超声波辅助磁力研磨整体叶盘试验研究

超声波辅助磁力研磨整体叶盘试验研究
于克强*，周锟，陈燕
（辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁鞍山114051）
摘要：针对航空发动机整体叶盘结构复杂和材料难以加工的特性，在磁力研磨技术的基础上引入超声波作为辅助手段。

磁性磨粒在磁场力和振动冲击产生的超声脉冲压力的复合作用下，加大了对叶盘表面纹理的去除。

结果显示：加工前叶盘表面粗糙度值为R a1.38µm，单纯磁力研磨后表面粗糙度值降至R a0.52µm，超声波辅助磁力研磨后表面粗糙度值降至R a0.18µm。

通过电镜观测叶盘表面形貌，纹理基本去除，表面更加细密、均匀。

关键词：整体叶盘；磁力研磨；超声波；磁性磨粒
中图分类号：TH161文献标识码：A
Experimental Study on Blisk by Ultrasonic Vibration Assisted
MAF
YU Keqiang*，ZHOU Kun，CHEN Yan
（School of Mechanical Engineering and Automation，University of Science&Technology Liaoning，
Anshan114051，China）
Abstract：In view of the characteristics of aero engine blisk such as complicated structure and difficult to processing，the ultrasonic wave was introduced as an auxiliary method on the basis of magnetic abrasive finishing（MAF）technology.Under the combined action of the magnetic field force and the ultrasonic pulse pressure generated by the axial vibration impact on the magnetic abrasive，the removal amount of the surface texture of the blisk was increased.The results showed that surface roughness value was reduced from R a1.38µm to R a0.52µm by pure MAF and R a1.38µm to R a0.18µm by compound processing.By observing the surface topography of the blisk by electron microscope，the surface texture was completely removed and the surface became more fine and even.
Keywords：blisk；magnetic abrasive finishing；ultrasonic wave；magnetic abrasive
随着航空航天技术的高速发展，整体叶盘在航空发动机中的应用越来越广泛。

整体叶盘的形状和结构比较复杂，对铣削后整体叶盘进行进一步高质高效的精密加工处理显得极为必要和紧迫。

各类新型精加工方式随之产生，主要包括电解抛光、超声波振动抛光、电火花抛光、磨料流抛光、磁力研磨抛光。

国内近年来在整体叶盘精密处理领域也获得很多进展。

陈燕等［1］使用径向磁极磁力研磨
doi：10.3969/j.issn.1001⁃3849.2020.07.009
收稿日期：2019-11-21修回日期：2020-03-08通信作者：于克强，*************
基金项目：辽宁省教育厅项目（2016HZZD02）
工艺对航空发动机整体叶盘表面处理进行了探索；赵路等［2］对整体叶盘磨粒流加工仿真进行了试验研究；李云霞等［3］研发了整体叶盘专用砂布轮5轴数控抛光机床；杨维学［4］使用高压磨料水射流方式提高了整体叶盘的加工效率；谭悦等［5］采用电解-磁力复合工艺改善了整体叶盘表面质量。

各种方法各有优缺点：磁力研磨效率较低；磨粒流抛光难以保证整体叶盘锐边对倒角的要求；专用机床和高压水射流适应范围受限；电解抛光装置成本高、产物处理复杂且有污染。

磁力研磨工艺作为一种新型的精加工方法，可以实现对复杂曲面、微小槽孔、复杂型腔、各类管件等复杂结构零件的光整处理，加工质量较高。

但对
钛镍合金等难加工材料加工效果有限，需进一步完善。

超声波辅助磁力研磨加工技术近年来得到了一定研究，包括对SUS304不锈钢板、45钢板、钛合金内管、薄壁细长管、钛合金椎孔、Inconel718镍基合金板等采用超声波辅助磁力研磨方式开展的探索［6-13］。

通过引入超声波振动加工技术，形成超声波辅助磁力研磨复合加工技术，可进一步提高整体叶盘的抛光质量。

1超声波磁力研磨装置
图1是超声波磁力研磨装置简图。

超声波磁力研磨装置包括超声波发生系统、磁力研磨系统、传动系统、回转工作台系统和机械手系统组成。

超声波发生系统是由超声波发生器、压电换能器、换能器外罩、集电环、变幅杆和弹性筒夹等组成；磁力研磨系统包括径向充磁磁极和磁性磨粒；传动系统是用调速电机通过软轴将动力传递到机械手端部，用锥齿轮改变传动方向将动力传递给超声波磁力研磨装置；回转工作台系统采用精密自动回转工作台，可以实现固定角度的自动回转；机械手系统包括机械手和控制系统，其中控制系统包括控制柜、操作屏和计算机，可完成数控程序的建模、代码编制、调试和运行。

该装置的工作原理是将磁极固定在超声波装置上。

超声波装置安装在机械手前端，配合电机软轴驱动实现旋转与超声波振动的复合运动，实现对整体叶盘表面的研磨加工。

为验证超声波磁力研磨技术对提高整体叶盘零件光整加工可行性，对镍基高温合金整体叶盘进行研磨抛光实验。

超声波磁力研磨装置是在图2（a）原始装置的基础上改进得到的，引入图2（b）超声波振动器和图2（c）超声波发生器两部分。

实验时将叶盘定位后安装在工作台上，超声波磁力研磨装置与电机软轴输出轴相连，磁极固定在超声振动装置上，调整磁极与叶盘表面间隙，将磨粒与研磨
液均匀混合后添加到间隙中。

图1超声波磁力研磨装置简图
Fig.1Diagram of ultrasonic magnetic abrasive finishing
device
（a）
超声波磁力研磨原始装置
（b）
超声波振动器（c）超声波发生器
图2超声波磁力研磨设备
Fig.2Ultrasonic magnetic abrasive finishing devices
2超声波磁力研磨机理
图3所示是实验采用的轴向振动形式的研磨
加工示意图。

磁极在电机软轴带动下吸附磁性磨粒做回转运动，磨粒在工件表面频繁翻滚、更替、撞击。

同时在磁极回转的轴向附加高频振动，增强磨粒的研磨效果。

图4所示Δ1为单纯磁力研磨时磁性磨粒的切深大小，Δ2为超声波磁力研磨时磁性磨粒的切深大小。

比较可知加入超声振动后磁性磨料的切深明显增大，这是由于瞬时脉冲压力P 加剧了磁性磨料压入工件表面的数量和深度，从而增大了工件表面的材料去除率。

磁粒刷受到磁极吸引而产生的回转运动可以促使作用在工件表面的磨料频繁翻滚、更替、击打工件表面，伴随磁粒自锐性而产生持续
磨削效果。

3
超声波磁力研磨实验
3.1
实验条件
本实验所抛光零件为镍基高温合金曲面零件，
所用磁极由铷铁硼强磁性材料制成，所用磨料为白刚玉磁性磨粒，由铁磁相（铁粉）与磨粒相（氧化铝或碳化硅）经混和、压坯、干燥、烧结、破碎、筛分各工序得到。

具体加工参数如表1所示。

用广州市广精精密仪器有限公司出产的JB -
8E 触针式表面粗糙度测量仪测量叶盘表面粗糙度值；用日本基恩士出品的VHX -500F 超景深3D 电镜观测叶盘表面形貌。

将测得的数据与初始数据
进行对比并分析。

3.2结果与分析
考虑到超声波加工对合金加工的效率相对较
低和整体加工的充分性，实验加工时间采用60min 。

用3D 超景深电镜测取研磨前、单纯磁力研磨60min 、超声波磁力研磨60min 后叶盘的表面形貌进行对比，如图5所示。

叶盘在铣削过程中，因刀具与叶盘间的挤压、摩擦、切削等作用，同时伴随着机床的轻微振动，会导致叶盘表层材料产生温升和变形。

机床铣刀的多重刀轨相互叠加造成重复、有规律的变形进而在叶盘表面形成加工纹理，如图5（a ）所示是叶盘铣削后经显微镜100倍放大的表面形貌图。

从图中可以看出叶盘表面不仅产生了大量鳞片状突起，而且这些鳞片状突起相互叠加形成了有规律的波峰与波谷，从叶片的整体形貌来看表现为加工纹理，
表
图3
轴向振动研磨示意图
Fig.3
Axial vibration finishing
schematic
图4
单个磁性磨粒运动示意图Fig.4
Motion schematic diagram of individual magnet⁃
ic abrasive particle
表1
实验参数
Tab.1Experimental condition
名称工件材质
主轴转速/（r∙min -1）超声波频率/kHz
研磨料/g 研磨液/mL 加工间隙/mm 加工时间/min 加工面积/mm 2
参数整体叶盘
镍基高温合金（GH4169）
120016
白刚玉磁性磨粒（40目）10
油基研磨液5
1～2602400
面质量比较差；图5（b ）是单纯磁力研磨60min 后的表面形貌。

利用磁力研磨自身的尖点效应，叶盘表面突起会被优先去除，使加工纹理中的波峰与波谷的高度差减小，因此从图中看出磁力研磨后表面质量比研磨前显著提高。

但由于磨粒在研磨过程中运动轨迹有规律，所以会出现规律性的螺旋线加工纹理，表面质量仍不十分理想；图5（c ）是用超声波磁力研磨法对叶盘表面处理后的形貌，研磨加工60min 后对比图5（b ）发现叶盘表面纹理被全部去
除，叶盘表面质量细密且均匀。

引入超声辅助振动后的磁力研磨相对于单纯的磁力研磨，其磨削力不仅有磁场力，还有轴向振动冲击产生的超声脉冲压力。

此时，磁性磨粒会对叶盘表面产生复合效应，即切向切削效应和法向冲击效应。

当磁性磨粒位于加工纹理波峰处，超声波高频振动挤压将其压入叶盘表面。

相对单纯磁力研磨加工，该方法使磨粒与加工纹理波峰的作用时间延长，去除率也更高，工件表面质量更加均匀。

图6为工件研磨加工60min 前后表面粗糙度值变化情况。

从图6（a ）可以看出叶盘铣削后加工面纹理清晰，表面粗糙度值R a 曲线波动较大；图6（b ）为单纯磁力研磨后叶盘表面纹理状况，对比6（a ）图发现R a 曲线的波动有所减弱，平均振幅减小
但仍存在较明显的波峰波谷；对比图6（b ）和图6（c ）发现，经超声波磁力研磨加工后，表面粗糙度值R a 曲线的波动情况得到大幅改善，叶盘表面加工纹理更浅，叶盘研磨表面质量更高。

经测量得到：加工前叶盘表面粗糙度值为R a 1.38µm ，单纯磁力研磨后表面粗糙度值降至R a 0.52µm ，叶盘经超声波磁力研磨加工后表面粗糙度值降至R a 0.18µm ，下降幅度较大。

单纯磁力研磨与超声波磁力研磨粗糙度值的不同，是由于加工过程中研磨压力大小的不同。

用测力仪分别检测加工间隙中的研磨压力值，单纯磁力研磨的平均研磨压力大小为0.25N ，超声波磁力研磨的平均研磨压力大小为0.36N 。

图6（b ）中粗糙度值的减小仅靠沿表面水平方向的磨削作用完成，研磨压力小；图6（c ）中不仅有沿水平方向的磨削作用，而且有沿竖直方向的高频振动，研磨压力
急剧增大。

（a ）
加工前（c ）
超声波磁力研磨后
（b ）磁力研磨
图5
叶盘表面形貌前后对比
Fig.5
Blisk surface topography comparison before and
after
finishing
（a ）
磨削前
（b ）
单纯磁力研磨
（c ）超声波磁力研磨图6
研磨前后叶盘表面粗糙度值对比Fig.6
Comparisons of surface roughness before and af⁃
ter abrasive finishing
4结论
（1）通过3D超景深显微镜观测，采用超声波辅助磁力研磨方法能够明显改善航空发动机整体叶盘的表面形貌，叶盘表面更细密、均匀。

（2）相比单纯的磁力研磨，超声波辅助磁力研磨得到的表面粗糙度值更佳。

（3）造成单纯磁力研磨与超声波磁力研磨粗糙度值的不同是由于加工过程中研磨压力大小的增大。

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