机械振动对磨粒流抛光TC4钛合金加工效率及质量的影响

TC4钛合金具有强度高、耐腐蚀性好、耐热性高以及生物相容性好等性质，广泛应用于航空航天、船舶、医疗等领域[1-3]。随着科技的发展，对于TC4钛合金的表面质量要求越来越高，高质量的TC4钛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、高质量的TC4钛合金表面抛光方法尤为重要。

抛光加工作为精加工工序，能够有效提高工件的表面质量以及使用性能，为了获得高质量的TC4钛合金表面，发展了不同的抛光方法。FiazHS等[4]采用机械抛光方法对TC4钛合金进行抛光，工件的表面粗糙度达到0.4μm，但该方法加工效率较低，容易产生磨削热损伤工件表面，加工质量不稳定。UrleaV等[5]采用电解抛光方法对TC4钛合金进行抛光，工件的表面粗糙度达到1.30μm，但该方法的成形规律目前无法掌握，容易出现过抛或欠抛的现象。MaCP等[6]采用激光抛光方法对TC4钛合金进行抛光，工件的表面粗糙度达到0.375μm，但该方法加工成本较高。

磨粒流抛光方法是通过黏弹性流体携带磨粒对工件表面不断进行冲击、划擦和切削实现抛光加工，其加工质量高、成本低，适用于复杂曲面的抛光加工[7]。高航等[8-9]将磨粒流抛光方法应用于各种增材制造复杂结构件的光整加工中；经过抛光后，工件的内外表面粗糙度达到0.7~1μm，克服了航空增材制造复杂零件表面抛光加工这一难题。李俊烨等[10]将磨粒流抛光方法应用于坦克发动机喷油嘴的抛光加工中，切实提高喷油嘴的表面质量；经过抛光后，喷油嘴内外孔的表面粗糙度达到0.437μm。

LyuBH等[11]采用磨粒流抛光方法对形状复杂碳化合金嵌件进行抛光，探究了抛光速度、磨料浓度以及磨料尺寸对工件表面粗糙度的影响。结果表明：当抛光速度为90r/min、磨料浓度为9%时，经过15min抛光后，工件的表面粗糙度达到7.1nm。ShaoQ等[12]采用磨粒流抛光方法对GH4169高温合金叶片凹面进行抛光，探究了抛光角度、抛光速度以及抛光液pH值对工件表面粗糙度的影响。结果表明：当抛光角度为45°、抛光速度为1.88m/s、抛光液pH值为6.5时，经过18min抛光后，工件的表面粗糙度达到4.2nm。但在磨粒流抛光过程中磨粒在工件表面上的作用力较小，大部分磨粒会在工件表面的微凸峰上滚动或者翻转，而不是进行切削，工件表面的材料难以去除，加工效率及质量受到限制，需提高磨粒流抛光方法的加工效率及质量。

针对磨粒流抛光TC4钛合金加工效率低等问题，提出机械振动辅助磨粒流抛光方法。

在磨粒流抛光过程中，通过对工件施加机械振动，提高剪切速率，增加抛光液的“剪切增稠”效应强度，提高磨粒去除工件表面材料的能力，实现对TC4钛合金的高效、高质量抛光。

因此，进行磨粒流抛光TC4钛合金试验，探究机械振动对工件的材料去除效率、表面粗糙度和表面形貌的影响，分析其变化规律，为实际的生产加工积累经验和提供基础数据。

1、机械振动辅助磨粒流抛光原理

图1为机械振动辅助磨粒流抛光的材料去除机理。图1的抛光过程为抛光液在装置内高速转动，与工件之间形成相对运动，产生“剪切增稠”效应，形成“粒子簇”牢牢包裹住磨粒，抛光液黏度增加，形成“固着磨具”，在工件表面不断碰撞、划擦、切削，去除工件表面上的微凸峰、毛刺等加工缺陷，实现抛光加工[12]。

图1机械振动辅助磨粒流抛光的材料去除机理

机械振动辅助即在磨粒流抛光过程中对工件施加机械振动，在抛光液高速转动的同时工件进行纵向简谐振动，提高剪切速率，“剪切增稠”效应增强，对磨粒的把持力提高，磨粒去除工件表面材料能力的增加；同时，机械振动辅助还能控制抛光液的流变效应强度，对抛光液黏度进行调控，能有效地降低“剪切增稠”效应强度对抛光液流速的依赖，避免抛光液流速过高时形成“离心效应”导致磨粒分布不均，流速过低时无法形成增稠效应等问题，从而提高加工效率及质量[13]。

2、试验与方法

2.1试验材料

（1）试验工件

为了便于表征抛光性能，试验工件选择TC4钛合金平板，但试验结果也可为曲面工件的抛光工艺提供参考。其工件的表面粗糙度约为200nm，加工尺寸为20mm×20mm×3mm。

在工件表面均匀选取5个测量点区域，测量点区域大小为0.5mm×0.5mm，试验结果取5个测量点区域的平均值。TC4钛合金工件表面观测点示意图如图2所示，图中L=20mm。

图2TC4钛合金工件表面观测点示意图

（2）试验抛光液

磨粒流抛光液是以非牛顿流体为基液，加入第二分散相α-Al2O3磨粒，按比例配制而成的两相流体。其中非牛顿流体的密度和黏度，α-Al2O3磨粒的密度、粒径和质量分数，环境温度等因素对于抛光加工效果具有很大的影响，其具体参数见表1。

2.2试验装置

选用自行搭建的机械振动辅助磨粒流抛光装置进行TC4钛合金抛光试验。选用VHX-2000C三维光学显微镜观测抛光前后工件的表面形貌；选用TR240表面粗糙度测量仪测量抛光前后工件的表面粗糙度；选用BSM-120.4高精度电子天平（精度为0.01mg）测量抛光前后工件的质量差，计算工件的材料去除效率。机械振动辅助磨粒流抛光示意图如图3

所示，具体抛光装置如图4所示。

图3机械振动辅助磨粒流抛光示意图

图4具体抛光装置

2.3试验方案

采用单因素实验法，分别在无机械振动、有机械振动两种加工条件下进行，以工件的材料去除效率、表面粗糙度和表面形貌作为评价标准。根据前期的试验结果，确定试验过程中

对工件施加的机械振动的频率为30Hz、振幅为1mm，每种加工条件下分别进行5组抛光液流速参数试验，抛光液流速设置为6，7，8，9和10m/s，抛光时间为30min，每组试验进行3次重复试验，试验结果取3次重复试验结果的平均值，以确保试验结果的准确性。试验参数见表2。

3、结果与讨论

3.1材料去除效率

材料去除效率是指单位时间内去除工件的材料量，常作为衡量加工效率高低的指标。工件的材料去除效率的计算公式如下：

式中：MRR为工件的材料去除效率，μm/h；Δm为工件抛光前后的质量差，mg；L为工件抛光区域边长，mm；t为抛光时间，h。

图5为在不同加工条件下工件的材料去除效率变化规律。

从图5可以看出：有机械振动条件下工件的材料去除效率明显高于无机械振动，与无机械振动相比提高19.90%(取5组抛光液流速参数试验结果的平均值进行分析)。这主要因为在抛光过程中，对工件施加机械振动，提高了“剪切速率”，抛光液的“剪切增稠”效应增强，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，有机械振动条件下工件的材料去除效率明显高于无机械振动，在抛光液流速为6、7、8、9和10m/s时，工件的材料去除效率分别达到了5.51、6.39、7.83、9.28和7.61μm/h。

图6为在有机械振动条件下3次重复试验以及3次重复试验平均值，工件的材料去除效率随抛光液流速的变化规律。

从图6可以看出：工件的材料去除效率随着抛光液流速的增加呈先升高后降低的变化规律，在抛光液流速为9m/s时工件的材料去除效率最高，达到9.28μm/h（取3次重复试验结果的平均值进行分析）。这主要因为抛光液流速较低时，无法形成有效的“剪切增稠”效应，磨粒去除工件表面材料的能力较弱。随着抛光液流速的增加，“剪切增稠”效应增强，抛光液黏度升高，对磨粒的把持力提高，磨粒去除工件表面材料的能力增强[13]，工件的材料去除效率提高。但抛光液流速过高时，抛光液产生“离心效应”，导致大部分磨粒被甩到抛光装置内壁上，磨粒分散不均匀，单位时间内参与磨削的磨粒数减少，工件的材料去除效率降低[12]。因此，随着抛光液流速的增加，工件的材料去除效率呈先升高后降低的变化规律。

图 6 有机械振动条件下工件材料去除效率随抛光液流速的变化规律

图7为在有机械振动条件下、抛光液流速为9m/s时，工件的材料去除效率随时间的变化规律。从图7可以看出：随着抛光时间的增加，工件的材料去除效率呈逐渐下降的变化规律。这主要因为刚进行抛光时，工件表面上有较多微凸峰，磨粒较锋利，去除工件表面材料的能力较强，工件的材料去除效率较高。随着时间的增加，抛光加工产生的磨削热不易散开，使抛光液的温度升高，导致抛光液的黏度降低，磨粒去除工件表面材料的能力减弱；同时工件表面上的微凸峰减少，去除工件表面的材料量减少，导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渐下降的变化规律。

图7有机械振动条件下工件材料去除效率随时间的变化规律

3.2表面粗糙度

表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度，常作为工件加工质量的评价指标。

图8为不同加工条件下工件的表面粗糙度变化规律。从图中8可以看出：有机械振动条件下工件的表面粗糙度明显低于无机械振动，与无机械振动相比工件的表面粗糙度降低

19.58%(取5组抛光液流速参数试验结果的平均值进行分析)。这主要因为在抛光过程中，对工件施加机械振动，降低了“剪切增稠”效应对抛光液流速的依赖，避免抛光液流速过高时形成的“离心效应”导致磨粒分布不均，流速过低时无法形成增稠效应等问题，使工件表面抛光的更加均匀一致，提高了工件的表面质量。因此，有机械振动条件下工件的表面粗糙度明显低于无机械振动，在抛光液流速为6、7、8、9和10m/s时，工件的表面粗糙度分别达到了110、96、79、66和78nm。

图8不同加工条件下工件的表面粗糙度变化规律

图9为在有机械振动条件下3次重复试验以及3次重复试验平均值，工件的表面粗糙度随抛光液流速的变化规律。从图9可以看出：工件的表面粗糙度随着抛光液流速的增加呈先降低后升高的变化规律，在抛光液流速为9m/s时表面粗糙度最低，达到66nm（取3次重复试验结果的平均值进行分析）。这主要因为抛光液流速过低时，“剪切增稠”效应不显著，磨粒去除工件表面材料的能力较弱，导致工件的表面粗糙度较差。随着抛光液流速的增加，“剪切增稠”效应增强，磨粒去除工件表面材料的能力增强，工件的表面粗糙度也随之变好。但抛光液流速过高时将产生“离心效应”，导致大部分磨粒被甩到抛光装置内壁上，磨粒分散不均匀，单位时间内参与磨削的磨粒数减少，工件的材料去除效率降低，工件的表面粗糙度也随之变差[12]；同时，抛光液流速过高时，抛光加工产生的磨削热迅速增加，使抛光液温度升高，黏度降低，磨粒去除工件表面材料的能力降低，工件的表面粗糙度变差[14]。因此，随着抛光液流速的增加，工件的表面粗糙度值呈先降低后升高的变化规律。

图9有机械振动条件下工件表面粗糙度随抛光液流速的变化规律

图10为在有机械振动加工条件下、抛光液流速为9m/s时，工件的表面粗糙度随时间的变化规律。从图10可以看出：随着抛光时间的增加，工件的表面粗糙度呈逐渐下降的变化规律。这主要因为刚进行抛光时，工件表面上有较多微凸峰，磨粒较锋利，容易去除工件表面材料，工件的表面粗糙度下降较快。随着时间的增加，抛光加工产生的磨削热不易散开，抛光液温度升高，黏度降低，磨粒去除工件表面材料的能力降低；同时工件表面上的微凸峰逐渐被去除。因此，工件的表面粗糙度呈逐渐下降的变化规律。

图10有机械振动条件下工件表面粗糙度随时间的变化规律

3.3表面形貌

工件的表面形貌是指其几何形状的详细图形。着重研究工件表面微凸体高度的变化，其由形状公差、波纹度和表面粗糙度，常用来评价工件的表面质量。图11为在抛光液流速为9m/s时，工件的表面形貌。

从图11可以看出：抛光前工件表面上有明显划痕、凹陷等加工缺陷，经过磨粒流抛光后，工件表面划痕、凹陷等加工缺陷减少，加工损伤消失，极大地改善了工件表面形貌，提高了工件的表面质量。在无机械振动条件下，工件表面划痕较多，无明显的凹陷，工件的表面质量较差。在有机械振动条件下，工件表面划痕较少，无明显凹陷，工件的表面质量较高。

这主要因为在抛光过程中对工件施加机械振动，提高了磨粒流抛光方法的加工效率及质量，极大地改善了工件的表面形貌。

图11工件表面形貌

4、结语

进行磨粒流抛光TC4钛合金试验，探究机械振动对工件的材料去除效率、表面粗糙度以及表面形貌的影响，分析其变化规律。得出如下结论：

（1）在加工参数相同的情况下，由于机械振动的辅助功能，抛光液的“剪切增稠”效应显著，增加了磨粒与工件表面之间的作用力，提高了工件的材料去除效率。相比于无机械振动条件，有振动条件下工件的材料去除效率19.90%；在抛光液流速为9m/s时，工件的材料去除效率最高，达到9.28μm/h。

（2）在加工参数相同的情况下，由于机械振动的辅助功能，抛光液的“剪切增稠”效应增强，磨粒分布均匀，去除工件表面材料的能力增强，提高了工件的表面粗糙度。相比于无机械振动条件，有机械振动条件下工件的表面粗糙度降低19.58%；在抛光液流速为9m/s时，工件的表面粗糙度最低，达到66nm。

（3）在加工参数相同的情况下，由于机械振动的辅助功能，提高了磨粒流抛光方法的加工效率及质量。相比于无机械振动条件下，有机械振动条件下工件表面划痕较少，无凹陷等加工缺陷，加工损伤消失，改善了工件的表面形貌，提高了工件的表面质量。

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第一作者/通信作者：王奔，男，1984 年出生，教授，研究方向为精密与超精密加工技术。E-mail：18840059457@163.com

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