閻秋生，趙言，梁智鑌，陳家學，潘繼生

（廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣州 510006）

醫(yī)用鈦合金由于具有較高的力學強度和耐腐蝕性能，較低的彈性模量和密度，以及出色的生物相容性，而被廣泛應用于制作臨床用的人工骨、人工關節(jié)、假牙等各種人體植入物以及超聲刀、穿刺器、止血鉗等各種手術(shù)器械[1-3]。其中TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金是世界上應用較為廣泛的醫(yī)用材料之一。

根據(jù)中國醫(yī)藥行業(yè)標準YY 0502—2016 的要求，關節(jié)類植入物表面應光滑，表面粗糙度Ra最大不超過0.1 μm，表面應無氧化皮、裂縫、凹陷、鋒棱、毛刺等其他缺陷，也應無鑲嵌物、終加工沉積物和其他污染物。同時也有研究表明，鈦合金表面越光潔、粗糙度越小，則鈦合金的表面潤濕性越好，生物細胞對鈦合金的粘附力越強，并且其耐腐蝕性也隨其表面粗糙度的降低而提高[4-6]。因此，獲得納米級的超光滑表面，并且無毒性殘留，是實現(xiàn)鈦合金在醫(yī)學上廣泛應用的前提。

鈦合金硬度高，化學性能穩(wěn)定，是一種難加工材料[7-8]。目前醫(yī)用鈦合金主要采用電化學拋光、化學機械拋光進行加工[9]。電解拋光效率高，可有效去除毛刺、凸起等表面形貌，但設備較復雜、電解液具有強腐蝕性，易污染環(huán)境，電解后的鈦合金表面組織嚴重不均勻，有時會出現(xiàn)較大的點蝕，并且難以達到納米級的光滑表面[10]。Zhang Zhenyu 等[11]采用化學機械拋光（CMP）方法對醫(yī)用鈦合金進行了拋光，能獲得Ra=0.68 nm 的表面，但是由于化學物質(zhì)容易滲入組織內(nèi)部而造成化學殘留，表面會生成以 TiO2和Al2O3為主的氧化層，并且CMP 中的機械作用容易引起工件產(chǎn)生變形、殘余應力、硬化層等問題，影響工件的壽命[12]。

磁流變拋光是基于磁流變效應提出的一種新型加工方法，利用磁流變拋光液在磁場的作用下能夠迅速由牛頓流體轉(zhuǎn)變成賓漢流體，形成高黏度、低流動性的柔性拋光墊，對工件進行微量去除，避免了機械拋光容易造成機械損傷而更好獲得超光滑表面，而純水基磁流變液的無化學配方可以避免在拋光液體中加入有毒有害的化學物質(zhì)[13]。G. Parameswari 等人[14]研究了磁流變拋光工藝對鈦合金的影響，得出隨著磨料濃度和拋光盤轉(zhuǎn)速的增大，材料表面粗糙度的變化率也隨之增加，并獲得了表面粗糙度Ra為95 nm 的鈦合金表面。Anwesa Barman 等[15-16]使用以金剛石為磨料的磁流變液來拋光鈦合金，考慮了拋光盤轉(zhuǎn)速、加工間隙和拋光時間3 個重要的工藝參數(shù)。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在拋光盤轉(zhuǎn)速為1200 r/min、加工間隙為1 mm 的條件下，拋光6.5 h 可以獲得表面粗糙度Ra為10 nm 的表面。同時，Anwesa Barman 對磁流變拋光液也進行了研究，使用兩組不同的磁流變液拋光鈦合金，磨料均為金剛石，第一組添加氫氟酸（HF）、硝酸（HNO3），第二組添加過氧化氫（H2O2）。第一組實驗得到的鈦合金表面粗糙度降低到10 nm，且其表面具有親水性質(zhì)，適用于半永久性植入物或參與相對運動的植入物，如膝關節(jié)和髖關節(jié)的股骨部分；第二組實驗得到的鈦合金表面粗糙度降低到70 nm，表面具有疏水性質(zhì)，更適用于永久性植入物。Manas Das等人[17]分析了磁場輔助表面處理（MFAF）工藝對鈦合金種植體表面粗糙度和紋理的影響。當拋光盤轉(zhuǎn)速為901 r/min、工作間隙為0.60 mm 時，加工4.5 h，Sa、Spk、Sk、Svk的優(yōu)化值分別為11.32、15.82、6.51、41.15 nm，完全滿足膝關節(jié)種植體表面的要求。Fan Zenghua 等人[18]利用4 塊永磁體形成交變磁場，研制了一種新型的MFAF 工具，并對初始表面粗糙度為1.121 μm 的TC4 鈦合金加工35 min 后，使其表面粗糙度降至46 nm。

本文采用能夠?qū)崿F(xiàn)磨料處于半固著狀態(tài)、在線更新自銳和拋光墊形態(tài)自修復的動態(tài)磁場集群磁流變拋光方法，對醫(yī)用TC4 鈦合金進行以磨料微量機械去除為主的柔性拋光，獲得醫(yī)用鈦合金的清潔加工表面，以保護材料自身化學成分的純潔性。研究了磨料特性（種類、粒徑）、加工參數(shù)（拋光時間、加工間隙、拋光盤轉(zhuǎn)速）對鈦合金表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并通過對鈦合金表面形貌、成分的測試，驗證了該工藝的有效性，實現(xiàn)對鈦合金表面的高效率、超光滑加工。

1 動態(tài)磁場集群磁流變拋光

1.1 加工原理

動態(tài)磁場集群磁流變拋光原理如圖1 所示。多個圓柱形永磁體按集群原理安裝在拋光盤下方，永磁體的一端被安裝在偏心小軸上，固定在偏擺盤上端，兩者偏心旋轉(zhuǎn)方向相同。偏擺盤的下端安裝在偏心主軸上，兩者偏心方向相反，偏心距相同[19]。偏心主軸轉(zhuǎn)動時，可實現(xiàn)永磁鐵相對于拋光盤的偏心旋轉(zhuǎn)。此時磁力線實時變化，導致拋光液中的磁性鏈串斷裂，并重新沿磁力線動態(tài)形成新的鏈串結(jié)構(gòu)。同時，運動的磁性粒子會促進磨料進行重新排布，便能夠?qū)崟r更新和整形柔性拋光墊，從而實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定地拋光工件表面。當工件盤及拋光盤轉(zhuǎn)動時，工件與柔性拋光墊之間的相對運動導致工件表面的材料被去除[20]。

圖1 動態(tài)磁場集群磁流變拋光原理Fig.1 Diagram of the CMRF with dynamic magnetic fields

1.2 動態(tài)磁場對拋光墊的影響規(guī)律

目前采用的磁場發(fā)生裝置為圓柱體永磁鐵，在磁流變拋光過程中，永磁鐵產(chǎn)生的梯度磁場及其動態(tài)變化規(guī)律對拋光墊的形成及大小具有決定性作用。采用有限元求解工具COMSOL Multiphysics 5.5 對加工區(qū)域的動態(tài)磁場進行仿真分析，能夠獲得偏心旋轉(zhuǎn)磁極形成的動態(tài)磁場對拋光墊的影響規(guī)律。

直徑25 mm、高度40 mm 的圓柱體永磁鐵在偏心距e的情況下形成動態(tài)磁場的示意如圖2 所示。圖3a 為磁極靜止（稱為靜態(tài)磁場）時磁流變液拋光墊的實際形貌與大小，圖3b 為靜態(tài)磁場的拋光盤表面（距磁極頂端高度h=7 mm）的磁通密度模量云圖。通過圖3 可知，磁極正上方區(qū)域的磁場強度呈現(xiàn)出中心區(qū)域強、周圍區(qū)域弱的分布規(guī)律，因此將磁極影響區(qū)域分為內(nèi)外圈兩部分。在圖3a 所示的拋光墊紅色內(nèi)圈，區(qū)域磁場強度大，形成的磁鏈串密集且強勁，可以有效地夾持磨料進行拋光，是拋光過程中的主要拋光區(qū)域，直徑大小約為40 mm；拋光墊藍色外圈區(qū)域磁場強度小，形成的磁鏈串稀疏且無力，是拋光過程中的次要拋光區(qū)域，范圍為直徑40～60 mm 的環(huán)形區(qū)域。通過特斯拉計測量紅色內(nèi)圈區(qū)域的磁感應強度，為60～180 mT，外圈藍色區(qū)域的磁場強度為30～60 mT。在圖3b 中，通過仿真得到直徑40 mm 范圍內(nèi)的磁感應強度為70～200 mT，40～60 mm 區(qū)域的磁感應強度為45～70 mT。仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果相差不大，因此磁場仿真結(jié)果能在一定程度上反映出磁流變拋光墊的特性，具有可信度。

圖2 動靜態(tài)磁場拋光示意Fig.2 Schematic diagram of dynamic and ststic magnetic field polishing

圖3 磁流變拋光墊與磁場分布關系Fig.3 MR finishing pad and magnetic field distribution: a) shape and size of magnetorheological polishing pad; b) surface magnetic field distribution of polishing disc

為進一步分析動態(tài)磁場對拋光墊的影響規(guī)律，進行了運動磁極的仿真研究。設置磁極偏心距為6 mm、轉(zhuǎn)速為60 r/min，設定仿真步長為0.05 s、仿真總時間為1 s。拋光盤表面在0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 s時的磁感應強度分布位置的變化如圖4 所示。可以看出，隨著磁極的偏心轉(zhuǎn)動，磁場分布也發(fā)生了變化。在t=0 s 和t=0.5 s 兩個時刻，拋光盤表面沿X軸上磁場強度的變化規(guī)律如圖5 所示。這兩個時刻上，磁極分別運動至X軸最遠處的兩個位置。磁場強度規(guī)律及大小與靜磁場相同，但在動態(tài)磁場作用下，磁場強度大于70 mT 的主要拋光區(qū)域直徑可達50 mm，高于靜態(tài)狀態(tài)下的40 mm，大幅度增加了有效拋光面積。

圖4 拋光盤表面磁場強度云圖在不同時刻下的位置變化Fig.4 Position of the magnetic field intensity nephogram on the surface of the plate at different times

圖5 拋光盤表面的磁感應強度沿X 軸變化趨勢Fig.5 Magnetic flux density on the polishing plate's surface changes along the X-axis

動態(tài)磁場不僅可增加有效拋光面積，還能改善磁場均勻性。圖6a、b 分別為靜、動磁極上方拋光盤表面處沿X軸正方向0、6、12、18、24 mm 位置（見圖2 點1、2、3、4、5）上的磁感應強度隨時間的變化曲線。對比圖6a、b 可知，靜態(tài)磁場各個位置的磁場大小并不會隨時間變化，而當磁極處于偏心運動形成動態(tài)磁場時，各個位置上的磁場強度大小會隨時間的變化而周期性地改變，動態(tài)磁場由于磁場變化可以實現(xiàn)拋光墊的形狀和性能迅速恢復以及磨料的更新。靜態(tài)磁場0 mm 與24 mm 處的磁場差值為150 mT，而平均來看，動態(tài)磁場0 mm 與24 mm 處的磁場強度均值差異明顯減小，動態(tài)磁場可有效避免永磁體磁場徑向分布不均勻的現(xiàn)象。

圖6 拋光盤表面不同位置上的磁感應強度變化Fig.6 Variation of magnetic flux density varies at different positions on the surface of the polishing plate: a) static magnetic field; b) dynamic magnetic field

1.3 拋光裝置

動態(tài)磁場集群磁流變平面拋光加工裝置如圖7所示。在拋光盤下方，直徑為125 mm 的圓周上均勻布置12 個直徑25 mm、高度40 mm 的圓柱形扁平永磁體。永磁鐵在動態(tài)磁場發(fā)生裝置的驅(qū)動下，在盤面上形成環(huán)狀的動態(tài)磁場，使得混有磨料及磁性顆粒的磁流變拋光液會在拋光盤上形成動態(tài)的環(huán)狀拋光墊，可以實現(xiàn)對醫(yī)用鈦合金的柔性超光滑拋光。

圖7 動態(tài)磁場集群磁流變平面拋光加工實驗裝置Fig.7 Experimental equipment of cluster Magnetorheological finishing with dynamic magnetic fields

2 實驗設計

2.1 材料及制備工藝

拋光材料為來自某醫(yī)療器械商的醫(yī)用TC4 鈦合金棒材。加工前，使用電火花線切割機將樣品切割成φ6 mm×2 mm 的圓柱丸片。首先使用400 目的SiC固結(jié)磨料砂紙將丸片燒灼層打磨，然后使用石蠟將4塊鈦合金均勻地粘在鋁合金載物盤圓周上（如圖8 所示），最后采用800、1200、2000、3000 目的砂紙進行打磨處理，作為鈦合金試件。經(jīng)過3000 目砂紙打磨后的鈦合金試件，表面粗糙度Ra為110 nm 左右，表面最大峰谷深度為1.949 μm（谷值為–0.897 μm），表面存在許多平行排列且沿同一方向的劃痕（如圖9 所示）。

圖8 鈦合金試件Fig.8 Artifacts figure

圖9 3000 目砂紙打磨后的鈦合金試件表面(表面粗糙度Ra 約為110 nm)Fig.9 Surface of titanium alloy after grinding with 3000mesh sandpaper (surface roughness about Ra 110 nm)

2.2 實驗方案

在前期優(yōu)化實驗的基礎上，選取磨料種類、粒徑、拋光時間、加工間隙以及拋光盤轉(zhuǎn)速等5 種關鍵因素，在工件轉(zhuǎn)速、磁極轉(zhuǎn)速、磁極偏心距分別為350 r/min、30 r/min 和6 mm 的條件下進行拋光實驗。磁流變拋光液由羰基鐵粉（質(zhì)量分數(shù)為25%，粒徑為3 μm）、拋光磨料（質(zhì)量分數(shù)為5%）、去離子水、分散劑等組成，單因素實驗相關因素數(shù)及其水平見表1。

表1 實驗設計因素及其水平Tab.1 Experimental design factors and their level

實驗過程中，以表面粗糙度和表面形貌為評價指標，使用Contour GT-X 白光干涉儀檢測加工前后鈦合金的表面質(zhì)量。為了便于比較實驗效果，采用實驗前粗糙度Raa與實驗后粗糙度Rab的變化率ΔRa來評估實驗效果，見式(1)。利用掃描電鏡TM4000 附帶的EDS 能譜儀對拋光前后的鈦合金表面進行元素分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 磨料種類對加工效果的影響

SiC、SiO2、Al2O3、B4C 等4 種粒徑均為3 μm的磨料，在加工間隙為1 mm、拋光時間為8 h、拋光盤轉(zhuǎn)速為20 r/min、磁極轉(zhuǎn)速為30 r/min、磁極偏心距為6 mm、工件轉(zhuǎn)速為350 r/min 的工藝參數(shù)下進行實驗，得到的表面粗糙度結(jié)果如圖10 所示?？梢钥闯觯瑨伖? h 后，采用SiC、SiO2、Al2O3、B4C 磨料的4 組鈦合金表面粗糙度分別降為8.44、14.52、6.45、11.75 nm，Al2O3磨料加工后的表面粗糙度最低。4種磨料的表面粗糙度變化率均達到80%以上，SiC 和Al2O3甚至達到90%以上。

圖10 磨料種類對Ra 和ΔRa 的影響Fig.10 Influence of different abrasive types on Ra and ΔRa

不同種類磨料拋光鈦合金后的三維表面形貌如圖11 所示?？梢钥闯?，Al2O3加工表面質(zhì)量最好，基本沒有劃痕，而SiO2加工的鈦合金表面凹坑及劃痕最深，SiC、B4C 加工表面也有較多劃痕。這是因為磨料的硬度和形狀是影響拋光效果的重要因素。SiC、SiO2、Al2O3、B4C 等4 種磨料的莫氏硬度分別為9.2、7、9、9.5，對應4 種磨料的形狀如圖12 所示。其中，SiO2磨粒的莫氏硬度是4 組磨料中最低的，形狀呈團絮狀，其材料去除能力差，未能有效地去除原始表面的劃痕及凹坑，加工后的TC4 鈦合金表面粗糙度高。但硬度過高的磨料容易壓入工件表面，造成工件表面劃傷，因此采用B4C 磨料拋光后，鈦合金表面存在較深劃痕。Al2O3與SiC 的莫氏硬度相近，但表面質(zhì)量差距較大。這是由于SiC 磨料的微觀結(jié)構(gòu)為片狀，具有鋒利的棱角，其尺寸一致性較差，大尺寸SiC 磨料的棱角可能會對工件表面造成新的淺劃痕。Al2O3磨料近似于球形，沒有明顯的棱角，棱邊呈圓弧狀過渡，在動態(tài)磁場下容易滑動或翻滾，可以更好地和工件表面進行充分接觸，產(chǎn)生更好的加工效果。因此，在動態(tài)磁場集群磁流變拋光時，應優(yōu)先選擇Al2O3作為磨料。

圖11 不同種類磨料拋光后醫(yī)用鈦合金的表面形貌Fig.11 Surface morphology of the titanium alloy polished by different types of abrasive

圖12 4 種磨料顆粒的微觀形貌Fig.12 Microstucture of four kinds of abrasives

3.2 磨料粒徑對加工效果的影響

采用磨料粒徑為1、3、5、7 μm 的Al2O3磨料，在工作間隙為1 mm、拋光時間為8 h、拋光盤轉(zhuǎn)速為20 r/min 的工藝條件下對鈦合金拋光，獲得的表面粗糙度影響規(guī)律如圖13 所示。可以看出，在其他加工條件一致的情況下，當磨料粒徑為1、3、5、7 μm 時，其對應的表面粗糙度分別為 8.66、6.45、4.88、18.45 nm。這表明隨著磨料粒徑的增大，表面粗糙度先減小、后增大，其中5 μm 的Al2O3磨料表面粗糙度變化率達到95.56%。

圖13 Al2O3 粒徑對Ra 和ΔRa 的影響Fig.13 Influence of Al2O3 abrasive with different sizes on Ra and ΔRa

不同粒徑Al2O3拋光后，鈦合金的三維表面形貌如圖14 所示。Leeladhar Nagdeve 等[21]通過實驗發(fā)現(xiàn)，粒徑大小直接影響磁鏈串結(jié)構(gòu)之間的磁相互作用力，進而影響磁鏈串的連續(xù)性。磁相互作用力F為兩個磁顆粒間的引力，如式(2)所示。

圖14 不同粒徑Al2O3 拋光后鈦合金的表面形貌Fig.14 Surface morphology of the titanium alloy polishedby Al2O3 abrasive with different sizes

式中：μ0為空氣的磁導率，H/m，D為羰基鐵粉的直徑，m，S為兩個羰基鐵粉中心之間的距離，m；M為飽和磁化強度，emu/g；C為常數(shù)。

磨料的體積濃度保持不變時，當磨料尺寸越?。叫∮? μm），磨料數(shù)目會越多，即更多的磨料容易被磁鏈串捕獲。此時鏈串的連續(xù)性遭到破壞，在大多數(shù)位置會發(fā)生斷裂，磁流變拋光液的屈服應力降低，拋光性能變差[21]。當磨料尺寸較大（7 μm）時，羰基鐵粉之間的磁相互作用力就越小，故對磨料的約束作用就越小，“容沒”效應受到影響[22]，則磨料更易壓入加工表面，切削深度增加，表面出現(xiàn)相互交錯的劃痕，表面質(zhì)量差。綜合粗糙度和表面形貌，優(yōu)選磨料粒徑為5 μm。

3.3 拋光時間對加工效果的影響

采用5 μm 的Al2O3磨料在加工間隙為1 mm、拋光盤轉(zhuǎn)速為20 r/min 的工藝條件下對鈦合金進行拋光，獲得的加工表面粗糙度、表面形貌隨拋光時間的變化如圖15、16 所示?？梢钥闯?，在初始階段，表面粗糙度迅速降低，隨拋光時間的延長，下降速度顯著減緩，直至最后無明顯變化。

圖15 拋光時間對Ra 和ΔRa 的影響Fig.15 Influence of polishing time on Ra and ΔRa

在拋光2 h 后，鈦合金表面粗糙度迅速下降至7.69 nm，但此時加工表面除了細小凹坑之外，表面還存在沿同一方向的打磨痕跡，表明加工還未完成。拋光4 h 后，表面粗糙度降至5.42 nm，表面最大峰谷深度為124.906 nm（谷值為–94.687 nm），表面光滑，手工打磨的劃痕基本得到去除。之后隨著拋光時間的延長，工件表面形貌無明顯變化，表面粗糙度趨于穩(wěn)定。綜合表面質(zhì)量和加工效率，拋光時間應控制在4 h 左右。

圖16 不同拋光時間下鈦合金的表面形貌Fig.16 Surface morphology of the titanium alloy under different polishing time

3.4 不同加工間隙對加工效果的影響

采用5 μm的Al2O3磨料，在拋光盤轉(zhuǎn)速為20 r/min、拋光時間為4 h 的工藝條件下，研究不同加工間隙對鈦合金表面粗糙度的影響規(guī)律如圖17 所示?？梢钥闯?，當加工間隙為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 mm 時，其對應的表面粗糙度分別為8.17、7.92、5.42、7.57、8.11nm。這表明在其他加工條件一致的情況下，隨著加工間隙的增大，表面粗糙度先減小、后增大，其中加工間隙為 1 mm 時，表面粗糙度的變化率達到95.56%。這是因為，集群動態(tài)磁流變拋光效果與加工間隙的選擇有較大關系。磁場強度隨加工間隙的增大而減弱，磁性鏈串對磨料的夾持力也隨之減小，即柔性拋光墊對加工表面的拋光力減小，不能有效去除材料[23]。當加工間隙減小時，磁場強度的增大會使得磁流變液產(chǎn)生的剪切屈服應力增大，此時鈦合金表面易產(chǎn)生新的輕微劃痕，從而影響表面粗糙度。因此，確定加工間隙1 mm 為優(yōu)選加工間隙。

圖17 加工間隙對Ra 和ΔRa 的影響Fig.17 Influence of machining gap on Ra and ΔRa

3.5 不同拋光盤轉(zhuǎn)速對加工效果的影響

采用5 μm 的Al2O3磨料，在加工間隙為1 mm、拋光時間為4 h 的加工工藝條件下，研究不同拋光盤轉(zhuǎn)速對鈦合金表面粗糙度的影響規(guī)律如圖18 所示。結(jié)果表明，隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的增大，鈦合金的表面粗糙度呈先下降、后增大的趨勢，拋光盤轉(zhuǎn)速為25 r/min時，鈦合金表面粗糙度最低，為2.87 nm，表面粗糙度變化率為97.39%。

圖18 拋光盤轉(zhuǎn)速對Ra 和ΔRa 變化率的影響Fig.18 Influence of polishing plate’s rotational speed on Ra and ΔRa

由MRR=KPv（P為拋光壓力，N/m2；v為柔性拋光墊與工件之間的相對速度，m/s；K為Preston 系數(shù)）可知，材料去除率MRR 與拋光壓力P和相對速度v成正比[24]。當拋光盤轉(zhuǎn)速增加，拋光墊與工件間的相對速度v變大，磨料對工件表面的機械刮除作用增強，磁流變拋光液對鈦合金的拋光整形作用增大。然而，當拋光盤轉(zhuǎn)速越大，磨料離心力變大，進入加工區(qū)域的磁流變拋光液會減少，導致參與加工的磨料減少。因此，拋光盤轉(zhuǎn)速的增加，可提高磨粒對工件表面的機械作用，但柔性拋光墊的厚度以及參與加工的磨粒濃度會減小[25]。根據(jù)實驗結(jié)果，優(yōu)選拋光轉(zhuǎn)速為25 r/min。

3.6 加工表面分析

采用粒徑為5 μm 的Al2O3磨料，在加工間隙為1 mm、拋光時間為4 h、拋光盤轉(zhuǎn)速為25 r/min、磁極轉(zhuǎn)速為30 r/min、磁極偏心距為6 mm、工件轉(zhuǎn)速為350 r/min 的工藝參數(shù)下進行實驗。拋光前后的表面形貌及輪廓的對比如圖19 所示。初始表面有許多深谷和劃痕，最終表面形貌中，深谷、劃痕基本不存在，比初始表面更光滑。表面粗糙度從原始的110 nm下降到2.87 nm。表面粗糙度提高率為97.39%。獲得較高的表面光潔性可以提高植入物的抗蝕性[26]。

圖19 拋光前后表面形貌及輪廓Fig.19 Surface morphology and profile before (a) and (b) after polishing

為了解該拋光方法對醫(yī)用鈦合金表面成分的影響，采用TM4000 掃描電鏡對鈦合金進行EM-EDS分析檢測，分析動態(tài)磁場集群磁流變拋光前后鈦合金試件表面的高倍微觀形貌及表面元素成分的變化。圖20為TC4 鈦合金動態(tài)磁場集群磁流變加工前后的EM-EDS圖。TC4 鈦合金的元素主要為 Ti、Al、V、Fe，拋光前后TC4 鈦合金的元素含量幾乎不變。磁流變拋光液中的主要成分為羰基鐵粉，拋光前后TC4 鈦合金的Fe 元素含量無明顯變化，說明在整個加工過程中，沒有發(fā)生鐵粉粘附。同時O 元素的原子數(shù)分數(shù)始終為0，可以看出整個加工過程沒有發(fā)生化學反應，表面去除為純機械作用，且不會引入新的元素，可以實現(xiàn)無異質(zhì)成分殘留的加工。

圖20 鈦合金拋光前后表面EDS 能譜Fig.20 EDS analysis of titanium alloy surface (a) before and (b) after polishing

4 結(jié)論

1）磁極偏心旋轉(zhuǎn)形成的動態(tài)磁場較靜態(tài)磁場能夠有效增大拋光區(qū)域，同時磁場分布及大小實時變化、磨料更新，可以實現(xiàn)拋光墊的形狀和性能迅速恢復，有效避免拋光盤徑向位置磁場分布不均勻的現(xiàn)象。

2）動態(tài)集群磁流變拋光鈦合金表面質(zhì)量受到磨料種類和粒度、加工間隙、拋光盤轉(zhuǎn)速、拋光時間等工藝參數(shù)影響。采用5 μm 的Al2O3，在加工間隙為1.0 mm、拋光盤轉(zhuǎn)速為25 r/min 的條件下拋光4 h，工件表面粗糙度由初始的110 nm 下降至2.87 nm，表面光滑。

3）采用動態(tài)集群磁流變拋光前后，TC4 鈦合金的元素含量無變化，可以實現(xiàn)無異質(zhì)成分殘留的納米級加工。