血泵殼體零件高精度面研磨方法

劉紅濤,王長峰,曹 勇,趙 睿

（1.超精密航天控制儀器技術實驗室,北京 100039;2.北京航天控制儀器研究所,北京 100039)

0 引言

心力衰竭（Heart Failure,HF)是當今人類所面臨的一種常見致死心血管疾病,針對HF的治療手段,包括藥物治療和非藥物治療兩種手段。針對病情較輕的情況,藥物治療比較有效;在病情較為嚴重時,非藥物治療更為直接有效。如圖1所示,非藥物治療主要借助的是心室輔助裝置（Ventricular Assist Device,VAD),VAD裝置的核心部分即為血泵[1]。因此,血泵的機械加工精度在血泵研發過程中顯得尤為重要。

圖1 VAD裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of VAD

在目前的研究報道中,血泵存在的主要問題是出凝血。血泵的不良血液相溶性是影響國產血泵應用于臨床的主要因素[2]。目前,解決該問題的重要方法為:在殼體內表面使用涂層使表面光滑,允許有微栓形成但不會形成大的血栓,從而不致影響正常的生理機能[3-5]。為了使殼體內表面的涂層表面光滑,需要對殼體的鈦合金基體進行研磨工藝處理,這也是血泵生產加工過程中的重點和難點。

北京工業大學的符珉瑞等[6]對軸承磨損導致的血泵偏心對其血流力學性能和血液損傷的流體力學特性進行了研究分析,通過建立10個不同軸距的流體力學幾何模型,得出了軸承磨損是導致溶血、血栓形成、出血風險增加的原因之一。鄭賀天等[7]對TC18航空鈦合金機械研磨處理疲勞特性進行了研究,實驗結果表明:經過機械研磨處理的TC18鈦合金在試樣表面存在高幅值的殘余壓應力,能有效抑制疲勞裂紋的擴展,改善疲勞強度。

在本文中,結合血泵殼體的特殊結構,通過建立三維有限元Archard摩擦磨損模型,分析出在研磨血泵殼體的過程中存在的徑向研磨差異問題。通過設計專用的研具和研料,采用梯次研磨方法,有效控制了血泵殼體內表面的研磨質量。

1 血泵殼體材料及結構

1.1 血泵殼體材料

考慮到血泵殼體零件的醫療應用環境,血泵殼體材料選用具有小密度（4.5g/cm3)和較好生物相容性的α+β相鈦合金TC4,其材料化學成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金化學成分(重量百分比)Table 1 Chemical composition(WT%)of TC4

此外,TC4鈦合金具有優良的耐蝕性、高比強度、較好的韌性等優點,被廣泛應用于航空航天、醫療器械、汽車、船舶等領域。

1.2 血泵殼體結構特點

如圖2所示,血泵殼體的加工屬于精密甚至超精密加工,加工精度很高,結構復雜,傳統的研磨工藝很難達到設計圖紙的要求,研磨加工存在的技術難點主要有以下四個方面:

圖2 血泵殼體內部結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of blood pump shell internal surface

1)血泵殼體的內端面要求研磨后的平面度達到0.01mm以內,表面粗糙度≤Ra0.04。

2)內平面研磨不能采用平板推研,只能使用車床夾取血泵殼體,手持自制研具進行研磨。但由于血泵殼體隨著車床轉動的外圈線速度大,研磨去量隨之增大,工件的平面度難以保證。

3)血泵殼體材料為鈦合金,并且結構設計為薄壁件,在研磨過程中會產生熱量積聚從而引起殼體變形,進一步影響殼體內端面的平面度。在本文中,由于血泵殼體的內端面經過精密銑削加工后,其平面度已經能夠達到0.01mm以內,僅表面粗糙度無法滿足Ra0.04的要求。此時,在手持研具的情況下,只需要1s～2s的短暫輕接觸,反復多次研磨即可,加上輔助水冷卻液,不會使熱量發生長時間聚集。所以,本文暫不考慮熱影響因素產生的影響。

4)血泵殼體分為兩部分,一部分端面中間存在凸起結構,且需要凸起結構部分清根,而另一部分端面中間存在通孔,這都為研磨研具工裝的設計、平面度和粗糙度的保證帶來了困難。

2 工藝流程簡介

為了達到設計要求的表面粗糙度技術指標,血泵殼體研磨的工藝流程安排如圖3所示。

圖3 血泵殼體研磨工藝流程Fig.3 Grinding process flow of blood pump shell

整個工藝流程分為4個步驟:

1)研料選擇,對鈦合金研磨適應性進行對比匹配;

2)根據血泵本身的中心凸起結構進行研具工裝設計;

3)確定研磨方法;

4)計量最終結果,驗證工藝流程的有效性。

根據設計要求,血泵殼體在銑加工結束后進行研磨工序。研磨需要先對磨料進行適應性匹配,分別選用不同研料對鈦合金的研磨表面質量進行對比,再根據血泵本身的特殊結構進行研磨工裝設計,采用三級研磨工藝（粗研、半精研和精研)進行研磨,最終進行計量并驗證。

3 有限元裝夾模擬

為了了解研具對血泵殼體表面研磨質量的影響,采用有限元軟件進行瞬態力學模擬,分析血泵殼體的受力變形和應力分布。

3.1 有限元摩擦磨損Archard模型的建立

1)幾何模型建立。通過三維模型軟件建立血泵殼體、研具的三維模型,并將其導入至ANSYS有限元分析軟件中。血泵殼體及研具的摩擦屬于接觸問題計算,因此選用六面體八節點單元C3D8I來進行網格劃分,其優點還包括節省計算時間。研具與殼體的網格劃分單元數分別為1224、3558。

2)約束及載荷的施加。研具在X方向、Y方向的位移限制為0,Z方向為自由狀態;殼體則為固定約束。載荷施加方向為Z方向,載荷為持續性載荷,大小為6N,載荷施加在研具端面（非接觸面端),研具的摩擦系數0.2。

3)摩擦磨損Archard模型的計算公式如下

式（1)中,V為磨損體積,K為磨損因子,P為接觸面法向壓力,L為研具與血泵殼體的切向滑動距離,H為研具硬度。

3.2 模擬結果分析

由于殼體需要進行旋轉并接觸研具進行研磨,因此有必要了解研磨過程中殼體內表面的研磨去量情況和研具受力情況。徑向研磨去量差異產生的問題如圖4所示。

由圖4（a)可知,殼體內表面在被研具接觸研磨時,在徑向方向存在研磨去量差異。造成這一結果的原因是:殼體的外徑處旋轉線速度Vouter最大,內徑處旋轉線速度Vinner最小。

當殼體內表面研磨去量存在差異時,就會導致殼體內表面出現 “鼓肚”的現象。此時,研具的研磨摩擦力分布云圖如圖4（b)所示。顯然,研具從中心到外徑邊緣摩擦受力依次降低,這不利于殼體內表面的研磨質量。

圖4 徑向研磨去量差異產生的問題Fig.4 Problems caused by difference in radial grinding amount

為了抵消這種研磨去量差異導致的研磨問題,研具采用梯次直徑設計。

4 加工方式優化分析

4.1 研具的設計

由于血泵內端面上存在凸起結構（圖2),故將研具設計成中間帶有通孔的結構。研磨過程中,殼體工件將固定在車床卡盤上作低速回轉,因此殼體外側的旋轉線速度遠遠大于殼體內側的,這就造成了殼體外側的研磨去量大于內側的,所以研具的研磨端面逐漸變小,以使內外側的研磨去量相同。研具的實物圖如圖5所示。

圖5 梯次直徑設計的研具Fig.5 Grinding tools for step diameter design

本研具可以解決以下問題:

1)依據殼體不同半徑距離上的粗糙度不同,改變研具的半徑;

2)具有6個不同方向的排屑功能,可以防止因排屑不暢劃傷血泵內表面質量;

3)旋轉研磨,解決了血泵中心有凸起結構導致的研磨結構障礙。

由于研具的數量n應滿足n≥2,考慮到實際應用加工情況,研具的數量n不宜過多。當n=2時,無法形成梯次變化研磨去量;當n=3時,能夠形成最少梯次變化研磨去量。因此,選擇3種不同直徑的研具。

為了能夠在梯次變化去量時,去量能夠相對平衡,且考慮到殼體內端面的尺寸,需要選擇10mm～40mm之間的研具。可供選擇的方案有兩種:1)10mm、25mm、40mm（半徑等差方案);2)10mm、30mm、40mm（面積近等差方案)。其中,方案2面積近似等差,而研磨去量ΔV與研具接觸面積S成正比,方案2可以最大化保證梯次變化的研磨去量結果更均衡。因此,采用方案2來進行研具設計。

首先使用直徑為Φ10的研具進行研磨,再使用直徑為Φ30的研具進行研磨,最終使用直徑為Φ40的研具進行整體研磨,保證血泵上下兩部分內部表面的平面度和粗糙度。

4.2 研料的選擇

另一個影響血泵殼體內表面質量的重要因素是研料[8-12],研料的種類根據其硬度不同可以分為剛玉類研料、金剛石類研料和碳化硅類研料。如表2所示,剛玉類研料的硬度較低,而金剛石類研料的硬度最高,碳化硅類研料的硬度介于剛玉類和金剛石類之間;碳化硅類研料的機械強度高于剛玉,性脆而鋒利。根據工件材料的不同,也可選用復合型研料,復合型研料含有上述兩種或兩種以上研料,研磨性能更加全面。

表2 不同種類研料的硬度及機械強度Table 2 Hardness and mechanical strength of different types of grinding materials

研料粒度的選擇主要取決于對工件表面的加工精度和生產效率的要求,粗粒度及中等粒度的研料適用于粗加工和半精加工,而細研料則用于精加工和超精加工。研磨工件金屬的機械性能也是決定研料粒度的因素,硬度低、延展性好及韌性大的材料宜用粗粒度的研料,硬度高且脆的材料宜用細粒度的研料。

根據血泵殼體的基體材料,選用了三種不同粒度（m28～m10、 m7～m5、 m2～m1)的不同研料進行實驗,三種研料包括:Al2O3研料、金剛石研料和自制研料。其中,自制研料為Al2O3（含量百分比為90%)與Cr2O3（含量百分比為10%)的復合型研料。

4.3 計量

在血泵殼體研磨后精度計量時,采用Hommel T8000RC粗糙度/輪廓度測量儀設備。測量范圍:±400μm,測量精度2%,最小分辨率1nm,滿足測量精度要求。

5 實驗結果

實驗在恒溫廠房（20℃ ±1℃)條件下進行,如圖6所示,精密加工設備使用的是SCHAUBLIN CH-2735型號的車床,其主軸跳動為0.002mm,轉速為40m/s,已經完全能夠滿足血泵殼體平面度0.01mm的要求,故本文工藝不再考慮主軸跳動帶來的影響。

圖6 SCHAUBLIN CH-2735型車床Fig.6 Diagram of SCHAUBLIN CH-2735 turning lathe

通過使用 Al2O3（01#)、 金剛石（02#)和自制研料（03#),分別經過不同的研磨階段（粗研、半精研和精研),對零件表面粗糙度進行統計,表面粗糙度結果取自3組研磨結果的平均值。不同研料的具體粒度大小和研磨血泵殼體表面后的結果如表3所示。

表3 研料的選擇及研磨的結果Table 3 Selection of grinding materials and results of grinding

由表3可知,03#自制研料在粒度大小為m2～m1時,表面粗糙度可達到Ra0.08～Ra0.014,研磨質量最好。03#自制研料研磨效果比較好的原因是:Cr2O3具有較好的親水性,能夠在研料表面形成一層較薄的水膜,起到一定的潤滑作用,改善了零件表面的粗糙度。因此,選用03#自制研料進行血泵殼體內表面的研磨。

經過三級研料和梯次直徑研具研磨后的血泵殼體內表面效果如圖7所示,血泵組件效果如圖8所示,經過組裝后的血泵可直接移植到動物體內進行存活實驗。

圖7 血泵殼體內表面的研磨后效果Fig.7 Result of blood pump shell internal surface after grinding

圖8 血泵組件效果圖Fig.8 Diagram of blood pump assembly

實驗結果表明:通過自制研料以及研具的設計,在粗研、半精研和精研加工后,粗糙度達到了Ra0.08～Ra0.014,滿足血泵內表面粗糙度≤Ra0.04、平面度0.01mm以內的指標要求。在后期的活體實驗中,活體動物的生存時間達到了60天,充分證實了血泵殼體內表面的研磨質量較好,有效避免了血泵運轉過程中血紅細胞與血泵殼體內表面因磨損撞擊等失去活性。

6 結論

針對血泵殼體內表面研磨問題,本文進行了有限元模擬分析,根據徑向研磨去量差異結果,設計了梯次直徑研具,并對比了不同粒度的研料研磨結果,最終得到如下結論:1)使用梯次直徑研具進行血泵殼體內表面研磨可以有效抵消徑向研磨去量差異帶來的 “鼓肚”和研具中心摩擦力大于研具外徑的問題;2)采用三級研磨（粗研、半精研和精研)工藝,使用粒度分別為 m28～m10、m7～m5、m2～m1的自制研料,可以達到粗糙度Ra0.08～Ra0.014,滿足血泵殼體內表面粗糙度≤Ra0.04的要求。因此,梯次直徑研具的設計和自制研料的選取是能夠滿足血泵殼體內表面研磨質量要求的,此方法克服了一定的零件結構障礙和旋轉研磨自身帶來的研磨去量差異缺陷,值得借鑒推廣。