随着先进制造技术和科学生产力的高速发展，机械零件的使用性能越来越受到人们的重视，表面完整性是衡量机械零件表面质量的技术指标，对零件使用性能有重要影响^[1]。钛合金管因其具有耐高压、耐腐蚀等特性，广泛应用在军工、海洋、石油化工等领域，主要用于制造枪炮管、深潜器、冷凝器。钛合金管主要由压力机热挤压和斜轧穿孔两种工艺加工而成，加工后的管坯厚度公差较大且表面多伴有凹坑、微裂纹、毛刺等表面缺陷，严重影响零件的使用性能。对于大孔径的钛合金管主要使用砂轮磨削加工，但极易在加工表面产生磨削烧伤；而小孔径多采用砂带和磨料进行加工，但由于钛合金属于典型的难加工材料，加工时容易造成磨粒相断裂，从而影响加工效率和质量^[2]。

任敬心等^{[3, 4]}提出采用刚玉和碳化硅砂轮对钛合金进行磨削，但此方案中若砂轮磨料硬度、磨削用量控制不好，极易使表面产生微裂纹、烧伤熔覆物等。焦佳能等^[5]提出采用磨粒流工艺对钛合金进行加工，但此方案受流速、压力方面影响较大，工件容易出现厚薄不均、表面加工不均匀的情况。

电化学光整加工是利用金属阳极电化学溶解的原理，使得表面形成的钝化膜在外部流场的作用下被整平，且加工时不受工件材质和表面硬度的制约，但影响电化学光整加工整平效果的因素很多，且随着光整加工的进行，整平效果降低^[6]。磁力研磨光整加工具有自适应性强、自锐性好、低温柔性加工等优点，被广泛应用于平面、内外圆表面、复杂模具型腔的光整加工，但由于受到磨料硬度的限制，使其对硬质材料加工效率不高^[7]。电化学磁力研磨复合光整加工工艺不仅保持了各自工艺的优势，而且可以有效地解决了上述存在的问题。基于以上原因，文中设计了电化学磁力研磨复合光整加工钛合金管内表面的实验装置，并对不同光整加工方式的加工质量和加工效率进行分析，为钛合金管内表面的加工提出了一种高效实用的光整加工方法。

如图 1所示，工件通过碳刷连接直流电源的正极作为电化学反应的阳极，铜棒连接电源的负极作为阴极，电解液通过蠕动泵抽取填充在加工间隙中，使工件内表面发生电化学溶解反应，使得工件表面生成一层致密且硬度较小的钝化膜；钛合金管内部放置吸附磁性磨粒的V型辅助磁极，与外部磁极形成磁回路，磁性磨粒沿磁力线方向形成磁力刷，压附在管内表面，工件由车床带动做周向旋转，由于磁性磨粒与工件之间存在一定的相对运动，使得钝化膜被有效地去除，继而漏出的材料基体的表面凸起点又被电解，被新生成的钝化膜所覆盖，这种电解—生成钝化膜—机械刮除—重新电解反复进行，被加工表面在可控的条件下被一层层去除，达到对表面光整加工的目的，从而使得表面的缺陷不断被去除^{[8, 9, 10, 11]}。

1—Three jaw chuck; 2—Insulating pad; 3—Workpiece; 4—Carbon brush; 5—DC power supply; 6—Control valve; 7—Flow meter; 8—Peristaltic pump; 9—Filter device; 10—External pole; 11—Magnetic abrasive particles(MAPs); 12—V-shaped auxiliary pole; 13—Copper bar; 14—Electrolyte 图 1 电化学磁力研磨复合加工管内表面的原理图 Fig.1 Principle schematic diagram of electrochemical magnetic abrasive compound machining of tube inner surface

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在单纯磁力研磨加工(Magnetic abrasive finishing，MAF)中，单个磁性磨粒的受力情况如图 2(a)所示，在磁场作用下，磁性磨粒受到沿磁力线方向的ΔF_x和沿磁等位线方向的ΔF_y ，二者的合力为ΔF，将合力ΔF沿垂直于工件表面方向和沿水平方向分解，提供了对工件表面的研磨压力P和驱动力F_t，则：

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图 2 磁力研磨加工、电化学加工和复合加工的微观示意图 Fig.2 Micro schematic diagram of MAF, EF and EMACF

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上式中B为磁通密度，T；μ₀为真空磁导率，为4π×10^-7 H/m；μ_m为磁性磨粒的相对磁导率，H/m。由研磨加工工艺的数学模型Preston经验公式可得材料去除量为

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式(3)中k为比例常数；V为磁性研磨粒子与工件的相对旋转速度，mm/s；P为磁性研磨粒子与工件间的研磨压力，N。由于材料基体的硬度较大，在一定的研磨压力P和驱动力F_t的作用下，磨料容易出现断裂损耗的现象，从而影响了加工效率和加工质量。图 2(b)所示的单纯电化学加工(Electrochemical finishing，EF)中，阳极中一些化学性比较活泼的金属会失去电子变成离子状态，持续不断地转移到溶液中(M-ne^-→Mⁿ⁺)，依据法拉第第一定律，阳极材料溶解量为：

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式(4)中，Q为通过的电量，C；K为元素的电化学当量，g/C；I为电流强度，A；T为电流通过的时间，s。加工的初期表面微观轮廓的尖峰得到有效地改善，工件表面的几何轮廓呈现圆角形或圆弧形，表面微观轮廓变得光滑，但受到电解液流量流速以及电流强度的限制，加工效率明显不足，且随着反应的进行，这种“尖端”效应逐步被削弱。图 2(c)所示的电化学磁力研磨复合加工中(Electrochemical magnetic abrasive compound finishing ，EMACF)，由于电化学阳极溶解的作用，使得工件内表面形成一层致密的钝化膜，其显微硬度远小于材料基体的硬度，磁性磨粒的磨粒相可以轻松地去除这层钝化膜，提高了加工效率和磨料使用寿命，同时复合加工后的材料去除量为R=R₁+R₂，材料去除量显著提高^{[12, 13, 14]}。

试验装置如图 3(a)所示，在加工钛合金管内表面时，工件经三爪卡盘固定在车床上，直流电源阳极通过碳刷与工件相连，阴极通过连杆与铜棒相连，电解液通过蠕动泵抽取填充在加工间隙中，V型辅助磁铁上吸附磁性磨料，V型辅助磁铁和电极固定在连杆上，连杆经弹性筒夹夹持，夹头通过螺纹连接与支撑座相连，支撑座被固定在工作台上，外部磁极通过磁极架固定，与内部V型辅助磁极构成闭合的磁回路，工作台沿轴向往复进给，工件通过车床主轴带动做周向旋转，通过磁性磨粒刮除和电化学反应成膜的共同作用，从而实现对钛合金管内表面的光整加工。电极磁极复合一体结构如图 3(b)所示。

1—Horizontal lathe; 2—Carbon brush; 3—External pole; 4—Workpiece; 5—Connecting rod; 6—DC power supply; 7—Peristaltic pump; 8—Elastic collet; 9—Clamping support; 10—Worktable; 11—MAPs; 12—V-shaped auxiliary pole; 13—Copper bar 图 3 电化学磁力研磨复合加工钛合金管内表面的试验装置图 Fig.3 Test device graph of electrochemical magnetic abrasive compound machining of titanium alloy tube inner surface

图选项

试验对象为Φ 40 mm，内径32 mm的钛合金TA18管，车床的主轴转速1 062 r/min，进给速度60 mm/min，阴极铜棒与管内表面间隙1 mm，铜棒通过螺纹杆与V型辅助磁极相连，通过调整旋入的螺纹深度来调整加工间隙，V型辅助磁极与管内表面间隙2 mm，外部磁极与管间隙30 mm，V型辅助磁极和外部磁极均为Nd-Fe-B永磁极，磁性磨粒粒径为175~208 μm，由平均粒径为200~250 μm的铁粉和平均粒径为40~50 μm的Al₂O₃烧结破碎筛分而成，铁粉和Al₂O₃的比例为2∶1，烧结时间为6 h，研磨液为劳力恩SR-9912水溶性研磨液，加工前在磁力研磨加工区域添加约2 mL水基研磨液，保证初始阶段的加工效果，随着加工的进行不再进行添加。其他试验条件见表 1。

采用J8-8E触针式表面粗糙度仪对单纯电化学加工后、单纯磁力研磨加工后和电化学磁力研磨复合加工后的表面粗糙度进行测量，每5 min测量一次，测量时选取不同的5个测量点取平均值；用上天FA2004精密电子天平(分度值1 mg)测量材料去除率，每5 min测量一次；采用VHX-500F超景深3D显微镜对不同加工方式的表面显微形貌进行测量。

采用∑2GMAHD高分辨率场发射扫描电镜分别对原始表面、单纯电化学加工后表面、电化学磁力研磨复合加工后表面进行能谱分析，加速电压为20 kV，背散射信号为HDBSD，工作距离为8~9 mm，放大倍数为50倍。

采用MS-T3000摩擦磨损仪对不同加工方式的表面摩擦因数进行检测。分别取加工后工件，采用FK7732线切割机床将试样切割成15 mm×15 mm的试验件，试验选用直径为5 mm的ZrO球作为点接触摩擦副，载荷为200 g，测量半径为3 mm，试验时间为30 min，系统转速为200 r/min。

采用HV-1000显微硬度计对不同原始表面和电化学加工后生成的钝化膜硬度进行检测。压头为锥面夹角为136°的正方锥体维氏压头，试验力为0.98 N，试验力保荷时间为30 s。

采用荷兰帕纳科多功能X射线衍射仪对不同加工的表面残余应力进行检测。靶类型Cu，管电压40 kV,管电流40 mA，扫描速度0.025°/s，扫描步长0.1°，杨氏模量114.76 GPa，泊松比0.321 7。

经30 min加工后，表面粗糙度和材料去除量随加工时间的变化曲线如图 4所示，试验结果见表 2。

图 4 表面粗糙度和材料去除量随加工时间的变化曲线 Fig.4 Variation curves of the surface roughness and material removal with the processing time

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单纯电化学加工后的表面粗糙度下降最慢，且随着反应的进行变化很小，基本维持在Ra 0.8 μm，材料去除量最少，主要原因是纯电化学加工受到的影响因素很多，受电解液流速的影响很大，且随着加工的进行，加工区域的电解液质量恶化，阻碍了反应的持续性和有效性。经纯磁力研磨加工后的表面质量较好，但表面粗糙度的图线在25 min后已趋于平缓，最终稳定在Ra 0.4 μm且不再下降，这主要是因为经纯磁力研磨加工后的磨料容易出现磨粒相断裂，磨料外部的有效加工部分脱落，磨料变得圆滑，影响磨料的使用寿命和加工效率，从而使得加工区域磨削温度较高，容易出现表面烧伤的情况(见图 5(a))。对比其他两种加工方式，电化学磁力研磨复合加工能够获得更好的表面粗糙度和材料去除量，表面粗糙度达到Ra 0.2 μm，且有继续下降的趋势,这主要是因为经电化学加工后的表面更有利于磁力研磨加工的进行，且复合加工后的磨料外部的有效加工部分较完整，能够保持较好的加工性能(见图 5(b))。

图 5 磁力研磨和复合加工后磨料磨损情况 Fig.5 Wear condition of the abrasive after MAF and EMACF

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经压力机热挤压初加工后的工件表面存在明显的加工痕迹、凹坑等缺陷(见图 6(a))；经纯电化学加工后的工件表面加工痕迹的波峰被大量去除，裂纹和毛刺也基本去除，但由于“尖点效应”逐渐减弱甚至消失，底部的凹坑没有得到有效地去除，且由于电化学的作用表面出现了新的麻点(见图 6(b))；经纯磁力研磨加工后的工件表面加工痕迹、毛刺、裂纹基本去除，表面质量较高，但仍残留一些未被去除的加工痕迹，底部凹坑被有效去除，表面也出现了少量小区域的烧伤金属熔覆物(见图 6(c))；经复合加工后的工件表面仅存在极少量未被去除的加工痕迹，与其他两种加工方式相比，表面具有更好的完整性，加工效果最佳(见图 6(d))。

图 6 光整加工前后的表面形貌 Fig.6 Surface morphologies before and after finishings

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原始、电化学加工后和复合加工后表面的能谱分析如图 7所示，经复合加工后的表面成分和原始表面成分相比，成分几乎没有发生变化，这主要是由于磁力研磨微量切削的作用，使得表面变质的钝化层得到有效地去除；而经单纯电化学加工后的的表面由于出现了残留反应物未被去除的情况，使得表面出现了Na、K、Ca等元素，且表面抗氧化性变弱，氧元素由14.35%上升至49.8%，表面的成分发生了比较大的变化，影响了原有材料的表面性质和使用性能。

图 7 原始、电化学加工后和复合加工后表面的能谱分析 Fig.7 Energy spectrum analysis of the original surface, EF and EMACF

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如图 8(b)和8(c)所示，经纯磁力研磨加工和电化学磁力研磨加工后的表面摩擦因数分别为0.376 5和0.263 9，且最大摩擦因数分别为0.406 4和0.310 5，电化学磁力研磨复合加工后的表面摩擦性能要明显好于纯磁力研磨加工，这主要由于在相同的加工时间内，磁力研磨加工的效率要低于电化学磁力研磨复合加工，且磁力研磨加工后的表面存在轻微的烧伤产生熔覆物；如图 8(a)所示，电化学加工后的表面摩擦因数为0.076 5，但电化学加工的表面粗糙度约为单纯磁力研磨加工的两倍，约为复合加工的4倍，且表面显微形貌(图 6(b))要明显劣于其它两种加工方式，而表面摩擦因数却远小于其它两种加工方式；这主要说明材料的表面粗糙度和摩擦因数之间并不一定呈现正比的关系，生成的钝化膜具有一定的润滑作用，有助于提升表面的加工质量。

图 8 3 种加工方式随时间变化的摩擦因数曲线 Fig.8 Friction coefficient curves of three kinds processing method with time variation

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不同加工方式表面磨损如图 9所示，未经电化学处理的原始表面(图 9(a))的磨损痕迹较重，材料去除初期多以破碎磨损为主，随后转变为摩擦磨损进而脱落，加工纹理较明显；经电化学处理后的表面(图 9(b))由于电化学反应的作用，使材料基体内的物质离子化变得松散，多以摩擦磨损为主，加工纹理明显减少，这样的表面更有利于磁性研磨加工的进行^[15]。

图 9 原始试样和电化学处理试样的磨痕表面形貌 Fig.9 Grinding marks surface morphologies of the original sample and the electrochemical treatment sample

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试验结果表明，原始材料表面的显微硬度为282 HV，而电化学加工后的表面显微硬度为175 HV，显微硬度下降了37.91%，显微硬度的下降有助于提高材料去除量和加工效率。

首先在20°~140°范围内全扫，确定68.79°~72.59°范围内的衍射峰为基准，在0°~20°角范围内选取7个点测定晶面间距d并绘制出相应的点图并拟合成直线，如图 10(a)所示，通过公式(5)计算出表面的残余应力，

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图 10 光整加工前后的表面残余应力 Fig.10 Surface residual stress before and after finishing

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式(5)中为反向上的应力，MPa；E为材料的杨氏模量，GPa；为材料的泊松比；为倾斜的角度，°；为倾斜角的晶面间距，μm；为初始倾斜角(0°)的晶面材料初始表面由于受到初加工时的塑性变形间距，μm。计算结果如图 10(b)所示，结果表明，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+169.7 MPa拉应力；电化学加工后的表面，由于电化学的溶解作用使得表面残余应力得到部分释放而降低到+49.5 MPa拉应力；纯磁力研磨属于低温微量切屑加工，在加工中切削力很小，表面的塑性变形和温升很小，基本不会引入残余拉应力，而且由于磁性磨粒对表面的摩擦和碰撞，也会释放表面的残余拉应力，最终达到-39.6 MPa压应力；电化学磁力研磨复合加工为前两种加工方式的复合，显著地降低了表面的残余应力，表面残余应力为-202.2 MPa压应力。根据资料显示，残余压应力可以有效地提高零件表面的抗疲劳强度、抗应力腐蚀及抗蠕变开裂的能力；此外，良好的压应力状态可以在零件受力时释放自身的残余压应力以达到保护零件的目的^[16]。

(1) 与纯电化学加工和纯磁力研磨加工相比，电化学磁力研磨复合加工能够在相同的时间内获得更好的表面粗糙度、材料去除量以及表面微观形貌，这主要由于电化学反应的作用，使得表面显微硬度要明显小于材料基体的硬度，使工件在相同的加工时间内获得更大的材料去除量，表面的缺陷更快被去除。

(2) 经电化学磁力研磨复合加工后的表面成分和原材料的表面成分相比，几乎没有发生变化，加工后表面很好地维持了原有材料的化学成分和表面性质。

(3) 电化学磁力研磨复合加工能够使得工件表面残余应力从拉应力转变为压应力，与纯电化学加工和纯磁力研磨加工相比，电化学磁力研磨复合加工能够获得更好的表面应力状态。