TC4鈦合金孔的磁粒研磨試驗

焦安源， 張國富， 丁浩東， 劉偉軍

(1. 東北大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 沈陽 110819； 2. 遼寧科技大學 應用技術(shù)學院， 遼寧 鞍山 114051； 3. 沈陽工業(yè)大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110870)

TC4鈦合金因具有比強度高、失穩(wěn)臨界值高、韌性和焊接性好等優(yōu)點，在航空和航天等領(lǐng)域得到廣泛應用[1-2].但其強度高、導熱性差和易變形，屬于難加工材料[3-4]，制孔后，孔內(nèi)表面易有加工紋理和毛刺，這將嚴重影響零件的裝配精度與使用壽命[5].為了消除這些缺陷，本文基于磁粒研磨(MAF)工藝對孔進行后處理.MAF主要利用磁極的磁場束縛磁性磨料形成具有一定切削能力的磁粒刷壓附在工件表面，通過磁粒刷對工件進行劃擦與切削，實現(xiàn)研磨.Zhou等采用超聲振動輔助磁粒研磨技術(shù)對鈦合金進行表面處理，有效地提高了鈦合金零件的表面完整性[6].Choopani等通過對MAF工藝研究，得出加工間隙和工件轉(zhuǎn)速對提高表面粗糙度Ra有顯著影響[7].Lin等采用MAF工藝對不銹鋼SUS304材料進行自由表面研磨，并利用田口法進行試驗設(shè)計，研究了磁場、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和工作間隙等因素對自由表面光整效果的影響[8].MAF工藝所用磁性磨粒作為多刃的磨削刀具[9]，在磁場中被磁化并積聚形成磁粒刷，其具有柔性好、自銳性強、加工質(zhì)量高等優(yōu)點，可用于研磨平面、曲面和管內(nèi)表面等[10-11].

本文主要是對TC4鈦合金孔的研磨工藝進行試驗研究，將表面粗糙度Ra和微觀形貌作為衡量表面質(zhì)量的標準.首先以A(磁極轉(zhuǎn)速n1)、B(磨料直徑)和C(磨料填充量)這三個參數(shù)進行磁極與孔同軸的研磨試驗，分析不同工藝參數(shù)對表面粗糙度Ra的影響.使用正交法設(shè)計試驗，擬通過對試驗數(shù)據(jù)的極差與方差分析，找出高效高質(zhì)量研磨TC4鈦合金孔的最佳工藝參數(shù)組合.另外，因合理規(guī)劃磁粒刷的拋光軌跡可以提高平面均勻性[12]，本文提出偏心研磨孔的試驗方案，擬研究其對孔研磨質(zhì)量和效率的影響.

1 磁粒研磨加工機理

圖1為MAF研磨孔的基本原理.圖中n1為磁極轉(zhuǎn)速，n2為磁極繞孔軸線轉(zhuǎn)速，e為磁極軸線與孔軸線的距離.加工方式為磁極與孔軸線重合(e=0，n2=0)或磁極與孔軸線偏心(e≠0，n2≠0).當主軸帶動磁極旋轉(zhuǎn)時，磁性磨料在磁場作用下形成磁粒刷，不斷掃過待加工表面，由于磁粒刷與工件表面存在壓力，磁粒刷末端的磨粒會對孔件表面產(chǎn)生劃擦、摩擦等微量切削作用，從而實現(xiàn)對孔件表面研磨[13].

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗方法

通過分析前期磁粒研磨光整加工試驗，確定了本次研磨孔的參數(shù)和水平如表1所示.本文采用正交試驗法，評價各工藝參數(shù)對表面粗糙度Ra的影響程度.

表1 試驗參數(shù)和水平Table 1 Parameters and levels used in experiments

2.2 試驗裝置

圖2為MAF研磨孔的試驗裝置.磁極由VMC850E 數(shù)控加工中心(最高轉(zhuǎn)速 8 000 r/min) 的夾頭刀柄夾持，工件由虎鉗可靠定位.使用對刀儀找到孔中心，磁極吸附磨料后，通過導入含工藝參數(shù)信息的程序，控制磁極進入工件孔內(nèi)開始研磨.

3 磁極與孔同軸研磨試驗

3.1 試驗條件

為了保證試驗的科學性，在磁粒研磨前，利用研磨棒和砂紙對鉆削孔進行預磨，保證所有孔內(nèi)壁的表面粗糙度Ra≈2.5 μm.同軸研磨的試驗條件如表2所示，試驗時間為40 min.

表2 同軸研磨試驗條件Table 2 Experimental conditions for coaxial grinding

每組試驗結(jié)束后，利用JB-8E觸針式表面粗糙度測量儀分別在孔圓周的4個均布位置采集Ra值，取其平均值作為試驗結(jié)果，具體如表3所示.

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，用Origin軟件繪制表面粗糙度Ra與參數(shù)A，B和C的關(guān)系曲線，如圖3所示.

表3 MAF正交試驗數(shù)據(jù)匯總Table 3 Orthogonal experiment data of MAF

由圖3a可知，隨著A(磁極轉(zhuǎn)速n1)的增加，孔的表面粗糙度Ra值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢.A過高導致磁性磨料嚴重飛濺，加工區(qū)域內(nèi)參與研磨的磁性磨料減少，使磁粒刷的剛度減弱，對孔件表面形成的有效壓力減小，研磨效率下降，表面粗糙度Ra降速變緩；轉(zhuǎn)速過低時，磁粒刷的穩(wěn)定性好，但磨料與孔表面相對速度較低，使得切削效率下降，最終導致Ra降速較慢.由圖3b可知，隨著B(磨料直徑)的減小，孔的表面粗糙度Ra值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢.B的轉(zhuǎn)折點為250 μm，B越大，單個粒子所受的磁場力增大，切削深度增大，孔件表面的初始切痕得以去除，但磨粒自身造成的劃痕也很大，因此加工后工件表面粗糙度Ra值也很大.B過小時，所受的磁場力較小，單顆研磨粒子的吃刀量較小，研磨切削功能低下，雖然能夠研磨孔表面上的原始切痕，但是無法徹底去除，最終的表面粗糙度Ra不會顯著降低.由圖3c可知，隨著C(磨料填充量)的增加，孔表面粗糙度Ra值呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律.若C過多，部分磨料由于小于離心力的作用而脫離加工區(qū)域向外飛散；如果C過少，實際參與研磨的磨料數(shù)量過少，導致研磨能力下降，工件表面粗糙度Ra下降緩慢.因此，當磁感應強度 (主要取決于磁極)和加工間隙固定后，A，B和C這三個因素要合理配置，才能得到良好的研磨效率和研磨質(zhì)量.

3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化分析

通過正交試驗的極差分析法可以找到影響表面粗糙度Ra的主要因素，以及最佳因素水平組合.方差分析法可以找出有顯著作用的因素，以及推算出指標最優(yōu)的水平和工藝條件.表4為TC4的正交試驗數(shù)據(jù)分析，其中Ti為各因素的同一水平試驗指標之和；T為25個試驗號對應的試驗指標之和；Xi為各因素同一水平試驗指標的平均數(shù)；該試驗的25個觀測值總變異由A，B和C三個因素及誤差變異E四部分組成.表5為TC4試驗數(shù)據(jù)的極差分析，表6為TC4試驗數(shù)據(jù)的方差分析.

表4 試驗數(shù)據(jù)分析Table 4 Analysis of experimental data

表5 試驗數(shù)據(jù)極差分析Table 5 The range analysis of experimental data

通過表5和表6中極差與方差的試驗數(shù)據(jù)分析可知，3個工藝參數(shù)影響程度的順序為：A>B>C，說明A與B對表面粗糙度Ra的影響程度高于C.基于MAF工藝研磨TC4孔的最佳參數(shù)組合為A4B2C3，即當磁極轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，磨料直徑為250 μm，填充量為10 g時，研磨后的TC4孔表面粗糙度Ra最小.

表6 試驗數(shù)據(jù)方差分析Table 6 The variance analysis of experimental data

3.3 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)束，試件經(jīng)過超聲波清洗機清洗、吹干、線切割機床切割等工序處理，利用JB-8E表面粗糙度測量儀和VHX-500FE超景深電子顯微鏡分別檢測孔的表面粗糙度Ra值和微觀紋理.原始孔和研磨后的表面粗糙度和形貌對比如圖4所示.

從圖4a中可以看到孔內(nèi)表面有較深的切痕、黑色斑點以及零星分布的凹坑，其表面粗糙度Ra曲線波動較大，表面形貌極差.如圖4b所示，TC4孔研磨后，表面粗糙度Ra值由2.53 μm下降到0.51 μm，且曲線波動幅度明顯減?。幻桃约凹庸ず圹E被有效去除，表面形貌更加均勻平整.

4 磁極與孔偏心研磨試驗

4.1 試驗條件

考慮到磁極與孔偏心研磨時，可能會促進磁粒刷的不斷變形，加速磨粒的翻滾更替，從而可以提升研磨效率，因此基于同軸試驗得到的最佳工藝參數(shù)，開展偏心試驗研究.為了保證磨料與工件間的加工間隙為1～2 mm，本文采用φ6 mm的徑向磁極試驗，磁極自轉(zhuǎn)速度n1=2 100 r/min，同時繞孔中心線進行公轉(zhuǎn)的速度n2=30 r/min，偏心距e分別為0.5，1.0，1.5 mm，具體加工條件如表7所示，在每公轉(zhuǎn)一周后，磁極都要回到孔中心，以使偏心研磨時被排擠到外緣的磨粒，在磁場約束下重新聚集形成新的磨粒刷，再進行下一周研磨.

表7 偏心研磨試驗條件Table 7 Experimental conditions for eccentric grinding

4.2 試驗結(jié)果分析

采用同軸研磨最佳的參數(shù)組合，進行偏心研磨試驗，檢測結(jié)果如圖5所示.

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，如圖5a所示，在e=0.5 mm加工后，表面粗糙度Ra為0.99 μm, 孔內(nèi)表面形貌明顯改善，黑色斑點被有效地去除，但仍存在較淺的切痕及凹坑；如圖5b所示，在e=1.0 mm加工后，Ra為0.44 μm,孔內(nèi)表面的切痕及斑點幾乎被完全去除，微觀紋理均勻、細密，表面質(zhì)量顯著提高，表面粗糙度減??；如圖5c所示，在e=1.5 mm加工后，Ra值為0.57 μm，表面形貌顯著改善，斑點及凹坑被有效地去除，但個別處仍存在較淺的切痕.

分析可知，當e=1.0 mm時效果較好，與e=0方案比較，表面粗糙度Ra下降13.7%，而研磨效率提升25.0%.

4.3 研磨切削力測定

基于以上試驗結(jié)果可知，偏心距對孔表面質(zhì)量有著重要影響.為進一步研究，本文在進行偏心試驗時，采用FC3D60三分力測試傳感器(精度等級為1%FS)和FC-SC3200數(shù)據(jù)采集器對不同偏心距時的X，Y，Z三軸(坐標見圖2)力進行采集，分別提取了不同偏心距研磨時三個周期左右的切削力變化曲線來分析，如圖6所示.

由圖6a可知，X軸的切削力呈周期性變化，幅值介于+7.5 N～-2.5 N，振幅為10 N，Y軸的切削力幅值范圍為+3 N～-7 N，振幅也為10 N；由圖6b可知，X軸和Y軸的切削力幅值范圍均為+8 N～-5 N，振幅為13 N；由圖6c可知，X軸和Y軸的切削力幅值均介于+10 N～-10 N，振幅均為20 N.在每圈研磨完成后，磁極回到孔中心時，X軸、Y軸和Z軸的切削力均降至0附近.可以看出，隨著偏心距e的增大，X軸和Y軸的切削力變化幅度也增大，而Z軸的切削力均約為0.當e=0.5 mm時，孔受到的切削力較小，磁粒刷的剛性不強，磨料的翻滾和切削刃更替能力降低，使得磁性磨料對孔表面毛刺、切痕及凹坑的切削作用減弱，研磨效率不高，因此，孔的表面質(zhì)量較差.當e=1.5 mm時，孔受到較大的切削力，磁粒刷的剛性較強，對孔內(nèi)壁的切削作用增大，在研磨過程中，磨粒之間相互擠壓、碰撞，對孔表面造成較深的新劃痕，此時會產(chǎn)生過磨現(xiàn)象，因此，研磨加工后，孔的表面形貌并不理想.當e=1.0 mm時，孔受到切削力較合適，磨料能夠很好地翻滾換位，從而提高了磨粒切削刃的更替，有效地去除了孔表面的切痕及斑點，孔的表面質(zhì)量較均勻平整，表面粗糙度Ra=0.44 μm，獲得了比較好的研磨效果.

相對于偏心研磨，同軸研磨過程中Z軸的切削力也為0.理論上磁粒刷對孔表面接觸區(qū)域均有切向作用力，即X軸和Y軸的正負方向均受到切削力，且合力大小相等，方向相反，相互抵消.而偏心加工時，Z軸方向不受力，X軸和Y軸受到的切削力均隨著磁極的轉(zhuǎn)動呈現(xiàn)類正弦的周期性變化.雖然偏心研磨時，其瞬時研磨的有效區(qū)域小于同軸研磨，但因其切削力顯著增大，且偏心研磨時，磁極頻繁回到孔的中心，促進了新的磁粒刷形成，從而加速了磨粒翻滾和切削刃更新，使得最終的研磨效率顯著提升.

5 結(jié) 論

1) 同軸研磨時，通過正交試驗及極差與方差分析可知，磁極轉(zhuǎn)速、磨料直徑和填充量三個工藝參數(shù)中，磁極轉(zhuǎn)速影響最大，優(yōu)選工藝參數(shù)組合為磁極轉(zhuǎn)速2 100 r/min、磨料直徑250 μm、填充量10 g, 研磨40 min，TC4鈦合金孔的表面粗糙度Ra降至0.51 μm，微觀形貌均勻.

2) 偏心研磨時，在同軸最佳工藝參數(shù)組合上增加偏心運動，偏心距e=1.0 mm時，研磨30 min，TC4鈦合金孔的表面粗糙度Ra降至0.44 μm，微觀形貌均勻.與同軸研磨方案對比，表面粗糙度Ra下降13.7%，研磨效率提升25.0%.

3) 通過對偏心研磨時的切削力分析，隨著偏心距e的增大，X和Y軸的切削力變化幅度也增大，切削力過小會影響研磨效率，而切削力過大則會影響TC4鈦合金孔表面粗糙度Ra和微觀形貌.