酸性研磨液對鋁合金固結(jié)磨料研磨特性的影響

余澤通，王占奎，逄明華，馬利杰，蘇建修

（河南科技學(xué)院 機電學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

鋁合金材料以其優(yōu)異的耐腐蝕、 高強質(zhì)比等特性被廣泛用于交通運輸、航空航天、建筑及電子等領(lǐng)域［1］，鋁合金零件的表面質(zhì)量對零件性能具有重要的影響。鋁合金材料具有低硬度、高彈塑性變形等力學(xué)特征， 致使其加工過程中極易粘結(jié)或堵塞切削工具，造成加工效率低、表面質(zhì)量差等問題。 固結(jié)磨料研磨技術(shù)具有磨粒軌跡可控［2］、材料去除率高［3］、表面質(zhì)量好［4］及亞表面損傷程度低［5］等優(yōu)點而被引用于鋁合金零件的表面加工中， 目前已有較多的學(xué)者對此技術(shù)進行了研究。

MANIVANNAN 等［6］采 用 了UV 光 固 化 法 將 親 水基團聚酯與二氧化鋁、金剛石磨料進行了混合固化，制備出具有自修整特性的固結(jié)磨料研拋墊， 以硅片和D2 鋼為對象進行了化學(xué)機械研拋實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)工件的材料去除率和表面質(zhì)量均得到了大幅度的提升。 袁巨龍等［7］將磨料、基體及填料粘結(jié)在一起，制備出了一種半固結(jié)磨料研拋墊， 研究發(fā)現(xiàn)此研拋墊可產(chǎn)生“陷阱”效應(yīng)，研拋時大磨粒會自動退讓到基體中，從而既增大了研拋墊與工件的接觸面積，又避免了工件表面層材料的劃傷， 提高了工件的材料去除率，降低了表面層材料的亞損傷程度。 左敦穩(wěn)［8］等將含有二氧化硅、 氧化鋁納米磨料的拋光液低溫凍結(jié)，制備出了冰凍固結(jié)磨料研拋墊，以硬脆材料為對象對其研拋機理進行了研究，結(jié)果表明，此研拋墊可大大降低研拋界面的溫度，進而提高了工件表面的加工質(zhì)量。 朱永偉等［9］以微細金剛石和氧化鋁顆粒為磨料，以親水性不飽和聚酯為基體，采用熱固法制備了親水性固結(jié)磨料研拋墊，對硅片、藍寶石和尖晶石等硬脆材料的加工機理進行了實驗研究， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此研拋墊能夠得到較高的材料去除率和表面質(zhì)量。

上述研究為推進固結(jié)磨料研磨技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推進作用。 然而，現(xiàn)有研究多集中于固結(jié)磨料研拋墊的制備及硬脆性材料的研磨機理方面。 鋁合金材料的固結(jié)磨料研磨加工方面報道較少， 尤其酸性研磨液對此材料研磨加工的影響鮮有報道。 為此， 本文研究了酸性磨液對鋁合金固結(jié)磨料研磨特性的影響， 為鋁合金研磨加工技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗樣品及步驟

選用飛機、 交通運輸及機械裝備等領(lǐng)域常用的鋁合金材料Al7075-T6 為研究對象。 實驗樣品規(guī)格（長×寬×厚） 為50 mm×50 mm×1 mm 的Al7075-T6鋁合金板，化學(xué)元素質(zhì)量含量見表1。

表1 Al7075-T6 材料元素質(zhì)量含量

拋光機采用沈陽科麥生產(chǎn)的ZYP300 型研磨拋光機（圖1），拋光墊為實驗室自主開發(fā)的W14 型固結(jié)磨料研拋墊（FAP），其內(nèi)部固結(jié)了粒度為W14 的金剛石。 實驗開展前，先用粒度W50 的金剛石研磨盤將實驗樣品粗研5 min，要求粗研后實驗樣品的表面粗糙度值控制在1 μm 左右， 然后采用W14 的固結(jié)磨料研磨墊研磨20 min。 實驗所用的研磨液類型及濃度如表2 所示，研磨工藝參數(shù)如表3 所示。

圖1 ZYP300 型研磨拋光機

表2 研磨液類型和成分

表3 研磨工藝參數(shù)

1.2 材料去除率計算及表面形貌測量

研磨前后， 分別在精密天平 （Sartorius CP225D型，測量精度0.01 mg）上測量實驗樣品（以下簡稱試件）的質(zhì)量，然后將測量所得質(zhì)量差值代入公式（1）中計算材料的去除率值（MRR）。

式中，Δm 為研磨前后的工件質(zhì)量差，ρ 為工件的密度，a 為正方形鋁合金試件的寬度，t 為研磨時間。

試件材料去除率計算完成后， 利用RT200 型粗糙度儀對工具表面的粗糙度值進行測量， 然后再利用萊卡DM6000M 型顯微鏡觀察試件表面的微觀粗糙形貌。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同研磨液下試件表面材料去除率

去除率是衡量材料加工性能好壞的重要指標(biāo)，工件材料的去除率大表明零件的加工效率高。 研磨中試件材料的去除是研磨液及磨粒兩者綜合作用的結(jié)果，本實驗中研磨顆粒類型及大小都沒有改變，試件表面材料去除率的不同僅為研磨液作用效果的差異。 本實驗所得鋁合金試件表面的材料去除率如圖2 所示。

圖2 不同研磨液下試樣表面材料去除率

研磨液的類型、 濃度及研磨速度均對鋁合金試樣表面的材料去除率存在影響， 但其影響程度有所差異。 由圖2 知，在相同轉(zhuǎn)速和濃度下，冰乙酸研磨液的鋁合金試樣表面材料去除率明顯高于磷酸和乳酸研磨液。對冰乙酸研磨液，在轉(zhuǎn)速為60 r/min和濃度為1%的情況下，試件的MRR 值約為3.27 μm/min。 在相同研磨液類型和研磨盤轉(zhuǎn)速情況下， 冰乙酸及乳酸研磨液的材料去除率均隨研磨液濃度的增大（從1%增大到3%）而減小。對磷酸研磨液而言，材料去除率隨研磨液濃度的增大（從1%增大到3%）而增大，表明鋁合金與磷酸作用生成了更易被去除的化合物。

在相同研磨液類型和濃度情況下， 試件的材料去除率均隨轉(zhuǎn)速的提高而上升。 這是因為研磨速度越大，單位時間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)量就越多，鋁合金試件表面的材料去除率也就越大。 鋁合金試件表面的材料去除機理主要為磨粒的機械作用。同時，對比實驗選取因素對試件材料去除率的影響可知，對試件材料去除率影響由強到弱的因素依次為研磨液種類、轉(zhuǎn)速和研磨液濃度。

2.2 不同研磨液下試件表面粗糙度

粗糙形貌是零件表面質(zhì)量的重要參數(shù)之一，對設(shè)備性能有著重要的影響。粗糙度Ra 是表面微觀形貌的主要量化指標(biāo)。為此，對不同研磨液下鋁合金試樣表面的粗糙度進行了測量，如圖3 所示。

圖3 不同研磨液下試件表面粗糙度

由圖3 可以看出，酸性研磨液類型對試件表面的粗糙度有明顯影響。 在選取的3 種研磨液中，乳酸研磨液作用下試件表面質(zhì)量最好，磷酸研磨液作用下試件表面質(zhì)量最差。 在實驗的各種工況中，磷酸研磨液在其濃度為3%、研磨速度為60 r/min 時，其試件表面質(zhì)量最差，粗糙度約為0.639 μm；乳酸研磨液在其濃度為3%、研磨速度為60 r/min 時，其試件表面質(zhì)量最好，粗糙度約為0.489 μm。 本實驗條件下不同酸性研磨液作用下試件表面的粗糙度不同，乳酸研磨液的效果最好，磷酸最差。 此外，在相同研磨液作用下，研磨速度及研磨液濃度對鋁合金試件表面的粗糙度也存在影響。在冰乙酸及乳酸研磨液作用下試件的表面粗糙度隨研磨液濃度的增大 （從1%增大到3%） 而減小，而磷酸研磨液作用下試件的粗糙度反而增大。

2.3 不同研磨液作用下下試件表面微觀形貌

表面形貌為研磨液與磨粒兩者綜合作用的結(jié)果，是研磨液腐蝕后磨粒機械作用在試樣表面留下的微觀幾何形貌的表征，它對了解試件材料的去除機理具有重要的意義。為此，利用萊卡DM6000M 型顯微鏡觀察試件表面的微觀形貌，如圖4～圖6 所示。

圖4 磷酸研磨液下試件表面微觀形貌

圖5 冰乙酸研磨液下試件表面微觀形貌

圖6 乳酸研磨液下試件表面微觀形貌

由圖4～圖6 可以看出，所測試件表面均存在大量明顯的劃痕， 表明研磨過程中磨粒的機械作用是材料去除的主導(dǎo)因素。對于磷酸研磨液，當(dāng)其濃度增大（從1%增大到3%）時，試件表面磨粒劃痕的數(shù)量明顯增多，且其材料的去除率也相應(yīng)增大，表明試件表面腐蝕后材料的硬度減小了，更易于磨粒切除，故而表面粗糙度增大。 對于冰乙酸及乳酸研磨液，當(dāng)其濃度增大（從1%增大到3%）時，試件表面磨粒劃痕的數(shù)量基本不變，劃痕寬度略有減小，其材料的去除率也相應(yīng)減小，表明試件表面材料腐蝕后硬度增大，不易于磨粒切除，在此情況下試件表面的粗糙度降低。

3 研磨機理分析

本研究中3 種酸性研磨液作用下試件表面的材料去除率、粗糙度及表面微觀形貌均有所不同，其原因為鋁合金材料的化學(xué)活性高， 能夠與酸性溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程如圖7 所示。

圖7 酸性研磨液下試樣表面材料去除機理

不同酸鋁合物的物理、力學(xué)性能有所差異，造成試件表面材料的硬度不同， 在磨粒機械作用下的材料去除效果不再相同。本研究中磷酸、冰乙酸及乳酸與鋁合金反應(yīng)的產(chǎn)物不同，其硬度、脆性等力學(xué)性能存在差異，研磨效果不再相同。冰乙酸研磨液作用下試件表面的材料去除率最大， 乳酸研磨液作用下試件表面的形貌質(zhì)量最佳。此外，提高磷酸濃度能夠降低試件表面硬度， 因此提高磷酸濃度后試件材料的去除率增大，表面磨粒劃痕明顯，表面質(zhì)量變差。 而提高冰乙酸及乳酸濃度后試件表面硬度升高，在高濃度冰乙酸及乳酸研磨液作用下材料的去除率降低，表面形貌質(zhì)量較好。

4 結(jié)論

本文研究了酸性研磨液作用下鋁合金材料的研磨特性，得到了試件表面材料的去除率、粗糙度及表面微觀形貌特性，探討了研磨液類型、濃度及研磨速度的影響，通過分析得出如下結(jié)論。

1） 鋁合金材料與酸性溶液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)時生成不同的酸鋁合物，造成其材料的去除率、粗糙度值及表面微觀形貌有所不同。 從材料去除角度上講，冰乙酸的效果最好，從表面質(zhì)量角度上講，乳酸的效果最佳。

2）不同種類及濃度酸性研磨液其腐蝕程度與化合產(chǎn)物的硬度、脆性等不相同，在不同條件下試件表面的材料去除率、粗糙質(zhì)量存在差異。提高磷酸濃度會降低試件表面硬度， 故而材料經(jīng)腐蝕后其去除率增大，表面質(zhì)量變差；而提高冰乙酸與乳酸濃度其效果相反。

3）試件表面材料的去除機理主要為磨粒的機械作用， 經(jīng)磷酸研磨液腐蝕后試件表面的材料硬度減小且更易于磨粒切除， 而經(jīng)冰乙酸及乳酸研磨液腐蝕后試件材料的硬度增加，不易于磨粒切除。