鈷鉻鉬合金磁流變拋光工藝研究

孫寶玉，于丙金，譚鴻強，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，袁德祿，谷巖

（長春工業大學 機電工程學院 長春 130012）

去除難加工材料鈷鉻鉬合金車削后形成的規則性螺旋刀痕并獲得超光滑表面。采用磁流變拋光方法，對車削后的鈷鉻鉬合金表面進行拋光加工。研究了磁體排布方式、加工間隙、拋光裝置、轉速和磨料粒徑等工藝參數對鈷鉻鉬合金表面形貌和表面粗糙度的影響規律，尋找獲得超光滑表面的工藝參數組合，并對拋光后的鈷鉻鉬合金表面使用表面輪廓儀進行測量。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程中結合力更強，增大了有效工作區域；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時得到優化的加工效果；表面粗糙度隨著拋光裝置轉速的增加（從400 r·min–1增大到1 000 r·min–1）先減小后增大，在600 r·min–1時得到優化的加工效果；相比于0.5、1.5、2.5 μm粒徑的金剛石磨料，使用2 μm的金剛石磨料進行拋光時表面粗糙度最小。當使用雙磁體異向排布，在工作間隙為2 mm、拋光裝置轉速為600 r·min–1、金剛石磨料粒徑為2 μm的工藝參數組合下對鈷鉻鉬合金采用磁流變拋光加工120 min時，其表面粗糙度從初始的640 nm 降低至5 nm。應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；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]，在生物醫學領域成為生產髖、膝關節假體的極佳選擇[2]，但作為植入人體內的外來物，不僅要安全可靠，物理和化學穩定性好，還必須具有良好的耐磨損和耐疲勞性能[3-4]。同時，植入物表面應光滑，表面粗糙度最大不超0.1 μm，以達到高的生物相容性，并能促進骨細胞的增殖和黏附[5-7]。

鈷鉻鉬合金可加工性差，很難達到所期望的精度要求[8]。傳統接觸式磨削、車削和銑削的加工方式在加工鈷鉻鉬合金時容易產生較大的殘余應力，而且刀具磨損嚴重，工件表面嚴重黏附，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提出的一種新型加工方法，避免了機械拋光容易造成機械損傷的缺點[10]。磁流變拋光可以根據材料去除函數實現數控控制，通過數控程序來控制材料去除和表面精度，并且幾乎不存在亞表面損傷[11]。許多研究人員[12-15]使用磁流變拋光方法對生物醫學材料進行拋光取得了很大的進展，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車削后的鈷鉻鉬合金表面進行柔性微量去除，研究磁體排布、加工間隙、拋光裝置轉速和磨料粒徑大小對鈷鉻鉬合金加工效果的影響規律，并且通過對鈷鉻鉬合金表面形貌測量來驗證該方法的有效性。

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，當施加外磁場后，磁流變拋光液體系的物理和化學性質也會發生改變，屈服強度和表觀黏度瞬間增加，而且這一過程是可逆的。相比于傳統拋光技術，磁流變拋光方法具有高精度、低損傷等優點[16]。

在磁流變加工過程中，加工間隙內的磁流變拋光液在未加磁場時，磁性羰基鐵顆粒與磨料隨機分散在拋光液中，此時磨料對工件無剪切作用。當施加磁場后，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]，伺服電機帶動主軸工作使拋光裝置旋轉，完成磁流變拋光簇對工件表面的拋光加工。磁流變液中磁性羰基鐵顆粒對非磁性物體施加磁懸浮力，使得大部分磨料向場強相對較弱的工作表面遷移。同時，磁性羰基鐵顆粒受到磁力的吸引，向磁場較強的方向移動，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對磁流變拋光簇的形狀和大小起著重要作用，進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源非常重要。研究表明[19-21]，在磁流變拋光時添加輔助磁體能夠在拋光區域形成磁通路，提高拋光效率，獲得更好的工件表面質量。為了研究不同磁體排布與磁流變拋光簇之間的關系，選擇直徑10 mm、高度20 mm的柱狀N42永磁體作為磁場源，從磁體上端面每間隔1 mm取一個平面，共4個平面，模擬拋光過程中磁體表面與工件表面的加工間隙，使用COMSOL有限元軟件對單磁體、雙磁體同向和雙磁體異向等3種排布方式進行磁場仿真，如圖2所示。

提取3種類型磁體排布在不同加工間隙內產生的磁通密度曲線，量化磁體排布方式對加工間隙內磁通密度的影響，磁體排布仿真結果如圖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散，在施加磁場后形成了“放射狀”拋光簇。在磁流變加工過程中，“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域內，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域集中，當施加磁場后，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，在拋光過程中結合力更強。同時仿真結果表明，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。

依據仿真結果，在雙磁體異向排布中磁體相切位置加工最理想，使用特斯拉計測量4個加工間隙下磁體相切位置的磁通密度，結果對比見圖4。從圖4可以看出，實測結果與仿真結果相差不大，具有一定的可信度。因此，綜合考慮磁感線分布狀態與磁場密度分布，拋光裝置采用雙磁體異向排布對工件表面進行加工。

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 磁通密度實測與仿真結果對比

3 鈷鉻鉬合金磁流變拋光工藝實驗

3.1 磁流變拋光實驗裝置

鈷鉻鉬合金磁流變實驗裝置如圖5a所示，包括3個主要單元，第一單元為計算機控制的三軸聯動數控機床，用于實現高精度控制；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中心2 mm的2塊磁體放置于鋁制外殼內，拋光裝置通過卡簧與三軸聯動數控機床軸固定，從而實現軸直線運動及旋轉運動；第三單元為工件夾具，工件夾具下端與三軸聯動數控機床軸軸固定。基于工件的形狀，設計工件夾具，考慮到運動軸的負載，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，使用螺釘預緊。在拋光過程中，控制機床軸軸調整工件中心點與拋光裝置磁體相切位置對齊，然后利用軸調整加工間隙，如圖5b所示。

為了防止加工過程中出現“過拋”和“漏拋”現象，在等間距柵格軌跡的基礎上，將所有軌跡點進行“偽隨機化”處理，即通過調節軌跡點在軸軸隨機變化的最大幅值范圍，將軌跡點坐標加、減一個幅值而隨機生成新的坐標值，這樣，使得每一個軌跡點都具有隨機性，從而達到拋光裝置在工件表面均勻、隨機覆蓋，柵格路徑和偽隨機柵格路徑如圖6所示。最后，控制主軸帶動拋光裝置旋轉，拋光簇與鈷鉻鉬合金表面接觸產生相對運動，進給速度為6 mm/min。

3.2 磁流變拋光工藝實驗條件及參數選取

為了提高鈷鉻鉬合金表面質量和加工效率，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。為了進一步提高鈷鉻鉬合金表面質量，去除車削后形成的規則性螺旋刀痕，采用磁流變加工方法，對單面車削后的鈷鉻鉬合金表面進行拋光。

在磁流變拋光過程中，拋光裝置轉速、加工間隙及金剛石磨料粒徑大小等因素對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，尋求優化的工藝參數組合，采用單因素實驗法對這3組參數展開分析，使用表面粗糙度評價拋光效果，探究工藝范圍。為了減少時間成本，對鈷鉻鉬合金僅拋光120 min。實驗參數及條件見表1。磁流變拋光液的成分為去離子水（體積分數為50%）、粒徑為2 μm磁性羰基鐵顆粒（體積分數40%）、金剛石磨料（體積分數1.4%）和添加劑（體積分數8.6%）。拋光前為了防止磁流變拋光液因沉降等因素失效，使用乳化裝置對其進行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）對工件上隨機3個點的表面粗糙度進行測量，取平均粗糙度作為評價指標。

圖5 鈷鉻鉬合金拋光裝置

圖6 路徑規劃

圖7 鈷鉻鉬合金初始表面形貌與成像效果

表1 實驗參數及條件

Tab.1 Experimental parameters and conditions

4 實驗結果與討論

4.1 加工間隙變化對加工質量的影響

在磁流變拋光鈷鉻鉬合金過程中，通過數控機床軸來調節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強度的重要因素，加工間隙過大或過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量。控制拋光裝置轉速為800 r·min–1，金剛石磨料粒徑選擇1.5 μm，拋光時間為120 min，以加工間隙作為變量，實驗結果如圖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時達到最小值為15 nm。

圖8 不同加工間隙對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，鈷鉻鉬合金在經過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。當加工間隙為1 mm時，車削形成的規則性螺旋刀痕已經完全被去除，但是表面存在較深的劃痕（見圖9a），這是由于間隙過低時，待加工表面磁場強度高，磁性羰基鐵顆粒之間的結合能力增強，拋光簇中磨粒壓入鈷鉻鉬合金表面深度加深。同時，間隙過低導致拋光簇中的金剛石磨料顆粒被擠壓出工作區域，影響了去除效果，因此，鈷鉻鉬合金表面粗糙度變高；當加工間隙為3 mm或4 mm時，表面加工質量較差，鈷鉻鉬合金表面存在大量凹坑，車削后規則性螺旋刀痕并未完全去除，但表面幾乎沒有劃痕的出現（見圖9c—d），這是由于加工間隙過大磁場強度低，磁性羰基鐵顆粒鏈對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度，對鈷鉻鉬合金表面的去除能力減弱；當加工間隙為2 mm時，表面質量最好，鈷鉻鉬合金表面平坦光滑，劃痕較少（見圖9b）。

4.2 拋光裝置轉速變化對加工質量的影響

基于Preston方程可知，鈷鉻鉬合金與拋光簇的相對速度影響拋光效果，在進行單點對磨實驗中，拋光裝置轉速是鈷鉻鉬合金與拋光簇形成相對速度的唯一因素。因此，有必要研究不同拋光裝置轉速對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、拋光時間為120 min的工藝參數下，控制拋光裝置的不同旋轉速度，拋光后鈷鉻鉬合金表面實驗結果如圖10所示。由圖10可以看出，在轉速為600 r·min–1時表面質量最好，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 不同拋光裝置轉速對鈷鉻鉬合金表面的影響

圖11為不同拋光裝置轉速下拋光鈷鉻鉬合金的表面形貌圖。當拋光裝置轉速為400 r·min–1時，鈷鉻鉬合金表面存在大量規則性螺旋刀痕，這是因為當拋光裝置轉速較小時，相同時間內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，當拋光裝置轉速逐漸升高時，工件與金剛石磨料的接觸率變高，金剛石磨料對于鈷鉻鉬合金表面的去除能力大大提高。因此，當拋光裝置轉速為600 r·min–1時，螺旋刀痕被完全去除，表面光滑僅存在少量劃痕。但是，當轉速高于600 r·min–1時，表面粗糙度沒有下降，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速度持續增大后，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域，磁流變拋光過程中工作區域內有效磨料減少，螺旋刀痕不能完全去除，鈷鉻鉬合金表面變差。

4.3 磨料粒徑變化對加工質量的影響

在磁流變拋光液中，磨料粒徑對磁鏈串的連續性有重要影響，不同粒徑的磨料會產生不同的去除效率[24]。在加工間隙為2 mm、拋光裝置轉速為600 r·min–1、拋光時間120 min的工藝參數下，選擇金剛石磨料粒徑分別為0.5、1.5、2、2.5 μm對鈷鉻鉬合金表面進行拋光實驗，結果如圖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量最好，表面粗糙度為18 nm。

圖11 不同拋光裝置轉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（見圖13c）。當金剛石磨料粒徑小于2 μm時，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，當金剛石磨料粒徑大于2 μm時，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性，是由于在磁場的作用下，磁性羰基鐵顆粒之間會生成磁相互作用力，影響不同的磁鏈結構。磁相互作用力計算公式為式（1）。

式中：為磁性羰基鐵顆粒的直徑；為飽和磁化強度；為兩個磁性羰基鐵顆粒的中心距離；μ為真空磁導率；C為常數。

磨料粒徑的大小影響了磁性羰基鐵顆粒的中心距離，依據式（1）可知，當磨料粒徑過小時，兩個羰基鐵顆粒的距離小，磁相互作用力大，“夾持”力度變強，但在相同體積分數下，磨料粒徑越小數量越多，導致磁性羰基鐵顆粒在夾持住金剛石磨料后，仍有連續不斷的金剛石磨料進入磁性羰基鐵顆粒鏈，此時鏈結構不斷被破壞，導致去除能力弱，直接影響鈷鉻鉬合金表面的加工效果。當金剛石磨料粒徑過大時，兩個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 優化工藝參數組合拋光實驗

綜合各工藝參數實驗結果，得到鈷鉻鉬合金磁流變拋光的優化工藝參數組合，即加工間隙為2 mm、拋光裝置轉為600 r·min–1、金剛石磨料粒為2 μm。在這組優化工藝參數下，對車削后的工件進行拋光加工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，達到了鏡面效果。

圖14 最佳工藝參數下鈷鉻鉬合金表面形貌與效果

6 結論

采用磁流變拋光方法對車削后的鈷鉻鉬合金表面進行拋光，探討了磁體排布方式、加工間隙、拋光裝置轉速和磨料粒徑等加工參數對鈷鉻鉬合金表面形貌和表面質量的影響規律，通過車削后螺旋刀痕的去除效果及表面粗糙度驗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，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程中結合力更強。

2）調節加工間隙會改變鈷鉻鉬合金待加工表面的磁場強度，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，鈷鉻鉬合金表面的表面粗糙度達到最低。

3）拋光裝置轉速直接控制了鈷鉻鉬合金與金剛石磨料之間的相對速度，進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速的增大呈現先減小后增大的趨勢，在拋光裝置轉速為 600 r·min–1時，表面粗糙度最低。

4）在磁流變拋光液中，磨料粒徑對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，進而影響加工效果。在金剛石磨料粒徑為2 μm 時，表面粗糙度最小。

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

由此可見，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。

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Magnetorheological Finishing Process of CoCrMo Alloy

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(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

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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，主要研究方向為精密機構微驅動技術。

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

谷巖（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向為微納制造與數控裝備。

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, 等.鈷鉻鉬合金磁流變拋光工藝研究[J]. 表面技術, 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.

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