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DOI: 10.19289/j.1004-227x.2017.16.006

超声磁力复合研磨对 TA18 管内表面光整加工

谭悦，陈燕*，曾加恒，许召宽

（辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山 114051）

摘要：采用超声波振动辅助磁力研磨的加工技术对 TA18 钛合金管内表面进行光整加工，研究了振动频率和振幅对加工质量的

影响。结果表明：当在振幅 10 mm 下采用 19 kHz 的振动频率对 TA18 管内表面研磨 50 min 时，研磨效果最好，加工效率得到了

提高，表面粗糙度从原始的 1.20 μm 降至研磨后的 0.07 μm。钛合金表面的应力状态由原始的残余拉应力+169 MPa 变为压应力

−80 MPa，有效提高了工件的疲劳强度。

关键词：钛合金管；磁力研磨；超声波振动；表面形貌；应力

中图分类号：TG175.3; TC669 文献标志码：A 文章编号：1004 – 227X (2017) 16 – 0870 – 04

Finishing machining of inner surface of TA18 pipe by ultrasonic–magnetic composite grinding // TAN Yue,

CHEN Yan*, ZENG Jia-heng, XU Zhao-kuan Abstract: The inner surface of TA18 titanium alloy pipe was finished by ultrasonic vibration-assisted magnetic grinding.

The effects of vibration frequency and amplitude on finishing quality were studied. The results showed that the grinding

effectiveness and efficiency for the inner surface of TA18 titanium alloy pipe are the best after grinding at a vibration

amplitude of 10 mm and a vibration frequency of 19 kHz for 50 min, as shown by the decreased surface roughness from

1.20 μm previously to 0.07 μm after grinding. The stress at the titanium alloy surface is converted from tensile (+169 MPa) to

be compressive (−80 MPa), improving the fatigue strength of workpiece effectively.

Keywords: titanium alloy pipe; magnetic grinding; ultrasonic vibration; surface morphology; stress

First-author address: School of Mechanical Engineering and Automation, University of Science and Technology

Liaoning, Anshan 114051, China

钛合金材料的韧性、焊接性和耐蚀性都好，且比强度高，在冲击或振动载荷作用下裂纹不易扩展，

被广泛运用在航空和航天领域，如飞行器的流体输送管道及其他重要的结构件[1]。钛合金管内表面凹凸

不平会造成气体或液体在钛合金管内部的压力和流速不均，从而产生喘振现象[2]。因此有关钛合金管内

表面的光整技术越来越受到重视，不同的加工方法相继被提出，主要有砂轮磨削、砂带磨削、电火花加

工等。但传统研磨加工，如砂轮磨削、砂带磨削等存在加工效率低、表面加工质量不易控制的问题。为了

保证表面加工质量，提高加工效率，一些改进的光整工艺被陆续报道，如焦佳能等[3]提出的磨粒流工艺，

邓超等[4]提出的单纯磁力研磨工艺，韩冰等[5]提出的在管内加入球形磁极辅助磁力研磨工艺，以及笔者[6]

提出的电解–磁力复合研磨工艺。但这些方法或多或少都存在着一些不足，如磨粒流受流速影响较大，单

纯磁力研磨受材质硬度影响，球形辅助磁力易发生球形磁极自磨，电解–磁力复合研磨易发生短路。本文

采用超声磁力复合研磨法对钛合金管内表面进行精密研磨抛光，可有效避免上述现象。通过单因素试验

确定了超声磁力复合研磨钛合金管内表面的最佳工艺参数，并考察了在最佳工艺参数下钛合金管内表面

的加工质量及应力状态。

1 实验

1. 1 超声磁力复合研磨装置

将前期研究的电解–磁力复合研磨装置中的电解装置 [6]换成北京长宏建翔科技发展有限公司的

cx-2600P 超声波装置，超声磁力复合研磨加工示意图如图 1 所示。V 型辅助磁极上连接连杆，V 型辅助

磁极与外部超声振动机构相连时，连杆与变幅杆上的筒夹相连，超声波发生器产生的高频电振荡经换能器

收稿日期：2017–06–02 修回日期：2017–07–27

基金项目：国家自然科学基金（51105187）；辽宁省教育厅基金（2016HZZD02）。

作者简介：谭悦（1990–），男，重庆人，在读硕士研究生，主要研究方向为精密加工技术、表面处理技术。

通信作者：陈燕，博士，教授，(E-mail) 1336852522@qq.com。

超声磁力复合研磨对 TA18 管内表面光整加工

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转化为机械振动，再通过变幅杆对机械振动进行有效放大，使 V 型辅助磁极产生小振幅、高频率的振动。

工件高速旋转，外部磁极沿钛合金管轴向往复进给，带动钛合金管内部 V 型辅助磁极沿工件轴向运动。

磁性磨粒在钛合金管内表面进行微量摩擦、刻划，最终完成对工件表面的精密研磨[7]。

(1──管件旋转方向；2──管件；3──V 型辅助磁极；4──外部磁极进给方向；5──磁轭架；6──外部磁极；

7──V 型辅助磁极振动方向；8──支撑杆；9──磁粒刷；10──磁力线方向)

图 1 超声磁力复合研磨钛合金管内表面加工示意图 Figure 1 Schematic diagram showing the processing of inner surface of titanium alloy tube by ultrasonic vibration-assisted

magnetic grinding

1. 2 超声磁力复合加工工艺

基体材料为 TA18，外径 40 mm，内径 34 mm，长 90 mm。工艺条件为：主轴转速 1 000 r/min，进

给速率 2 mm/s，V 型辅助磁极与管内表面间隙为 2 mm，外部磁极与管的间隙为 15 mm，V 型辅助磁极

和外部磁极均为 Nd–Fe–B 永磁极。所用磨料由平均粒径 200 ~ 250 μm 的铁粉和平均粒径 40 ~ 50 μm 的

Al2O3按质量比 2∶1混合烧结后破碎筛分而成。采用劳力恩SR-9912水溶性研磨液，加工时间均为 50 min。

1. 3 超声磁力复合加工效果的表征

采用广精 JB-08E 表面粗糙度测量仪测量加工件的表面粗糙度 Ra，每加工 10 min 测 1 次，测量 5 个

不同点，取平均值。采用基恩士的 VHX-500F 型超景深 3D 显微镜观察工件的表面形貌。利用荷兰帕纳

科 X 射线残余应力分析仪检测加工前后工件表层的残余应力。根据 X 射线衍射 2sin 应力分析法[8]，通

过在衍射角范围内选取 6 个点测定晶面间距 d(单位：μm)，绘制出相应的点图并拟合成直线，通过式(1)

计算出表面的应力。

21 sinn

n

d dE

d

(1)

式中， 为反向上的应力(单位：MPa)，E 为材料的杨氏模量(116 GPa)， 为材料的泊松比(0.32)， 为衍射角度(单位：°)， 为倾斜角度(单位：°)，d 为倾斜角的晶面间距(单位：μm)；dn为初始倾斜角

(0°)的晶面材料初始表面受到初加工时的塑性变形间距(单位：μm)。

2 结果与讨论

2. 1 振幅对表面粗糙度的影响

其余参数同 1.2 节，采用 19 kHz 的振动频率，在不同振幅下对钛合金管内表面进行加工，结果见图 2。

随着振幅的增大，工件的表面粗糙度逐渐下降，表面加工质量显著提高。当振幅增大到 10 mm 时，加工

50 min 后表面粗糙度由初始的 1.2 μm 降至 0.07 μm。继续增大振幅到 15 mm 时，加工 50 min 后工件的表

面粗糙度与振幅为 10 mm 时相比并无太大的区别。原因是振幅的增大使磁性磨粒的动能增大，磁性磨粒

对工件的脉冲作用相应增强，同时轴向熨压使磨粒的重复磨削作用加强[9]，工件表面的缺陷被快速去除。

但振幅增大到一定程度时，单位面积内的磨粒减少，动能持续增大，磨粒之间未切除痕迹在宽度和高度

上明显增大，工件表面粗糙度不仅下降减缓，甚至有增大的趋势。为保证加工效率和质量，宜选择振幅

为 10 mm。

2. 2 振动频率对表面粗糙度的影响

其余参数同 1.2 节，在振幅 10 mm 和不同振动频率下对钛合金管内表面进行加工，结果见图 3。

超声磁力复合研磨对 TA18 管内表面光整加工

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0 10 20 30 40 500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

t(研磨)/ min

Ra /

m 0 mm 5 mm 10 mm 15 mm

图 2 不同振幅下工件表面粗糙度随研磨时间的变化

Figure 2 Variation of surface roughness of workpiece with grinding time at different vibration amplitudes 

0 10 20 30 40 500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Ra /

m

t(研磨)/ min

0 kHz 12 kHz 15 kHz 19 kHz

图 3 不同振动频率下工件表面粗糙度随研磨时间的变化

Figure 3 Variation of surface roughness of workpiece with grinding time at different vibration frequencies 

随着振动频率的增大，表面粗糙度下降的趋势加快。当振动频率达到 19 kHz 时，工件的表面粗糙度

最低，加工效果最佳。主要原因是高频振动使磨粒在单位时间内对工件表面的刻划次数增加，并且磁性

磨粒的切削方向不断变换[9]，磨粒的切削刃呈周期性变换，有利于磨粒切削刃的保持。因此在保证加工

精度的前提下，选用 19 kHz 的高频振动。

2. 3 超声磁力复合研磨对表面微观形貌的改善

图 4 为工件经超声磁力复合加工前后的表面纹理形貌。如图 4a 所示，原始工件为砂轮磨削表面，有

明显的磨削纹理，存在凹坑；表面粗糙度轮廓的波峰和波谷间距较大。经超声磁力复合加工后，表面轮

廓曲线上的 TA18 管内表面的微裂纹和机械划痕已消失，表面更加细密、均匀；原始波峰已被完全去除，

整体趋于平整。 

(a) 研磨前 (b) 研磨后

(a) Before grinding (b) After grinding

图 4 超声磁力复合研磨前后工件的金相形貌 Figure 4 Metallographic morphology of workpiece before and after ultrasonic vibration-assisted magnetic grinding

2. 4 超声磁力复合研磨对表面残余应力的影响

图 5 为超声磁力复合研磨前后工件表面的应力线图。材料初始表面由于受到初加工时的塑性变形和

加工温度的影响，残余应力为+169 MPa 拉应力；由于在超声磁力复合研磨中，超声振动使磨粒冲击挤压

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

1.3384

1.3385

1.3386

1.3387

1.3388

1.3389

d /

m

sin

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

1.3368

1.3372

1.3376

1.3380

1.3384

d /

m

sin (a) 研磨前 (b) 研磨后

(a) Before grinding (b) After grinding

图 5 超声磁力复合研磨前后工件表面的应力线 Figure 5 Surface stress curves of workpiece before and after ultrasonic vibration-assisted magnetic grinding

超声磁力复合研磨对 TA18 管内表面光整加工

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工件表面，造成表层金属发生多次微小塑变并累计叠加，使得表面残余应力显著下降，加工后应力为−80 MPa

压应力，有效提高了工件的疲劳寿命。

3 结论

(1) 在振幅为 10 mm，振动频率为 19 kHz，主轴转速为 1 000 r/min，进给速率为 2 mm/s，磨料粒径

为 185 μm，V 型辅助磁极与管内表面的间隙为 2 mm，外部磁极与管的间隙为 15 mm 的优化参数下，对

TA18 合金进行超声磁力复合研磨 50 min，表面粗糙度 Ra从原始的 1.2 μm 降至 0.07 μm，达到光整加工

的效果。

(2) 加工后 TA18 合金管内表面的残余应力从拉应力+169 MPa 变为压应力−80 MPa，说明超声磁力

复合研磨能够获得更好的表面应力状态。

参考文献：

[1] 江志强, 杨合, 詹梅, 等. 钛合金管材研制及其在航空领域应用的现状与前景[J]. 塑性工程学报, 2009, 16 (4): 44-50, 84.

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[8] FERREIRA N G, ARAMOF E, CORAT E J, et al. Residual stresses and crystalline quality of heavily boron-doped diamond films analysed by micro-Raman

spectroscopy and X-ray diffraction [J]. Carbon, 2003, 41 (6): 1301-1308.

[9] 陈燕, 刘昭前, 王显康. 超声波振动辅助磁力研磨加工研究[J]. 农业机械学报, 2013, 44 (10): 294-298, 293.

[ 编辑：周新莉 ]

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