譚悅，陳燕*，曾加恒，許召寬

（遼寧科技大學機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051）

電解–磁力復合研磨對TA18管內表面光整加工

譚悅，陳燕*，曾加恒，許召寬

（遼寧科技大學機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051）

采用電解–磁力復合研磨技術對TA18鈦合金管內表面進行加工，研究了電解電壓和磁性研磨粒子粒徑對表面加工質量和加工效率的影響。結果表明，當在電解電壓9 V下采用粒徑為185 μm的磁性研磨粒子對TA18管內表面研磨50 min時，研磨效果最好，工件表面均勻、平整，表面粗糙度Ra從原始的1.60 μm降至研磨后的0.13 μm。

鈦合金管；內表面；磁力研磨；電解；表面粗糙度；加工效率

鈦合金管具有耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等優(yōu)點，被廣泛運用于制造航空航天、水下潛艇等領域的核心零部件，例如整體葉盤、深潛器等[1]。鈦合金管內表面凹凸不平會造成氣體或液體在鈦合金管內部的壓力和流速不均而產生喘振現(xiàn)象。因此對鈦合金管內表面進行精密研磨拋光具有重要的意義。但鈦合金是典型的難加工材料，運用傳統(tǒng)的研磨加工方法難以滿足精密研磨拋光的要求，尤其是一些小直徑鈦合金管內表面根本無法加工。針對這一技術難題，國內外學者做了大量研究。焦佳能等[2]采用磨粒流工藝對鈦合金進行加工，取得較好的效果，但此方法磨粒受流速和壓力的影響較大，易出現(xiàn)加工不均勻的現(xiàn)象。辛磊等[3]采用自行設計的旋轉永磁場研磨裝置對鈦合金管內表面進行研磨，取得較好的光整效果。但由于鈦合金硬度高，利用磁力研磨工藝加工時磨削難度大，加工效率低[4]。本課題組曾采用球形磁鐵輔助研磨彎管內表面，不但可以提高研磨效率，且球形磁鐵能夠順利通過彎曲處，但對于較大的管內表面而言，球形磁鐵形成的磁場強度增大的面積較小，對加工效率的提高不明顯[5]。本文采用電解–磁力復合研磨法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磁力研磨，對鈦合金管內表面進行精密研磨拋光。電解–磁力復合研磨加工工藝是先利用電化學陽極溶解的作用，使工件表面生成硬度比工件低很多的鈍化膜，再利用磁力研磨在研磨間隙不斷翻滾、擠壓、變形和摩擦的作用[6]，對鈍化膜進行微量去除。整個加工過程中，工件經歷“電化學腐蝕→磁力研磨→電化學腐蝕→磁力研磨”的循環(huán)作用，從而實現(xiàn)表面光整加工。該法不僅保持了電解和磁力研磨的優(yōu)勢，研磨效率高，而且對工件的適應性強，對工件表面造成的機械損傷也少，磨料使用壽命長。

1 實驗

1. 1 電解–磁力復合研磨裝置

圖1示出了電解–磁力復合研磨加工鈦合金管內表面示意圖，圖2為加工現(xiàn)場實物照片。

圖1 電解–磁力復合研磨加工鈦合金管內表面的示意圖Figure1 Schematic diagram showing how to finish the inner surface of titanium alloy pipe by electrolytic–magnetic composite grinding

圖2 電解–磁力復合研磨加工鈦合金內表面試驗裝置Figure2 Test device for machining of inner surface of titanium alloy pipe by electrolytic–magnetic composite grinding

工件通過碳刷連接直流電源的正極作為陽極，銅棒連接電源的負極作為陰極。在加工過程中，電解液通過蠕動泵抽取并填充在加工間隙中，使工件內表面發(fā)生電解反應，且工件由車床帶動作軸向旋轉，有助于對電解液進行攪拌。由于鈦合金管為非導磁性工件，因此其內部放置吸附磁性磨粒的V型輔助磁極，與外部磁極構成磁回路，從而增大了加工區(qū)域的磁感應強度；吸附在V型輔助磁極兩極的磁性磨粒沿磁力線方向排列，形成具有一定剛性的磁力刷，壓附在鈦合金管內表面，隨工件的高速旋轉和外部磁極沿鈦合金管軸向往復進給，磁性磨粒在鈦合金管內表面進行微量摩擦、刻劃，實現(xiàn)對鈦合金管內表面的電解–磁力復合研磨加工[7-8]。

1. 2 電解–磁力復合加工工藝

鈦合金管的材質為TA18，外徑40 mm，內徑34 mm，長90 mm。具體工藝條件為：主軸轉速1 000 r/min，進給速率2 mm/s，陰極銅棒與管內表面間隙為1 mm，V型輔助磁極與管內表面間隙為2 mm，外部磁極與管的間隙為15 mm，V型輔助磁極和外部磁極均為NdFeB永磁極。使用的電解液為16%的NaNO3溶液，電解液流速2.5 L/min。所用磨料由平均粒徑200 ~ 250 μm的鐵粉和平均粒徑40 ~ 50 μm的Al2O3按質量比2∶1混合燒結后破碎篩分而成。研磨液為勞力恩SR-9912水溶性研磨液，加工時間均為50 min。

1. 3 電解–磁力復合加工效果的表征

采用廣精JB-08型指針式表面粗糙度儀測量工件的表面粗糙度Ra，每加工10 min測1次，測5個不同的點，取平均值。用上天FA2004精密電子天平(分度值1 mg)測工件的質量，每加工10 min測量1次，按式(1)計算工件的材料去除率?[9]。采用基恩士的VHX-500F型超景深3D顯微鏡觀察工件的表面形貌。采用英國牛津儀器公司的X-MAX50能譜儀對工件進行能譜分析。

2 結果與討論

2. 1 電解電壓對表面粗糙度和材料去除率的影響

按1.2節(jié)的工藝條件，采用粒徑為185 μm的磁性研磨粒子在不同電壓下對TA18管內表面進行加工試驗，結果見圖3。

圖3 不同電解電壓下工件的表面粗糙度和去除率隨加工時間的變化Figure3 Variation of surface roughness and material removal rate of workpiece with processing time under different electrolysis voltages

從圖3可知，隨著電解電壓的升高，工件的表面粗糙度下降，材料去除率增大，表面加工質量顯著改善。當電解電壓為9 V時，加工50 min后表面粗糙度Ra由初始的1.60 μm降至0.14 μm，材料去除率為0.007 g/(g·h)。繼續(xù)增大電解電壓到12 V時，表面粗糙度與電壓為9 V時相比并無太大的變化。由圖3還可看出，前10 min的研磨效率很高，原因是工件原始表面存在許多毛刺和尖點，這些部位優(yōu)先發(fā)生電解反應生成鈍化膜，再經磁性研磨粒子的研磨作用而首先被去除[10]。在加工10 min后，由于尖端效應逐漸減弱，工件表面趨于平整，因此表面粗糙度的下降速率減慢，材料去除率下降。當繼續(xù)增大電解電壓到12 V時，電解生成的鈍化膜厚度增大，使已經研磨加工的工件表面因再次電解鈍化而被破壞，雖然材料去除總量繼續(xù)增大，但表面粗糙度無太大的變化，且造成了資源浪費。因此為保證加工效率和質量，宜選擇電解電壓為9 V。

2. 2 磁性研磨粒子的粒徑對表面粗糙度和材料去除率的影響

設定電解電壓為9 V，其他參數(shù)同1.2，采用不同粒徑的磁性研磨粒子對TA18管內表面進行加工，結果如圖4所示。從圖4可知，隨著磁性研磨粒子粒徑的增大，材料的去除率逐漸上升，在使用粒徑為250 μm的磁性研磨粒子時，材料的去除率最大，但表面粗糙度并非最低(即加工質量并非最優(yōu))。這是因為磨料粒子粒徑增大，導磁力增大，單位時間內與工件表面的接觸壓力就增大，對表面鈍化膜的刻劃次數(shù)就增大，被去除的鈍化膜就越多[11]。然而，在材料去除率增加的同時，粒子對鈦合金管內表面的劃痕也加深，當使用粒徑為150 μm的磁性研磨粒子時，磁力減弱，研磨壓力減小，單個粒子的吃刀量減少，研磨50 min后材料材料去除率僅為0.004 g/(g·h)，表面粗糙度Ra為0.21 μm。綜合考慮表面粗糙度和材料去除率，選用粒徑為185 μm的磁性研磨粒子，研磨50 min后材料去除率為0.005 g/(g·h)，管內表面粗糙度最低，約為0.13 μm。

圖4 采用不同粒徑磁性磨粒研磨時工件的表面粗糙度和材料去除率隨加工時間的變化Figure4 Variation of surface roughness and material removal rate of workpiece with processing time using magnetic–abrasive particles with different sizes

2. 3 表面微裂紋的改善

圖5為工件電解–磁力復合加工前后的表面紋理形貌。如圖5a所示，工件的原始表面為砂輪磨削表面。由于在砂輪磨削加工中，鈦合金表面和砂輪磨粒極易產生由磨削力和磨削溫度共同作用而引起的撕裂、粘附、塑變等現(xiàn)象，導致鈦合金表面有微裂紋和溝壑型劃痕[12]。磨削鈦合金的磨屑主要呈擠裂層疊狀。從圖5b可以看出，電解–磁力復合加工后，TA18管內表面的微裂紋和機械劃痕消失，表面光整。

圖5 電解–磁力復合研磨前后工件的金相形貌Figure5 Metallographic morphology of workpiece before and after electrolytic–magnetic composite grinding

利用3D電子顯微鏡觀察電解–磁力復合研磨加工前后工件的表面形貌變化，結果見圖6。從圖6可知，電解–磁力復合加工前，工件表面存在大量毛刺和溝狀劃痕。從顏色的變化也可以看出其內表面有比較多的波峰和波谷，且波峰與波谷的差值較大，最大高度差為19.9 μm，說明工件原始表面質量較差。電解–磁力復合研磨加工后，工件表面的凹坑、凸起及溝狀劃痕均得到了有效的去除，表面均勻、平整，最大高度差僅為3.9 μm，加工質量極佳。

圖6 電解–磁力復合研磨前后工件的三維形貌Figure6 3D morphology of workpiece before and after electrolytic–magnetic composite grinding

2. 4 電解–磁力復合研磨對工件表面成分的影響

圖7為電解–磁力復合研磨加工前、后工件的EDS分析結果。對比可知，TA18管工件原始表面的鈦含量為99.71%，經電解–磁力復合加工后變?yōu)?8.83%。電解–磁力復合研磨加工前后的表面成分接近，說明電解–磁力復合研磨加工對工件的表面成分無太大影響。

圖7 電解–磁力復合研磨前后工件的EDS分析結果Figure7 Results of EDS analysis of workpiece before and after electrolytic–magnetic composite grinding

3 結論

TA18在電解–磁力復合研磨過程中，由于受磨損輔助鈍化和鈍化輔助磨損的協(xié)同作用，因此在合理的工藝條件下其表面毛刺、劃痕等缺陷可得到有效去除，有利于改善其表面微觀形貌，獲得良好的表面質量。當在電解電壓9 V下采用粒徑為185 μm的磁性研磨粒子對TA18管內表面研磨50 min時，研磨效果最好，工件表面均勻、平整，表面粗糙度Ra從原始的1.60 μm降至0.13 μm。

參考文獻：

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[3] 辛磊, 范文勝. 磁力研磨優(yōu)化鈦合金管內表面光整度試驗研究[J]. 現(xiàn)代礦業(yè), 2015 (2): 168-170.

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[5] 韓冰, 鄧超, 陳燕. 球形磁鐵在彎管內表面磁力研磨中的應用[J]. 摩擦學學報, 2013, 33 (6): 565-570.

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[ 編輯：周新莉 ]

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Finishing and machining of inner surface of TA18 pipe by electrolytic–magnetic composite grinding

TAN Yue,

CHEN Yan*, ZENG Jia-heng, XU Zhao-kuan

The inner surface of TA18 titanium alloy pipe was machined by electrolytic–magnetic composite grinding. The effects of electrolysis voltage and particle size of magnetic abrasive on machining quality and efficiency were studied. The results showed that the grinding effectiveness of inner surface of TA18 pipe is the best after grinding at an electrolysis voltage of 9 V for 50 min using magnetic abrasives with a particle size of 185 μm, as shown from the uniform and smooth surface with a roughness Rabeing reduced from 1.60 μm to 0.13 μm after grinding.

titanium alloy pipe; inner surface; magnetic abrasive finishing; electrolysis; surface roughness; machining efficiency

TG176

A

1004 – 227X (2017) 05 – 0248 – 05

10.19289/j.1004-227x.2017.05.005

2016–12–02

2017–02–10

國家自然科學基金（51105187）。

譚悅（1990–），男，重慶人，在讀碩士研究生，主要研究方向為精密加工技術、表面技術處理。

陳燕，博士，教授，(E-mail) laochen412@gmail.com。

First-author address:School of Mechanica1 Engineering and Automation, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China