磁力研磨法去除航空發動機渦輪軸內表面積碳的試驗分析

徐會，康仁科，劉冬冬，陳燕

（1.大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051）

航空發動機渦輪軸是航空發動機低壓渦輪部分的重要組成零件，也是航空發動機主要的傳動部件。航空發動機渦輪軸的結構具有航空發動機大型零部件的共同特點，既有薄壁盤類型部分，也有傳動長軸類型部分。在發動機裝配要求中，對該類零件的表面潔凈度要求較高。航空發動機渦輪軸在高溫環境工作過程中，由于表面質量和毛刺等原因，在渦輪軸內表面流動的燃油容易在內表面生成積碳。積碳的產生，導致燃油內摻雜積碳顆粒物，可能使后續的流道堵塞，造成嚴重影響[1]。因此，需要定期對航空發動機渦輪軸進行拆洗，除去積碳或其他雜質。

目前，研究人員對積碳的機理和去除方法進行了一系列研究。蔣晶等[2]分析了發動機積碳產生的影響與危害問題，介紹了積碳產生機理，提出了高純氫除積碳處理技術及試驗效果。柳熾偉等[3]分析了汽油發動機氣門積碳的成因和積碳形成機理，提出了優化發動機設計和應用中減少積碳生成的措施。王興等[4]分析了汽車發動機氣門桿上積碳的微觀形貌和形成機理，并通過熔鹽清洗對積碳進行了有效去除。針對航空發動機渦輪軸，某企業采用強堿溶液浸泡后，人工用砂輪磨削去除積碳。這種清洗積碳的方法效果差、效率低、污染環境、工人工作環境惡劣，且容易對工件表面產生劃痕和損傷。由于航空發動機的渦輪軸結構復雜、尺寸較大，最小尺寸為?110 mm×930 mm，表面的積碳成分復雜，分布范圍廣，以上所述方法并不適合航空發動機的大尺寸渦輪軸內表面積碳去除，無法滿足航空發動機渦輪軸實際生產和維護的需要。

磁力研磨作為一種特種加工方法，具有自適應性高、自銳性強、溫升小以及無刀具補償等優點，被廣泛應用在空間彎管、復雜曲面、內外圓表面光整加工等方面。陳燕等[5]提出利用六自由度機械手臂驅動N-S-S-N四磁極圓周排布所形成的旋轉磁場，完成對6061鋁合金彎管內表面的光整加工。直管處表面粗糙度Ra由0.48 μm下降到0.12 μm，管件彎折處表面粗糙度由0.67 μm降低至0.13 μm，加工后液壓導管的使役可靠性顯著提高。韓冰等[6]針對普通磁力研磨超硬精密陶瓷管內表面加工效率低且紋理不均勻的問題，采用曲柄滑塊振動機構和超聲振動機構輔助磁力研磨，通過改變磁粒刷的運動軌跡，實現對陶瓷管內表面的高效精密加工。吳金忠等[7]通過利用低頻交變磁場下產生的變動磁力，改善傳統磁力研磨加工中磁力刷變形、磨料結塊、磨料利用率低等問題，實現平面超光滑、納米級加工。Pandey等[8]研究了超聲波振動輔助磁力研磨UAMAF（Ultrasonic Assisted Magnetic Abrasive Finishing）技術的加工機理，通過引入超聲波振動輔助磁力研磨工藝進行拋光，使表面加工效率得到了顯著提升。

鑒于上述情況，本文通過分析航空發動機渦輪軸內表面積碳的形貌和成分，并根據渦輪軸的材料和結構特性，采用磁力研磨的方法對渦輪軸內表面積碳進行去除加工。

1 積碳表征

1.1 微觀形貌分析

在德國蔡司場發射SIGMA HD掃描電子顯微鏡不同的放大倍數下，積碳表面的微觀形貌如圖1所示。圖1a中，可以清晰地看出，積碳以黑色塊狀和片狀結構為主，表面分布大量的裂紋。進一步放大可以看出，在塊狀結構及積碳上，其表面凹凸不平，分布大量微小裂紋，并且不均勻地分布著不規則形狀的白色發亮固體顆粒，如圖1b、c所示。放大到3000倍（如圖1d所示），顆粒之間是無規則狀、互相鑲嵌地堆積在一起。由于形狀各異，分布不規則，在表面沉積的過程中出現間隙，因而形成縫隙和凹坑。無規則的縫隙和凹坑增加了新的積碳附著和沉積的機會，從而使積碳結焦逐漸惡化[9]。因此，在制造和清洗渦輪軸的時候，應降低其表面粗糙度，從而抑制積碳的生成。

1.2 積碳成分

通過掃描電鏡檢測積碳的元素分布，如圖2所示。積碳元素構成比較復雜，分布也不均勻。其中，C和O元素含量很高，特別是C元素，質量分數達到65%。根據文獻[10]可知，此時的碳和石墨具有相同的六邊形結構。這表明積碳的形成是以C和O元素為主的芳烴和環烷烴類物質在渦輪軸內表面經過氧化→裂化→熱解→焦化→聚合等一系列過程形成的。同時，積碳成分中含有Al、Si、Ti等金屬元素，和渦輪軸基體材料所含元素相同，說明在高溫環境下，燃料在裂解時，積碳在渦輪軸內表面形成，并沉積。隨著反應的不斷進行，積碳逐漸沉積，并向基體的金屬層滲透，導致基體表層中的部分金屬原子遷移到積碳中。

2 磁力研磨法去除積碳

2.1 基本原理

磁力研磨法加工機理如圖3所示。可以看出，渦輪軸內腔放置包裹有磁性磨料的圓柱形輔助磁極，與渦輪軸外部的永久磁鐵形成閉合的磁回路[11]。在磁場作用下，磁性磨料被磁化形成有一定剛性的“磨粒刷”，以一定的壓力貼附在渦輪軸內表面。渦輪軸轉動的同時，外部磁鐵沿著渦輪軸軸向往復運動，兩種運動的疊加，使渦輪軸內腔的磁性磨粒追隨磁極在工件內表面做螺旋狀復合運動的同時滑擦工件內表面，從而達到研磨拋光的效果。輔助磁極受到了磁場力、摩擦力和離心力的作用，自身還做旋轉運動。輔助磁極的運動帶動磁性磨料產生自發攪拌現象，避免了磁性磨料的堆積，有利于磨粒刷的變形和磨削刃的更替，研磨質量和加工效率均得到了提高[12]。

2.2 研磨效率影響因素

研磨拋光中的普林斯頓公式為[13-14]：

式中：k為磁性研磨粒子與加工有關的比例常數；R為磨粒刷在加工區域處的材料去除量，g；v為磁力研磨粒子與工件之間的相對速度，m/s；p為研磨壓力，Pa；t為研磨時間，s。

將處于平衡狀態的磨粒介質劃分為n個等元，試圖求得該過程的材料去除量。第i個單元如圖4所示，hi為介質單元厚度，θ·hi為作用面積。相對轉速v=?·r，ω為工件的角速度，r為工件半徑。可得如下公式：

式中：Fi為第i個單元加工區域處的研磨壓力，并且與磁感應強度Bi和接觸面積成正比；是考慮分布材料在整個圓周上的移動。

第i個單元的去除量為：

進一步整理得出：

R為磁力研磨材料去除量，它與磁感應強度、磁導率、磁鐵幾何形狀、工件與磁性磨粒的相對轉速、研磨時間等因素有關[15]。由式（6）得知，增加磁力研磨過程中材料去除量的方法有兩種：一是提高加工區域的磁感應強度；二是增加工件內表面與磁性磨料之間的相對運動速度。當工件的轉速太高，離心力大于磁力時，磁性磨料會飛離工作區域而無法參加研磨，所以轉速受到限制。在工件內腔添加輔助磁極后，內外磁鐵形成封閉磁回路，可以加大加工區域的磁感應強度，從而提高材料去除量和研磨效率[16]。

2.3 磁場仿真對比分析

為了分析磁性磨粒在磁場中的受力情況，需要對比工件內添加輔助磁極前后磁感應強度的變化情況，利用Maxwell 磁場模擬軟件進行有限元分析。依據輔助磁極的幾何尺寸，在模擬結果中，截取渦輪軸下內表面中心線的線段，對比分析磁感應強度，如圖5所示。未加輔助磁極時，研磨區域處的最高磁場強度最大為210 mT，最低為190 mT。在渦輪軸內部添加輔助磁極后，加工區域的磁感應強度提高至270～330 mT之間，整體提高了1.4倍左右。磁感應強度增加，研磨壓力增大，研磨效率得到大大提高[17]。

選擇粒徑為250 μm的磁性研磨粒子作為分析對象，通過Solidworks軟件建立磁性研磨粒子和渦輪軸模型，并導入Workbench分析軟件中，采用多區域網格劃分方法進行網格劃分。通過計算，可得磁性研磨粒子的應力。添加輔助磁極前后，單個磁性研磨粒子受到的法向壓應力如圖6所示。由圖6可知，和未添加輔助磁極相比，添加輔助磁極后，磁性磨粒的法向壓應力得到很大提高。這是因為在閉合磁回路中，由于磁極間距的減小，磁感應強度增大，所以磁場力，即磁性磨粒的法向壓應力也增強。在工件轉速恒定的條件下，添加輔助磁極后的磨粒由于所受法向壓應力增大，不容易被甩飛，增大了切向切削應力，研磨效率得到大幅提高。

3 試驗研究

3.1 試驗裝置及條件

以航空發動機鈦合金渦輪軸為研究對象，磁力研磨去除渦輪軸內表面積碳試驗裝置如圖7所示。試驗中所用永磁鐵為強磁性材料釹鐵硼。渦輪軸內部放置磁性磨料、研磨液和輔助磁極，兩端分別由卡盤和頂尖固定在數控機床上。外部磁極固定于刀架上，且與渦輪軸保持5 mm的加工間隙。在啟動數控機床帶動工件旋轉的同時，外部磁極隨刀架做軸向平移往復運動，從而實現對渦輪軸內表面積碳的去除。

影響研磨效果的因素有磁性磨粒的粒徑、工件轉速、外部磁極軸向運動速度、磁性磨料的填充量以及外部磁極與工件外壁的加工間隙等[18-20]。其中，提高外部磁極軸向運動速度可以有效地提高工件表面質量，但速度不是越高越好。根據工件的尺寸及以往試驗經驗，確定外部磁極的軸向速度為2 mm/s。磁性磨料的填充量一般為覆蓋渦輪軸體積的2/3為最佳。填充量過多，部分磨料就會因受到的磁場力小于離心力的作用而在運動中溢出槽外，產生飛散，同時也不利于磁性磨料的自我攪拌更新。填充量過少，實際參與切削的磨料數量過少，最終導致切削能力下降，工件表面粗糙度降低的速度變慢。外部磁極與工件外壁的加工間隙影響磁場力的大小，一般取2～3 mm?？紤]到渦輪軸的變徑和凸起，確定加工間隙為5 mm。

為達到去除渦輪軸內表面積碳的目的，同時提高工件的表面質量，優化工藝參數，實驗采用的主軸轉速分別為 600、800、1000 r/min，磁性研磨粒子粒徑為 185、250、375 μm，每5 min記錄一次，且每個點測量10次，取平均值。由于渦輪軸原始內表面積碳層很厚，表面質量很差，無法測量表面粗糙度，所以在研磨10 min后開始檢測。試驗所用的磁性研磨粒子采用燒結法自制，由Al2O3和鐵粉按照質量比為1:2均勻混合，加入粘結劑后，經壓制、干燥、高溫燒結、破碎和篩分得到。其中燒結爐燒結溫度1200 ℃，燒結時間為3 h。試驗參數見表1。

表1 試驗工藝參數Tab.1 Test parameters

3.2 工件轉速對研磨效果的影響

在添加輔助磁極的試驗裝置中，工件轉速分別為600、800、1000 r/min的工況下，渦輪軸內表面粗糙度和材料去除量的變化曲線如圖8所示。分析可知，隨著工件轉速的增加，單位時間內磁性磨粒的更替更加頻繁，磁性磨粒與工件表面摩擦更激烈。切削次數增加，工件的材料去除量和表面粗糙度變化明顯。

如圖8所示，當工件轉速為800 r/min時，工件內表面的研磨質量最好，600 r/min次之，1000 r/min最差。這是因為工件轉速是影響研磨效果的重要因素之一。轉速提高，磁性磨粒受到的離心力增大，接觸到工件本身的研磨壓力增強，表面粗糙度下降趨勢較快，工件材料的去除量增大。當工件的轉速過大，反而會使加工效率降低。這是因為磁性磨?？朔帕Ξa生的向心力而被甩出加工區域，起不到研磨作用。當工件轉速過低時，大部分磁性磨粒會聚集在加工區域，起不到研磨工件內表面的作用，表現為粗糙度下降趨勢較慢，工件的材料去除量也減少。

3.3 磁性磨料的粒徑對研磨效果的影響

為了優化試驗參數，確定最佳的磁性磨粒參數，在工件轉速為800 r/min的試驗條件下，選取平均粒徑為185、250、375 μm的磁性磨粒進行分組試驗，對工件表面粗糙度和材料去除量的對比如圖9所示。在研磨前30 min內，三種粒徑對應的工件表面粗糙度值下降都很快，并且磁性磨粒粒徑越大，對應工件的表面粗糙度下降得越快。這是因為在磁場中，磁性磨粒所受的磁場力與其粒徑成正比。磁性磨粒的粒徑越大，受到的磁場力越大，對工件表面的切削力也就越大，從而材料去除量越大，粗糙度下降越快。

研磨30 min后，三種粒徑對應的表面粗糙度下降緩慢。其中375 μm的磨料對應的表面粗糙度下降最慢，并且在研磨后期呈現出表面粗糙度上升的現象。其次是粒徑185 μm的磨料，粒徑250 μm磨料對應的表面粗糙度下降最快。這是因為在研磨后期，工件的表面粗糙度趨于穩定，粒徑對工件表面粗糙度和材料去除量的影響很大。粒徑過大，會導致與工件表面的劃擦磨削作用加劇，甚至產生新的劃痕；粒徑過小，劃擦磨削作用不足，研磨效果不明顯。同時，三種粒徑的材料去除量也發生變化。粒徑375 μm的磨料的材料去除量最小，粒徑185 μm的磨料其次，粒徑250 μm的磨料最大。這是因為在研磨后期，粒徑過大的磨粒組成的磨粒刷翻滾更替下降，對工件表面的磨削能力變弱；粒徑過小的磨料對表面材料切削力不足，導致去除量下降。因此綜合考慮研磨效率和表面質量，當工件轉速為800 r/min時，確定磁性磨料的平均粒徑為250 μm，研磨效果最佳。研磨60 min后，表面粗糙度穩定在1.47 μm，材料去除量為39.6 mg。

3.4 輔助磁極對工件研磨后表面形貌的影響

采用日本基恩士生產的VHX-500F超景深3D電子顯微鏡進行工件表面形貌觀測，添加輔助磁極前后，工件研磨后表面形貌的對比如圖10所示。圖10a為研磨前渦輪軸內表面積碳原始表面，可以看出，渦輪軸原始表面凸凹不平，積碳很厚，且不均勻，劃痕明顯，無法測量表面粗糙度。研磨60 min后，未添加輔助磁極的渦輪軸內表面形貌如圖10b所示。金屬基體明顯顯現，大部分積碳已被去除，但還有少量積碳未去除，表面粗糙度Ra為2.16 μm。添加輔助磁極研磨60 min后，渦輪軸內表面的形貌如圖10c所示。工件內表面完全呈現出金屬光澤，積碳完全去除，表面粗糙度為1.47 μm，滿足研磨后表面粗糙度小于1.6 μm的要求。

4 結論

1）針對航空發動機大尺寸渦輪軸內表面積碳高效低損傷去除問題，提出了磁力研磨技術方案。在磁場力的作用下，磁性研磨粒子群翻滾變形，同時壓附工件表面，從而完成對工件表面的光整加工，達到去除積碳的目的，提高了工件表面質量，滿足工件使用要求。

2）利用Maxwell 磁場模擬軟件分別對添加輔助磁極的工件內表面的磁感應強度進行有限元分析，利用Solidworks和Workbench軟件對添加輔助磁極前后的單個磨粒進行受力分析。結果驗證了添加輔助磁極后，切削區域的磁感應強度增大，切削力增大，材料去除率增大，研磨效率提高。

3）采用數控磁力研磨設備，對航空發動機渦輪軸內表面積碳進行去除試驗。當工件轉速為800 r/min，磁性磨料粒徑為250 μm，加工間隙為5 mm，研磨時間為60 min時，去除效果最佳，表面粗糙度Ra達到1.47 μm，滿足工件使用要求。