Oumar Souleymane A Kiari,姜晨,高睿,張瑞

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，越來(lái)越多的新型材料被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，Inconel 718 合金[1]因具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫等特點(diǎn)[2-3]，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車(chē)等制造業(yè)領(lǐng)域。隨著對(duì)Inconel 718 合金工件表面質(zhì)量要求的不斷提高，如何通過(guò)高效、高精度拋光技術(shù)提升Inconel 718合金表面質(zhì)量是一個(gè)非常重要的研究課題。

磁性復(fù)合流體拋光（Magnetic compound fluid：MCF)是一種極具潛力的表面拋光技術(shù)，它是采用添加了磁性磨粒的復(fù)合流體作為柔性研磨工具，利用磁場(chǎng)進(jìn)行輔助拋光[4]。Wu[5]等人采用MCF 拋光液，并對(duì)其在無(wú)氧銅拋光中的性能進(jìn)行了研究；Kunio Shimada[6]等人研究了磁性團(tuán)簇對(duì)MCF 磁壓力的影響，討論了這種新拋光液的流體動(dòng)力學(xué)特性，通過(guò)顯微鏡觀察拋光過(guò)程中MCF中顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡；Chen Z[7]等人利用MCF 對(duì)太陽(yáng)能晶片進(jìn)行拋光，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太陽(yáng)能晶片的磨削表面在拋光3 min 后Ra 達(dá)到 0.1μm 以?xún)?nèi)；李文妹[8]等人研究不同成分配比下的MCF 對(duì)光學(xué)玻璃的拋光表現(xiàn)。在MCF 各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鐵粉55%、水30%、氧化鈰12%以及α-纖維素3%時(shí)，獲得形狀及穩(wěn)定性最佳的MCF 拋光頭，拋光后表面粗糙度Ra 達(dá)到6.7 nm；Guo H[9]等人研究了光學(xué)玻璃MCF 拋光的壓力、剪切應(yīng)力對(duì)材料去除率的影響；Wang Y[10]等人研究了用MCF對(duì)V 形槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行拋光，調(diào)查了拋光工藝參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)表面粗糙度和形狀誤差的影響；Guo H[11]等人用MCF 對(duì)化學(xué)鍍鎳磷鍍層模具進(jìn)行超細(xì)拋光，將Ni-P 鍍層的平整度從0.2 μ m 提高到0.1 μ m。結(jié)果表明，MCF 拋光適用于軟磁性材料的納米級(jí)拋光；WangY[12]等人利用MCF 對(duì)無(wú)氧銅基板V型槽表面進(jìn)行拋光，將V 型槽的表面粗糙度Ra控制在15～50 nm 范圍內(nèi)。

MCF 具有磁力拋光和磁流變拋光兩者的優(yōu)點(diǎn)。MCF 拋光液中不僅包括毫米級(jí)大小的鐵顆粒，還包括納米級(jí)大小的磁鐵礦顆粒，拋光液按一定混合比將微米級(jí)羰基鐵粉（CIPs）、研磨顆粒和α-纖維素混合到含有納米級(jí)磁鐵礦顆粒的水基MF 中。現(xiàn)有的MCF 拋光技術(shù)涉及到的加工材料或結(jié)構(gòu)包括光學(xué)玻璃、V 型槽表面、R 型槽表面、黃銅H26、不銹鋼、聚合物、陶瓷、無(wú)氧銅和鎳-磷鍍層[13-14]，因此MCF 具有較好的潛力實(shí)現(xiàn)Inconel 718 合金材料表面光整加工。本文主要研究MCF 拋光中的拋光轉(zhuǎn)速、拋光間隙以及拋光時(shí)間等不同工藝參數(shù)對(duì)Inconel 718 合金表面拋光質(zhì)量的影響，并通過(guò)測(cè)量拋光后工件表面粗糙度掌握最佳工藝參數(shù)[15-16]。

1 拋光加工原理及實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

1.1 MCF 拋光原理

MCF 由磁性顆粒、磨料、植物纖維素及基液組成。在外磁場(chǎng)的作用下，MCF 因其中的磁性顆粒沿著磁力線方向分布而形成磁性簇，非磁性磨料顆粒夾雜在磁性簇的內(nèi)部或間隙中，植物纖維素穿插于磁性簇間隙，用于增加MCF 黏度，此時(shí)MCF 呈半固態(tài)。但針對(duì)不同的MCF 拋光方式，由于外磁場(chǎng)分布不同，MCF 內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異。

圖1（a）為立式MCF 拋光裝置示意圖。載液板固定于永磁鐵下方，MCF 拋光液吸附于永磁鐵上，主軸帶動(dòng)永磁鐵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。臥式MCF 拋光裝置示意圖如圖1（b）所示。拋光輪由左右兩片環(huán)形擋板和中間環(huán)形磁鐵組成，軸向均勻磁化的環(huán)形磁鐵繞水平軸旋轉(zhuǎn)(nt)形成動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，當(dāng)一定質(zhì)量MCF 引入拋光頭和工件的工作間隙Δ 時(shí)，MCF 立即鏈化形成磁性簇。如圖1 所示，立式磁場(chǎng)下磁性簇沿著發(fā)散的磁力線方向呈錐形，臥式磁場(chǎng)下磁性簇沿著閉合的磁力線形成鏈條狀。另外，因受磁懸浮力和重力的綜合作用，MCF 中大部分非磁性磨料向下移動(dòng)聚集于MCF 下表面，在動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的作用下，磁性簇做空間鐘擺運(yùn)動(dòng)，其表面的磨料和工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)揮微切削作用，實(shí)現(xiàn)材料去除。

圖1 MCF 拋光工藝的拋光原理Fig.1 Polishing principle of MCF polishing process

1.2 MCF 拋光實(shí)驗(yàn)

MCF 拋光裝置如圖2 所示。拋光輪由左右兩片環(huán)形擋板和中間環(huán)形磁鐵組成，沿Z 軸方向上下移動(dòng)已達(dá)到改變拋光間隙的目的，主軸帶動(dòng)永磁鐵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，MCF拋光液吸附于永磁鐵上，工件固定在XOY 面工作載物臺(tái)上。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental setup

Inconel 718 合金拋光后，為了獲得更好表面形貌以及提高表現(xiàn)粗糙度，本文探究不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)工件拋光的影響。MCF 中磨料顆粒大小是影響拋光效果的一個(gè)重要因素，拋光實(shí)驗(yàn)中采用的拋光液由羰基鐵粉（CIP）、Al2O3、α-纖維素和水組成，每次拋光所用拋光液質(zhì)量為30 g，選用的不同磨料顆粒大小的拋光液配比如表1 所示。

隨后根據(jù)以往拋光實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，依次探究拋光轉(zhuǎn)速、拋光間隙、拋光時(shí)間對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，所選用的MCF 拋光實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

表1 MCF 拋光液配比Tab.1 Composition of MCF slurry

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Al2O3 磨料顆粒對(duì)工件表面的影響

在拋光前，利用金相顯微鏡觀測(cè)3 處未拋光工件表面形貌，如圖3 所示，發(fā)現(xiàn)3 處工件表面均存在大量劃痕。隨后選擇拋光轉(zhuǎn)速為nt=600 r/min，拋光間隙為1 mm，拋光時(shí)間為10 min，基于表1 不同磨粒大小的MCF 拋光液配比進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，所得工件表面形貌分別如圖4—圖7 所示。拋光后工件表面質(zhì)量均得到改善，初始表面的大量劃痕被有效去除。

圖3 拋光前，工件在P0-a-b-c 位置（t=0 min）Fig.3 Workpiece before polishing at position P0-a-b-c (t=0 min)

圖4 P1-a-b-c位置，MCF1拋光，工件（t=10 min，D=3μm）Fig.4 Workpiece under MCF1 polishing at position P1-a-b-c (t=10 min,D=3μm)

圖5 P2-a-b-c 位置，MCF2 拋光后，工件（t=10 min，D=11μm）Fig.5 Workpiece after MCF2 polishing at position P2-a-b-c (t=10 min,D=11μm)

圖6 P3-a-b-c 位置，MCF4 后，工件（t=10 min，D=19μm）Fig.6 Workpiece after MCF4 at position P3-a-b-c (t=10 min,D=19μm)

圖7 P4-a-b-c 位置，MCF4 后，工件（t=10 min，D=48μm）Fig.7 Workpiece after MCF4 at position P4-a-b-c (t=10 min,D=48μm)

隨后測(cè)量不同配比MCF 拋光液拋光后的三處表面粗糙度Ra 數(shù)值，計(jì)算平均值已達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)誤差的目的。如圖8 所示，隨著Al2O3磨料顆粒的增大，工件表面粗糙度數(shù)值也隨之增加，Al2O3磨料顆粒（D=3μm）所得的工件平均表面粗糙度Ra=0.24 μm，可知選用顆粒較小的Al2O3磨料顆粒有助于獲得更好的Inconel718 合金的表面質(zhì)量。

圖8 磨料顆粒Al2O3 和表面粗糙度Ra 的影響Fig.8 Effect of abrasive particles Al2O3 and surface roughness Ra

2.2 拋光轉(zhuǎn)速對(duì)工件表面的影響

根據(jù)上述結(jié)果，選擇Al2O3磨料顆粒為D=4μm，拋光間隙為1 mm，拋光時(shí)間為10 min。針對(duì)不同拋光轉(zhuǎn)速進(jìn)行MCF 拋光實(shí)驗(yàn)，所得工件表面形貌分別如圖9—圖12 所示。發(fā)現(xiàn)拋光轉(zhuǎn)速為nt=200 r/min 時(shí)，拋光后的工件表面仍存在大量劃痕，拋光轉(zhuǎn)速為800 r/min 時(shí)，得到的拋光表面質(zhì)量較好。

同樣計(jì)算不同拋光轉(zhuǎn)速下3 處拋光后工件表面的粗糙度平均值，如圖13 所示。在拋光轉(zhuǎn)速為nt=800 r/min 時(shí)，工件的表面粗糙度平均值Ra=0.11μm。磨粒在800 r/min 下，對(duì)材料的去除主要是塑性去除，不易引起表面損傷和裂紋，因此，容易獲得較好的表面粗糙度。

圖9 P8-a-b-c 位置nt=200 r/min 下，拋光（t=10 min，nt=200 r/min）Fig.9 Polishing under nt=200 r/min at position P8-a-b-c (t=10 min,nt=200 r/min)

圖10 P5-a-b-c 位置nt=400 r/min 下，拋光（t=10 min，nt=400 r/min）Fig.10 Polishing under nt=400 r/min at position P5-a-b-c (t=10 min,nt=400 r/min)

圖11 nt=600 r/min 時(shí)，工件P1-a-b-c（t=10 min，nt=600 r/min）Fig.11 Workpiece under nt=600 r/min at position P1-a-b-c (t=10 min,nt=600 r/min)

圖12 P6-a-b-c 位置，nt=800 r/min 下，工件（t=10 min，nt=800 r/min）Fig.12 Workpiece under nt=800 r/min at position P6-a-b-c (t=10 min,nt=800 r/min)

圖13 表面粗糙度,拋光轉(zhuǎn)速Fig.13 Polishing speed on surface roughness

2.3 拋光間隙對(duì)工件表面的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選擇Al2O3磨料顆粒為D=4μm，拋光轉(zhuǎn)速為nt=800 r/min，拋光時(shí)間為10 min，針對(duì)不同拋光間隙進(jìn)行MCF 拋光實(shí)驗(yàn)。如圖14—圖16 所示，隨著拋光間隙的增加，工件表面光潔度逐漸提高。

圖14 P1-1-2-3（t=10 min,Δ=1 mm）Fig.14 P1-1-2-3 (t=10 min,Δ=1 mm)

圖15 P9-1-2-3（t=10 min，Δ=2 mm）Fig.15 P9-1-2-3 (t=10 min,Δ=2 mm)

圖16 P10-a-b-c（t=10 min,Δ=3 mm）Fig.16 P10-a-b-c (t=10 min,Δ=3 mm)

如圖17 可知，隨著拋光間隙的逐漸增大，工件的表面粗糙度逐漸降低，同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)拋光間隙為1 mm 與拋光間隙為2 mm 的表面粗糙度變化差異不大，但拋光間隙為3 mm 時(shí)，Inconel718 合金的表面粗糙度數(shù)值大幅度降低。

圖17 表面粗糙度間隙Fig.17 Clearance on surface roughness

2.4 拋光時(shí)間對(duì)工件表面的影響

最后，針對(duì)拋光時(shí)間參數(shù)研究時(shí)，所選擇的其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)Al2O3磨料顆粒為D=4μm，拋光轉(zhuǎn)速為nt=800 r/min，拋光間隙為3 mm。拋光后的工件表面形貌如圖18—圖20 所示。可以看出，隨著拋光時(shí)間的增加，工件表面劃痕明顯增加，這是由于隨著拋光時(shí)間的增加，MCF 拋光液中的水分逐漸揮發(fā)，拋光液逐漸失去流動(dòng)性，導(dǎo)致Al2O3磨料顆粒對(duì)工件表面造成大量劃傷。

圖18 P6-a-b-c（t=10 min,nt=800 r/min)Fig.18 P6-a-b-c (t=10 min,nt=800 r/min)

圖19 P11-a-b-c（t=20 min,nt=800 r/min）Fig.19 P11-a-b-c (t=20 min,nt=800 r/min)

圖20 P12-a-b-c（t=30 min,nt=800 r/min）Fig.20 P12-a-b-c (t=30 min,nt=800 r/min)

圖21 表面粗糙度拋光時(shí)間Fig.21 Surface roughness on polishing time

所以，拋光時(shí)間在10 min 下，對(duì)材料的去除主要是塑性去除，不易引起表面損傷和裂紋，因此，容易獲得較好的表面粗糙度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用MCF 拋光技術(shù)，對(duì)Inconel 718 合金進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)研究。研究了MCF 拋光中的拋光液配比、拋光轉(zhuǎn)速、拋光間隙及拋光時(shí)間等不同工藝參數(shù)對(duì)Inconel 718 合金表面拋光質(zhì)量的影響，主要結(jié)論：

（1）采用不同Al2O3磨粒大小的MCF 拋光液進(jìn)行拋光，磨粒大小為3 μm 的拋光液拋光質(zhì)量最好，拋光后工件表面粗糙度值Ra 達(dá)到0.21μm。

（2）研究拋光轉(zhuǎn)速對(duì)拋光質(zhì)量的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)拋光轉(zhuǎn)速nt=800 r/min 時(shí)，拋光后工件表面刮痕少，表面粗糙度Ra 達(dá)到最小值0.11μm。

（3）在Al2O3磨料顆粒的粒度D=3μm，拋光轉(zhuǎn)速為800 r/min，拋光間隙為3 mm 時(shí)，工件表面質(zhì)量隨拋光時(shí)間的增加而提高，當(dāng)拋光時(shí)間為10 min，所獲得的工件表面質(zhì)量最佳。