磁性剪切增稠光整介質的制備與加工特性研究

周強，田業冰，范增華，錢乘，孫志光

（山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049）

鈦合金材料具有密度小、強度高、耐高溫、抗疲勞、耐腐蝕等性能，廣泛應用于航空、船舶、能源和生物醫療等領域[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，需要對其進行光整加工，以提高表面質量[5-6]。

傳統的光整加工技術，如手工研磨、電化學拋光等方法，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性[11-14]。楊海吉等[15]分析了工件轉速、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律和參數進行了總結，獲取了最優工藝參數。周傳強等[16]在單一磁性磨料中加入輔助磁針進行研磨，輔助磁針可加強磁性磨料的研磨效果。ZHANG等[17-19]研制了新型鐵基SiC 球形復合磁性磨料，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方案。

綜上所述，國內外學者發現，通過改進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，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了鈦合金材料在各生產領域中的應用。山東理工大學田業冰教授課題組[21-23]結合磁流變效應和剪切增稠效應，提出了一種新的磁性剪切增稠光整加工方法，開發了新型的磁性剪切增稠加工介質，提高了傳統的磁性磨料光整加工效率和光整質量。但是，新型磁性剪切增稠加工介質的磨料質量分數和粒徑等對光整加工特性的影響規律還不清楚。本文針對鈦合金零件，利用設計開發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，探究不同磨料的質量分數和粒徑對光整加工的影響規律。

1 光整加工裝置

1.1 基本結構

圖1 為磁場輔助光整加工裝置的三維結構示意圖。配置四個剩余磁感應強度為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，產生加工所需的磁場力。通過改變四個磁極的排布位置，可產生不同的磁力線分布和磁場強度。導桿和磁軛上的導向槽能夠控制調節四個磁極的位置。導桿、磁極套、磁軛、連接板的零件材質為45 號鋼，具有較高的硬度和較好的耐磨性。可拆卸擋板置于磁極外側，用來放置加工所用的光整介質，避免光整介質與磁極直接接觸，便于更換光整介質，且能有效防止介質的旋轉飛濺，減少浪費。整體裝置的質量為3.5 kg，可通過連接板集成至加工中心的主軸上。

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

1.2 光整加工原理

基于所設計的裝置對鈦合金（Ti-6Al-4V）表面進行光整加工，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，當工具旋轉時，工件表面和磁力刷發生相對運動，從而實現工件表面材料的去除，如圖2b 所示。光整加工介質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而迅速聚集，光整介質的形態變為半固體狀態[21-22]，增強了對微凸峰的切削力，達到快速去除材料的目的。當材料去除后，接觸消失，介質又會恢復成原來的形態，如圖2c 所示。磁性剪切增稠光整介質在磁場作用下形成磁力刷，能夠貼合平面、曲面、微細結構面進行光整加工。

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

2 磁場強度分析

2.1 仿真

對設計的磁場發生裝置進行有限元仿真，圖3 為Ansys Maxwell 仿真環境下三維磁感應強度的分布圖。從三維圖中可以看出，磁極、導桿和磁軛可以形成連貫的磁感應區域，并且在磁極的頂部有較大的磁感應強度。

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

圖3 磁感應強度三維仿真Fig.3 3D simulation of magnetic induction

2.2 磁場強度的測量

基于高斯計（型號：GM500）實際測量沿線1和線2 方向的磁場強度變化趨勢，驗證仿真結果的有效性。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穩定，獲取測量值。圖4 為實驗測量與仿真結果，在線1 和線2 的起點處，仿真結果分別為449、256 mT，隨著距離的增加，磁感應強度逐漸減弱，在距離起點7 mm 處的結果分別為61、43 mT。而且隨著距離的增加，沿線1 垂直方向的磁感應強度始終大于沿線2。距離起點的位置越遠，磁場強度越小，實驗測量變化趨勢與仿真結果一致。實測的磁感應強度一直小于仿真結果，因為磁場發生裝置放在空氣中測量磁感應強度，會有磁場泄漏。仿真結果與實測結果之間的誤差會隨著距離的增大而減小，最終趨于零。測量結果驗證了仿真分析的有效性。

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

3 實驗

3.1 光整介質的制備及實驗設計

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 的轉速，在15 min 內配制完成。待靜置12 h 后，完成所需磁性剪切增稠光整介質的配制。

改變剪切增稠基液中二氧化硅的質量分數（二氧化硅的質量與二氧化硅+聚乙二醇質量和之比），或調節磨粒的種類以及加入量，可以得到不同種類的光整介質。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 總質量，配制不同磨料質量分數（鐵粉+碳化硅質量和與鐵粉+碳化硅+剪切增稠基液質量和之比）的光整介質，如表1 所示。基于配制的光整介質，設計了9 組光整加工實驗，如表2 所示。

表1 配制參數Tab.1 Configuration parameter

表2 實驗設計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。磁場發生裝置安裝在加工中心主軸上，調節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運動，使光整介質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。主軸轉速為100 r/min，因為當主軸轉速大于100 r/min 時，過大的離心力使加工工具上的介質大量脫離加工區域，加工效率低下。加工間隙設定為0.5 mm。

4 結果與討論

4.1 表面粗糙度

為了探究光整加工介質中，磨料的粒徑及其質量分數對表面粗糙度的影響，開展了不同實驗參數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，在同一加工區域選取三個間隔大于取樣長度的測量點，最終結果為三個測量值的平均值。

4.1.1 磨料質量分數為45%時粗糙度變化

當羰基鐵粉和碳化硅在介質中的總質量分數為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。當碳化硅粒徑為80 μm、羰基鐵粉粒徑為150 μm 時，在80 min 內，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，表面粗糙度值已經趨于平緩。當碳化硅粒徑為30 μm、羰基鐵粉粒徑為50 μm 時，在80 min 內，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，表面粗糙度值已經趨于平緩。當碳化硅粒徑為4 μm、羰基鐵粉粒徑為5 μm 時，在80 min 內，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，而且相同質量的磨料，大粒徑的磨料數量較少，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 磨料質量分數為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 磨料質量分數為30%時粗糙度變化

當羰基鐵粉和碳化硅在介質中的總質量分數為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，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，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，表面粗糙度值已經趨于平緩。當碳化硅粒徑為4 μm、羰基鐵粉粒徑為5 μm 時，在80 min 內，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，達到的最終效果越好。磨料質量分數為30%與45%的最終加工效果基本一致，從轉折點的后移和曲線趨于平緩時間點的后移可以看出，磨料質量分數為30%的加工效率略微低于質量分數為45%的加工效率。

圖8 磨料質量分數為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 磨料質量分數為15%時粗糙度變化

當磨料質量分數為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，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，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，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轉折，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，達到的最終效果越好。比較磨料質量分數為15%和30%的加工曲線圖，從轉折點的后移和最后的粗糙度值可以看出，質量分數為15%的加工效率遠遠低于質量分數為30%的加工效率。

圖9 磨料質量分數為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

當磨料質量分數為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，產生的拋光紋理連續而勻整，拋光效果很好。

圖10 表面金相顯微圖片Fig.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，使用場發射掃描電子顯微鏡（FEI Sirion 200，美國）進行觀測。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，發現改變磨料質量分數和粒徑可以控制表面質量和加工效率，所設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

為了進一步探究工件表面的材料去除機理，對加工前后的磁性剪切增稠光整介質進行了EDS 能譜分析，如圖12 所示。面向Ti-6Al-4V 零件進行加工，所以加工前后的介質中元素變化最大的應該是鈦元素。從圖12a 可以看出，加工前的介質中，鈦元素含量（以質量分數計）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。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對鈦合金加工性能的影響，得到以下結論：

1）設計了一種磁場發生裝置，在Ansys Maxwell仿真環境中對磁場發生裝置的磁場分布進行仿真分析，獲取了加工區域的磁場強度，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，在加工間隙、主軸轉速等參數確定的條件下開展加工實驗，改變磨料的質量分數和磨料的粒徑可以控制表面粗糙度和加工效率。

3）磨料質量分數分別為15%、30%和45%的加工效果表明，隨著磨料質量分數的增加，加工效率提高。

4）當磨料質量分數為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行表面形貌觀測發現，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。