周強(qiáng)，田業(yè)冰，范增華，錢乘，孫志光

（山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

鈦合金材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕等性能，廣泛應(yīng)用于航空、船舶、能源和生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-3]，如鈦合金材料常作為骨科植入物來治療骨折[4]。為了保證鈦合金器件的使用性能和可靠性，需要對其進(jìn)行光整加工，以提高表面質(zhì)量[5-6]。

傳統(tǒng)的光整加工技術(shù)，如手工研磨、電化學(xué)拋光等方法，效率低，成品一致性差，難以保證研磨的均勻性和高效性[7-10]。磁場輔助光整加工作為一種新型的光整加工方法得到廣泛關(guān)注。磁性磨料在磁場作用下形成磁力刷，貼合在工件表面，具有良好的柔性和自適應(yīng)性[11-14]。楊海吉等[15]分析了工件轉(zhuǎn)速、磨粒粒徑和研磨液用量的交互作用，對鈦合金工件的光整加工影響規(guī)律和參數(shù)進(jìn)行了總結(jié)，獲取了最優(yōu)工藝參數(shù)。周傳強(qiáng)等[16]在單一磁性磨料中加入輔助磁針進(jìn)行研磨，輔助磁針可加強(qiáng)磁性磨料的研磨效果。ZHANG等[17-19]研制了新型鐵基SiC 球形復(fù)合磁性磨料，可提高光整加工效率。趙文淵等[20]對比了不同工藝制備的磁性磨料對光整加工材料去除率的影響，得到磁性磨料制備工藝最優(yōu)方案。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)，通過改進(jìn)磁場輔助光整加工中的磁性磨料的制備工藝和光整加工參數(shù)，可以提高光整加工效率。由此可見，磁場輔助光整加工能極大地促進(jìn)了鈦合金材料在各生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用。山東理工大學(xué)田業(yè)冰教授課題組[21-23]結(jié)合磁流變效應(yīng)和剪切增稠效應(yīng)，提出了一種新的磁性剪切增稠光整加工方法，開發(fā)了新型的磁性剪切增稠加工介質(zhì)，提高了傳統(tǒng)的磁性磨料光整加工效率和光整質(zhì)量。但是，新型磁性剪切增稠加工介質(zhì)的磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒徑等對光整加工特性的影響規(guī)律還不清楚。本文針對鈦合金零件，利用設(shè)計開發(fā)的新型光整加工裝置，開展Ti-6Al-4V 磁性剪切增稠光整加工實驗，探究不同磨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒徑對光整加工的影響規(guī)律。

1 光整加工裝置

1.1 基本結(jié)構(gòu)

圖1 為磁場輔助光整加工裝置的三維結(jié)構(gòu)示意圖。配置四個剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.47 T、矯頑力為992 kA/m 的釹鐵硼永磁極。兩個N 極和兩個S 極分別放置在四個磁極套內(nèi)，產(chǎn)生加工所需的磁場力。通過改變四個磁極的排布位置，可產(chǎn)生不同的磁力線分布和磁場強(qiáng)度。導(dǎo)桿和磁軛上的導(dǎo)向槽能夠控制調(diào)節(jié)四個磁極的位置。導(dǎo)桿、磁極套、磁軛、連接板的零件材質(zhì)為45 號鋼，具有較高的硬度和較好的耐磨性?？刹鹦稉醢逯糜诖艠O外側(cè)，用來放置加工所用的光整介質(zhì)，避免光整介質(zhì)與磁極直接接觸，便于更換光整介質(zhì)，且能有效防止介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)飛濺，減少浪費。整體裝置的質(zhì)量為3.5 kg，可通過連接板集成至加工中心的主軸上。

圖1 加工裝置三維設(shè)計圖Fig.1 3D design drawing of processing device

1.2 光整加工原理

基于所設(shè)計的裝置對鈦合金（Ti-6Al-4V）表面進(jìn)行光整加工，圖2 為磁性剪切增稠光整加工原理示意圖。光整介質(zhì)是由剪切增稠基液、羰基鐵粉（CIP）和碳化硅磨粒組成的混合體。磁場透過擋板把光整介質(zhì)把持在擋板表面，并且促使磨料按照磁力線的分布形成磁力刷，如圖2a 所示。工件的對刀位置處于整個工具的偏心位置，保證工具旋轉(zhuǎn)后有相對于工件的線速度。磁力刷的位置位于工件的正上方，當(dāng)工具旋轉(zhuǎn)時，工件表面和磁力刷發(fā)生相對運動，從而實現(xiàn)工件表面材料的去除，如圖2b 所示。光整加工介質(zhì)與工件表面的微凸峰接觸時，周圍的磨料因為剪切增稠效應(yīng)而迅速聚集，光整介質(zhì)的形態(tài)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)[21-22]，增強(qiáng)了對微凸峰的切削力，達(dá)到快速去除材料的目的。當(dāng)材料去除后，接觸消失，介質(zhì)又會恢復(fù)成原來的形態(tài)，如圖2c 所示。磁性剪切增稠光整介質(zhì)在磁場作用下形成磁力刷，能夠貼合平面、曲面、微細(xì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行光整加工。

圖2 加工示意圖Fig.2 Processing diagram: a) formed magnetic brush; b) removed surface material; c) recoverd initial state

2 磁場強(qiáng)度分析

2.1 仿真

對設(shè)計的磁場發(fā)生裝置進(jìn)行有限元仿真，圖3 為Ansys Maxwell 仿真環(huán)境下三維磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布圖。從三維圖中可以看出，磁極、導(dǎo)桿和磁軛可以形成連貫的磁感應(yīng)區(qū)域，并且在磁極的頂部有較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

基于三維仿真結(jié)果獲取沿如圖3 中線1 和線2 方向的磁場強(qiáng)度值?？紤]到擋板的厚度，線1 的起點設(shè)置在距離磁極最低點1 mm 處，線2 的起點設(shè)置在距離兩個磁極最低點連線中心下方1 mm 處。

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度三維仿真Fig.3 3D simulation of magnetic induction

2.2 磁場強(qiáng)度的測量

基于高斯計（型號：GM500）實際測量沿線1和線2 方向的磁場強(qiáng)度變化趨勢，驗證仿真結(jié)果的有效性。沿線1 和線2 方向選取15 個點，靠近磁極的測量點為起點，每隔0.5 mm 測量一次。將高斯計控制在每個測量點直至讀數(shù)穩(wěn)定，獲取測量值。圖4 為實驗測量與仿真結(jié)果，在線1 和線2 的起點處，仿真結(jié)果分別為449、256 mT，隨著距離的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱，在距離起點7 mm 處的結(jié)果分別為61、43 mT。而且隨著距離的增加，沿線1 垂直方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度始終大于沿線2。距離起點的位置越遠(yuǎn)，磁場強(qiáng)度越小，實驗測量變化趨勢與仿真結(jié)果一致。實測的磁感應(yīng)強(qiáng)度一直小于仿真結(jié)果，因為磁場發(fā)生裝置放在空氣中測量磁感應(yīng)強(qiáng)度，會有磁場泄漏。仿真結(jié)果與實測結(jié)果之間的誤差會隨著距離的增大而減小，最終趨于零。測量結(jié)果驗證了仿真分析的有效性。

圖4 磁場仿真與實測結(jié)果曲線Fig.4 Magnetic field simulation and actual measurement result curve

3 實驗

3.1 光整介質(zhì)的制備及實驗設(shè)計

剪切增稠液是一種將納米或者微米尺度的顆粒分散到極性介質(zhì)中形成的濃縮顆粒懸浮液智能流體，其體系黏度會隨著剪切速率的改變而顯著改變。磁性剪切增稠光整介質(zhì)的配制步驟如圖5 所示。首先，在油浴鍋中加入二甲基硅油并加熱到80 ℃，保持溫度不變，在燒杯中加入聚乙二醇，放入加熱后的油浴鍋中。將氣相納米二氧化硅均勻地加入聚乙二醇中，并用電動攪拌器保持300 r/min 的轉(zhuǎn)速，攪動聚乙二醇溶液，使二氧化硅和聚乙二醇能夠充分混合，在1 h內(nèi)完成剪切增稠基液的配制。

圖5 配制流程Fig.5 Configuration process

在配制好的剪切增稠基液中，先后加入鐵粒子和磨粒，配制過程保持300 r/min 的轉(zhuǎn)速，在15 min 內(nèi)配制完成。待靜置12 h 后，完成所需磁性剪切增稠光整介質(zhì)的配制。

改變剪切增稠基液中二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（二氧化硅的質(zhì)量與二氧化硅+聚乙二醇質(zhì)量和之比），或調(diào)節(jié)磨粒的種類以及加入量，可以得到不同種類的光整介質(zhì)。本文利用3 種粒徑的SiC 磨粒和羰基鐵粉，通過改變羰基鐵粉和SiC 總質(zhì)量，配制不同磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)（鐵粉+碳化硅質(zhì)量和與鐵粉+碳化硅+剪切增稠基液質(zhì)量和之比）的光整介質(zhì)，如表1 所示?；谂渲频墓庹橘|(zhì)，設(shè)計了9 組光整加工實驗，如表2 所示。

表1 配制參數(shù)Tab.1 Configuration parameter

表2 實驗設(shè)計Tab.2 Experimental design

3.2 實驗平臺

基于VKN640 高速加工中心搭建實驗平臺，如圖6 所示。磁場發(fā)生裝置安裝在加工中心主軸上，調(diào)節(jié)主軸在豎直方向的運動，可以控制加工裝置與工件的間隙。將工件固定在加工中心工作臺的虎鉗上，通過主軸帶動加工裝置的旋轉(zhuǎn)運動，使光整介質(zhì)在工件表面形成相對運動，完成對工件表面材料的去除。

圖6 實驗平臺Fig.6 Experiment platform

3.3 實驗條件

選擇尺寸為10 mm×10 mm×4 mm 的平面鈦合金（Ti-6Al-4V）為實驗工件，工件的初始表面粗糙度為(170±3) nm。主軸轉(zhuǎn)速為100 r/min，因為當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于100 r/min 時，過大的離心力使加工工具上的介質(zhì)大量脫離加工區(qū)域，加工效率低下。加工間隙設(shè)定為0.5 mm。

4 結(jié)果與討論

4.1 表面粗糙度

為了探究光整加工介質(zhì)中，磨料的粒徑及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對表面粗糙度的影響，開展了不同實驗參數(shù)下工件表面粗糙度隨時間變化的工藝實驗，工件的表面粗糙度值由粗糙度儀TR200 測量，每加工10 min 測量一次。粗糙度測量儀的取樣長度設(shè)定為0.25 mm，沿初始打磨紋理的垂直方向，每次加工完成后，在同一加工區(qū)域選取三個間隔大于取樣長度的測量點，最終結(jié)果為三個測量值的平均值。

4.1.1 磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時粗糙度變化

當(dāng)羰基鐵粉和碳化硅在介質(zhì)中的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時，改變羰基鐵粉和碳化硅的粒徑，探究其對粗糙度的影響，如圖7 所示。結(jié)果表明，工件表面粗糙度值都隨著加工時間的增加而變小。當(dāng)碳化硅粒徑為80 μm、羰基鐵粉粒徑為150 μm 時，在80 min 內(nèi)，工件表面粗糙度值由初始的173 nm 下降到92 nm，但在加工至40 min 時，表面粗糙度值已經(jīng)趨于平緩。當(dāng)碳化硅粒徑為30 μm、羰基鐵粉粒徑為50 μm 時，在80 min 內(nèi)，工件表面粗糙度值由初始的170 nm 下降到79 nm，在加工至60 min 時，表面粗糙度值已經(jīng)趨于平緩。當(dāng)碳化硅粒徑為4 μm、羰基鐵粉粒徑為5 μm 時，在80 min 內(nèi)，工件表面粗糙度值由初始的169 nm 下降到61 nm。由圖中可看出，32 min 之前，大粒徑磨料的粗糙度下降得更快，而在32 min 之后，加工趨勢正好相反，小粒徑磨料下，表面粗糙度的下降趨勢更快。因為大粒徑的磨料與工件的有效接觸面積更大，而且相同質(zhì)量的磨料，大粒徑的磨料數(shù)量較少，即大粒徑磨料所受的FS更大，磨料對工件的切削深度更大，所以在加工初始階段，工件表面粗糙度下降速率更快[24-25]。但由于磨料會在工件表面留下自身劃痕，所以磨料粒徑也是影響工件最終表面粗糙度的關(guān)鍵因素之一，小粒徑磨料加工的最終表面粗糙度值低于大粒徑磨料加工。

圖7 磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時表面粗糙度隨時間的變化Fig.7 Surface roughness change curve with time when the abrasive mass fraction is 45%

4.1.2 磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時粗糙度變化

當(dāng)羰基鐵粉和碳化硅在介質(zhì)中的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，羰基鐵粉和碳化硅的粒徑大小分別為150 μm和80 μm、50 μm 和30 μm、5 μm 和4 μm，開展加工實驗，測量的表面粗糙度結(jié)果如圖8 所示。碳化硅粒徑為80 μm、羰基鐵粉粒徑為150 μm 時，在80 min內(nèi)，工件表面粗糙度值由初始的 169 nm 下降到95 nm，但在加工至60 min 時，表面粗糙度值已經(jīng)趨于平緩。碳化硅粒徑為30 μm、羰基鐵粉粒徑為50 μm時，在80 min 內(nèi)，工件表面粗糙度值由初始的171 nm下降到84 nm，在加工至70 min 時，表面粗糙度值已經(jīng)趨于平緩。當(dāng)碳化硅粒徑為4 μm、羰基鐵粉粒徑為5 μm 時，在80 min 內(nèi)，工件表面粗糙度值由初始的170 nm 下降到63 nm，表面粗糙度降低了63%以上。在34 min 之前的時間段，本組實驗中大粒徑磨料所受的FS更大，磨料粒徑越大，加工的效果越好；之后的時間段，由于磨料粒徑越大，最終在工件表面留下的自身劃痕越深，所以粒徑越小，達(dá)到的最終效果越好。磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%與45%的最終加工效果基本一致，從轉(zhuǎn)折點的后移和曲線趨于平緩時間點的后移可以看出，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的加工效率略微低于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%的加工效率。

圖8 磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時表面粗糙度隨時間的變化Fig.8 Surface roughness change curve with time when the abrasive mass fraction is 30%

4.1.3 磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時粗糙度變化

當(dāng)磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，改變羰基鐵粉和碳化硅的粒徑大小，表面粗糙度值隨時間的變化如圖9 所示。碳化硅粒徑為80 μm、羰基鐵粉粒徑為150 μm時，在80 min 內(nèi)，工件表面粗糙度值由初始的168 nm下降到97 nm，但在加工至70 min 時，表面粗糙度值已經(jīng)趨于平緩。碳化硅粒徑為30 μm、羰基鐵粉粒徑為50 μm 時，在80 min 內(nèi)，工件表面粗糙度值由初始的172 nm 下降到90 nm。碳化硅粒徑為4 μm、羰基鐵粉粒徑為5 μm 時，在80 min 內(nèi)，工件表面粗糙度值由初始的169 nm 下降到85 nm，表面粗糙度降低了50%以上。在48 min 時，磨料粒徑的加工效率出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，在這之前，磨料粒徑越大，所受的FS也越大，加工效果越好。而后，粒徑越小的磨料在工件上留下的劃痕越輕，達(dá)到的最終效果越好。比較磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和30%的加工曲線圖，從轉(zhuǎn)折點的后移和最后的粗糙度值可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的加工效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的加工效率。

圖9 磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時表面粗糙度隨時間的變化Fig.9 Surface roughness change curve with time when the abrasive mass fraction is 15%

4.2 表面觀測

當(dāng)磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%，且碳化硅粒徑為4 μm、羰基鐵粉粒徑為5 μm 時，所加工工件表面紋理的一致性最好，表面粗糙度值也最低。用金相顯微鏡（Axio Lab A1，德國）觀察工件表面同一位置不同時間段的表面金相，如圖10 所示。光整加工前，表面有很多深劃痕，如圖10a 所示。經(jīng)過光整加工后，深度劃痕明顯減少，如圖10b、c 所示。光整加工80 min 后，工件表面初始打磨的劃痕基本消失，留下了磨料切削的痕跡，如圖10d 所示。與工件初始表面相比，加工后表面的粗糙度得到明顯改善，產(chǎn)生的拋光紋理連續(xù)而勻整，拋光效果很好。

圖10 表面金相顯微圖片F(xiàn)ig.10 Surface metallographic micrograph

為了更加清晰直觀地觀察加工前后工件表面形貌的變化，使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FEI Sirion 200，美國）進(jìn)行觀測。從圖11a 可以看出，加工前，表面存在很多明顯的深劃痕。經(jīng)過80 min 的光整加工后，工件表面的深劃痕基本消失，隨著表面粗糙度的降低，拋光表面的紋理越來越連續(xù)而勻整，如圖11b 所示。通過對表面粗糙度的測量和表面形貌的觀測，發(fā)現(xiàn)改變磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒徑可以控制表面質(zhì)量和加工效率，所設(shè)計的新型磁場輔助光整加工裝置可用于Ti-6Al-4V 表面光整加工。

圖11 Ti-6Al-4V 表面SEM 形貌Fig.11 SEM morphology of Ti-6Al-4V surface: a) before processing; b) after processing

4.3 元素分析

為了進(jìn)一步探究工件表面的材料去除機(jī)理，對加工前后的磁性剪切增稠光整介質(zhì)進(jìn)行了EDS 能譜分析，如圖12 所示。面向Ti-6Al-4V 零件進(jìn)行加工，所以加工前后的介質(zhì)中元素變化最大的應(yīng)該是鈦元素。從圖12a 可以看出，加工前的介質(zhì)中，鈦元素含量（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）為0.2%。這些初始的鈦元素來源于碳化硅磨料中含有的雜質(zhì)。加工后的鈦元素含量為0.72%，是加工前含量的3 倍以上，如圖12b 所示。加工前后，介質(zhì)中C、Si、Fe 等元素的變化不大，驗證了磁性剪切增稠光整加工對鈦合金的材料去除性。

圖12 Ti-6Al-4V 表面元素變化Fig.12 Elemental changes on the surface of Ti-6Al-4V: a)before processing; b) after processing

5 結(jié)論

本文探究了磁性剪切增稠光整加工中磁性剪切增稠光整介質(zhì)對鈦合金加工性能的影響，得到以下結(jié)論：

1）設(shè)計了一種磁場發(fā)生裝置，在Ansys Maxwell仿真環(huán)境中對磁場發(fā)生裝置的磁場分布進(jìn)行仿真分析，獲取了加工區(qū)域的磁場強(qiáng)度，并通過實驗測量，驗證了仿真分析的有效性。

2）配制磁性剪切增稠光整加工介質(zhì)，在加工間隙、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)確定的條件下開展加工實驗，改變磨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和磨料的粒徑可以控制表面粗糙度和加工效率。

3）磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%、30%和45%的加工效果表明，隨著磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，加工效率提高。

4）當(dāng)磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%，碳化硅粒徑為4 μm，羰基鐵粉粒徑為5 μm 時，鈦合金（Ti-6Al-4V）工件的表面粗糙度由初始的169 nm 下降至61 nm，表面光潔度提高64%。

5）對加工前后的工件進(jìn)行表面形貌觀測發(fā)現(xiàn)，初始的深劃痕在加工后均能去除，表面會殘留磨料自身的劃痕。