陳燕，胡玉剛，巫昌海，楊大鵬，韓冰

磁針磁力研磨去除渦輪軸內(nèi)壁積碳

陳燕，胡玉剛，巫昌海，楊大鵬，韓冰

（遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

去除航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸內(nèi)壁的積碳。采用磁針磁力研磨法對(duì)渦輪軸內(nèi)壁積碳進(jìn)行研磨去除，利用3D超景深電子顯微鏡對(duì)研磨去除積碳前后的渦輪軸內(nèi)壁表面形貌進(jìn)行觀察，利用掃描電子顯微鏡對(duì)渦輪軸內(nèi)壁積碳成分和渦輪軸基體成分進(jìn)行測(cè)定與分析，并對(duì)磁針磁力研磨去除積碳后的渦輪軸內(nèi)壁成分進(jìn)行測(cè)定，與基體成分進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證積碳去除的徹底性。渦輪軸內(nèi)壁積碳經(jīng)磁針磁力研磨后被完全去除；積碳成分中包括的元素有O、C、Na、Al、Si、Ti、Fe、Zr、Mo、S、K，基體成分中包括的元素有C、Al、Si、Ti、Zr、Mo，經(jīng)磁針磁力研磨存有積碳的渦輪軸內(nèi)壁后，測(cè)得內(nèi)壁成分中包含的元素有C、Al、Si、Ti、Mo、O、Fe，表明經(jīng)磁針磁力研磨后，渦輪軸內(nèi)壁積碳被完全去除。成分測(cè)定分析的驗(yàn)證結(jié)果表明了從表面形貌分析中得到的渦輪軸內(nèi)壁積碳被完全去除的結(jié)果的正確性，同時(shí)也表明了用磁針磁力研磨去除渦輪軸內(nèi)壁積碳的方法具有可行性，并且可以達(dá)到較好的效果。

磁針磁力研磨；積碳；表面形貌；掃描電鏡；渦輪軸；去除機(jī)理

再制造業(yè)是制造業(yè)中先進(jìn)制造與綠色制造的代表，其在制造過程中利用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)手段來對(duì)廢舊的零部件進(jìn)行修復(fù)或升級(jí)改造，使得廢舊零部件在被修復(fù)和改造之后的性能不低于原制造零部件的性能。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)上非常重要的動(dòng)力裝置，其性能好壞直接影響飛機(jī)的性能好壞。而作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的渦輪軸，主要功能是輸出高速旋轉(zhuǎn)的渦輪產(chǎn)生的功率，在長(zhǎng)期工作后，內(nèi)壁會(huì)生成積碳，積碳的存在會(huì)對(duì)渦輪軸內(nèi)壁造成腐蝕，影響渦輪軸的功率輸出，從而嚴(yán)重地妨礙到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作[1]。因此，在渦輪軸的壽命未到之前，需定期地對(duì)渦輪軸內(nèi)壁的積碳進(jìn)行清洗去除，避免航空發(fā)動(dòng)機(jī)因此而出現(xiàn)一些不必要的故障。同時(shí)，對(duì)渦輪軸內(nèi)壁的積碳進(jìn)行清洗去除，提高渦輪軸的使用壽命，一定程度上減少了生產(chǎn)渦輪軸的成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

王威等人[2]利用超聲波清洗機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴和導(dǎo)管等零部件的表面積碳進(jìn)行去除，確定了合適的去除積碳的溶液配方和最佳的工藝方案，縮短了積碳去除的時(shí)間。山東大學(xué)的姚帥帥[3]利用熔鹽對(duì)積碳進(jìn)行去除，探究了各種條件對(duì)熔鹽清洗的影響規(guī)律。

利用傳統(tǒng)的化學(xué)法對(duì)積碳進(jìn)行清洗去除，清洗后的化學(xué)溶液排放后會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；利用超聲波清洗機(jī)對(duì)積碳進(jìn)行清洗去除，雖然也可以達(dá)到較好的效果，但是由于超聲波設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲比較大，也會(huì)造成噪聲污染[3-4]；高壓水射流只適合大面積油污的清洗去除，對(duì)微小零件和管狀類零件上的積碳清洗去除有困難；熔鹽清洗需要的溫度較高，清洗過程中會(huì)使一些零件產(chǎn)生熱變形。為了更好地對(duì)渦輪軸內(nèi)壁的積碳進(jìn)行清洗去除，需要尋找一種方法，該方法要能有效去除渦輪軸內(nèi)壁的積碳，且不會(huì)對(duì)渦輪軸的性能產(chǎn)生不好的影響，還要保證不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。

磁力研磨表面光整加工技術(shù)是一種新興起的表面光整加工技術(shù)，具有微量切削去除、加工溫升小、柔性加工、高質(zhì)量、高精度加工的特點(diǎn)。最初是由蘇聯(lián)工程師探索出了這種表面光整加工技術(shù)，后來又得到了一些蘇聯(lián)學(xué)者進(jìn)一步的研究和拓展，再后來保加利亞、日本、韓國(guó)也加入到了這種表面光整加工技術(shù)的研究當(dāng)中，并取得了一定的學(xué)術(shù)成果[5-8]。我國(guó)的磁力研磨表面光整加工技術(shù)起步比較晚，由一些大學(xué)主導(dǎo)，進(jìn)行研究，這種加工技術(shù)被應(yīng)用到加工平面、曲面、桿外圓面、直管和彎管的內(nèi)外表面等，應(yīng)用領(lǐng)域包括民用、航天、航海等。磁針磁力研磨加工技術(shù)是磁力研磨加工技術(shù)中的一種，主要用來去除工件的棱和孔邊緣的毛刺，光整加工工件的表面。本文提出用磁針磁力研磨法對(duì)渦輪軸內(nèi)壁的積碳進(jìn)行去除，提高積碳去除效率，保護(hù)工件性能在加工過程中不受到影響，加工過程對(duì)環(huán)境不會(huì)造成危害[9-21]。

1 渦輪軸內(nèi)壁積碳去除機(jī)理

圖1所示為利用磁針磁力研磨法去除渦輪軸內(nèi)壁積碳的原理圖。磁極盤電機(jī)帶動(dòng)連接在電機(jī)軸上的磁極盤轉(zhuǎn)動(dòng)，磁極盤帶動(dòng)其上的磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，在渦輪軸的內(nèi)部形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，被旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁化后的磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁場(chǎng)力的作用下，在渦輪軸的內(nèi)部繞磁極盤電機(jī)軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在直線電機(jī)帶動(dòng)下，磁極盤沿渦輪軸軸線方向水平移動(dòng)，渦輪軸內(nèi)部的磁針會(huì)隨磁極盤一邊旋轉(zhuǎn)，一邊沿渦輪軸軸線運(yùn)動(dòng)，渦輪軸在渦輪軸電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，磁針在渦輪軸的內(nèi)部一邊旋轉(zhuǎn)，一邊沿渦輪軸軸線做螺旋運(yùn)動(dòng)。

圖1 去除渦輪軸內(nèi)壁積碳原理圖

圖2為單一磁針在渦輪軸的內(nèi)部繞磁極盤電機(jī)軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，繞渦輪軸軸線做螺旋運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化軌跡圖。實(shí)際加工過程中，大量的磁針之間還有碰撞，單一磁針的運(yùn)動(dòng)軌跡更加復(fù)雜。不規(guī)則且復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡有利于全方位去除渦輪軸內(nèi)壁的積碳。

當(dāng)渦輪軸內(nèi)部的磁針處于磁極盤上磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)中時(shí)，磁針會(huì)被逐漸地磁化，被磁化后的磁針同樣也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁針會(huì)形成明顯的N、S極，這時(shí)的磁針變成一個(gè)小型的軸向充磁的柱形磁極。

圖2 渦輪軸內(nèi)磁針的運(yùn)動(dòng)軌跡

假設(shè)磁極盤上的磁極和磁針磁化后形成的小型磁極之間的距離為1，磁極盤上磁極的磁極強(qiáng)度為a，磁針的磁極強(qiáng)度為b，則：

磁針在磁極盤上的磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)中受到的力的大小為：

在磁場(chǎng)力和磁針受到的阻力作用下，磁針與渦輪軸內(nèi)壁發(fā)生碰撞：

磁針跟渦輪軸內(nèi)壁發(fā)生碰撞的撞擊力為：

公式(5)式中：為磁場(chǎng)力；為磁針受到的阻力。

圖3為磁針耕犁、劃擦去除渦輪軸內(nèi)壁積碳的過程示意圖。磁針跟渦輪軸內(nèi)壁發(fā)生碰撞，如圖3a所示；在撞擊力1的作用下，磁針進(jìn)入積碳層，當(dāng)磁針跟渦輪軸內(nèi)壁的相對(duì)速度為零時(shí)，磁針只受到磁場(chǎng)力￠的作用，磁場(chǎng)力￠可以分解為沿磁場(chǎng)線方向的力F與磁等位線方向的力F，如圖3b所示；在磁場(chǎng)力的作用下，磁針會(huì)對(duì)積碳進(jìn)行耕犁、劃擦，將積碳一點(diǎn)點(diǎn)地從渦輪軸內(nèi)壁去除，如圖3c和圖3d所示。由于積碳的脆性很大，磁針在跟積碳碰撞的過程中，磁針會(huì)使已有裂縫的積碳表面產(chǎn)生更多的裂縫，將積碳分割成一塊塊的小片狀，小片狀的積碳可能會(huì)在耕犁、劃擦的過程中直接脫落，從而加速積碳的去除進(jìn)程。

2 磁針磁力研磨法去除積碳的裝置

圖4為渦輪軸內(nèi)壁積碳去除的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。將與三通管連接的渦輪軸兩端密封裝置的中部開孔，用與主軸連接的三爪卡盤和頂尖裝置上的三爪卡盤夾持密封后的渦輪軸，頂尖裝置可以使其上連接的三爪卡盤伸縮，三通管一端和渦輪軸密封裝置連接，并伸入渦輪軸內(nèi)部，用三通管密封套將三通管的其中一個(gè)直通端進(jìn)行密封。渦輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)三爪卡盤主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，三爪卡盤夾持的渦輪軸將會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。滑軌連接在結(jié)構(gòu)支架上，滑臺(tái)坐落在滑軌上，磁極盤電機(jī)和直線電機(jī)連接在滑臺(tái)上，磁極盤電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)磁極盤轉(zhuǎn)動(dòng)，固連在滑臺(tái)上的直線電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在齒輪齒條的機(jī)械配合作用下，帶動(dòng)滑臺(tái)沿渦輪軸軸向運(yùn)動(dòng)。在渦輪軸夾持好之后，磁極盤電機(jī)、直線電機(jī)、渦輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之前，將磁針通過三通管直通方向放入，送入到渦輪軸內(nèi)部，用三通管密封套將直通端密封，再將水和研磨液的混合溶液加入到渦輪軸內(nèi)。磁針在磁極盤磁極的磁場(chǎng)力作用下，隨磁極盤的轉(zhuǎn)動(dòng)在渦輪軸內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，滑臺(tái)在直線電機(jī)作用下帶動(dòng)磁極盤沿渦輪軸軸向運(yùn)動(dòng)，使得磁針在渦輪軸內(nèi)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿渦輪軸向運(yùn)動(dòng)。渦輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，磁針對(duì)渦輪軸內(nèi)部各個(gè)地方進(jìn)行加工。

圖4 渦輪軸內(nèi)壁積碳去除實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)條件見表1。實(shí)驗(yàn)過程中，磁極盤轉(zhuǎn)速越高，磁極盤上的磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)力作用下的磁針運(yùn)動(dòng)得越快，磁針與渦輪軸內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生的碰撞力越大，對(duì)渦輪軸內(nèi)壁積碳的去除效率越高。磁極盤轉(zhuǎn)速過高，磁針與渦輪軸內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生的撞擊力過大，磁針會(huì)對(duì)渦輪軸內(nèi)壁造成劃傷。研磨液會(huì)對(duì)磁針的運(yùn)動(dòng)起到潤(rùn)滑作用，并對(duì)切削加工起到輔助作用，但研磨液有一定的黏度，研磨液過多則會(huì)起到相反的作用。直徑較小的磁針在磁場(chǎng)力的作用下對(duì)渦輪軸內(nèi)壁撞擊產(chǎn)生的撞擊力小，積碳去除效果不明顯；磁針直徑越大，在磁場(chǎng)力作用下產(chǎn)生的撞擊力越大，積碳去除效果越好；但是直徑過大的磁針因端面的增大，切削作用將會(huì)減弱。表1中選擇的實(shí)驗(yàn)參數(shù)是在經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)之后得到的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)過程中，利用3D超景深電子顯微鏡對(duì)研磨加工前后的渦輪軸內(nèi)壁表面形貌進(jìn)行觀察。利用德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)的Zeiss-SIGMA HD型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)渦輪軸內(nèi)壁的成分進(jìn)行分析測(cè)定。圖5為實(shí)驗(yàn)工件的示意圖。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

Tab.1 Experimental conditions

圖5 實(shí)驗(yàn)工件示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 渦輪軸內(nèi)壁積碳去除情況觀察

圖6a為積碳去除前渦輪軸內(nèi)壁的表面形貌圖，可以看到，渦輪軸內(nèi)壁存有大片形狀不規(guī)則的積碳，而且積碳上邊有明顯的裂紋存在。圖6b為利用磁針磁力研磨法去除積碳后的渦輪軸內(nèi)壁，渦輪軸內(nèi)壁已經(jīng)看不到有積碳的存在，呈現(xiàn)出了渦輪軸內(nèi)壁凹凸不平的表面。同時(shí)，從積碳去除前后的三維表面形貌圖對(duì)比可以看出，積碳容易在渦輪軸內(nèi)壁凹陷的部位 聚集。

圖6 積碳去除前后的表面形貌

4.2 積碳去除結(jié)果驗(yàn)證

從表面形貌分析結(jié)果可以看到，渦輪軸內(nèi)壁積碳被完全去除，為了進(jìn)一步驗(yàn)證，采用掃描電鏡分析去除前后的渦輪軸內(nèi)壁成分變化。

首先對(duì)未去除積碳的渦輪軸內(nèi)壁進(jìn)行掃描電鏡成分分析，得到渦輪軸內(nèi)壁的成分。為了區(qū)分所測(cè)得的渦輪軸內(nèi)壁成分中哪些元素是渦輪軸的基體成分元素，哪些是渦輪軸在工作過程中摻入的元素，對(duì)渦輪軸內(nèi)壁的積碳用砂紙打磨去除，然后再對(duì)砂紙打磨去除積碳后的渦輪軸內(nèi)壁進(jìn)行掃描電鏡成分分析。最后對(duì)磁針磁力研磨去除積碳后的渦輪軸內(nèi)壁進(jìn)行掃描電鏡成分分析。對(duì)比渦輪軸內(nèi)壁在積碳未去除時(shí)、砂紙打磨去除積碳后、磁針磁力研磨去除積碳后的掃描電鏡成分分析結(jié)果，驗(yàn)證通過表面形貌分析得到的磁針磁力研磨后積碳被完全去除的結(jié)果是否正確。

圖7為不同狀態(tài)下渦輪軸內(nèi)壁在掃描電鏡下的表面形貌圖，圖8為圖7中不同標(biāo)記區(qū)域的EDS能譜圖，表2為圖7中不同標(biāo)記區(qū)域的EDS分析結(jié)果。

從分析的結(jié)果可以看到，渦輪軸內(nèi)壁積碳未去除時(shí)，成分中包含的元素有C、O、Na、Al、Si、Ti、Fe、Zr、Mo、S、K，用砂紙打磨去除積碳后的渦輪軸內(nèi)壁成分中包含的元素有C、Al、Si、Ti、Zr、Mo。通過分析可以得到，渦輪軸的基體成分中包含的元素有C、Al、Si、Ti、Zr、Mo，而O、Na、Fe、S、K則是渦輪軸在工作過程中產(chǎn)生的。通過分析和查閱資料得到：O元素是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作中給燃燒室內(nèi)提供燃料燃燒需要的氧氣時(shí)帶入的，Na、S、K等元素則是燃料成分中的元素，F(xiàn)e是機(jī)件在工作過程中由于磨損帶入的[22-24]。用磁針磁力研磨去除積碳后，渦輪軸內(nèi)壁成分中包含的元素有C、O、Al、Si、Ti、Fe、Mo，與基體的成分相比較，多出了O、Fe兩種元素，少了Zr元素。分析認(rèn)為，多出的O、Fe兩種元素是由于在磁針磁力研磨過程中，磁針跟渦輪軸內(nèi)壁發(fā)生碰撞，碰撞瞬間，氧化后的鐵摻入到了基體里，F(xiàn)e元素的存在會(huì)加速積碳的沉積，所以有必要對(duì)其進(jìn)行去除[5]。由于磁針研磨加工過程中摻入的Fe元素在渦輪軸內(nèi)壁基體表層，與基體的結(jié)合并不緊密，因此可通過沖洗或蹭刷將其去除。Zr元素的缺少可能是因?yàn)榛w成分不均勻，所測(cè)部位缺少Zr元素，也有可能是Zr的含量較低，由于測(cè)量精度問題導(dǎo)致。

圖7 不同狀態(tài)下渦輪軸內(nèi)壁的表面形貌

圖8 不同標(biāo)記區(qū)域的能量譜圖

表2 圖7中不同標(biāo)記區(qū)域的EDS結(jié)果

Tab.2 EDS results for different markup areas in Fig.7 wt%

通過以上分析可以得到，用磁針磁力研磨可以完全去除渦輪軸內(nèi)壁的積碳，也驗(yàn)證了通過表面形貌分析得到的結(jié)果。

5 結(jié)論

1）利用超景深電子顯微鏡觀察磁針磁力研磨去除渦輪軸內(nèi)壁積碳前后的表面形貌，與去除積碳之前相比，去除積碳后的渦輪軸內(nèi)壁表面看不到積碳?xì)埩?，去除比較完全。

2）為了驗(yàn)證磁針磁力研磨后渦輪軸內(nèi)壁積碳被完全去除的結(jié)果是否正確，將磁針磁力研磨去除積碳后的渦輪軸內(nèi)壁成分與渦輪軸基體成分進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，渦輪軸內(nèi)壁積碳的去除比較徹底。

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Removal of Carbon Deposition on the Inner Wall of Turbo Shaft by Magnetic Needle Grinding

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(School of Mechanical Engineering and Automation, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China)

The work aims to remove carbon deposition from the inner wall of aero-engine turbo shaft. Magnetic needle grinding method was used to remove the carbon deposition on the inner wall of the turbo shaft. The surface morphology of the inner wall of the turbo shaft before and after removal of carbon deposition by grinding was observed by 3D ultra depth of field electron microscope. Scanning electron microscope was used to measure and analyze the components of carbon deposition on the inner wall of turbo shaft and the matrix components of turbo shaft. At the same time, the composition of inner wall of turbo shaft after the removal of carbon deposition by magnetic needle grinding was determined and compared with the matrix composition, to verify the thoroughness of carbon deposition removal. Carbon deposition on the inner wall of turbo shaft was completely removed by magnetic needle grinding. The elements in the carbon deposition were O, C, Na, Al, Si, Ti, Fe, Zr, Mo、S and K, and the elements in the matrix were C, Al, Si, Ti, Zr and Mo. The elements on the inner wall of the turbo shaft were C, Al, Si, Ti, Mo, O and Fe measured after removal of carbon deposition with magnetic needle grinding, showing that the carbon deposition on the inner wall of the turbo shaft was completely removed after magnetic needle grinding. The results of composition analysis show that this result is correct that the carbon deposition on the inner wall of turbo shaft obtained from surface topography analysis is completely removed. At the same time, it shows that the method of removing carbon deposition on the inner wall of turbo shaft by magnetic needle grinding is feasible and achieves good results.

magnetic needle grinding; carbon deposition; surface morphology; scanning electron microscope; turbine shaft; removal mechanism

2019-10-20；

2019-12-15

CHEN Yan (1963—), Female, Doctor, Professor, Research focus: precision machining. E-mail: laochen412@gmail.com

陳燕，胡玉剛，巫昌海，等. 磁針磁力研磨去除渦輪軸內(nèi)壁積碳[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(6): 259-266.

TG580.68

A

1001-3660(2020)06-0259-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.031

2019-10-20；

2019-12-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（51775258）；遼寧省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（20170540458）；精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（B201703）；遼寧省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（2017LNZD02）

Fund：National Natural Science Foundation of China (51775258), Liaoning Natural Science Foundation Key Project (20170540458), Ministry of Precision and Special Processing Key Laboratory Fund (B201703) and Liaoning Provincial Department of Education Key Projects (2017LNZD02)

陳燕（1963—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)榫芗庸?。郵箱：laochen412@gmail.com

CHEN Yan, HU Yu-gang, WU Chang-hai, et al. Removal of carbon deposition on the inner wall of turbo shaft by magnetic needle grinding[J]. Surface technology, 2020, 49(6): 259-266.