Inconel 718 合金的磁性復合流體拋光工藝

Oumar Souleymane A Kiari,姜晨,高睿,張瑞

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

隨著科學技術的進一步發展，越來越多的新型材料被應用于各個行業中，Inconel 718 合金[1]因具有優異的力學性能、耐高溫等特點[2-3]，被廣泛應用于飛機、汽車等制造業領域。隨著對Inconel 718 合金工件表面質量要求的不斷提高，如何通過高效、高精度拋光技術提升Inconel 718合金表面質量是一個非常重要的研究課題。

磁性復合流體拋光（Magnetic compound fluid：MCF)是一種極具潛力的表面拋光技術，它是采用添加了磁性磨粒的復合流體作為柔性研磨工具，利用磁場進行輔助拋光[4]。Wu[5]等人采用MCF 拋光液，并對其在無氧銅拋光中的性能進行了研究；Kunio Shimada[6]等人研究了磁性團簇對MCF 磁壓力的影響，討論了這種新拋光液的流體動力學特性，通過顯微鏡觀察拋光過程中MCF中顆粒的運動軌跡；Chen Z[7]等人利用MCF 對太陽能晶片進行拋光，實驗結果表明，太陽能晶片的磨削表面在拋光3 min 后Ra 達到 0.1μm 以內；李文妹[8]等人研究不同成分配比下的MCF 對光學玻璃的拋光表現。在MCF 各成分質量分數為鐵粉55%、水30%、氧化鈰12%以及α-纖維素3%時，獲得形狀及穩定性最佳的MCF 拋光頭，拋光后表面粗糙度Ra 達到6.7 nm；Guo H[9]等人研究了光學玻璃MCF 拋光的壓力、剪切應力對材料去除率的影響；Wang Y[10]等人研究了用MCF對V 形槽結構進行拋光，調查了拋光工藝參數對結構表面粗糙度和形狀誤差的影響；Guo H[11]等人用MCF 對化學鍍鎳磷鍍層模具進行超細拋光，將Ni-P 鍍層的平整度從0.2 μ m 提高到0.1 μ m。結果表明，MCF 拋光適用于軟磁性材料的納米級拋光；WangY[12]等人利用MCF 對無氧銅基板V型槽表面進行拋光，將V 型槽的表面粗糙度Ra控制在15～50 nm 范圍內。

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

1 拋光加工原理及實驗細節

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MCF 呈半固態。但針對不同的MCF 拋光方式，由于外磁場分布不同，MCF 內部結構存在差異。

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，主軸帶動永磁鐵旋轉產生磁場強度恒定的動態磁場。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形擋板和中間環形磁鐵組成，軸向均勻磁化的環形磁鐵繞水平軸旋轉(nt)形成動態磁場，當一定質量MCF 引入拋光頭和工件的工作間隙Δ 時，MCF 立即鏈化形成磁性簇。如圖1 所示，立式磁場下磁性簇沿著發散的磁力線方向呈錐形，臥式磁場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聚集于MCF 下表面，在動態磁場的作用下，磁性簇做空間鐘擺運動，其表面的磨料和工件之間產生相對運動，從而發揮微切削作用，實現材料去除。

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

1.2 MCF 拋光實驗

MCF 拋光裝置如圖2 所示。拋光輪由左右兩片環形擋板和中間環形磁鐵組成，沿Z 軸方向上下移動已達到改變拋光間隙的目的，主軸帶動永磁鐵旋轉產生磁場強度恒定的動態磁場，MCF拋光液吸附于永磁鐵上，工件固定在XOY 面工作載物臺上。

圖2 實驗裝置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粗糙度，本文探究不同實驗參數對工件拋光的影響。MCF 中磨料顆粒大小是影響拋光效果的一個重要因素，拋光實驗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。

隨后根據以往拋光實驗經驗，依次探究拋光轉速、拋光間隙、拋光時間對工件表面質量的影響，所選用的MCF 拋光實驗參數如表2 所示。

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

表2 實驗參數Tab.2 Experimental parameters

2 實驗結果與討論

2.1 Al2O3 磨料顆粒對工件表面的影響

在拋光前，利用金相顯微鏡觀測3 處未拋光工件表面形貌，如圖3 所示，發現3 處工件表面均存在大量劃痕。隨后選擇拋光轉速為nt=600 r/min，拋光間隙為1 mm，拋光時間為10 min，基于表1 不同磨粒大小的MCF 拋光液配比進行拋光實驗，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)

隨后測量不同配比MCF 拋光液拋光后的三處表面粗糙度Ra 數值，計算平均值已達到減少實驗誤差的目的。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 拋光轉速對工件表面的影響

根據上述結果，選擇Al2O3磨料顆粒為D=4μm，拋光間隙為1 mm，拋光時間為10 min。針對不同拋光轉速進行MCF 拋光實驗，所得工件表面形貌分別如圖9—圖12 所示。發現拋光轉速為nt=200 r/min 時，拋光后的工件表面仍存在大量劃痕，拋光轉速為800 r/min 時，得到的拋光表面質量較好。

同樣計算不同拋光轉速下3 處拋光后工件表面的粗糙度平均值，如圖13 所示。在拋光轉速為nt=800 r/min 時，工件的表面粗糙度平均值Ra=0.11μm。磨粒在800 r/min 下，對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，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,拋光轉速Fig.13 Polishing speed on surface roughness

2.3 拋光間隙對工件表面的影響

根據上述試驗結果，選擇Al2O3磨料顆粒為D=4μm，拋光轉速為nt=800 r/min，拋光時間為10 min，針對不同拋光間隙進行MCF 拋光實驗。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，同時還可發現拋光間隙為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，Inconel718 合金的表面粗糙度數值大幅度降低。

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

2.4 拋光時間對工件表面的影響

最后，針對拋光時間參數研究時，所選擇的其他實驗參數Al2O3磨料顆粒為D=4μm，拋光轉速為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，隨著拋光時間的增加，工件表面劃痕明顯增加，這是由于隨著拋光時間的增加，MCF 拋光液中的水分逐漸揮發，拋光液逐漸失去流動性，導致Al2O3磨料顆粒對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 表面粗糙度拋光時間Fig.21 Surface roughness on polishing time

所以，拋光時間在10 min 下，對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 結束語

本文采用MCF 拋光技術，對Inconel 718 合金進行拋光實驗研究。研究了MCF 拋光中的拋光液配比、拋光轉速、拋光間隙及拋光時間等不同工藝參數對Inconel 718 合金表面拋光質量的影響，主要結論：

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

（2）研究拋光轉速對拋光質量的影響時，發現當拋光轉速nt=800 r/min 時，拋光后工件表面刮痕少，表面粗糙度Ra 達到最小值0.11μm。

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