TC4鈦合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐熱性高以及生物相容性好等性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、醫(yī)療等領(lǐng)域[1-3]。隨著科技的發(fā)展，對(duì)于TC4鈦合金的表面質(zhì)量要求越來越高，高質(zhì)量的TC4鈦合金表面有利于提高其生物相容性以及零部件的使用性能。因此，高效率、高質(zhì)量的TC4鈦合金表面拋光方法尤為重要。
拋光加工作為精加工工序，能夠有效提高工件的表面質(zhì)量以及使用性能，為了獲得高質(zhì)量的TC4鈦合金表面，發(fā)展了不同的拋光方法。FiazHS等[4]采用機(jī)械拋光方法對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行拋光，工件的表面粗糙度達(dá)到0.4μm，但該方法加工效率較低，容易產(chǎn)生磨削熱損傷工件表面，加工質(zhì)量不穩(wěn)定。UrleaV等[5]采用電解拋光方法對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行拋光，工件的表面粗糙度達(dá)到1.30μm，但該方法的成形規(guī)律目前無法掌握，容易出現(xiàn)過拋或欠拋的現(xiàn)象。MaCP等[6]采用激光拋光方法對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行拋光，工件的表面粗糙度達(dá)到0.375μm，但該方法加工成本較高。
磨粒流拋光方法是通過黏彈性流體攜帶磨粒對(duì)工件表面不斷進(jìn)行沖擊、劃擦和切削實(shí)現(xiàn)拋光加工，其加工質(zhì)量高、成本低，適用于復(fù)雜曲面的拋光加工[7]。高航等[8-9]將磨粒流拋光方法應(yīng)用于各種增材制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的光整加工中；經(jīng)過拋光后，工件的內(nèi)外表面粗糙度達(dá)到0.7~1μm，克服了航空增材制造復(fù)雜零件表面拋光加工這一難題。李俊燁等[10]將磨粒流拋光方法應(yīng)用于坦克發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴的拋光加工中，切實(shí)提高噴油嘴的表面質(zhì)量；經(jīng)過拋光后，噴油嘴內(nèi)外孔的表面粗糙度達(dá)到0.437μm。
LyuBH等[11]采用磨粒流拋光方法對(duì)形狀復(fù)雜碳化合金嵌件進(jìn)行拋光，探究了拋光速度、磨料濃度以及磨料尺寸對(duì)工件表面粗糙度的影響。結(jié)果表明：當(dāng)拋光速度為90r/min、磨料濃度為9%時(shí)，經(jīng)過15min拋光后，工件的表面粗糙度達(dá)到7.1nm。ShaoQ等[12]采用磨粒流拋光方法對(duì)GH4169高溫合金葉片凹面進(jìn)行拋光，探究了拋光角度、拋光速度以及拋光液pH值對(duì)工件表面粗糙度的影響。結(jié)果表明：當(dāng)拋光角度為45°、拋光速度為1.88m/s、拋光液pH值為6.5時(shí)，經(jīng)過18min拋光后，工件的表面粗糙度達(dá)到4.2nm。但在磨粒流拋光過程中磨粒在工件表面上的作用力較小，大部分磨粒會(huì)在工件表面的微凸峰上滾動(dòng)或者翻轉(zhuǎn)，而不是進(jìn)行切削，工件表面的材料難以去除，加工效率及質(zhì)量受到限制，需提高磨粒流拋光方法的加工效率及質(zhì)量。
針對(duì)磨粒流拋光TC4鈦合金加工效率低等問題，提出機(jī)械振動(dòng)輔助磨粒流拋光方法。
在磨粒流拋光過程中，通過對(duì)工件施加機(jī)械振動(dòng)，提高剪切速率，增加拋光液的“剪切增稠”效應(yīng)強(qiáng)度，提高磨粒去除工件表面材料的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)TC4鈦合金的高效、高質(zhì)量拋光。
因此，進(jìn)行磨粒流拋光TC4鈦合金試驗(yàn)，探究機(jī)械振動(dòng)對(duì)工件的材料去除效率、表面粗糙度和表面形貌的影響，分析其變化規(guī)律，為實(shí)際的生產(chǎn)加工積累經(jīng)驗(yàn)和提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1、機(jī)械振動(dòng)輔助磨粒流拋光原理
圖1為機(jī)械振動(dòng)輔助磨粒流拋光的材料去除機(jī)理。圖1的拋光過程為拋光液在裝置內(nèi)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，與工件之間形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生“剪切增稠”效應(yīng)，形成“粒子簇”牢牢包裹住磨粒，拋光液黏度增加，形成“固著磨具”，在工件表面不斷碰撞、劃擦、切削，去除工件表面上的微凸峰、毛刺等加工缺陷，實(shí)現(xiàn)拋光加工[12]。
圖1機(jī)械振動(dòng)輔助磨粒流拋光的材料去除機(jī)理
機(jī)械振動(dòng)輔助即在磨粒流拋光過程中對(duì)工件施加機(jī)械振動(dòng)，在拋光液高速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)工件進(jìn)行縱向簡(jiǎn)諧振動(dòng)，提高剪切速率，“剪切增稠”效應(yīng)增強(qiáng)，對(duì)磨粒的把持力提高，磨粒去除工件表面材料能力的增加；同時(shí)，機(jī)械振動(dòng)輔助還能控制拋光液的流變效應(yīng)強(qiáng)度，對(duì)拋光液黏度進(jìn)行調(diào)控，能有效地降低“剪切增稠”效應(yīng)強(qiáng)度對(duì)拋光液流速的依賴，避免拋光液流速過高時(shí)形成“離心效應(yīng)”導(dǎo)致磨粒分布不均，流速過低時(shí)無法形成增稠效應(yīng)等問題，從而提高加工效率及質(zhì)量[13]。
2、試驗(yàn)與方法
2.1試驗(yàn)材料
（1）試驗(yàn)工件
為了便于表征拋光性能，試驗(yàn)工件選擇TC4鈦合金平板，但試驗(yàn)結(jié)果也可為曲面工件的拋光工藝提供參考。其工件的表面粗糙度約為200nm，加工尺寸為20mm×20mm×3mm。
在工件表面均勻選取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)區(qū)域，測(cè)量點(diǎn)區(qū)域大小為0.5mm×0.5mm，試驗(yàn)結(jié)果取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)區(qū)域的平均值。TC4鈦合金工件表面觀測(cè)點(diǎn)示意圖如圖2所示，圖中L=20mm。
圖2TC4鈦合金工件表面觀測(cè)點(diǎn)示意圖
（2）試驗(yàn)拋光液
磨粒流拋光液是以非牛頓流體為基液，加入第二分散相α-Al2O3磨粒，按比例配制而成的兩相流體。其中非牛頓流體的密度和黏度，α-Al2O3磨粒的密度、粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，環(huán)境溫度等因素對(duì)于拋光加工效果具有很大的影響，其具體參數(shù)見表1。
2.2試驗(yàn)裝置
選用自行搭建的機(jī)械振動(dòng)輔助磨粒流拋光裝置進(jìn)行TC4鈦合金拋光試驗(yàn)。選用VHX-2000C三維光學(xué)顯微鏡觀測(cè)拋光前后工件的表面形貌；選用TR240表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量拋光前后工件的表面粗糙度；選用BSM-120.4高精度電子天平（精度為0.01mg）測(cè)量拋光前后工件的質(zhì)量差，計(jì)算工件的材料去除效率。機(jī)械振動(dòng)輔助磨粒流拋光示意圖如圖3
所示，具體拋光裝置如圖4所示。
圖3機(jī)械振動(dòng)輔助磨粒流拋光示意圖
圖4具體拋光裝置
2.3試驗(yàn)方案
采用單因素實(shí)驗(yàn)法，分別在無機(jī)械振動(dòng)、有機(jī)械振動(dòng)兩種加工條件下進(jìn)行，以工件的材料去除效率、表面粗糙度和表面形貌作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)前期的試驗(yàn)結(jié)果，確定試驗(yàn)過程中
對(duì)工件施加的機(jī)械振動(dòng)的頻率為30Hz、振幅為1mm，每種加工條件下分別進(jìn)行5組拋光液流速參數(shù)試驗(yàn)，拋光液流速設(shè)置為6，7，8，9和10m/s，拋光時(shí)間為30min，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取3次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)參數(shù)見表2。
3、結(jié)果與討論
3.1材料去除效率
材料去除效率是指單位時(shí)間內(nèi)去除工件的材料量，常作為衡量加工效率高低的指標(biāo)。工件的材料去除效率的計(jì)算公式如下：
式中：MRR為工件的材料去除效率，μm/h；Δm為工件拋光前后的質(zhì)量差，mg；L為工件拋光區(qū)域邊長(zhǎng)，mm；t為拋光時(shí)間，h。
圖5為在不同加工條件下工件的材料去除效率變化規(guī)律。
從圖5可以看出：有機(jī)械振動(dòng)條件下工件的材料去除效率明顯高于無機(jī)械振動(dòng)，與無機(jī)械振動(dòng)相比提高19.90%(取5組拋光液流速參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值進(jìn)行分析)。這主要因?yàn)樵趻伖膺^程中，對(duì)工件施加機(jī)械振動(dòng)，提高了“剪切速率”，拋光液的“剪切增稠”效應(yīng)增強(qiáng)，磨粒去除工件表面微凸峰的能力增加，提高了工件的材料去除效率。因此，有機(jī)械振動(dòng)條件下工件的材料去除效率明顯高于無機(jī)械振動(dòng)，在拋光液流速為6、7、8、9和10m/s時(shí)，工件的材料去除效率分別達(dá)到了5.51、6.39、7.83、9.28和7.61μm/h。
圖6為在有機(jī)械振動(dòng)條件下3次重復(fù)試驗(yàn)以及3次重復(fù)試驗(yàn)平均值，工件的材料去除效率隨拋光液流速的變化規(guī)律。
從圖6可以看出：工件的材料去除效率隨著拋光液流速的增加呈先升高后降低的變化規(guī)律，在拋光液流速為9m/s時(shí)工件的材料去除效率最高，達(dá)到9.28μm/h（取3次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值進(jìn)行分析）。這主要因?yàn)閽伖庖毫魉佥^低時(shí)，無法形成有效的“剪切增稠”效應(yīng)，磨粒去除工件表面材料的能力較弱。隨著拋光液流速的增加，“剪切增稠”效應(yīng)增強(qiáng)，拋光液黏度升高，對(duì)磨粒的把持力提高，磨粒去除工件表面材料的能力增強(qiáng)[13]，工件的材料去除效率提高。但拋光液流速過高時(shí)，拋光液產(chǎn)生“離心效應(yīng)”，導(dǎo)致大部分磨粒被甩到拋光裝置內(nèi)壁上，磨粒分散不均勻，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)減少，工件的材料去除效率降低[12]。因此，隨著拋光液流速的增加，工件的材料去除效率呈先升高后降低的變化規(guī)律。
圖 6 有機(jī)械振動(dòng)條件下工件材料去除效率隨拋光液流速的變化規(guī)律
圖7為在有機(jī)械振動(dòng)條件下、拋光液流速為9m/s時(shí)，工件的材料去除效率隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖7可以看出：隨著拋光時(shí)間的增加，工件的材料去除效率呈逐漸下降的變化規(guī)律。這主要因?yàn)閯傔M(jìn)行拋光時(shí)，工件表面上有較多微凸峰，磨粒較鋒利，去除工件表面材料的能力較強(qiáng)，工件的材料去除效率較高。隨著時(shí)間的增加，拋光加工產(chǎn)生的磨削熱不易散開，使拋光液的溫度升高，導(dǎo)致拋光液的黏度降低，磨粒去除工件表面材料的能力減弱；同時(shí)工件表面上的微凸峰減少，去除工件表面的材料量減少，導(dǎo)致工件的材料去除效率降低。因此，工件的材料去除效率呈逐漸下降的變化規(guī)律。
圖7有機(jī)械振動(dòng)條件下工件材料去除效率隨時(shí)間的變化規(guī)律
3.2表面粗糙度
表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度，常作為工件加工質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
圖8為不同加工條件下工件的表面粗糙度變化規(guī)律。從圖中8可以看出：有機(jī)械振動(dòng)條件下工件的表面粗糙度明顯低于無機(jī)械振動(dòng)，與無機(jī)械振動(dòng)相比工件的表面粗糙度降低
19.58%(取5組拋光液流速參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值進(jìn)行分析)。這主要因?yàn)樵趻伖膺^程中，對(duì)工件施加機(jī)械振動(dòng)，降低了“剪切增稠”效應(yīng)對(duì)拋光液流速的依賴，避免拋光液流速過高時(shí)形成的“離心效應(yīng)”導(dǎo)致磨粒分布不均，流速過低時(shí)無法形成增稠效應(yīng)等問題，使工件表面拋光的更加均勻一致，提高了工件的表面質(zhì)量。因此，有機(jī)械振動(dòng)條件下工件的表面粗糙度明顯低于無機(jī)械振動(dòng)，在拋光液流速為6、7、8、9和10m/s時(shí)，工件的表面粗糙度分別達(dá)到了110、96、79、66和78nm。
圖8不同加工條件下工件的表面粗糙度變化規(guī)律
圖9為在有機(jī)械振動(dòng)條件下3次重復(fù)試驗(yàn)以及3次重復(fù)試驗(yàn)平均值，工件的表面粗糙度隨拋光液流速的變化規(guī)律。從圖9可以看出：工件的表面粗糙度隨著拋光液流速的增加呈先降低后升高的變化規(guī)律，在拋光液流速為9m/s時(shí)表面粗糙度最低，達(dá)到66nm（取3次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值進(jìn)行分析）。這主要因?yàn)閽伖庖毫魉龠^低時(shí)，“剪切增稠”效應(yīng)不顯著，磨粒去除工件表面材料的能力較弱，導(dǎo)致工件的表面粗糙度較差。隨著拋光液流速的增加，“剪切增稠”效應(yīng)增強(qiáng)，磨粒去除工件表面材料的能力增強(qiáng)，工件的表面粗糙度也隨之變好。但拋光液流速過高時(shí)將產(chǎn)生“離心效應(yīng)”，導(dǎo)致大部分磨粒被甩到拋光裝置內(nèi)壁上，磨粒分散不均勻，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)減少，工件的材料去除效率降低，工件的表面粗糙度也隨之變差[12]；同時(shí)，拋光液流速過高時(shí)，拋光加工產(chǎn)生的磨削熱迅速增加，使拋光液溫度升高，黏度降低，磨粒去除工件表面材料的能力降低，工件的表面粗糙度變差[14]。因此，隨著拋光液流速的增加，工件的表面粗糙度值呈先降低后升高的變化規(guī)律。
圖9有機(jī)械振動(dòng)條件下工件表面粗糙度隨拋光液流速的變化規(guī)律
圖10為在有機(jī)械振動(dòng)加工條件下、拋光液流速為9m/s時(shí)，工件的表面粗糙度隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖10可以看出：隨著拋光時(shí)間的增加，工件的表面粗糙度呈逐漸下降的變化規(guī)律。這主要因?yàn)閯傔M(jìn)行拋光時(shí)，工件表面上有較多微凸峰，磨粒較鋒利，容易去除工件表面材料，工件的表面粗糙度下降較快。隨著時(shí)間的增加，拋光加工產(chǎn)生的磨削熱不易散開，拋光液溫度升高，黏度降低，磨粒去除工件表面材料的能力降低；同時(shí)工件表面上的微凸峰逐漸被去除。因此，工件的表面粗糙度呈逐漸下降的變化規(guī)律。
圖10有機(jī)械振動(dòng)條件下工件表面粗糙度隨時(shí)間的變化規(guī)律
3.3表面形貌
工件的表面形貌是指其幾何形狀的詳細(xì)圖形。著重研究工件表面微凸體高度的變化，其由形狀公差、波紋度和表面粗糙度，常用來評(píng)價(jià)工件的表面質(zhì)量。圖11為在拋光液流速為9m/s時(shí)，工件的表面形貌。
從圖11可以看出：拋光前工件表面上有明顯劃痕、凹陷等加工缺陷，經(jīng)過磨粒流拋光后，工件表面劃痕、凹陷等加工缺陷減少，加工損傷消失，極大地改善了工件表面形貌，提高了工件的表面質(zhì)量。在無機(jī)械振動(dòng)條件下，工件表面劃痕較多，無明顯的凹陷，工件的表面質(zhì)量較差。在有機(jī)械振動(dòng)條件下，工件表面劃痕較少，無明顯凹陷，工件的表面質(zhì)量較高。
這主要因?yàn)樵趻伖膺^程中對(duì)工件施加機(jī)械振動(dòng)，提高了磨粒流拋光方法的加工效率及質(zhì)量，極大地改善了工件的表面形貌。
圖11工件表面形貌
4、結(jié)語(yǔ)
進(jìn)行磨粒流拋光TC4鈦合金試驗(yàn)，探究機(jī)械振動(dòng)對(duì)工件的材料去除效率、表面粗糙度以及表面形貌的影響，分析其變化規(guī)律。得出如下結(jié)論：
（1）在加工參數(shù)相同的情況下，由于機(jī)械振動(dòng)的輔助功能，拋光液的“剪切增稠”效應(yīng)顯著，增加了磨粒與工件表面之間的作用力，提高了工件的材料去除效率。相比于無機(jī)械振動(dòng)條件，有振動(dòng)條件下工件的材料去除效率19.90%；在拋光液流速為9m/s時(shí)，工件的材料去除效率最高，達(dá)到9.28μm/h。
（2）在加工參數(shù)相同的情況下，由于機(jī)械振動(dòng)的輔助功能，拋光液的“剪切增稠”效應(yīng)增強(qiáng)，磨粒分布均勻，去除工件表面材料的能力增強(qiáng)，提高了工件的表面粗糙度。相比于無機(jī)械振動(dòng)條件，有機(jī)械振動(dòng)條件下工件的表面粗糙度降低19.58%；在拋光液流速為9m/s時(shí)，工件的表面粗糙度最低，達(dá)到66nm。
（3）在加工參數(shù)相同的情況下，由于機(jī)械振動(dòng)的輔助功能，提高了磨粒流拋光方法的加工效率及質(zhì)量。相比于無機(jī)械振動(dòng)條件下，有機(jī)械振動(dòng)條件下工件表面劃痕較少，無凹陷等加工缺陷，加工損傷消失，改善了工件的表面形貌，提高了工件的表面質(zhì)量。
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第一作者/通信作者：王奔，男，1984 年出生，教授，研究方向?yàn)榫芘c超精密加工技術(shù)。E-mail：18840059457@163.com
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