酸性研磨液对铝合金固结磨料研磨特性的影响

余泽通，王占奎，逄明华，马利杰，苏建修

（河南科技学院 机电学院，河南 新乡 453003）

铝合金材料以其优异的耐腐蚀、 高强质比等特性被广泛用于交通运输、航空航天、建筑及电子等领域［1］，铝合金零件的表面质量对零件性能具有重要的影响。铝合金材料具有低硬度、高弹塑性变形等力学特征， 致使其加工过程中极易粘结或堵塞切削工具，造成加工效率低、表面质量差等问题。 固结磨料研磨技术具有磨粒轨迹可控［2］、材料去除率高［3］、表面质量好［4］及亚表面损伤程度低［5］等优点而被引用于铝合金零件的表面加工中， 目前已有较多的学者对此技术进行了研究。

MANIVANNAN 等［6］采 用 了UV 光 固 化 法 将 亲 水基团聚酯与二氧化铝、金刚石磨料进行了混合固化，制备出具有自修整特性的固结磨料研抛垫， 以硅片和D2 钢为对象进行了化学机械研抛实验，结果发现工件的材料去除率和表面质量均得到了大幅度的提升。 袁巨龙等［7］将磨料、基体及填料粘结在一起，制备出了一种半固结磨料研抛垫， 研究发现此研抛垫可产生“陷阱”效应，研抛时大磨粒会自动退让到基体中，从而既增大了研抛垫与工件的接触面积，又避免了工件表面层材料的划伤， 提高了工件的材料去除率，降低了表面层材料的亚损伤程度。 左敦稳［8］等将含有二氧化硅、 氧化铝纳米磨料的抛光液低温冻结，制备出了冰冻固结磨料研抛垫，以硬脆材料为对象对其研抛机理进行了研究，结果表明，此研抛垫可大大降低研抛界面的温度，进而提高了工件表面的加工质量。 朱永伟等［9］以微细金刚石和氧化铝颗粒为磨料，以亲水性不饱和聚酯为基体，采用热固法制备了亲水性固结磨料研抛垫，对硅片、蓝宝石和尖晶石等硬脆材料的加工机理进行了实验研究， 结果发现，此研抛垫能够得到较高的材料去除率和表面质量。

上述研究为推进固结磨料研磨技术的发展起到了积极的推进作用。 然而，现有研究多集中于固结磨料研抛垫的制备及硬脆性材料的研磨机理方面。 铝合金材料的固结磨料研磨加工方面报道较少， 尤其酸性研磨液对此材料研磨加工的影响鲜有报道。 为此， 本文研究了酸性磨液对铝合金固结磨料研磨特性的影响， 为铝合金研磨加工技术的发展奠定了理论基础。

1 实验设计

1.1 实验样品及步骤

选用飞机、 交通运输及机械装备等领域常用的铝合金材料Al7075-T6 为研究对象。 实验样品规格（长×宽×厚） 为50 mm×50 mm×1 mm 的Al7075-T6铝合金板，化学元素质量含量见表1。

表1 Al7075-T6 材料元素质量含量

抛光机采用沈阳科麦生产的ZYP300 型研磨抛光机（图1），抛光垫为实验室自主开发的W14 型固结磨料研抛垫（FAP），其内部固结了粒度为W14 的金刚石。 实验开展前，先用粒度W50 的金刚石研磨盘将实验样品粗研5 min，要求粗研后实验样品的表面粗糙度值控制在1 μm 左右， 然后采用W14 的固结磨料研磨垫研磨20 min。 实验所用的研磨液类型及浓度如表2 所示，研磨工艺参数如表3 所示。

图1 ZYP300 型研磨抛光机

表2 研磨液类型和成分

表3 研磨工艺参数

1.2 材料去除率计算及表面形貌测量

研磨前后， 分别在精密天平 （Sartorius CP225D型，测量精度0.01 mg）上测量实验样品（以下简称试件）的质量，然后将测量所得质量差值代入公式（1）中计算材料的去除率值（MRR）。

式中，Δm 为研磨前后的工件质量差，ρ 为工件的密度，a 为正方形铝合金试件的宽度，t 为研磨时间。

试件材料去除率计算完成后， 利用RT200 型粗糙度仪对工具表面的粗糙度值进行测量， 然后再利用莱卡DM6000M 型显微镜观察试件表面的微观粗糙形貌。

2 实验结果与分析

2.1 不同研磨液下试件表面材料去除率

去除率是衡量材料加工性能好坏的重要指标，工件材料的去除率大表明零件的加工效率高。 研磨中试件材料的去除是研磨液及磨粒两者综合作用的结果，本实验中研磨颗粒类型及大小都没有改变，试件表面材料去除率的不同仅为研磨液作用效果的差异。 本实验所得铝合金试件表面的材料去除率如图2 所示。

图2 不同研磨液下试样表面材料去除率

研磨液的类型、 浓度及研磨速度均对铝合金试样表面的材料去除率存在影响， 但其影响程度有所差异。 由图2 知，在相同转速和浓度下，冰乙酸研磨液的铝合金试样表面材料去除率明显高于磷酸和乳酸研磨液。对冰乙酸研磨液，在转速为60 r/min和浓度为1%的情况下，试件的MRR 值约为3.27 μm/min。 在相同研磨液类型和研磨盘转速情况下， 冰乙酸及乳酸研磨液的材料去除率均随研磨液浓度的增大（从1%增大到3%）而减小。对磷酸研磨液而言，材料去除率随研磨液浓度的增大（从1%增大到3%）而增大，表明铝合金与磷酸作用生成了更易被去除的化合物。

在相同研磨液类型和浓度情况下， 试件的材料去除率均随转速的提高而上升。 这是因为研磨速度越大，单位时间内参与切削的磨粒数量就越多，铝合金试件表面的材料去除率也就越大。 铝合金试件表面的材料去除机理主要为磨粒的机械作用。同时，对比实验选取因素对试件材料去除率的影响可知，对试件材料去除率影响由强到弱的因素依次为研磨液种类、转速和研磨液浓度。

2.2 不同研磨液下试件表面粗糙度

粗糙形貌是零件表面质量的重要参数之一，对设备性能有着重要的影响。粗糙度Ra 是表面微观形貌的主要量化指标。为此，对不同研磨液下铝合金试样表面的粗糙度进行了测量，如图3 所示。

图3 不同研磨液下试件表面粗糙度

由图3 可以看出，酸性研磨液类型对试件表面的粗糙度有明显影响。 在选取的3 种研磨液中，乳酸研磨液作用下试件表面质量最好，磷酸研磨液作用下试件表面质量最差。 在实验的各种工况中，磷酸研磨液在其浓度为3%、研磨速度为60 r/min 时，其试件表面质量最差，粗糙度约为0.639 μm；乳酸研磨液在其浓度为3%、研磨速度为60 r/min 时，其试件表面质量最好，粗糙度约为0.489 μm。 本实验条件下不同酸性研磨液作用下试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，研磨速度及研磨液浓度对铝合金试件表面的粗糙度也存在影响。在冰乙酸及乳酸研磨液作用下试件的表面粗糙度随研磨液浓度的增大 （从1%增大到3%） 而减小，而磷酸研磨液作用下试件的粗糙度反而增大。

2.3 不同研磨液作用下下试件表面微观形貌

表面形貌为研磨液与磨粒两者综合作用的结果，是研磨液腐蚀后磨粒机械作用在试样表面留下的微观几何形貌的表征，它对了解试件材料的去除机理具有重要的意义。为此，利用莱卡DM6000M 型显微镜观察试件表面的微观形貌，如图4～图6 所示。

图4 磷酸研磨液下试件表面微观形貌

图5 冰乙酸研磨液下试件表面微观形貌

图6 乳酸研磨液下试件表面微观形貌

由图4～图6 可以看出，所测试件表面均存在大量明显的划痕， 表明研磨过程中磨粒的机械作用是材料去除的主导因素。对于磷酸研磨液，当其浓度增大（从1%增大到3%）时，试件表面磨粒划痕的数量明显增多，且其材料的去除率也相应增大，表明试件表面腐蚀后材料的硬度减小了，更易于磨粒切除，故而表面粗糙度增大。 对于冰乙酸及乳酸研磨液，当其浓度增大（从1%增大到3%）时，试件表面磨粒划痕的数量基本不变，划痕宽度略有减小，其材料的去除率也相应减小，表明试件表面材料腐蚀后硬度增大，不易于磨粒切除，在此情况下试件表面的粗糙度降低。

3 研磨机理分析

本研究中3 种酸性研磨液作用下试件表面的材料去除率、粗糙度及表面微观形貌均有所不同，其原因为铝合金材料的化学活性高， 能够与酸性溶液发生化学反应，反应过程如图7 所示。

图7 酸性研磨液下试样表面材料去除机理

不同酸铝合物的物理、力学性能有所差异，造成试件表面材料的硬度不同， 在磨粒机械作用下的材料去除效果不再相同。本研究中磷酸、冰乙酸及乳酸与铝合金反应的产物不同，其硬度、脆性等力学性能存在差异，研磨效果不再相同。冰乙酸研磨液作用下试件表面的材料去除率最大， 乳酸研磨液作用下试件表面的形貌质量最佳。此外，提高磷酸浓度能够降低试件表面硬度， 因此提高磷酸浓度后试件材料的去除率增大，表面磨粒划痕明显，表面质量变差。 而提高冰乙酸及乳酸浓度后试件表面硬度升高，在高浓度冰乙酸及乳酸研磨液作用下材料的去除率降低，表面形貌质量较好。

4 结论

本文研究了酸性研磨液作用下铝合金材料的研磨特性，得到了试件表面材料的去除率、粗糙度及表面微观形貌特性，探讨了研磨液类型、浓度及研磨速度的影响，通过分析得出如下结论。

1） 铝合金材料与酸性溶液产生化学反应时生成不同的酸铝合物，造成其材料的去除率、粗糙度值及表面微观形貌有所不同。 从材料去除角度上讲，冰乙酸的效果最好，从表面质量角度上讲，乳酸的效果最佳。

2）不同种类及浓度酸性研磨液其腐蚀程度与化合产物的硬度、脆性等不相同，在不同条件下试件表面的材料去除率、粗糙质量存在差异。提高磷酸浓度会降低试件表面硬度， 故而材料经腐蚀后其去除率增大，表面质量变差；而提高冰乙酸与乳酸浓度其效果相反。

3）试件表面材料的去除机理主要为磨粒的机械作用， 经磷酸研磨液腐蚀后试件表面的材料硬度减小且更易于磨粒切除， 而经冰乙酸及乳酸研磨液腐蚀后试件材料的硬度增加，不易于磨粒切除。