彈性磁極磨頭磁力研磨TC4鈦合金的工藝優(yōu)化＊

任 澤，朱永偉，董彥輝，盛 鑫，王科榮,2

（1.南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

（2.金華職業(yè)技術學院 機電工程學院，浙江 金華 321016）

與傳統(tǒng)金屬材料相比，鈦合金具有比強度高、耐熱耐腐蝕、生物相容性好等優(yōu)點，已被廣泛應用于航空航天、海洋工程、軍事和醫(yī)療等領域[1-3]。但是，鈦合金的彈性模量低，導熱性較差[4]，使用傳統(tǒng)方法磨削加工鈦合金的過程中易出現(xiàn)工件燒傷和刀具磨損現(xiàn)象，難以獲得高精度表面。因此，尋求新的加工方法以提高鈦合金的表面質(zhì)量具有非常重要的意義。

磁力研磨作為一種新型光整加工技術可以對材料實現(xiàn)超精密光整加工[5-7]。相比于傳統(tǒng)加工技術，磁力研磨屬于柔性加工，其具有加工表面質(zhì)量好、使用范圍廣、自銳性好、溫升小等優(yōu)點，已應用于陶瓷、鎳基合金異形管[8-10]等難加工材料和形面的精密光整加工中。杜嘉靜等[11]使用霧化快凝法制備的CBN 磁性磨料研究了加工間隙對904L 不銹鋼表面完整性的影響，試驗結果表明：較大的加工間隙會使研磨壓力減小，加工效率降低，無法達到拋光效果；加工間隙較小時則加工效率提升，但研磨壓力較大，磨料流動性差且翻滾更新困難，會出現(xiàn)新的劃痕和凹坑，導致表面完整性較差。楊震宇等[12]用彈性膠為黏結劑制備了彈性磁性磨料，利用彈性磨料的柔彈性提高了拋光效果，但隨著時間延長，彈性膠失效，鐵基相與研磨相分離，磨料彈性降低導致加工效果變差且使用壽命變短。王棟梁等[13]以107 硅橡膠為基體制備黏彈性磁性磨料，試驗表明：使用各成分配比最佳的黏彈性磁性磨料可以顯著降低鋁合金管外圓面的表面粗糙度，但在加工過程中磨料很可能黏在工件上，且磨料的制備工藝較為復雜。

目前，國內(nèi)外許多學者對磁力研磨加工中的磨料制備、工藝優(yōu)化等進行了廣泛研究，但對磁力光整加工中的柔性和隨形加工特性不太重視。因磁力研磨裝置及磁極磨頭大多以金屬材料為載體，柔彈性變形能力差，導致加工間隙差異對工件表面質(zhì)量影響較大。盡管制備了彈性磨料，提高了磁力研磨的柔性和仿形性，但彈性磨料會固化失效，使用壽命短且制備工藝復雜。針對這些問題，設計了一種以聚氨酯彈性體為磁極載體的彈性磁極磨頭，利用聚氨酯的彈性變形及仿形特性，獲得保持磨粒切深等高的緩沖層，能夠有效緩解受加工間隙影響造成的磨料擠壓堆疊、流動性差、翻滾更新困難等現(xiàn)象，解決磨粒切深不一和劃傷已加工表面的問題，為磁力研磨加工鈦合金提供一種新的選擇。

1 彈性磁極磨頭磁力研磨加工原理

1.1 磁力研磨加工原理

圖1所示為彈性磁極磨頭磁力研磨加工原理示意圖，磁性磨粒沿磁力線排布形成的磁力刷在磁場作用下壓覆于工件表面，隨著主軸旋轉與工件之間產(chǎn)生劃擦、切削作用，實現(xiàn)對鈦合金表面的光整加工。

彈性磁極磨頭中的聚氨酯彈性層是一種具有良好穩(wěn)定性及回彈性，且耐磨耐腐蝕的高分子化合物[14]。聚氨酯的力學性能介于塑料和橡膠之間，加工過程中其會隨著加工工件面形及研磨壓力的變化而產(chǎn)生一定程度的形變(如圖1所示)。通過聚氨酯彈性層的彈性變形和仿形特性可以減小因間隙差異、磨粒切深差異和面形變化對工件表面粗糙度的影響，從而達到提高表面質(zhì)量的目的。

1.2 磁場仿真分析

磁力研磨的研磨壓力p可以表示為[15]：

式中：μ0為真空磁導率，μm為磨粒的相對磁導率，B和H為加工表面的磁感應強度和磁場強度。

從式（1）中可以看出研磨壓力p與磁感應強度B和磁場強度H有關 。此外，磁力研磨中磁性磨料的受力還受磁場強度、磨粒體積、磨粒磁化率和磁場強度梯度影響[16-18]。磁場梯度大有利于磨料的翻滾更新，可以提升磨粒的自銳性[19]。根據(jù)以上分析設計圖2所示磁場。

圖2 磁場設計原理圖Fig.2 Schematic diagram of magnetic field design

為了獲得合理的磁感應強度B和磁場分布，在聚氨酯彈性層內(nèi)開槽，對稱地放置7 個直徑為7 mm，高度為8 mm 的釹鐵硼永磁鐵，永磁鐵的排布如圖2a所示，采用異極相吸對稱排列的方式；圖2b 為與磁極排布相對應的磁極磨頭的靜態(tài)等效磁路圖。圖2b 中的FV是永磁體產(chǎn)生的磁勢，RV是永磁體內(nèi)部的磁阻，Rg是相鄰磁極間形成磁通路的空氣磁阻，Rg1為間隔磁極間磁通路的空氣磁阻。通過等效磁路圖可以看出：多個永磁體形成12 條有效閉合的磁通回路，提升了磁感應強度，有利于磨料磁力刷的形成。為了進一步探究磁極磨頭的磁感應強度大小、分布和磁場梯度，使用Solidworks 軟件建模，Maxwell Ansoft 仿真軟件進行三維磁場仿真，仿真結果如圖3所示。

由圖3a 可知：N 極和S 極相吸形成的磁通路處磁感應強度較大，在各個磁極邊緣部位的磁感應強度也相對較高，在磁極頭表面整體磁感應強度分布較為均勻。為進一步探究磁場特性，在距磁極磨頭2 mm 高度選擇直徑8 mm 和直徑16 mm 的2 條環(huán)形路徑進行具體的磁場分析，圖3b 為相對應的磁感應強度的變化，在距離磁極頭2 mm 高度處，沿著2 條路徑的仿真結果表明磁感應強度最大可達到280 mT，且都有周期性的磁場強度梯度變化，有利于金剛石磁性磨粒形成具備一定剛度的磁力刷，滿足磁力研磨加工中的磁場要求。

圖3 磁場仿真分析圖Fig.3 Magnetic field simulation analysis diagram

2 磁力研磨試驗

2.1 試驗設計

試驗所使用的磨料是黏結法制備的金剛石磁性磨料，通過掃描電鏡（KYKY-EM6900）觀測到的SEM 微觀形貌如圖4所示。其中金剛石粒徑大小為5～10 μm，鐵粉粒徑為38 μm，鐵粉與金剛石的質(zhì)量比為4∶1，經(jīng)篩分獲得粒徑范圍為90～180，62～90，45～62 μm的金剛石磁性磨料為本次試驗所用磨料。設計對比試驗，比較不同加工間隙下彈性磁極磨頭的彈性和仿形特性對加工效果的影響；采用單因素試驗方法，探索彈性磁極磨頭加工TC4鈦合金的過程中，主軸轉速、進給速度、磨料粒度等工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響，加工過程中需添加油性研磨液。每加工2 min 隨機選取鈦合金表面6 處測量，取其平均值作為表面粗糙度值。具體試驗工藝參數(shù)如表1所示。

圖4 金剛石磁性磨料Fig.4 Diamond magnetic abrasive

表1 試驗條件Tab.1 Experimental conditions

2.2 試驗裝置

磁力研磨試驗裝置如圖5所示，磁力研磨裝置是使用無級調(diào)速導軌固定在立式鉆床Z5125 上改造而成。彈性磁極磨頭主要由鋁合金固定基座、圓柱形磁極，聚氨酯彈性層3 部分組成。鋁合金固定基座上端是直徑為10 mm 的刀柄，用于裝夾；下端是直徑為25 mm，高為8 mm 的圓柱；底部開槽放置聚氨酯彈性層，7 個磁極交替排布在聚氨酯彈性層內(nèi)。作為對比的普通磁極磨頭的永磁體直接安裝在鋁合金基座中。試驗中保持其他條件相同，選擇尺寸為50 mm × 50 mm × 1 mm的TC4鈦合金板作為試驗研究對象，為后續(xù)大扭曲度葉片的磁力研磨加工提供參數(shù)設計指導。試驗前使用砂紙打磨鈦合金至平均表面粗糙度Ra為0.350 μm。研磨用磁極磨頭裝夾在鉆床主軸上，待研磨的TC4鈦合金工件固定在導軌上，通過鉆床的調(diào)節(jié)手輪調(diào)整，以保持恒定的加工間隙。

圖5 磁力研磨裝置Fig.5 Magnetic grinding device

3 結果與討論

3.1 聚氨酯彈性層對加工工件表面質(zhì)量的影響

試驗中選擇相同工藝參數(shù)的彈性磁極磨頭與普通磁極磨頭進行磁力研磨試驗，加工間隙選擇2.0 mm，轉速選擇800 r/min，磨料粒徑范圍為62～90 μm，進給速度為10 mm/min。圖6 為加工前后鈦合金工件的實物對比圖。圖6a 為原始表面，未達到鏡面效果；圖6b 相比圖6a 較為光亮，但倒影顯示仍不清晰；圖6c 則達到鏡面效果，倒影顯示清晰，工件的表面質(zhì)量得到較大改善。

圖6 不同磁極磨頭加工前后實物表面對比Fig.6 Surface comparison of different magnetic pole grinding heads before and after machining

圖7 為放大400 倍后的工件加工前后的表面微觀形貌。圖7a 中原始表面有比較明顯的劃痕、凸起和凹坑。圖7b 為普通磁極磨頭磁力研磨12 min 后的加工效果，可以看到此時原始表面存在的劃痕和凹坑已被大量去除，但仍存在深淺不一的劃痕和較小的凹坑，經(jīng)分析是普通磁極磨頭缺乏彈性致使磨料流動性差、擠壓堆疊、翻滾更新困難和磨粒切深差異大造成的。切深小會造成低沉處的材料去除略顯不足，切深大會產(chǎn)生新的劃痕，加工表面的均勻性較差。圖7c 為彈性磁極磨頭磁力研磨12 min 后的鈦合金表面，可以看到初始表面存在的劃痕和凹坑得到了較好的去除，且未產(chǎn)生明顯的新的劃痕，加工后表面沒有明顯缺陷且紋理致密，表面質(zhì)量較好。與無彈性普通磁極磨頭加工后的微觀形貌對比分析得出：聚氨酯彈性層的彈性形變和仿形特性可減小磨粒的切深差異，磨料流動性好，得到的工件表面質(zhì)量優(yōu)于普通磁極磨頭的，驗證了聚氨酯彈性層對加工表面質(zhì)量的提升作用。

圖7 TC4鈦合金磁力研磨前后表面微觀形貌Fig.7 Surface morphology of TC4 titanium alloy before and after finishing

3.2 不同加工間隙下2 種磁極磨頭的研磨性能對比

圖8所示為2 種磁極磨頭在轉速為800 r/min，磨料粒徑范圍為62～90 μm，進給速度為10 mm/min，3 種不同加工間隙（1.5，2.0，2.5 mm）下磁力研磨后的TC4鈦合金的表面粗糙度隨時間變化的曲線。從圖8 中可以明顯看出：加工12 min 后，普通磁極磨頭在3 種加工間隙下得到的最終表面粗糙度分別為0.102，0.069，0.103 μm，隨著加工間隙的不斷減小，普通磁極磨頭加工后的表面粗糙度會出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象。分析原因是隨著加工間隙減小，研磨壓力增大，磨粒切削力增大，此時研磨效率提升，表面粗糙度下降明顯；但加工間隙過小會造成磨料流動性差，翻滾更新困難，磨粒切削深度不一，在已加工表面形成新的劃痕和凹坑。與之相比，在3 種不同加工間隙下彈性磁極磨頭加工效果均較好，隨著加工不斷進行，表面粗糙度逐漸降低，直至趨于穩(wěn)定，且不會出現(xiàn)新的劃痕和凹坑。使用彈性磁極磨頭在3 種加工間隙下加工12 min 后，鈦合金的表面粗糙度Ra分別降至0.055，0.048，0.080 μm，與普通磁極磨頭加工相比，該方法減小了間隙差異對鈦合金表面粗糙度的影響，實現(xiàn)了鈦合金表面的精密光整加工。

圖8 不同加工間隙下表面粗糙度隨時間的變化Fig.8 Changes of surface roughness with time under different machining clearance

3.3 主軸轉速對工件表面粗糙度的影響

圖9所示為不同主軸轉速下表面粗糙度隨時間變化的曲線。從圖9 中可以看出：使用彈性磁極磨頭，加工間隙為2.0 mm，磨料粒徑為75 μm，進給速度為10 mm/min 的情況下，經(jīng)過12 min的研磨后，主軸轉速為500、800、1 250 r/min 的條件下得到的最終穩(wěn)定的表面粗糙度Ra分別為0.054，0.042，0.059 μm，主軸轉速為800 r/min 時的工件表面質(zhì)量最好。主軸轉速為500 r/min 時，在相同的進給速度下，磨料相對工件表面的運動軌跡密度較低，故加工效率低且表面粗糙度高；主軸轉速為1 250 r/min 時，理論上磨料相對工件表面的運動軌跡密度較高，工件表面粗糙度大幅降低，但過高轉速使得加工區(qū)域的磨料受到較大的離心力，磁場力對磨料的束縛被削弱，磨料沿著主軸旋轉的切線方向移動，難以保證穩(wěn)定的切削狀態(tài)。

圖9 不同主軸轉速下表面粗糙度隨時間的變化曲線Fig.9 Variation curves of surface roughness with time at different spindle speeds

3.4 進給速度對工件表面粗糙度的影響

選擇使用彈性磁極磨頭，加工間隙選擇2.0 mm，轉速選擇800 r/min，磨料粒徑范圍為62～90 μm，進給速度見表1。圖10 是不同進給速度下加工工件表面粗糙度隨時間的變化。在試驗開始的前2 min，3 種進給速度下的加工效率都較高，表面粗糙度Ra很快下降到0.100 μm 左右，后下降趨緩。經(jīng)過12 min 的研磨后，工件表面粗糙度Ra分別降低至0.039，0.048，0.050 μm，進給速度為5 mm/min 時的研磨加工效果最好。因為進給速度越小，金剛石磁性磨料與工件表面的接觸時間越長，鈦合金表面金剛石磨粒的軌跡密度越大，加工效果越好，工件表面粗糙度低，但加工效率會有所下降。

圖10 不同進給速度下表面粗糙度隨時間的變化曲線Fig.10 Variation curve of surface roughness with time under different feed speed

3.5 磨料粒徑對工件表面粗糙度的影響

磁性磨料的粒徑見表1，其他參數(shù)選擇:主軸轉速為800 r/min，進給速度為10 mm/min，加工間隙為2.0 mm。圖11 為不同磨料粒徑條件下，加工工件表面粗糙度隨時間的變化規(guī)律。90～180 μm 范圍的磨料粒徑較大，由于加工間隙相同，磨粒粒徑大，其相對磁導率較高，對工件表面的研磨壓力較大，導致磨粒劃擦工件表面的痕跡過于明顯，研磨后工件表面質(zhì)量較差。磨料粒徑范圍為45～62 μm時，磨粒體積較小，包覆在鐵粉表面的金剛石磨粒數(shù)量較少，磁性磨粒的切削能力下降，加工效率低，加工后表面質(zhì)量也不理想。磨料粒徑范圍為62～90 μm 時，加工效果最好，研磨后工件表面粗糙度Ra可降至0.048 μm。

圖11 不同磨料粒徑范圍下表面粗糙度隨時間的變化曲線Fig.11 Variation curve of surface roughness with time under different abrasive particle sizes

4 結論

（1）相比于普通磁極磨頭，彈性磁極磨頭的彈性變形及仿形特性作為保持磨粒切深等高性的緩沖層，能夠有效減少因加工間隙差異引起的磨料流動性差、翻滾更新困難及因磁場差異吸附磨料厚度不均對工件表面粗糙度的影響，加工后表面質(zhì)量較好。

（2）磁極交替對稱排列形成的磁通回路較多，且磁場梯度變化明顯，能較均勻地吸附磁性磨料，仿真與試驗結果均表明磁場強度和磁場強度梯度符合磁力研磨加工的磁場要求。

（3）使用彈性磁極磨頭，在主軸轉速為800 r/min，加工間隙為2.0 mm，進給速度為5 mm/min，磨料粒徑范圍為62～90 μm 的試驗條件下，磁力研磨加工效果較好，經(jīng)過12 min 的研磨加工，TC4鈦合金的表面粗糙度Ra從最初的0.350 μm 降至0.039 μm，表面粗糙度下降了89%。

（4）經(jīng)過彈性磁極磨頭磁力研磨加工后，TC4鈦合金表面的凸起和劃痕被有效去除，得到了較為光整的表面。