔助拋光工具后雖然能夠增大研磨壓力，在一定程度上提高了研磨效率。但受加工區(qū)域的限制，研磨效率仍然不理想，且由磁性磨粒組成的磁性磨粒團(tuán)的剛性得到提高以及磁性磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡單一，導(dǎo)致加工后工件內(nèi)表面易出現(xiàn)較深劃痕，表面質(zhì)量不易控制[8-10]。

本文以TC4薄壁細(xì)長管為研究對(duì)象，采用超聲振動(dòng)輔助磁力研磨對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行研磨拋光，通過對(duì)輔助磁極添加軸向振動(dòng)，改變磁性磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，增強(qiáng)磁性磨粒翻滾更新的性能，從而提高研磨效率，改善加工后工件的表面質(zhì)量。

1 超聲振動(dòng)輔助磁力研磨加工機(jī)理

單純地利用磁力研磨法拋光不導(dǎo)磁管件時(shí)，管件內(nèi)部的磁性磨粒會(huì)受到外部磁場的作用，沿磁力線的方向有規(guī)律的排列，形成具有一定柔性的“磁粒刷”，外部磁極的運(yùn)動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)“磁粒刷”對(duì)工件表面產(chǎn)生切削、摩擦等作用，從而完成對(duì)工件表面的精密加工。為了提高研磨效率，通常還在管件的內(nèi)部添加輔助磁極，輔助磁極可以與外部磁極形成磁回路，增大了單位空間內(nèi)的磁場強(qiáng)度，并且受到輔助磁極的吸附作用，磁性磨粒獲得了額外的壓力[11]。由于研磨壓力的增大，磁性磨粒間的作用力提高，磁性磨粒團(tuán)的剛性增強(qiáng)，導(dǎo)致磁性磨粒的翻滾作用不能正常發(fā)揮，易出現(xiàn)研磨軌跡疊加的現(xiàn)象，不利于改善工件的表面質(zhì)量。

超聲振動(dòng)輔助磁力研磨是在傳統(tǒng)磁力研磨的基礎(chǔ)上，通過對(duì)輔助磁極添加軸向振動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行高效精密研磨的一種方法。其加工原理如圖1所示，工件由機(jī)床主軸帶動(dòng)做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，外部磁極沿工件軸向勻速進(jìn)給，超聲振動(dòng)發(fā)生裝置通過支撐桿帶動(dòng)輔助磁極做同步軸向運(yùn)動(dòng)。輔助磁極通過支撐桿與超聲振動(dòng)發(fā)生裝置相連，超聲波發(fā)生器將交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為超聲頻的電振蕩信號(hào)，換能器將超聲頻的電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成為同頻的機(jī)械振動(dòng)，之后經(jīng)過變幅桿將換能器微小的振動(dòng)幅值放大，通過支撐桿傳遞給輔助磁極，磁性磨粒在輔助磁極帶動(dòng)下以一定的振幅和頻率作軸向超聲振動(dòng)。當(dāng)研磨加工時(shí)，輔助磁極與工件內(nèi)表面之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁性磨粒不斷地對(duì)工件表面進(jìn)行切削、摩擦以及沖擊。同時(shí)，研磨液在超聲振動(dòng)的作用下會(huì)產(chǎn)生微小的空化效應(yīng)，空化氣泡的破裂還會(huì)對(duì)工件表面起到一定的光潔作用[12]。隨著加工的進(jìn)行，工件表面微觀凸出的部分會(huì)被逐漸去除，從而達(dá)到一種高效率高質(zhì)量的加工效果。

圖1 超聲振動(dòng)輔助磁力研磨加工原理

2 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)條件見表1。

表1 試驗(yàn)條件

圖2為試驗(yàn)裝置圖，工件在車床主軸的帶動(dòng)下做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，外部磁極沿工件軸向勻速進(jìn)給，超聲振動(dòng)發(fā)生裝置通過支撐桿帶動(dòng)輔助磁極做同步軸向運(yùn)動(dòng)，磁性磨粒在磁場力、摩擦力和軸向振動(dòng)的共同作用下對(duì)工件表面產(chǎn)生切削、摩擦、沖擊等作用。將提前用線切割工藝剖開的工件放入超聲波清洗機(jī)清洗干凈，吹干后測(cè)量其原始數(shù)據(jù)并記錄，試驗(yàn)前將兩部分工件恢復(fù)原狀，工件具體尺寸如圖3所示。試驗(yàn)中采用燒結(jié)法制備的磁性磨粒，平均粒徑為250μm，輔助磁極與工件內(nèi)表面間隙為1mm，振動(dòng)幅度不可調(diào)節(jié)。試驗(yàn)條件如表1所示。

圖2 試驗(yàn)裝置

為了觀察超聲振動(dòng)輔助磁力研磨的加工效果，試驗(yàn)選取傳統(tǒng)磁力研磨與超聲振動(dòng)輔助磁力研磨進(jìn)行對(duì)比，并探究了振動(dòng)頻率對(duì)加工效果的影響。試驗(yàn)結(jié)束后，使用精密電子天平測(cè)量材料去除量；使用JB-8E觸針式表面粗糙度測(cè)量儀測(cè)量表面粗糙度值；使用VHX-500F超景深3D電子顯微鏡觀測(cè)微觀表面形貌。

圖3 試驗(yàn)所用工件尺寸

3 試驗(yàn)結(jié)果與理論分析

3.1 表面粗糙度和材料去除量的結(jié)果分析

在兩種工況下，每隔5min測(cè)量一次工件的表面粗糙度值，超聲振動(dòng)輔助磁力研磨的振動(dòng)頻率為19kHz，試驗(yàn)時(shí)間為40min，工件表面粗糙度值和材料去除量隨時(shí)間變化情況如圖4所示?？梢娫趥鹘y(tǒng)磁力研磨工況下工件表面粗糙度值和材料去除量降低的速度最慢，在加工40min后工件的表面粗糙度值降為Ra0.45μm，材料去除量為35mg，分析原因是由于磁性磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡的單一，原始紋理或上一道加工紋理對(duì)磁性磨粒的運(yùn)動(dòng)方向存在干涉，這種干涉作用會(huì)使得磁性磨粒對(duì)波谷位置進(jìn)行切削，導(dǎo)致工件表面的波峰不能有效去除，提升了波峰與波谷的高度差。在傳統(tǒng)磁力研磨拋光的基礎(chǔ)之上引入軸向超聲振動(dòng)后，在初始加工的20min內(nèi)，工件加工表面的表面粗糙度值降低的速度最快，研磨效率最高。在研磨加工40min后，表面粗糙度值穩(wěn)定至Ra0.25μm，材料去除量最大為50mg。分析原因是由于磁性磨粒附加了超聲振動(dòng)后，磁性磨粒會(huì)對(duì)工件的表面產(chǎn)生復(fù)合作用，即切向切削作用和軸向沖擊作用。隨著加工的進(jìn)行，磁性磨粒切削方向不斷改變，達(dá)到一種類似“多刃磨削”的效果，工件表面加工紋理彼此交織，研磨軌跡復(fù)雜化，使較深的切削痕跡迅速消失，且磁性磨粒翻滾更新的程度增加、研磨壓力變大，導(dǎo)致工件表面粗糙度值進(jìn)一步降低。同時(shí)，當(dāng)磁性磨粒位于原始缺陷的波峰位置時(shí)，在振動(dòng)沖擊的作用下磁性磨粒的自銳性顯著增加，磁性磨粒切入材料表面的能力得以提升，磁性磨粒受到軸向振動(dòng)的作用不斷沖擊波峰位置，直至將波峰磨平，材料去除量較傳統(tǒng)磁力研磨大幅度提高。

圖4 不同的方式對(duì)表面粗糙度值和材料去除量的影響

3.2 表面微觀形貌的結(jié)果分析

利用超景深電子顯微鏡(VHX-500F)觀測(cè)兩種工況下工件研磨過程中內(nèi)表面的形貌變化，如圖5、圖6所示。研磨加工前，工件經(jīng)原始加工后表面留有明顯的凹坑、凸起以及微裂紋，表面波峰波谷高度差較大，加工殘留缺陷較多。利用傳統(tǒng)磁力研磨時(shí)工件表面的形貌變化如圖5所示，受加工區(qū)域限制，參與研磨的磁性磨粒有限，且參與研磨的磁性磨粒失效快。前20min材料表面的原始缺陷很難被有效去除，經(jīng)過40min的研磨，工件表面部分原始缺陷被去除，但單個(gè)磁性磨粒的軌跡單一，研磨后會(huì)在工件表面產(chǎn)生相互平行的規(guī)律性紋理，影響粗糙度值的降低。如圖6所示為超聲振動(dòng)輔助磁力研磨時(shí)工件表面的形貌變化。在研磨加工時(shí)，磁性磨粒受到軸向振動(dòng)的沖擊作用，其運(yùn)動(dòng)方向隨時(shí)變化，軌跡不再是規(guī)則的螺旋狀，工件表面研磨痕跡細(xì)密均勻，研磨前20min工件表面的微裂紋等缺陷可以被顯著去除。同時(shí)，振動(dòng)的加入使得磁性磨粒的加工位置頻繁變動(dòng)且自銳性增加，促進(jìn)材料表面波峰的去除。經(jīng)過40min的研磨加工，工件表面微觀形貌變得細(xì)密復(fù)雜化，內(nèi)表面質(zhì)量得到明顯提升。

(a) 研磨時(shí)間10min (b) 研磨時(shí)間20min (c) 研磨時(shí)間40min圖5 傳統(tǒng)磁力研磨過程中工件表面形貌變化

(a) 研磨時(shí)間10min (b) 研磨時(shí)間20min (c) 研磨時(shí)間40min圖6 超聲振動(dòng)輔助磁力研磨過程中工件表面形貌變化

3.3 振動(dòng)頻率對(duì)加工效果的影響

試驗(yàn)分3組進(jìn)行，工件轉(zhuǎn)速為3000r/min，振幅為15μm，在0～19kHz范圍內(nèi)，隨著振動(dòng)頻率的增大，研磨效率呈上升趨勢(shì)。由于采用低頻振動(dòng)時(shí)，研磨效率與傳統(tǒng)磁力研磨相差不大，因此分別選取振動(dòng)頻率為10kHz、15kHz、19kHz，其他條件如表1所示。圖7為不同頻率的表面粗糙度值與材料去除量與時(shí)間的關(guān)系曲線，當(dāng)振動(dòng)頻率為10kHz時(shí)，經(jīng)過40min的研磨加工，工件表面粗糙度值從Ra1.4μm下降至Ra0.38μm，材料去除量達(dá)到44mg。隨著振動(dòng)頻率的增大，磁性磨粒的切削刃方向不斷變化，研磨軌跡的交叉次數(shù)增加，上一道加工紋理未擴(kuò)散就被去除，材料去除量呈上升趨勢(shì)，工件的表面質(zhì)量得到明顯改善。振動(dòng)頻率為19kHz時(shí)，研磨效果最好，工件表面粗糙度值最終穩(wěn)定至Ra0.25μm，材料去除量最大可達(dá)到50mg。因此在研磨加工中，應(yīng)選用較大的振動(dòng)頻率。

圖7 不同振動(dòng)頻率對(duì)表面粗糙度值和材料去除量的影響

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)磁力研磨的基礎(chǔ)上附加超聲波振動(dòng)，并進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，通過對(duì)表面粗糙度值、材料去除量以及表面微觀形貌進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，得到如下結(jié)論：

(1)在對(duì)長徑較大的TC4薄壁細(xì)管的內(nèi)表面進(jìn)行磁力研磨加工時(shí)，為了解決加工效率低的問題，可以對(duì)工件內(nèi)部的輔助磁極添加軸向超聲振動(dòng)。磁性磨粒受切削作用的同時(shí)還受到由超聲振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊作用，研磨效率得到顯著提高。

(2)超聲振動(dòng)的引入會(huì)使磁性磨粒的切削方向不斷改變，研磨后不會(huì)在工件表面產(chǎn)生相互平行的規(guī)律性紋理，工件的表面形貌變得細(xì)密均勻，內(nèi)表面質(zhì)量得到明顯改善。

(3)在振動(dòng)輔助磁力研磨中，振動(dòng)頻率的提升對(duì)提高研磨效率和改善工件表面質(zhì)量均有較大的影響。當(dāng)振動(dòng)頻率為19kHz時(shí)，研磨效果最好，經(jīng)過40min的加工，工件表面粗糙度值最終穩(wěn)定至Ra0.25μm，材料去除量最大可達(dá)到50mg。

[1] 江志強(qiáng),楊合,詹梅,等. 鈦合金管材研制及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景[J]. 塑性工程學(xué)報(bào),2009,16(4):44-50,84.

[2] 陳燕,巨東英. 應(yīng)用磁研磨法對(duì)細(xì)長管內(nèi)表面的拋光處理[J]. 模具制造,2004(10):48-50.

[3] Yamaguchi H, Shinmura T, Sekine M. Uniform internal finishing of SUS304 stainless steel bent tube using a magnetic abrasive finishing process[J]. Journal of manufacturing Science and Engineering, 2005, 127(3): 605-611.

[4] Lin C T, Yang L D, Chow H M. Study of magnetic abrasive finishing in free-form surface operations using the Taguchi method[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007, 34(1-2): 122-130.

[5] 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.

[6] Kang J, Yamaguchi H. Internal finishing of capillary tubes by magnetic abrasive finishing using a multiple pole-tip system[J]. Precision Engineering, 2012, 36(3): 510-516.

[7] Yamaguchi H, Kang J, Hashimoto F. Metastable austenitic stainless steel tool for magnetic abrasive finishing[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2011, 60(1): 339-342.

[8] Yun H, Han B, Chen Y, et al. Internal finishing process of alumina ceramic tubes by ultrasonic-assisted magnetic abrasive finishing[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 85(1):727-734.

[9] 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(10):119-123.

[10] Pan J, Yan Q, Xu X, et al. Abrasive Particles Trajectory Analysis and Simulation of Cluster Magnetorheological Effect Plane Polishing[J]. Physics Procedia, 2012, 25(22):176-184.

[11] 陳燕,張耀明,鄧超,等. V形磁鐵在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.

[12] 陳燕，劉昭前，王顯康. 超聲波振動(dòng)輔助磁力研磨加工研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(10)：294-298.