孫寶玉，于丙金，譚鴻強(qiáng)，袁德祿，谷巖

鈷鉻鉬合金磁流變拋光工藝研究

孫寶玉，于丙金，譚鴻強(qiáng)，袁德祿，谷巖

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 長(zhǎng)春 130012）

去除難加工材料鈷鉻鉬合金車削后形成的規(guī)則性螺旋刀痕并獲得超光滑表面。采用磁流變拋光方法，對(duì)車削后的鈷鉻鉬合金表面進(jìn)行拋光加工。研究了磁體排布方式、加工間隙、拋光裝置、轉(zhuǎn)速和磨料粒徑等工藝參數(shù)對(duì)鈷鉻鉬合金表面形貌和表面粗糙度的影響規(guī)律，尋找獲得超光滑表面的工藝參數(shù)組合，并對(duì)拋光后的鈷鉻鉬合金表面使用表面輪廓儀進(jìn)行測(cè)量。鈷鉻鉬合金表面形貌受各方面因素的綜合影響，雙磁體異向排布的磁通密度向工件集中，使得磁性羰基鐵顆粒與金剛石磨料在拋光過(guò)程中結(jié)合力更強(qiáng)，增大了有效工作區(qū)域；表面粗糙度隨著加工間隙的增加（從1 mm增大到4 mm）先減小后增大，在2 mm時(shí)得到優(yōu)化的加工效果；表面粗糙度隨著拋光裝置轉(zhuǎn)速的增加（從400 r·min–1增大到1 000 r·min–1）先減小后增大，在600 r·min–1時(shí)得到優(yōu)化的加工效果；相比于0.5、1.5、2.5 μm粒徑的金剛石磨料，使用2 μm的金剛石磨料進(jìn)行拋光時(shí)表面粗糙度最小。當(dāng)使用雙磁體異向排布，在工作間隙為2 mm、拋光裝置轉(zhuǎn)速為600 r·min–1、金剛石磨料粒徑為2 μm的工藝參數(shù)組合下對(duì)鈷鉻鉬合金采用磁流變拋光加工120 min時(shí)，其表面粗糙度從初始的640 nm 降低至5 nm。應(yīng)用磁流變拋光方法拋光鈷鉻鉬合金可以得到超光滑表面。

磁流變拋光；鈷鉻鉬合金；磁通密度；拋光參數(shù)；表面粗糙度

鈷鉻鉬合金由于具有較高的耐蝕性、摩擦性和生物相容性[1]，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域成為生產(chǎn)髖、膝關(guān)節(jié)假體的極佳選擇[2]，但作為植入人體內(nèi)的外來(lái)物，不僅要安全可靠，物理和化學(xué)穩(wěn)定性好，還必須具有良好的耐磨損和耐疲勞性能[3-4]。同時(shí)，植入物表面應(yīng)光滑，表面粗糙度最大不超0.1 μm，以達(dá)到高的生物相容性，并能促進(jìn)骨細(xì)胞的增殖和黏附[5-7]。

鈷鉻鉬合金可加工性差，很難達(dá)到所期望的精度要求[8]。傳統(tǒng)接觸式磨削、車削和銑削的加工方式在加工鈷鉻鉬合金時(shí)容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，而且刀具磨損嚴(yán)重，工件表面嚴(yán)重黏附，影響鈷鉻鉬合金表面形貌的完整性[9]。磁流變拋光是基于磁流變效應(yīng)提出的一種新型加工方法，避免了機(jī)械拋光容易造成機(jī)械損傷的缺點(diǎn)[10]。磁流變拋光可以根據(jù)材料去除函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控控制，通過(guò)數(shù)控程序來(lái)控制材料去除和表面精度，并且?guī)缀醪淮嬖趤啽砻鎿p傷[11]。許多研究人員[12-15]使用磁流變拋光方法對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料進(jìn)行拋光取得了很大的進(jìn)展，但大多研究集中在鈦合金，磁流變拋光鈷鉻鉬合金的研究少之又少。為了獲得高精度鈷鉻鉬合金表面，采用磁流變拋光方法對(duì)車削后的鈷鉻鉬合金表面進(jìn)行柔性微量去除，研究磁體排布、加工間隙、拋光裝置轉(zhuǎn)速和磨料粒徑大小對(duì)鈷鉻鉬合金加工效果的影響規(guī)律，并且通過(guò)對(duì)鈷鉻鉬合金表面形貌測(cè)量來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性。

1 磁流變拋光原理

磁流變拋光是一種非接觸式的柔性加工方法，當(dāng)施加外磁場(chǎng)后，磁流變拋光液體系的物理和化學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變，屈服強(qiáng)度和表觀黏度瞬間增加，而且這一過(guò)程是可逆的。相比于傳統(tǒng)拋光技術(shù)，磁流變拋光方法具有高精度、低損傷等優(yōu)點(diǎn)[16]。

在磁流變加工過(guò)程中，加工間隙內(nèi)的磁流變拋光液在未加磁場(chǎng)時(shí)，磁性羰基鐵顆粒與磨料隨機(jī)分散在拋光液中，此時(shí)磨料對(duì)工件無(wú)剪切作用。當(dāng)施加磁場(chǎng)后，磁性羰基鐵顆粒與磨料重新分布，瞬間在拋光裝置與加工表面之間形成具有一定黏度的Bingham體[17]，伺服電機(jī)帶動(dòng)主軸工作使拋光裝置旋轉(zhuǎn)，完成磁流變拋光簇對(duì)工件表面的拋光加工。磁流變液中磁性羰基鐵顆粒對(duì)非磁性物體施加磁懸浮力，使得大部分磨料向場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)較弱的工作表面遷移。同時(shí)，磁性羰基鐵顆粒受到磁力的吸引，向磁場(chǎng)較強(qiáng)的方向移動(dòng)，如圖1所示。

圖1 磁流變拋光加工原理

Fig.1 Principles of magnetorheological finishing

2 磁體排布方式仿真分析

在拋光裝置中，不同磁體排布方式生成的梯度磁場(chǎng)對(duì)磁流變拋光簇的形狀和大小起著重要作用，進(jìn)而影響加工后工件表面形貌與加工效率[18]。因此，選擇合適的磁體排布方式作為磁流變拋光的磁場(chǎng)源非常重要。研究表明[19-21]，在磁流變拋光時(shí)添加輔助磁體能夠在拋光區(qū)域形成磁通路，提高拋光效率，獲得更好的工件表面質(zhì)量。為了研究不同磁體排布與磁流變拋光簇之間的關(guān)系，選擇直徑10 mm、高度20 mm的柱狀N42永磁體作為磁場(chǎng)源，從磁體上端面每間隔1 mm取一個(gè)平面，共4個(gè)平面，模擬拋光過(guò)程中磁體表面與工件表面的加工間隙，使用COMSOL有限元軟件對(duì)單磁體、雙磁體同向和雙磁體異向等3種排布方式進(jìn)行磁場(chǎng)仿真，如圖2所示。

提取3種類型磁體排布在不同加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的磁通密度曲線，量化磁體排布方式對(duì)加工間隙內(nèi)磁通密度的影響，磁體排布仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3a—b可以看出，單磁體排布和雙磁體同向排布的磁感線分布較為發(fā)散，在施加磁場(chǎng)后形成了“放射狀”拋光簇。在磁流變加工過(guò)程中，“放射狀”拋光簇與工件接觸不充分，工件邊緣以外的磨料不在有效加工區(qū)域內(nèi)，這直接影響了工件表面加工效果。然而，雙磁體異向排布的磁通密度向工件區(qū)域集中，當(dāng)施加磁場(chǎng)后，磁流變拋光液變成“半球狀”拋光簇，相比于“放射狀”拋光簇增加了有效拋光面積，在拋光過(guò)程中結(jié)合力更強(qiáng)。同時(shí)仿真結(jié)果表明，在距離磁體上端面1 mm和2 mm平面處，雙磁體異向排布中磁體相切位置磁通密度最大，分別達(dá)到了0.71 T和0.45 T，均大于單磁體排布和雙磁體同向排布的磁通密度峰值；在距離磁體上端面3 mm和4 mm平面處，3種類型排布方式的磁通密度大致相同，如圖3c所示。

依據(jù)仿真結(jié)果，在雙磁體異向排布中磁體相切位置加工最理想，使用特斯拉計(jì)測(cè)量4個(gè)加工間隙下磁體相切位置的磁通密度，結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相差不大，具有一定的可信度。因此，綜合考慮磁感線分布狀態(tài)與磁場(chǎng)密度分布，拋光裝置采用雙磁體異向排布對(duì)工件表面進(jìn)行加工。

圖2 不同加工間隙下3種磁體排布取平面示意

圖3 磁體排布仿真分析與拋光簇形貌

圖4 磁通密度實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

3 鈷鉻鉬合金磁流變拋光工藝實(shí)驗(yàn)

3.1 磁流變拋光實(shí)驗(yàn)裝置

鈷鉻鉬合金磁流變實(shí)驗(yàn)裝置如圖5a所示，包括3個(gè)主要單元，第一單元為計(jì)算機(jī)控制的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，用于實(shí)現(xiàn)高精度控制；第二單元為磁流變拋光裝置（直徑32 mm、高度55 mm），主要由鋁制外殼及永磁體組成，將相切位置偏離拋光裝置旋轉(zhuǎn)中心2 mm的2塊磁體放置于鋁制外殼內(nèi)，拋光裝置通過(guò)卡簧與三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床軸固定，從而實(shí)現(xiàn)軸直線運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第三單元為工件夾具，工件夾具下端與三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床軸軸固定?；诠ぜ男螤?，設(shè)計(jì)工件夾具，考慮到運(yùn)動(dòng)軸的負(fù)載，夾具材料選擇7075鋁，將直徑12.5 mm、高度50 mm的工件放入夾具孔中，使用螺釘預(yù)緊。在拋光過(guò)程中，控制機(jī)床軸軸調(diào)整工件中心點(diǎn)與拋光裝置磁體相切位置對(duì)齊，然后利用軸調(diào)整加工間隙，如圖5b所示。

為了防止加工過(guò)程中出現(xiàn)“過(guò)拋”和“漏拋”現(xiàn)象，在等間距柵格軌跡的基礎(chǔ)上，將所有軌跡點(diǎn)進(jìn)行“偽隨機(jī)化”處理，即通過(guò)調(diào)節(jié)軌跡點(diǎn)在軸軸隨機(jī)變化的最大幅值范圍，將軌跡點(diǎn)坐標(biāo)加、減一個(gè)幅值而隨機(jī)生成新的坐標(biāo)值，這樣，使得每一個(gè)軌跡點(diǎn)都具有隨機(jī)性，從而達(dá)到拋光裝置在工件表面均勻、隨機(jī)覆蓋，柵格路徑和偽隨機(jī)柵格路徑如圖6所示。最后，控制主軸帶動(dòng)拋光裝置旋轉(zhuǎn)，拋光簇與鈷鉻鉬合金表面接觸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給速度為6 mm/min。

3.2 磁流變拋光工藝實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)選取

為了提高鈷鉻鉬合金表面質(zhì)量和加工效率，選擇車削方式作為磁流變加工前道工序，車削后表面粗糙度為0.64 μm，表面形貌如圖7a所示，表面規(guī)則性螺旋刀痕明顯，存在大量凹坑。反射能力弱，表面看不清圖形反射形狀，如圖7b所示。為了進(jìn)一步提高鈷鉻鉬合金表面質(zhì)量，去除車削后形成的規(guī)則性螺旋刀痕，采用磁流變加工方法，對(duì)單面車削后的鈷鉻鉬合金表面進(jìn)行拋光。

在磁流變拋光過(guò)程中，拋光裝置轉(zhuǎn)速、加工間隙及金剛石磨料粒徑大小等因素對(duì)拋光效果具有不同的影響，為了獲得鈷鉻鉬合金超光滑表面，尋求優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，采用單因素實(shí)驗(yàn)法對(duì)這3組參數(shù)展開(kāi)分析，使用表面粗糙度評(píng)價(jià)拋光效果，探究工藝范圍。為了減少時(shí)間成本，對(duì)鈷鉻鉬合金僅拋光120 min。實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件見(jiàn)表1。磁流變拋光液的成分為去離子水（體積分?jǐn)?shù)為50%）、粒徑為2 μm磁性羰基鐵顆粒（體積分?jǐn)?shù)40%）、金剛石磨料（體積分?jǐn)?shù)1.4%）和添加劑（體積分?jǐn)?shù)8.6%）。拋光前為了防止磁流變拋光液因沉降等因素失效，使用乳化裝置對(duì)其進(jìn)行15 min 乳化分離，使磁性羰基鐵顆粒和金剛石磨料分散均勻。拋光后的鈷鉻鉬合金依次在無(wú)水乙醇和去離子水中清洗，烘干后使用表面輪廓儀（Zygo, NewView 8000）對(duì)工件上隨機(jī)3個(gè)點(diǎn)的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，取平均粗糙度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖5 鈷鉻鉬合金拋光裝置

圖6 路徑規(guī)劃

圖7 鈷鉻鉬合金初始表面形貌與成像效果

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件

Tab.1 Experimental parameters and conditions

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 加工間隙變化對(duì)加工質(zhì)量的影響

在磁流變拋光鈷鉻鉬合金過(guò)程中，通過(guò)數(shù)控機(jī)床軸來(lái)調(diào)節(jié)鈷鉻鉬合金與拋光裝置之間的間隙。加工間隙是改變待加工表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的重要因素，加工間隙過(guò)大或過(guò)小都可能影響材料去除能力[22]，最終影響鈷鉻鉬合金的表面質(zhì)量?？刂茠伖庋b置轉(zhuǎn)速為800 r·min–1，金剛石磨料粒徑選擇1.5 μm，拋光時(shí)間為120 min，以加工間隙作為變量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，在加工間隙分別為1、2、3、4 mm的加工條件下，鈷鉻鉬合金表面粗糙度隨著加工間隙的增大先減小后增大，在加工間隙為2 mm時(shí)達(dá)到最小值為15 nm。

圖8 不同加工間隙對(duì)鈷鉻鉬合金表面的影響

圖9為不同加工間隙下拋光鈷鉻鉬合金的表面形貌圖，可以看出，鈷鉻鉬合金在經(jīng)過(guò)120 min 拋光后，表面有了明顯的改善，但不同加工間隙下表面形貌仍略有不同。當(dāng)加工間隙為1 mm時(shí)，車削形成的規(guī)則性螺旋刀痕已經(jīng)完全被去除，但是表面存在較深的劃痕（見(jiàn)圖9a），這是由于間隙過(guò)低時(shí)，待加工表面磁場(chǎng)強(qiáng)度高，磁性羰基鐵顆粒之間的結(jié)合能力增強(qiáng)，拋光簇中磨粒壓入鈷鉻鉬合金表面深度加深。同時(shí)，間隙過(guò)低導(dǎo)致拋光簇中的金剛石磨料顆粒被擠壓出工作區(qū)域，影響了去除效果，因此，鈷鉻鉬合金表面粗糙度變高；當(dāng)加工間隙為3 mm或4 mm時(shí)，表面加工質(zhì)量較差，鈷鉻鉬合金表面存在大量凹坑，車削后規(guī)則性螺旋刀痕并未完全去除，但表面幾乎沒(méi)有劃痕的出現(xiàn)（見(jiàn)圖9c—d），這是由于加工間隙過(guò)大磁場(chǎng)強(qiáng)度低，磁性羰基鐵顆粒鏈對(duì)金剛石磨料的限制能力差，并且降低了磁流變拋光液的屈服強(qiáng)度，對(duì)鈷鉻鉬合金表面的去除能力減弱；當(dāng)加工間隙為2 mm時(shí)，表面質(zhì)量最好，鈷鉻鉬合金表面平坦光滑，劃痕較少（見(jiàn)圖9b）。

4.2 拋光裝置轉(zhuǎn)速變化對(duì)加工質(zhì)量的影響

基于Preston方程可知，鈷鉻鉬合金與拋光簇的相對(duì)速度影響拋光效果，在進(jìn)行單點(diǎn)對(duì)磨實(shí)驗(yàn)中，拋光裝置轉(zhuǎn)速是鈷鉻鉬合金與拋光簇形成相對(duì)速度的唯一因素。因此，有必要研究不同拋光裝置轉(zhuǎn)速對(duì)鈷鉻鉬合金拋光效果的影響[23]。在加工間隙為2 mm、金剛石磨料粒徑為1.5 μm、拋光時(shí)間為120 min的工藝參數(shù)下，控制拋光裝置的不同旋轉(zhuǎn)速度，拋光后鈷鉻鉬合金表面實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，在轉(zhuǎn)速為600 r·min–1時(shí)表面質(zhì)量最好，表面粗糙度最小值為12 nm。

圖9 不同加工間隙下一定位置鈷鉻鉬合金樣品的表面形貌

圖10 不同拋光裝置轉(zhuǎn)速對(duì)鈷鉻鉬合金表面的影響

圖11為不同拋光裝置轉(zhuǎn)速下拋光鈷鉻鉬合金的表面形貌圖。當(dāng)拋光裝置轉(zhuǎn)速為400 r·min–1時(shí)，鈷鉻鉬合金表面存在大量規(guī)則性螺旋刀痕，這是因?yàn)楫?dāng)拋光裝置轉(zhuǎn)速較小時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)工件與金剛石磨料的接觸率低，去除能力弱，車削形成的刀痕不能完全被去除。反之，當(dāng)拋光裝置轉(zhuǎn)速逐漸升高時(shí)，工件與金剛石磨料的接觸率變高，金剛石磨料對(duì)于鈷鉻鉬合金表面的去除能力大大提高。因此，當(dāng)拋光裝置轉(zhuǎn)速為600 r·min–1時(shí)，螺旋刀痕被完全去除，表面光滑僅存在少量劃痕。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于600 r·min–1時(shí)，表面粗糙度沒(méi)有下降，反而顯著提高，并且觀察到工件表面存在不同深度的螺旋刀痕，這是由于拋光裝置旋轉(zhuǎn)速度持續(xù)增大后，受到離心力的影響，磁流變拋光液中磁性羰基鐵顆粒形成的磁鏈不能“夾持”住金剛石磨料，位于邊緣的金剛石磨料被甩出工作區(qū)域，磁流變拋光過(guò)程中工作區(qū)域內(nèi)有效磨料減少，螺旋刀痕不能完全去除，鈷鉻鉬合金表面變差。

4.3 磨料粒徑變化對(duì)加工質(zhì)量的影響

在磁流變拋光液中，磨料粒徑對(duì)磁鏈串的連續(xù)性有重要影響，不同粒徑的磨料會(huì)產(chǎn)生不同的去除效率[24]。在加工間隙為2 mm、拋光裝置轉(zhuǎn)速為600 r·min–1、拋光時(shí)間120 min的工藝參數(shù)下，選擇金剛石磨料粒徑分別為0.5、1.5、2、2.5 μm對(duì)鈷鉻鉬合金表面進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，使用2 μm的金剛石磨料拋光后的鈷鉻鉬合金表面質(zhì)量最好，表面粗糙度為18 nm。

圖11 不同拋光裝置轉(zhuǎn)速加工下一定位置鈷鉻鉬合金樣品的表面形貌

圖12 不同粒徑金剛石磨料對(duì)鈷鉻鉬合金表面的影響

圖13為在不同粒徑金剛石磨料加工下，一定位置鈷鉻鉬合金樣品的表面形貌。根據(jù)其表面形貌可知，粒徑2 μm的金剛石磨料加工后的表面比較均勻，表面劃痕較少（見(jiàn)圖13c）。當(dāng)金剛石磨料粒徑小于2 μm時(shí)，鈷鉻鉬合金表面螺旋刀痕明顯，凹坑也較多，如圖13a—b所示。然而，當(dāng)金剛石磨料粒徑大于2 μm時(shí)，雖然螺旋刀痕被完全去除，但是鈷鉻鉬合金表面存在大量劃痕（圖 13d）。依據(jù)Leeladhar等[25]的研究，金剛石粒徑大小直接影響磁性羰基鐵顆粒形成磁鏈的連續(xù)性，是由于在磁場(chǎng)的作用下，磁性羰基鐵顆粒之間會(huì)生成磁相互作用力，影響不同的磁鏈結(jié)構(gòu)。磁相互作用力計(jì)算公式為式（1）。

式中：為磁性羰基鐵顆粒的直徑；為飽和磁化強(qiáng)度；為兩個(gè)磁性羰基鐵顆粒的中心距離；μ為真空磁導(dǎo)率；C為常數(shù)。

磨料粒徑的大小影響了磁性羰基鐵顆粒的中心距離，依據(jù)式（1）可知，當(dāng)磨料粒徑過(guò)小時(shí)，兩個(gè)羰基鐵顆粒的距離小，磁相互作用力大，“夾持”力度變強(qiáng)，但在相同體積分?jǐn)?shù)下，磨料粒徑越小數(shù)量越多，導(dǎo)致磁性羰基鐵顆粒在夾持住金剛石磨料后，仍有連續(xù)不斷的金剛石磨料進(jìn)入磁性羰基鐵顆粒鏈，此時(shí)鏈結(jié)構(gòu)不斷被破壞，導(dǎo)致去除能力弱，直接影響鈷鉻鉬合金表面的加工效果。當(dāng)金剛石磨料粒徑過(guò)大時(shí)，兩個(gè)羰基鐵顆粒的中心距離變大，磁相互作用力變小，磁性羰基鐵顆粒鏈對(duì)大粒徑的金剛石磨料控制力弱，拋光深度增加，易于在鈷鉻鉬合金表面產(chǎn)生劃痕。

圖13 不同粒徑金剛石磨料加工一定位置鈷鉻鉬合金樣品的表面形貌

5 優(yōu)化工藝參數(shù)組合拋光實(shí)驗(yàn)

綜合各工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到鈷鉻鉬合金磁流變拋光的優(yōu)化工藝參數(shù)組合，即加工間隙為2 mm、拋光裝置轉(zhuǎn)為600 r·min–1、金剛石磨料粒為2 μm。在這組優(yōu)化工藝參數(shù)下，對(duì)車削后的工件進(jìn)行拋光加工120 min，得到鈷鉻鉬合金表面形貌如圖14a所示，工件表面粗糙度從640 nm下降為5 nm，表面平坦光滑，螺旋刀痕被完全去除。拋光后鈷鉻鉬合金表面效果如圖14b所示，鈷鉻鉬合金表面可以清楚反射圖形形狀，達(dá)到了鏡面效果。

圖14 最佳工藝參數(shù)下鈷鉻鉬合金表面形貌與效果

6 結(jié)論

采用磁流變拋光方法對(duì)車削后的鈷鉻鉬合金表面進(jìn)行拋光，探討了磁體排布方式、加工間隙、拋光裝置轉(zhuǎn)速和磨料粒徑等加工參數(shù)對(duì)鈷鉻鉬合金表面形貌和表面質(zhì)量的影響規(guī)律，通過(guò)車削后螺旋刀痕的去除效果及表面粗糙度驗(yàn)證了該方法的有效性。

1）相比于單磁體排布和雙磁體同向排布在工件表面形成的磁場(chǎng)，雙磁體異向排布磁通密度更加集中，增大了有效拋光面積，磁性羰基鐵顆粒與磨料在拋光過(guò)程中結(jié)合力更強(qiáng)。

2）調(diào)節(jié)加工間隙會(huì)改變鈷鉻鉬合金待加工表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度，隨著加工間隙的增大，鈷鉻鉬合金表面粗糙度先減少后增加，在加工間隙為2 mm 時(shí)，鈷鉻鉬合金表面的表面粗糙度達(dá)到最低。

3）拋光裝置轉(zhuǎn)速直接控制了鈷鉻鉬合金與金剛石磨料之間的相對(duì)速度，進(jìn)而影響磁流變拋光的剪切去除能力。鈷鉻鉬合金表面粗糙度隨著拋光裝置轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在拋光裝置轉(zhuǎn)速為 600 r·min–1時(shí)，表面粗糙度最低。

4）在磁流變拋光液中，磨料粒徑對(duì)拋光簇中磁性羰基鐵顆粒之間的相互作用力有重要的影響，進(jìn)而影響加工效果。在金剛石磨料粒徑為2 μm 時(shí)，表面粗糙度最小。

5）在加工間隙為2 mm、拋光裝置轉(zhuǎn)速為600 r·min–1、金剛石磨料粒徑2 μm的工藝參數(shù)組合下，對(duì)車削后工件進(jìn)行120 min拋光加工，表面粗糙度下降至5 nm。

由此可見(jiàn)，采用磁流變拋光方法加工鈷鉻鉬合金能夠獲得超光滑表面。

[1] 梁日杰. 全球生物醫(yī)學(xué)材料市場(chǎng)研究分析[J]. 出國(guó)與就業(yè)(就業(yè)版), 2011(20): 121.

LIANG Ri-jie. Analysis of Global Biomedical Materials Market[J]. Work & Study Abroad, 2011(20): 121.

[2] IGUAL MU?OZ A, MISCHLER S. Effect of the Envir-on-ment on Wear Ranking and Corrosion of Biomedical CoCrMo Alloys[J]. Journal of Materials Science: Mate-rials in Medicine, 2011, 22(3): 429-436.

[3] 魏寶剛, 齊巖松, 徐永勝, 等. 人工髖關(guān)節(jié)置換中假體材料的選擇及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 生物骨科材料與臨床研究, 2020, 17(4): 54-58.

WEI Bao-gang, QI Yan-song, XU Yong-sheng, et al. Progress in Selection and Application of Prosthesis Ma-terials in Artificial Hip Joint Replacement[J]. Orthopaedic Biomehanics and Clinical Study, 2020, 17(4): 54-58.

[4] 董亮, 何星. 生物醫(yī)用材料的研究進(jìn)展及發(fā)展前景[J]. 世界復(fù)合醫(yī)學(xué), 2015, 1(4): 340-342.

DONG Liang, HE Xing. Research Status and Develop-ment Trends of Biomedical Materials[J]. World Com-pound Medicine, 2015, 1(04): 340-342.

[5] 閻秋生, 趙言, 梁智鑌, 等. 醫(yī)用鈦合金動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)集群磁流變拋光加工研究[J]. 表面技術(shù), 2021, 50(9): 322-332.

YAN Qiu-sheng, ZHAO Yan, LIANG Zhi-bin, et al. Study on Cluster Magnetorheological Finishing of Medi-cal Titanium Alloy with Dynamic Magnetic Fields[J]. Surface Technology, 2021, 50(09): 322-332.

[6] 陳秀勇. 鈦材表面微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、改性及生物學(xué)評(píng)價(jià)[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2012: 29-42.

CHEN Xiu-yong. Construction and Modification of Micro/Nano Structures on Titanium Surfaces and Their Biological Evaluations[D]. Chongqing: Chongqing Uni-ver-sity, 2012: 29-42.

[7] 鄭學(xué)斌, 謝有桃, 季珩, 等. 生物醫(yī)用鈦涂層結(jié)構(gòu)調(diào)控與成骨性能研究[J]. 熱噴涂技術(shù), 2015, 7(4): 17-21.

ZHENG Xue-bin, XIE You-tao, JI Heng, et al. Structure Regulation of Biomedical Titanium Coating and Osteo-gen-esis Evaluation[J]. Thermal Spray Technology, 2015, 7(04): 17-21.

[8] 辛成磊. 鈷鉻鉬合金二維超聲振動(dòng)輔助拋光關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 長(zhǎng)春: 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué), 2021: 1-3.

XIN Cheng-lei. Research on Key Technology of Two Dimensional Ultrasonic Vibration Polishing of CoCrMo Alloy[D]. Changchun: Changchun University of Techno-logy, 2021: 1-3.

[9] BORDIN A , BRUSCHI S, GHIOTTI A. The Effect of Cutting Speed and Feed Rate on the Surface Integrity in Dry Turning of CoCrMo Alloy [J]. Procedia CIRP, 2014, 13: 219-224.

[10] GHOSH G, SIDPARA A, BANDYOPADHYAY P P. Experimental and Theoretical Investigation into Surface Roughness and Residual Stress in Magnetorheological Finishing of OFHC Copper[J]. Journal of Materials Pro-cessing Technology, 2021, 288: 116899.

[11] 梁華卓. 單晶SiC磁流變化學(xué)復(fù)合拋光機(jī)理研究[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué), 2019: 6-9.

LIANG Hua-zhuo. Study on Chemical Magnetorheolo-gi-cal Compound Finishing Mechanism of Single Crystal SiC[D]. Guangzhou: Guangdong University of Techno-logy, 2019: 6-9.

[12] BARMAN A, DAS M. Nano-finishing of Bio-titanium Alloy to Generate Different Surface Morphologies by Chan-ging Magnetorheological Polishing Fluid Compo-sitions[J]. Precision Engineering, 2018, 51: 145-152.

[13] BARMAN A, DAS M. Toolpath Generation and Finishing of Bio-titanium Alloy Using Novel Polishing Tool in MFAF Process[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 100(5/6/7/8): 1123- 1135.

[14] PARAMESWARI G, JAIN V K, RAMKUMAR J, et al. Experimental Investigations into Nanofinishing of Ti6Al4V Flat Disc Using Magnetorheological Finishing Process[J]. The International Journal of Advanced Manu-facturing Technology, 2019, 100(5/6/7/8): 1055-1065.

[15] SONG W, PENG Z, LI P, et al. Annular Surface Micro-machining of Titanium Tubes Using a Magnetor-heo-logical Polishing Technique[J]. Micromachines, 2020, 11(3): 314.

[16] 王永強(qiáng). 大拋光模磁流變超光滑平面拋光技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2016: 6-14.

WANG Yong-qiang. Study on Magnetorheological Fini-shing Using Large Polishing Tool for Ultra-smooth Flat Surface[D]. Changsha: Hunan University, 2016: 6-14.

[17] 張峰. 磁流變拋光技術(shù)的研究[D]. 長(zhǎng)春: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 2000: 32-40.

ZHANG Feng. Study on Technique of Magnetorheo-lo-gical Finishing[D]. Changchun: Changchun Tnstitute of Optics, Fine Mechanics and Physics, 2000: 32-40.

[18] 許博文. 磁流變膠基柔性磨料的流變性能測(cè)試與拋光實(shí)驗(yàn)研究[D]. 湘潭: 湘潭大學(xué), 2020: 28-36.

XU Bo-wen. Rheological Properties Test and Polishing Experimental Research of Magnetorheological Gels-based Flexible Abrasives [D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2020: 28-36.

[19] SOORAJ V S, RADHAKRISHNAN V. Fine Finishing of Internal Surfaces Using Elastic Abrasives[J]. International Journal of Machine Tools &Manufacture, 2014, 78(78): 30-40.

[20] MISRA A, PANDEY P M, DIXIT U S, et al. Modeling of Material Removal in Ultrasonic Assisted Magnetic Abra-sive Finishing Process[J]. International Journal of Mech-anical Sciences, 2017: 853-867.

[21] CHOU S H, WANG A C, LIN Y C, et al. Elucidating the Rheological Effect of Gel Abrasives in Magnetic Abrasive Finishing[J]. Procedia CIRP, 2016, 42: 866-871.

[22] 李基松. 熔融石英光學(xué)玻璃平面研拋加工特性研究[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué), 2019: 27-44.

LI Ji-song. A Dissertation Submitted to Guangdong University of Technology for the Degree of Master [D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2019: 27-44.

[23] 鄭強(qiáng). 圓柱型永磁體磁流變平面拋光技術(shù)研究[D]. 金華: 浙江師范大學(xué), 2019: 44-49.

ZHENG Qiang. Research on Magnetorheological Surface Polishing Technology of Cylindrical Permanent Mag-net[D]. Jinhua: Zhejiang Normal University, 2019: 44-49.

[24] 鄭坤. 藍(lán)寶石基片研拋加工試驗(yàn)及表面粗糙度模型研究[D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué), 2019: 33-45.

ZHENG Kun. Study on Lapping and Polishing Experi-ments of Sapphire Substrate and Surface Roughness Model of CMRF[D]. Guangzhou: Guangdong University of Technology, 2019: 33-45.

[25] DAI H, LI S, CHEN G. Comparison of Subsurface Dama-ges on Mono-crystalline Silicon between Traditional Nanoscale Machining and Laser-assisted Nanoscale Ma-chi-ning Via Molecular Dynamics Simulation[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2018, 414: 61-67.

Magnetorheological Finishing Process of CoCrMo Alloy

,,,,

(School of Mechanical Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

In order to remove the regular spiral tool marks formed after turning of the difficult-to-machine material CoCrMo alloy to obtain an ultra-smooth surface, a magnetorheological finishing method was used to polish the turned CoCrMo alloy surface. The influence of process parameters such as magnet arrangement method, machining gap, polishing device speed and abrasive particle size on the surface morphology and surface roughness of the CoCrMo alloy was studied, and the optimal combination of process parameters for obtaining super-smooth surfaces was found, and the surface of the polished CoCrMo alloy was measured with a surface profiler. The actual measurement results showed that the surface morphology of the CoCrMo alloy was affected by various factors. The magnetic flux density of the anisotropic arrangement of the dual magnets was concentrated on the workpiece, which makes the magnetic carbonyl iron particles and the abrasive stronger in the polishing process. The effective working area was increased; adjusting the machining gap changed the magnetic field strength of the CoCrMo alloy surface to be machined, and the surface roughness of the CoCrMo alloy decreased first and then increased with the increase of the machining gap. When the gap was 2 mm, the surface roughness of the CoCrMo alloy surface reached the lowest level. The magnetic field strength was low when the machining gap was large, and the magnetic carbonyl iron particle chain had poor confinement ability to diamond abrasives, and the removal ability of the CoCrMo alloy surface was weakened. When the machining gap was reduced, the magnetic field strength of the surface to be machined was high, the bonding ability between the magnetic carbonyl iron particles was enhanced, and the abrasive particles in the polishing cluster were pressed into the surface of the CoCrMo alloy to deepen. At the same time, too low clearance caused the diamond abrasive particles in the polishing cluster to be squeezed out of the working area, which affected the removal effect. The rotational speed of the polishing device directly controlled the relative speed between the CoCrMo alloy and the diamond abrasive, which in turn affected the shear removal capability of magnetorheological polishing. The surface roughness of the CoCrMo alloy showed a trend of first decreasing and then increasing with the increase of the polishing device rotating speed. When the polishing device rotating speed was 600 r·min–1, the surface roughness was the lowest; The medium abrasive particle size had an important influence on the interaction force between the magnetic carbonyl iron particles in the polishing cluster, which in turn affected the processing effect. When the grain size of diamond abrasive was 2 μm, the surface roughness was the smallest. When the dual magnets were arranged in different directions, the CoCrMo alloy was processed by magnetorheological finishing for 120 minutes under the optimal process parameter combination of working gap of 2 mm, polishing device speed of 600 r·min–1, and diamond abrasive grain size of 2 μm. The surface roughness value was reduced from the initial 640 nm to 5 nm, and the super smooth surface of the CoCrMo alloy was actually obtained.

magnetorheological finishing; CoCrMo alloy; field density;polishing parameters; surface roughness

掃碼查看文章講解

TG356.28

A

1001-3660(2022)10-0310-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.033

2021–11–22；

2022–03–14

2021-11-22；

2022-03-14

吉林省自然科學(xué)基金（20190201254JC）

Natural Science Foundation of Jilin Province (Special Project of Key Laboratory and Subject Scientist) (20190201254JC)

孫寶玉（1971—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)榫軝C(jī)構(gòu)微驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

SUN Bao-yu (1971-), Female, Ph. D., Professor, Research focus: Precision Mechanism Micro-Drive Technology.

谷巖（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槲⒓{制造與數(shù)控裝備。

GU Yan (1980-), Male, Ph. D., Associate professor, Research focus: Micro-nano Manufacturing and CNC Equipment.

孫寶玉, 于丙金, 譚鴻強(qiáng), 等.鈷鉻鉬合金磁流變拋光工藝研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(10): 310-320.

SUN Bao-yu, YU Bing-jin, TAN Hong-qiang, et al. Magnetorheological Finishing Process of CoCrMo Alloy[J]. Surface Technology, 2022, 51(10): 310-320.

責(zé)任編輯：