电解磁力复合加工对磁性磨粒性能的影响

康 璐， 陈 燕， 钱之坤， 杜兆伟， 韩 冰

(辽宁科技大学 机械工程与自动化学院， 辽宁 鞍山 114051)

镍基高温合金具有耐高温、比强度高等优异性能，大量应用于航空、航天等领域的关键零部件生产上[1-2]。航空航天领域的高温、高压工作环境对零部件结构和表面质量有很高要求，只有通过精密加工来实现[3]。传统的磁力研磨法精密抛光是依靠磁力将刚性磁粒刷压在工件上，当两者发生相对运动时，磁刷会在磁力、摩擦力和离心力的带动下划擦工件，完成对工件表面的微量去除，实现工件的研磨抛光[4-5]。

在磁力研磨中，集导磁性能和研磨性能于一体的磁性磨粒决定着研磨质量，它主要由铁基相与研磨相通过烧结等方式复合而成。铁基相被磁化后提供研磨压力，研磨相凭借其锋利的切削刃完成对工件表面的研磨[6-7]。面对材质较硬且切削加工性能较差的工件时，在加工过程中，磁性磨粒切削刃(研磨相)会因冲击反作用力而破损脱落，脱落的研磨相在离心力的作用下飞离工作区域，使具备研磨作用的粒子数量减少，研磨效率下降，必须更换或再添加磁性磨料[8-9]。为了解决磁性磨料研磨寿命这一难题，我们提出磁力研磨与电化学相结合的方式，利用电化学阳极的溶解物与镍基高温合金工件表面反应生成质软的钝化层[10]，再借助磁力研磨将钝化层去除，降低研磨难度，延长磁性磨粒的使用寿命。

1 磁性磨粒的失效原因

图1为磁性磨粒失效示意图。镍基高温合金相对切削系数为0.08 ～ 0.20，属于典型的难加工材料；且由于高含量的金属化合物和硬质点的存在，经过铣削后，其表面的硬化程度增大2倍多，较好的韧性使得研磨过程中断屑困难[11]。所以，单纯磁力研磨时，磁性磨粒将会承受较大的研磨阻力，在研磨阻力的冲击下切削刃将会发生崩断，如图1b所示。此外，镍基高温合金中存在点阵常数类似于氧化铝的合金氧化物(如Al、Cr、Ti、Co等金属的氧化物)，当磁性磨粒接触到工件表层这类氧化物时，易发生黏附，磁性磨粒附着在工件表面，而不能团聚成刚性磁粒刷，无法对工件表面进行有效的研磨。再者，镍基高温合金较低的导热系数和较差的导热性，使切削刃尖端集聚大量的热而无法散出[12]。加上复合磁性磨料中各粒子的物理、化学性能差异导致结合强度不高，当磁性磨粒处于高热集聚的环境中，研磨相易脱落，如图1c所示，导致切削刃数量减少，磁性磨粒的研磨能力降低。

2 电解-磁力复合研磨机理及试验分析

图2为电解-磁力复合研磨加工原理图。将直流电源正负极分别与工件和石墨电极相连，构成电解的阳极和阴极。工件由连杆装夹固定，夹具将磁极固定在机床主轴上，在磁极和工件相距1～2 mm的间隙内填入磁性磨粒。加工时，主轴电机启动并带动磁极旋转，同时工作台完成水平移动；启动蠕动泵，电解液途经连杆与电极之间的中空孔后，按照设定的时间周期滴落在电极和工件之间的间隙中；直流电源控制电解进程，电解液中的阳离子与工件表面阴离子结合反应生成软质钝化膜；几十秒后，平移的工作台将钝化后的工件送至磁极下，利用刚性磁刷完成对钝化膜的去除。在电化学溶解—生成钝化膜—磁粒刷刮除钝化膜的循环加工下，工件表面毛刺、微裂纹等缺陷均被去除，其表面纹理细密、均匀，达到研磨抛光的效果。

(a)正常磨削

(b)研磨相破碎

(c)研磨相脱落

图2 电解-磁力复合加工原理图

为研究不同工艺对磁性磨粒寿命的影响，在表1所示的试验条件下，选用烧结法制备的Al2O3-Fe磁性磨粒对镍基高温合金表面加工10 min，分别采集原始磁性磨粒、单纯磁力研磨工艺和电解-磁力复合加工工艺对镍基高温合金加工后的磁性磨粒残渣，能谱分析研磨前后磁性磨粒的元素及含量(半定量)，分析结果如图3所示。

表1 试验条件

(a)原始磁性磨粒能谱图

(b)单纯磁力研磨后磁性磨粒能谱图

(c) 复合加工后磁性磨粒能谱图

图3磁性磨粒能谱图

从图3可知：经研磨加工后，磁性磨粒均发生铁含量升高、铝含量降低的现象。由图3b可知：单纯磁力研磨加工后，磁性磨粒中的铝的相对质量分数由27.60%降至13.38%。这是由于高温镍基合金为硬质材料，当磁性磨粒作用其表面时，磁性磨粒受到较大的剪切反作用力，使得切削刃断裂的同时降低了结合处强度，导致研磨相脱落，在离心力的作用下飞离出工作区域，使磁性磨粒中研磨相Al2O3含量大幅度减少，所以铝的质量分数降低。

由图3c可知：电解-磁力复合研磨加工后，磁性磨粒中铝的质量分数由27.60%仅降至23.48%，铝的质量分数下降幅度比单纯磁力研磨小。这是因为在电解-磁力复合加工工艺中，磁性磨粒主要参与软质钝化膜的去除，受到的剪切反作用力较小，崩损的切削刃数量较少，铁基相与研磨相之间的结合强度保持较好的状态，研磨相(Al2O3)几乎不发生脱落，工作区域的磁性磨粒损失较少，所以铝含量变化不大。

利用3D超景深电子显微镜观察工件研磨前后的表面形貌变化以进一步评价磁性磨粒的研磨性能，结果如图4所示。从图4可知：原始工件表面加工纹理较明显，其凸起、凹坑较多，致使高度差较大；利用单纯磁力研磨加工10 min后，工件表面凹坑等表面缺陷得到了少许改善，表面高度差从33.1 μm降至16.0 μm，但表面较深的铣削沟痕仍然存在。在电解-磁力复合加工10 min后，工件表面的尖角凸起、凹坑和加工纹理都得到了较强的去除，工件表面更加细密、均匀，工件表面最大高度差从33.1 μm降低至8.5 μm，工件表面质量和均匀性得到提高。

(a)工件原始表面形貌

(b)单纯磁力研磨加工后

(c)电解-磁力复合加工后

3 结论

(1)电化学作用可以有效地使硬质材料表面产生较软的钝化膜，降低了磁性磨粒的剪切力，有利于磁力研磨对工件表面缺陷的高效去除，保证了加工质量。

(2)单纯的磁力研磨加工后磁性磨粒中铝相对质量分数由27.60%降至13.38%；电解-磁力复合加工后磁性磨粒中铝的相对质量分数由27.60%仅降至23.48%。电解-磁力复合加工有效地降低了磁性磨粒中研磨相成分的损失，保证了磁性磨粒的完整性，延缓其失效率，提高了磁性磨粒的利用率和使用寿命，使工件表面形貌更加细密、均匀。

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