徐會(huì)，康仁科，陳燕

1. 大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024 2. 遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，鞍山 114051

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)化的進(jìn)程，中國(guó)目前大力發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)?！吨袊?guó)制造2025》提出[1]“實(shí)施高端再制造、智能再制造、在役再制造，推進(jìn)再制造產(chǎn)品認(rèn)定，促進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康地發(fā)展”。再制造產(chǎn)品和原型產(chǎn)品相比，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益優(yōu)勢(shì)。再制造產(chǎn)品質(zhì)量和原型新品相當(dāng)，甚至高于新品，但生產(chǎn)成本卻是新品的50%左右，能夠節(jié)省70%的材料和60%的能源，降低80%的污染物排放量[2-4]。再制造流程如圖1所示，主要包括5個(gè)關(guān)鍵步驟：① 廢舊產(chǎn)品的拆解；② 零部件清洗；③ 檢測(cè)；④ 再制造成形裝配；⑤ 性能測(cè)試。在整個(gè)再制造生產(chǎn)流程中,零部件清洗占據(jù)著十分重要的位置。再制造清洗就是借助設(shè)計(jì)開發(fā)的針對(duì)被清洗零部件的清洗劑及清洗工藝，通過機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，將清洗件表面附著的油脂、積碳、表面涂覆層等污物去除。再制造清洗的目的是使零部件表面的清潔度達(dá)到零部件再制造要求，同時(shí)也為零部件分類檢測(cè)、再制造設(shè)計(jì)加工、再制造裝配等做好準(zhǔn)備[5]。

圖1 再制造生產(chǎn)流程圖

燃油噴嘴是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的關(guān)鍵零件，其噴霧性能的優(yōu)劣對(duì)火焰的燃燒效率以及飛機(jī)動(dòng)力的輸出均有重要影響[6-7]。在實(shí)際使用過程中，噴嘴易產(chǎn)生積碳，一旦被積碳嚴(yán)重堵塞，噴嘴的燃油噴射質(zhì)量，即液霧尺寸及尺寸分布、燃油流量、噴霧錐角和燃油周向分布的均勻度都將惡化，對(duì)燃油效率、熱部件壽命乃至發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性和安全性都有重要的影響。由于噴嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，積碳無(wú)法徹底清洗，大部分都直接報(bào)廢，造成人力、物力、財(cái)力浪費(fèi)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)燃油噴嘴結(jié)焦積碳做了一些研究，黃艷斐等[8]對(duì)結(jié)焦積碳的微觀形態(tài)和性質(zhì)進(jìn)行了分析，提出通過改進(jìn)燃料本身的性質(zhì)和添加金屬鈍化劑抑制金屬元素催化作用來(lái)抑制結(jié)焦積碳的生成。但是抑制劑的加入會(huì)引起燃料組分及性能改變，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性。李范等[9]采用化學(xué)強(qiáng)氧化陰極還原法，在噴嘴材料表面制備了穩(wěn)定的富鉻氧化層，達(dá)到抑制噴嘴結(jié)焦積碳的目的。但由于噴嘴工作的環(huán)境常為高溫高壓，所以氧化層的穩(wěn)定性存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

以某機(jī)型廢舊噴嘴為研究對(duì)象，依據(jù)綠色再制造清洗技術(shù)，采用磁力研磨方法(Magnetic Abrasive Finishing, MAF)對(duì)噴嘴上的積碳進(jìn)行清理，并確定最佳工藝參數(shù)，以及評(píng)價(jià)磁力研磨后的噴嘴表面質(zhì)量。清理后的工件表面光滑，產(chǎn)品質(zhì)量不低于原型新品，滿足使用要求。

1 積碳分析

試驗(yàn)選取某企業(yè)提供的大修拆卸下來(lái)的廢舊噴嘴，材質(zhì)為銅合金。在高溫工作環(huán)境下，噴嘴表面積聚了大量積碳，利用SIGMA HD場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)(Zeiss，德國(guó))觀察工件表面微觀形貌如圖2所示。

圖2 積碳微觀形貌圖

由圖2(a)可以清晰地看出積碳以黑色塊狀和片狀結(jié)構(gòu)為主，表面凹凸不平，不均勻分布著不規(guī)則形狀顆粒。顆粒之間是無(wú)規(guī)則、互相鑲嵌堆積在一起。進(jìn)一步放大2 000倍如圖2(b)所示，堆積的顆粒成球形，蜂窩狀。蜂窩狀和縫隙增加了新的積碳附著和沉積的機(jī)會(huì)，從而使積碳結(jié)焦逐漸惡化。因此制造或再制造噴嘴時(shí)，在滿足使用性能要求的前提下，應(yīng)減小其表面粗糙度，從而有效地抑制結(jié)焦積碳的生成。

利用SEM對(duì)積碳的成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出積碳的主要成分是C元素和O元素，原子含量分別為38.9%和27.2%，這表明積碳的形成以C元素的氧化反應(yīng)為主。其中少量的Si元素，來(lái)源于灰塵顆粒，這是由于空氣中混有的灰塵顆粒被工作中的噴嘴吸入所致；含有的S、P元素，主要是燃油和潤(rùn)滑油中的添加劑殘留；除此之外，積碳中還有金屬元素，分別是Cu、Fe和Na，這是噴嘴在工作過程中基體磨損產(chǎn)生的金屬小顆粒。

使用線切割對(duì)工件進(jìn)行切割，對(duì)切割后的剖面進(jìn)行觀測(cè)。圖3為SEM觀察的工件剖面微觀形貌圖。在剖面選取了相同間隔的點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)不同深度位置進(jìn)行元素分析檢測(cè)。由于積碳主要是C的氧化反應(yīng)，因此以C、O和Cu元素原子百分比為分析對(duì)象。不同深度下C、O和Cu元素原子百分比結(jié)果如圖4所示。

在工件表面，C和O元素原子百分比為66.1%，Cu的原子百分比為24.6%。隨著檢測(cè)深度的增加，C和O元素的含量逐漸減少,Cu元素的含量大幅度增加。深度Ⅰ層的C和O元素原子百分比下降到42.8%，Cu的原子百分比上升為40%。深度Ⅱ?qū)拥腃u的原子百分比為65%。隨著測(cè)量深度增加，C和O元素原子百分比逐漸減小，Cu原子百分比逐漸升高。從剖面進(jìn)行測(cè)量，積碳的厚度大致為1～2 mm。

圖3 剖面微觀形貌圖

圖4 剖面不同深度元素原子百分比

2 磁力研磨工作機(jī)理

2.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生原理

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生原理是以電磁感應(yīng)理論為基礎(chǔ)。當(dāng)相位差為120°的三相正弦交流電依次通過定子線圈繞組時(shí)，即可得到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。正弦交流電的瞬時(shí)表達(dá)式為

(1)

式中：Im為交流電的最大值;ω為交流電的角速度。電流隨時(shí)間變化的曲線如圖5 (a)所示。電流在不同時(shí)刻，磁場(chǎng)的分布情況如圖5 (b)所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理圖

如圖5所示，A-X、B-Y和C-Z為三相繞組，分別接入正弦交流電iA、iB和iC。設(shè)定電流瞬時(shí)值為正，電流從各繞組的首端流入，繞組末端流出。t1時(shí)，A-X繞組電流iA為0；B-Y繞組電流iB從Y端流入，B端流出；C-Z繞組電流iC從C端流入，Z端流出。由右手螺旋定則，判定磁場(chǎng)的N-S方向如圖5中t1所示。t2時(shí)，B-Y繞組電流iB為0；A-X繞組電流iA從A端流入，X端流出；C-Z繞組電流iC從Z端流入，C端流出，磁場(chǎng)的N-S方向如圖5中t2所示。同理，可以得出t3和t4時(shí)刻磁場(chǎng)的方向。從t1到t4，磁場(chǎng)方向隨著電流的變化而改變。電流周期交替，磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[10]。

2.2 磁針的受力分析

磁針為細(xì)小圓柱狀，材質(zhì)是經(jīng)過磁化處理的304不銹鋼，具有極強(qiáng)的導(dǎo)磁性。在磁場(chǎng)中，無(wú)序的磁針束被磁化后會(huì)沿著磁場(chǎng)線方向分布，其表面和內(nèi)部都存在磁化電流[11-13]。分別用δs和δv表示表面磁化電流密度和體磁化電流密度，則有

δs=-nPm

(2)

δv=ΔPm

(3)

(4)

式中：Δ表示對(duì)矢量做偏導(dǎo)；-n為表面法向矢量；Pm為介質(zhì)磁化強(qiáng)度；μm為磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率；μv為真空磁導(dǎo)率。電磁場(chǎng)對(duì)磁針的作用力可以表示為

(5)

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T,由于磁針為各向同性的磁介質(zhì)，所以受到磁力為

(6)

將式(2)、式(3)代入到式(5)中，經(jīng)矢量運(yùn)算可得

(7)

又因?yàn)槭噶刻荻确e分公式為

(8)

因此，式(7)可簡(jiǎn)化為

(9)

式(9)即磁場(chǎng)力計(jì)算公式。工程應(yīng)用中，一般假設(shè)在加工區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)分布均勻[14]，且μm?1，則式(9)可簡(jiǎn)化為

(10)

式中：H為加工區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；S為作用面積，m2。

2.3 磁針的運(yùn)動(dòng)分析

磁針在電磁研磨機(jī)構(gòu)中受到兩側(cè)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)力，同時(shí)受到一個(gè)磁轉(zhuǎn)力矩M的作用。隨著電磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，磁針本身也繞研磨容器旋轉(zhuǎn)。磁針相互之間也有磁力作用，在加工區(qū)域的位置不斷變化。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在某一瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)φ角度，瞬時(shí)磁場(chǎng)會(huì)與磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中被磁化后的磁場(chǎng)相互作用影響，磁針受力情況如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁針受力圖

磁針兩端N、S極分別受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁場(chǎng)力T1和T2，兩個(gè)力相互平行但方向相反。磁針兩端磁場(chǎng)力經(jīng)過平移中心點(diǎn)后，受到磁場(chǎng)力合力(T1和T2)以及力矩M共同作用。磁針的運(yùn)動(dòng)形式為繞自身中心點(diǎn)自轉(zhuǎn)，同時(shí)又由于受到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，所以磁針做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還繞著工作容器的中心軸線做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[15-17]。

圖7 磁針運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

在電磁場(chǎng)中，磁針的運(yùn)動(dòng)軌跡是一種在三維空間的公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)形式，此外，還有一個(gè)Z軸方向的跳動(dòng)，且無(wú)規(guī)律可循。跳躍運(yùn)動(dòng)的原因是因?yàn)榇裴樑c磁針、工件、筒壁之間碰撞相互作用的影響所致。為了更加接近真實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，在Z軸方向添加三角函數(shù)跳動(dòng)，圖7為磁針在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的近似圖，V為磁針?biāo)俣取D中點(diǎn)O1為磁針初始端點(diǎn)，t時(shí)間后，O2磁為磁針端點(diǎn)。磁針自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向的夾角為θ，運(yùn)動(dòng)軌跡可表示為

(11)

式中：r1為磁針公轉(zhuǎn)半徑；r2為磁針自轉(zhuǎn)半徑；

ω1為磁針公轉(zhuǎn)角速度；ω2為磁針自轉(zhuǎn)角速度；A為磁針上下跳動(dòng)的幅度；ω3為跳躍頻率。其中，r1和r2決定了磁力研磨工藝的加工區(qū)域大小，ω1和ω2決定了磁針運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀，即單個(gè)磁針運(yùn)動(dòng)軌跡的復(fù)雜程度。單個(gè)磁針的自轉(zhuǎn)頻率與磁極轉(zhuǎn)換頻率有關(guān)：磁極轉(zhuǎn)換頻率越快，磁針自轉(zhuǎn)角速度就越快，磁針運(yùn)動(dòng)軌跡越復(fù)雜，加工質(zhì)量越好[18]。另外，磁針與工件表面的作用時(shí)間短，速度快，雖然磁針質(zhì)量較小，但是根據(jù)動(dòng)量定理，仍然可以提供足夠的研磨壓力和切削力。

3 磁力研磨去除積碳的試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用的是電磁研磨設(shè)備，如圖8所示，該設(shè)備主要由控制面板、研磨容器、線圈、風(fēng)機(jī)、變頻器等部分組成，可設(shè)定加工時(shí)間和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度等工藝參數(shù)。

圖8 電磁研磨設(shè)備示意圖

將工件、磁針與混合溶液裝入容器放置于電磁研磨裝置套筒內(nèi)，套筒周圍均勻分布著由線圈和鐵芯組成的繞組，給線圈通以三相交流電，電磁研磨裝置即開始工作。工作中可以通過實(shí)時(shí)控制線圈中電流的有無(wú)及方向來(lái)控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的從產(chǎn)生與停止；通過控制線圈中電流的大小及變化周期來(lái)改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱及旋轉(zhuǎn)速度。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，被磁化的磁針高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)與工件產(chǎn)生隨機(jī)高頻的接觸[19]。如圖8所示，磁針與工件的接觸形式有碰撞、劃擦和滾壓3種形式。當(dāng)磁針以一定的速度對(duì)工件表面接觸作用時(shí)，工件表層的積碳會(huì)發(fā)生相應(yīng)的塑性變形。多次接觸作用后，當(dāng)塑變程度超過材料的塑性變形極限時(shí)，微小積碳會(huì)脫落，從而達(dá)到去除工件表面積碳的效果[20]。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，從而保障工件各處的受力均衡。同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度存在“尖點(diǎn)效應(yīng)”，所以凸出的積碳最先被磁針撞擊而脫落。當(dāng)積碳逐漸脫落，尖點(diǎn)效應(yīng)隨之減弱，磁針劃過工件，實(shí)現(xiàn)材料去除的均勻性。

試驗(yàn)中，工件的表面微觀形貌觀測(cè)采用日本基恩士VHX-500F超景深電子顯微鏡。采用精密電子天平稱重，測(cè)量的質(zhì)量變化量表征材料去除量。試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)工藝參數(shù)

3.2 試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)

為了對(duì)磁力研磨法去除噴嘴積碳的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，把旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度，磁針直徑，研磨時(shí)間作為主要影響因素進(jìn)行響應(yīng)面法分析。如表3所示設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)研究方案，設(shè)定各因素的范圍值為：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度800、1 000、1 400 r/min；磁針型號(hào)為?0.5 mm×5 mm、?0.8 mm×5 mm和?1.2 mm×5 mm，研磨時(shí)間為20、40、60 min。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

采用響應(yīng)面法對(duì)各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行擬合，結(jié)合Design-Expert軟件建模和線性回歸方程計(jì)算，得出兩兩因素交互式影響關(guān)系。分析旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度、磁針型號(hào)、研磨時(shí)間對(duì)噴嘴表面粗糙度和材料去除量的影響。線性回歸方程分別為

Y1=2.53+0.036A-0.091B-0.23C-

0.16AB+0.032AC+0.12BC+

0.54A2+0.26B2+0.40C2

(12)

Y2=8.49+0.40A+0.58B+1.62C+

(7.250E-0.003)AB-0.21AC+

0.016BC-0.54A2-1.825B2-0.61C2

(13)

兩個(gè)模型的R2值分別為0.929 8和0.981 8，都比較接近于1。這說明經(jīng)過Design-Expert軟件擬合的表面粗糙度和材料去除量的數(shù)學(xué)模型可靠性較好，擬合程度高[21]。兩個(gè)模型的Pr>F的值分別為0.009 8和0.000 1，都小于0.5，這說明所選的3個(gè)參數(shù)對(duì)表面粗糙度和材料去除量影響顯著。實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的擬合曲線如圖9所示，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的分布基本在一條直線。從分布規(guī)律可以得出，建立的數(shù)學(xué)模型擬合的適應(yīng)性好，可以較好地反映旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速、磁針直徑和研磨時(shí)間對(duì)表面粗糙度和材料去除量的影響。

圖9 實(shí)際值與預(yù)測(cè)值擬合曲線

3.3 主要因素分析

在磁力研磨工藝中，磁針作為一種研磨介質(zhì)，其型號(hào)按直徑大小可分為多種。在磁場(chǎng)強(qiáng)度不變的條件下，磁針的大小決定了磁針受到磁力的大小。如果磁針型號(hào)較小，則磁針在加工區(qū)域內(nèi)受到的磁力較小，磁針對(duì)工件表面的碰撞、劃擦、和滾壓的力度不夠，起不到研磨的效果；如果磁針型號(hào)較大，則磁針受到的磁力也相對(duì)來(lái)說較大，當(dāng)加工工件材質(zhì)較軟時(shí)，會(huì)對(duì)工件表面造成一定的損傷，出現(xiàn)過磨現(xiàn)象或形成凹坑，對(duì)研磨后的工件表面質(zhì)量造成影響[22]。

加工時(shí)間過短，磁針與工件表面之間的碰撞、劃擦和滾壓次數(shù)較少，一方面對(duì)工件表面形貌的改善作用不大，起不到研磨去除的作用，而且工件表面的微量塑性變形不夠充分，起不到表面強(qiáng)化的作用；加工時(shí)間過長(zhǎng)造成能源的浪費(fèi)，降低加工效率，有時(shí)還會(huì)對(duì)工件表面造成不必要的損傷。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換頻率的快慢。磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換頻率決定了磁針自轉(zhuǎn)角速度，在其他條件不變的情況下，磁針自轉(zhuǎn)速度越快其運(yùn)動(dòng)軌跡就越復(fù)雜，磁針與工件之間的碰撞、劃擦和滾壓就越充分，加工效果就越好。

3.3.1 磁針型號(hào)和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的交互影響

圖10所示研磨時(shí)間為40 min的條件下，磁針直徑和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速交互影響圖。

圖10 磁針直徑和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的交互影響

如圖10所示，磁針直徑和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速都增大的同時(shí)，表面粗糙度出現(xiàn)先降后增的現(xiàn)象。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為800 r/min 時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速較低，相對(duì)于筒壁，磁針的運(yùn)動(dòng)速度較低，不利于磁針翻滾。單位時(shí)間內(nèi)磁針對(duì)工件表面碰撞、劃擦和滾壓作用的次數(shù)不足，致使表面加工質(zhì)量較差，材料去除量不高，表面粗糙度下降緩慢；當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速增至1 400 r/min 時(shí)，在過快的轉(zhuǎn)速下，磁針在單位時(shí)間運(yùn)動(dòng)的更加激烈。磁針和工件作用次數(shù)增加，運(yùn)動(dòng)軌跡重復(fù)疊加，導(dǎo)致工件表面研磨劃痕較深，表面粗糙度較大。最終確定旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，磁針型號(hào)為?0.8 mm×5 mm，研磨效果最佳。

3.3.2 研磨時(shí)間和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的交互影響

圖11所示磁針型號(hào)為?1.2 mm×5 mm的條件下，研磨時(shí)間和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速交互影響圖。由圖11可得，研磨開始到40 min期間，表面粗糙度下降很快，材料去除量急劇提高；達(dá)到40 min時(shí)候，表面粗糙度達(dá)到最低。隨著研磨時(shí)間的增加，工件表面的劃痕加劇，表面粗糙度有所增加，工件的材料去除量趨于穩(wěn)定。

圖11 研磨時(shí)間和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的交互影響

3.3.3 研磨時(shí)間和磁針型號(hào)的交互作用

當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，研磨時(shí)間和磁針直徑之間的交互影響如圖12所示。隨著研磨時(shí)間的增加，磁針直徑的增大，表面粗糙度呈現(xiàn)先降后增，材料去除量先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)磁針型號(hào)為?0.8 mm×5 mm，研磨時(shí)間為40 min時(shí)，表面粗糙度最小。當(dāng)磁針型號(hào)為?0.8 mm×5 mm，研磨時(shí)間為60 min時(shí)，材料去除量為最大，但是工件表面粗糙度較大，表面質(zhì)量不佳。綜合分析影響因素，得出優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合為：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，磁針型號(hào)?0.8 mm×5 mm，研磨時(shí)間40 min。

圖12 研磨時(shí)間和磁針直徑的交互影響

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 表面形貌

圖13 原始表面微觀形貌圖

圖14 加工20 min微觀形貌圖

圖13～圖15是采用VHX-500F超景深3D電子顯微鏡(KEYENCE，日本)觀察研磨前后噴嘴的微觀形貌圖。圖13為原始形貌，可以看出工件表面基本被積碳覆蓋，呈黑色狀，表面溝壑縱橫，最低處和最高處的高度差較大，且最高處到達(dá)了319.4 μm，表面粗糙度無(wú)法測(cè)量。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速1 000 r/min、磁針型號(hào)?0.8 mm×5 mm、經(jīng)過20 min的研磨，工件的微觀形貌如圖14所示。如圖所示，工件的表面逐漸露出金屬基體，部分呈現(xiàn)金屬光澤，且表面開始趨于平緩。由于積碳沒有完全去除，所以工件表面仍有89.1 μm的高度差。

圖15為研磨40 min后，工件的微觀形貌圖。結(jié)果表明，積碳基本全部去除，金屬基體完全呈現(xiàn)，工件表面平整，高度差大幅度降低，為52.1 μm，表面質(zhì)量得到了很大改善。

圖15 加工40 min微觀形貌圖

使用掃描電鏡，對(duì)工件表面研磨前后的微觀形貌觀測(cè)如圖16所示。圖16(a)可以看到研磨前基體表面堆積厚重的積碳，圖16(b)是研磨后的工件表面，積碳基本完全去除，表面呈現(xiàn)出了金屬光澤，劃痕很小且淺。研磨后的噴嘴經(jīng)專家評(píng)定和專業(yè)檢測(cè)，積碳去除率達(dá)98%以上，滿足企業(yè)綠色再制造要求。

圖16 研磨前后工件SEM微觀形貌圖

4.2 殘余應(yīng)力分析

使用X射線應(yīng)力分析儀Empyrean(PANALYTICAL，荷蘭)對(duì)磁力研磨加工后的噴嘴表面進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。在工件表面選取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力晶面間距檢測(cè)，并擬合出相應(yīng)的直線，如圖17所示。由式 (14) 計(jì)算工件表面殘余應(yīng)力值:

(14)

式中：σφ為殘余應(yīng)力，MPa；υ為材料泊松比；ψ為傾斜角度；E為材料的彈性模量，GPa；dψ為傾斜晶面間距，μm；dn為初始傾斜角的晶面材料初始表面由于受到初加工時(shí)的塑性變形間距，μm。

磁力研磨過程中的切削力相對(duì)很小，工件表面主要受到磁針的反復(fù)碰撞而產(chǎn)生的沖擊作用，積碳被去除的同時(shí)，工件表面的變質(zhì)層也大部分被去除，工件表面殘余應(yīng)力明顯下降。研磨前噴嘴表面積碳聚集，殘余應(yīng)力無(wú)法測(cè)量。磁力研磨加工后工件表面的殘余應(yīng)力值是-194.1 MPa，為壓應(yīng)力，表面質(zhì)量得到明顯改善。

圖17 殘余應(yīng)力相應(yīng)點(diǎn)圖的擬合曲線

5 結(jié) 論

1) 研究了磁力研磨燃油噴嘴的材料去除機(jī)理，得到了電磁線圈產(chǎn)生的交變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是以電磁感應(yīng)理論為基礎(chǔ)，電流持續(xù)周期交替變化，磁場(chǎng)同步不斷旋轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)中的磁針被磁化，在三維空間進(jìn)行自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)形式。通過與工件隨機(jī)高頻的碰撞、劃擦和滾壓，實(shí)現(xiàn)微量切削的目的，達(dá)到去除工件積碳的效果，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，積碳去除率可以達(dá)到98%以上。

2) 建立了磁力研磨燃油噴嘴的表面粗糙度和材料去除量的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了磁力研磨方法去除工件積碳的最佳的工藝參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，磁針型號(hào)?0.8 mm×5 mm。經(jīng)過40 min研磨后，噴嘴上的積碳基本被去除，表面光滑，經(jīng)過專業(yè)測(cè)試，研磨后的殘余積碳小于技術(shù)要求規(guī)定值，滿足工件再清洗的技術(shù)要求。

3) 磁力研磨后的工件表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，值為-194.1 MPa，內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)得到改善，有效地提高零件的使役壽命。