混合磨料輔助電磁拋光法對(duì)噴嘴的試驗(yàn)研究

于克強(qiáng)，李彥俊，李 闊，陳 燕

（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）

1 引言

隨著我國航空航天技術(shù)水平的快速發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴的重要性越來越引起重視。噴嘴在傳統(tǒng)機(jī)械加工過程中往往產(chǎn)生毛刺和飛邊，會(huì)嚴(yán)重影響噴嘴的霧化質(zhì)量。（1）使每個(gè)噴嘴的燃油流量產(chǎn)生較大差異，易導(dǎo)致過燒或過熱而降低燃燒性能；（2）會(huì)對(duì)噴霧角度產(chǎn)生較大的影響；（3）會(huì)使噴油量沿噴霧角分布不均，影響燃燒和溫度分布均勻性?？傊?，噴嘴的毛刺和飛邊的存在嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，將導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性、穩(wěn)定性降低，甚至導(dǎo)致工作失效[1-3]。因此，對(duì)噴嘴毛刺及飛邊的去除有著極大的現(xiàn)實(shí)意義。燃油噴嘴的尺寸微小、形狀復(fù)雜，尺寸精度和形狀精度要求高，用傳統(tǒng)的拋光工藝難以實(shí)現(xiàn)良好處理。利用磁場的穿透性和分布性等優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的磁力研磨技術(shù)，雖然在我國起步晚，但是也得到了廣泛的試驗(yàn)研究。一直以來國內(nèi)的磁力研磨加工重點(diǎn)放在對(duì)平面、曲面、圓柱面以及彎管和直管內(nèi)表面的拋光處理方面，而對(duì)一些微小異型零件的磁力研磨技術(shù)的研究相對(duì)較少[4-6]。如果采用磁鐵吸附磁性磨粒這一傳統(tǒng)磁力研磨技術(shù)來加工噴嘴，一方面，加工不均勻，即有的溝槽加工不足，有的棱邊又過渡拋光，加工難度大甚至工件報(bào)廢；另一方面，裝夾困難，無法批量加工，經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性差。電磁拋光機(jī)可以很好地解決這一難題。大量磁針在旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動(dòng)下做隨磁場的公轉(zhuǎn)和繞自身的自轉(zhuǎn)，與噴嘴發(fā)生隨機(jī)高頻的撞擊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小噴嘴細(xì)小溝槽、小孔等特征的全方位研磨[7]。

但是對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸極其微小噴嘴，溝槽寬度小到接近磁針的直徑甚至小于磁針直徑，由于微小溝槽存在研磨盲區(qū)，單純采用基于磁針的電磁拋光法也無法很好實(shí)現(xiàn)精密拋光。為了解決這一新的技術(shù)難題，采用電磁拋光法混合磁針與磁性磨粒。利用磁化的磁針作為主要載體，同時(shí)，混入經(jīng)燒結(jié)得到的呈細(xì)小顆粒狀的磁性磨粒，磁性磨粒將吸附在被磁化的磁針兩端，形成具有柔性的磁力刷。既能對(duì)噴嘴表面精拋光處理，又能對(duì)磁針夠不到的微細(xì)溝槽進(jìn)行處理。

2 混合磨料輔助電磁拋光機(jī)研磨機(jī)理

2.1 筒式電磁拋光機(jī)的工作原理

電磁拋光機(jī)的工作原理，如圖1所示。向圓筒容器內(nèi)以規(guī)定配比放入噴嘴、磁針與混合溶液，容器置于特殊纏繞的環(huán)形繞組中，給繞組通入三相交流電，繞組將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場。磁針被迅速磁化，并產(chǎn)生復(fù)雜的隨磁場的公轉(zhuǎn)和自身的自轉(zhuǎn)。噴嘴根據(jù)需要固定或隨機(jī)置于容器內(nèi)，由于重量和位置的差異，磁針與噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡不同將產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。磁針與噴嘴間發(fā)生隨機(jī)的碰撞、劃擦，從而去除毛刺或改善表面質(zhì)量。

圖1 電磁拋光機(jī)研磨原理圖Fig.1 Sketch of Operational Principle of Electro-Magnetic Mill

工件與磁針之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是形成研磨的必要條件。因噴嘴重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁針的重量，磁針與噴嘴在旋轉(zhuǎn)速度上是存在差異的。兩者之間仍然可以產(chǎn)生隨機(jī)的相對(duì)碰撞和劃擦，從而形成研磨。根據(jù)電磁理論，具有不同磁導(dǎo)率的噴嘴和磁針在磁場中相互接觸，接觸面上產(chǎn)生的磁壓力可以由式（1）計(jì)算得出。由式（1）可知，磁針研磨噴嘴時(shí)，磁針對(duì)噴嘴產(chǎn)生的研磨壓力的大小與磁場強(qiáng)度有關(guān)，通過改變磁場強(qiáng)度的大小即可以調(diào)控研磨壓力的大小[8]。

式中：H—磁場強(qiáng)度；u0—真空磁導(dǎo)率；um—相對(duì)磁導(dǎo)率。

2.2 基于混合磨料的研磨機(jī)理

由磁化理論和電磁拋光機(jī)原理可知，通電繞組產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁場類似一對(duì)具有N-S極的永磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場。容器內(nèi)每個(gè)磁針同時(shí)被磁化，形成一對(duì)具有N-S極的小磁極。當(dāng)磁針與磁性磨?；旌虾螅裴槂啥藢?huì)吸附大量磁性磨粒，形成磁性磨粒刷，如圖2（a）所示。當(dāng)磁針與工件相撞瞬間，磁針將吸附的細(xì)小的磨粒強(qiáng)制性的壓入工件表面的微小溝槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溝槽表面的研磨。

圖2 磁粒刷及運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.2 Magnetic Abrasive Brush

磁性磨粒為兼具磁化和切削能力的復(fù)合物，具有導(dǎo)磁性和磨削性，可在永磁鐵磁場或電磁場聚集構(gòu)成磁力研磨刷。通過磁場的運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)磁力研磨刷拋光工件表面。由于此種磁力研磨刷的顆粒直徑小而呈現(xiàn)的磁力弱，單純使用磁極吸附磁性磨粒的研磨方式效率低下；若單獨(dú)使用磁針做為研磨介質(zhì)，磁針被外部磁場磁化并被帶動(dòng)，做復(fù)雜的隨磁場的公轉(zhuǎn)和繞自身的自轉(zhuǎn)。磁針相比磁性磨粒質(zhì)量較大，對(duì)工件表面進(jìn)行無序撞擊、劃擦的研磨壓力也較大，研磨效率高，尤其對(duì)工件表面的毛刺和飛邊處理效果好。但是單獨(dú)使用磁針作為研磨介質(zhì)，對(duì)工件的微小溝槽研磨效果有限，尤其是寬度與磁針直徑相差不大甚至更小的溝槽，磁針很難接觸到溝槽內(nèi)部。

將磁針與磁性磨粒按一定配比混合作為研磨介質(zhì)。如圖2（a）所示，在外部磁場的磁化下，每個(gè)小磁針被磁化成N-S極，同時(shí)其兩端吸附大量磁性磨粒，類似一把刷子。在外部旋轉(zhuǎn)電磁場的帶動(dòng)下，大量“刷子”按磁針的原有運(yùn)動(dòng)方式做隨磁場的公轉(zhuǎn)和繞自身的自轉(zhuǎn)。如圖2（b）所示，附帶著磁性磨粒的“磁粒刷”將對(duì)工件表面進(jìn)行撞擊、劃擦。微小的磁性磨粒由于研磨相的存在也具有微量切削作用，同時(shí)微小磨粒的鐵基相使其緊緊附著在磁針的兩端，即便在工件撞擊、混合液渦流和離心力的作用下個(gè)別磨粒甩離磁針兩端，并游離于混合液中，但是大概率地會(huì)被其它磁針重新吸附。磁針兩端總能保持著完好的“磁粒刷”并保持柔性狀態(tài)，既起著緩沖磁針撞擊和保護(hù)工件表面的作用，又能被壓擠入細(xì)小的溝槽內(nèi)部。最終，磁針對(duì)工件的作用相當(dāng)于粗加工，附著的大量磁性磨粒相當(dāng)于精加工，同時(shí)又能加工磁針無法接觸的細(xì)小溝槽。

3 混合磨料的構(gòu)成與分析

3.1 單個(gè)磨粒的構(gòu)成和磁針的運(yùn)動(dòng)形態(tài)

磁性磨粒作為一種復(fù)合體，由可導(dǎo)磁的鐵基相和磨削性的研磨相組成。鐵基相一般是用鐵粉等材料制備，是磨粒的載體；研磨相則具有切削、研磨、拋光等作用。常用作研磨相的材料有氧化鋁、碳化硅等。研磨相的研磨粒子像刀具的切削刃一樣，且硬度高于工件的硬度，能夠研磨、劃擦工件表面。

通電繞組生成的合成旋轉(zhuǎn)磁場類似一對(duì)具有N-S極的永磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場。容器內(nèi)每個(gè)磁針同時(shí)被磁化，形成一對(duì)具有N-S極的小磁極。磁針受力F和力矩M的作用分別形成平移運(yùn)動(dòng)和繞中心O的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向一致。因此，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，磁針繞圓筒的中心軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞著自身中心自轉(zhuǎn)。

3.2 工件與磁針、磁性磨粒與磁針的混合比

工件與磁針的混合比例直接影響加工效果。工件多磁針少，必定會(huì)減少工件各個(gè)部位單位時(shí)間內(nèi)平均受到的磁針撞擊次數(shù)，起不到應(yīng)有的研磨效果。而磁針使用過多不僅會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，更為關(guān)鍵的是，有限的加工區(qū)域內(nèi)加入過多的磁針會(huì)造成磁針之間運(yùn)動(dòng)上的相互干涉，大大降低磁針運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，從而影響加工效果。因此，在實(shí)際加工中對(duì)工件與磁針的混合比例需要合理分配。

當(dāng)電磁研磨機(jī)啟動(dòng)以后，磁針會(huì)相對(duì)均勻的充滿整個(gè)圓形加工區(qū)域，所以某一時(shí)刻并不是所有磁針都會(huì)與工件發(fā)生碰撞參與磨削。因此若要保證每時(shí)每刻都有磁針撞擊工件，需要磁針在加工區(qū)域的分布達(dá)到一定的密度?？梢远x選用的磁針的總質(zhì)量，如式（2）所示。

式中：M0—所需磁針質(zhì)量；m0—單根磁針的質(zhì)量；V0—單根磁針的體積；V—加工區(qū)域的體積；V1—所有工件的體積總和；R—圓形加工區(qū)域的半徑；h—圓形加工區(qū)域的高度；k—比例系數(shù)。比例系數(shù)k是為了控制磁針在加工區(qū)域的分布密度，一般取0.5～0.7。

磁性磨粒與磁針的混合比例的合理與否也直接影響加工效果和效率，尤其對(duì)于微小溝槽寬度與磁針直徑接近的場合。磁針多磨粒少，對(duì)微小溝槽起不到應(yīng)有的研磨效果；磨粒多則由于被磁場磁化的單個(gè)磁針兩端吸附能力有限，不能吸附的磁性磨粒將無法參與而造成浪費(fèi)。磨粒與磁針的比例與磁場強(qiáng)度、磁場轉(zhuǎn)速、磁針直徑、磨粒材料與直徑等因素有關(guān)。按照質(zhì)量分配，磨粒與磁針的比例在2：1左右[9]，需要根據(jù)實(shí)際加工的各個(gè)影響因素合理分配。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴三維模型，如圖3所示。

圖3 噴嘴研磨區(qū)域示意圖Fig.3 Polishing Areas of Nozzle

研磨區(qū)域1為旋流槽的棱邊，在銑削旋流槽時(shí)在槽底部和棱邊處會(huì)殘留細(xì)小的毛刺。由于槽的寬度只有0.3mm，所以傳統(tǒng)的研磨工具很難實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域的精密拋光；研磨區(qū)域2為噴嘴底座上的小孔，直徑為0.5mm，在鉆削時(shí)同樣會(huì)有毛刺的生成。毛刺的存在會(huì)嚴(yán)重影響噴嘴的霧化質(zhì)量，降低燃燒性能，影響火焰筒內(nèi)燃燒的均勻性及局部出口的溫度分布均勻性。噴嘴加工實(shí)驗(yàn)條件，如表1所示。使用SUS304不銹鋼鋼針，噴嘴旋流槽的寬度只有0.3mm，底座小孔直徑為0.5mm，選用直徑為0.5mm的鋼針，略大于旋流槽的寬度。為保證旋流槽的拋光效果，加入Fe-SiC磁性磨粒。以水為主要載體，混入研磨液以增加鋼針的懸浮能力，使鋼針均勻分布于混合液中。上述鋼針、磁性磨粒、研磨水溶液共同組成混合液。電磁拋光機(jī)電源采用交流380V∕50Hz，調(diào)節(jié)變頻裝置頻率來調(diào)節(jié)電磁場轉(zhuǎn)速。用VHX-500F超景深3D電鏡觀察噴嘴表面形貌。

表1 實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Experimental Conditions

4.2 實(shí)驗(yàn)裝置

加工噴嘴的滾筒式電磁拋光機(jī)，如圖4所示。磁場發(fā)生裝置通以380V∕50Hz三相交流電以生成回轉(zhuǎn)電磁場。容器內(nèi)放入磁針、磁性磨粒和噴嘴，則磁性磨粒吸附在磁針的兩端一起在旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動(dòng)下做隨機(jī)無規(guī)則的劇烈運(yùn)動(dòng)，對(duì)噴嘴產(chǎn)生隨機(jī)高頻的撞擊，同時(shí)擠壓磁性磨粒進(jìn)入微小溝槽。

圖4 滾筒式電磁拋光機(jī)Fig.4 Electro-Magnetic Barrel Mill

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用3D超景深電鏡分別觀測記錄重點(diǎn)研磨區(qū)域研磨前后的圖片，可以對(duì)比研磨前后的效果。噴嘴研磨區(qū)域1、2研磨前后效果對(duì)比，如圖5、圖6所示。通過圖5（a）和圖5（c）可以看出，研磨前旋流槽棱邊處由于毛刺的存在而變得參差不齊，在噴嘴使用過程中這些毛刺會(huì)隨著高速燃油的沖刷而逐漸脫落，造成燃油流量、油壓不均勻，甚至脫落的毛刺可能堵塞細(xì)小噴油嘴，嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性。從研磨后的圖5（b）、圖5（d）可見，棱邊原有的毛刺已被基本去除，棱邊變得光滑平直，而且棱邊的原始銳角沒有出現(xiàn)嚴(yán)重倒圓現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)比圖6（a）和圖6（b）則清晰可見，經(jīng)過電磁拋光機(jī)的研磨后，噴嘴底座小孔內(nèi)的毛刺也取得了良好的去除效果。

圖5 研磨區(qū)域1研磨前后對(duì)比Fig.5 Photo Contrast before and after Polishing of Polishing Area NO.1

圖6 研磨區(qū)域2研磨前后對(duì)比Fig.6 Photo Contrast before and after Polishing of Polishing Area NO.2

5 結(jié)論

（1）采用電磁研磨方式，輔以磁針與磁性磨?；旌夏チ稀Ｔ谕獠看艌鲎饔孟?，磁針兩端吸附大量磁性磨粒，構(gòu)成眾多微小柔性“磁力刷”，既起著緩沖磁針撞擊和保護(hù)噴嘴表面的作用，又能將磨粒刷子壓擠入細(xì)小的溝槽內(nèi)部。（2）對(duì)于磁針直徑與溝槽寬度近似導(dǎo)致磁針無法接觸的細(xì)小溝槽，采用將磁針與磁性磨?；旌系碾姶叛心シ绞絹砑庸?。經(jīng)試驗(yàn)證明，可以很好地去除細(xì)微溝槽的飛邊、毛刺，表面質(zhì)量得到明顯改善。