不銹鋼振動(dòng)輔助力流變拋光

邵 琦，邵藍(lán)櫻，郁 煒，王金虎，趙 萍，呂冰海，袁巨龍

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 超精密加工研究中心，杭州 310014；2.衢州學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，浙江 衢州 324000)

不銹鋼材料具備優(yōu)良的特性，已應(yīng)用于心血管支架、人工關(guān)節(jié)和心臟瓣膜等[1]，并且高質(zhì)量不銹鋼表面有利于提高其生物相容性與器件使用性能，因此高表面質(zhì)量已然成為其產(chǎn)品加工的要求之一，高效、高表面質(zhì)量的不銹鋼表面拋光方法顯得尤為重要[2]。

傳統(tǒng)的拋光方法，如：機(jī)械拋光(mechanical polishing, MP)、化學(xué)拋光(chemical polishing, CP)、化學(xué)機(jī)械拋光(chemical mechanical polishing, CMP)、電解拋光(electrolytic polishing, EP)、電化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光(electrochemical mechanical polishing, ECMP)等已成功應(yīng)用于不銹鋼表面拋光[3-6]。然而，MP和CP加工難以滿(mǎn)足低粗糙度的表面質(zhì)量，且加工后損傷層深。CMP能兼顧不銹鋼表面平整度與粗糙度，獲得超光滑無(wú)損傷表面，但加工過(guò)程對(duì)大顆粒磨粒敏感度高，且所用的化學(xué)拋光液與環(huán)境親和度低。EP和ECMP需要復(fù)雜的加工裝置，且電流擾動(dòng)對(duì)加工過(guò)程影響大。

為進(jìn)一步提高拋光質(zhì)量及效率，本課題組提出了剪切增稠拋光(shear-thickening polishing, STP)[7-8]。STP是一種基于非牛頓流體拋光液的剪切增稠特性的拋光方法，已在不同合金表面取得了較好應(yīng)用[9-12]。近年來(lái)，針對(duì)更加復(fù)雜的超精密拋光需求，課題組在STP的基礎(chǔ)上提出了力流變拋光(shear rheological polishing，SRP)[13]。SRP利用了非牛頓流體拋光液在剪切應(yīng)力作用下的非線(xiàn)性流變特性，能實(shí)現(xiàn)曲面工件表面的高效、高表面質(zhì)量柔性?huà)伖鈁14-15]。但SRP過(guò)程中剪切增稠的效果對(duì)拋光液運(yùn)動(dòng)速度依賴(lài)性大，過(guò)高的拋光液速度所形成的離心效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致拋光液分布不均、速度過(guò)低，無(wú)法形成有效剪切增稠效應(yīng)，且其流變過(guò)程不易控制，進(jìn)而難以進(jìn)一步提高拋光效率與工件表面質(zhì)量。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文進(jìn)一步優(yōu)化SRP方法，提出振動(dòng)輔助力流變拋光方法(vibration-assisted force rheological polishing, VFRP)。VFRP通過(guò)振動(dòng)輔助作用主動(dòng)控制拋光液的流變效應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拋光液黏度調(diào)控，在保證增稠強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，能有效降低力流變拋光過(guò)程中剪切增稠程度對(duì)拋光液速度的依賴(lài)。本研究對(duì)不銹鋼材料VFRP去除過(guò)程進(jìn)行分析，采用田口法分析拋光速度、振動(dòng)頻率和振幅3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)不銹鋼拋光效率和表面粗糙度的影響，并確定優(yōu)化工藝。

1 不銹鋼振動(dòng)輔助力流變拋光原理

1.1 振動(dòng)輔助力流變拋光原理

不銹鋼表面振動(dòng)輔助力流變加工原理見(jiàn)圖1。拋光液以非牛頓冪律流體作為基液，添加磨?；蛘呶⒎叟渲频玫健伖庖涸谶_(dá)到臨界剪切速率時(shí)會(huì)發(fā)生流固轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，即剪切增稠現(xiàn)象。在振動(dòng)輔助作用下，加工區(qū)域的拋光液受振動(dòng)作用，拋光液中粒子間發(fā)生相對(duì)相位差，形成一定的剪切速率，使得拋光區(qū)域拋光液產(chǎn)生流變效應(yīng)。固相顆粒間相互作用力增強(qiáng)，拋光液黏度上升，增強(qiáng)了對(duì)磨粒的把持力。拋光液具有較好的流動(dòng)特性，能夠形成緊密貼合不同曲率復(fù)雜曲面的“柔性固著磨具”，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的高效、高質(zhì)量拋光。在振動(dòng)輔助力流變拋光中，通過(guò)調(diào)節(jié)振幅、振動(dòng)頻率主動(dòng)控制拋光液的流變效應(yīng)強(qiáng)度。

圖1 振動(dòng)輔助力流變拋光示意

1.2 振動(dòng)輔助力流變拋光微觀去除過(guò)程

振動(dòng)輔助力流變拋光過(guò)程中，主要通過(guò)振動(dòng)輔助作用控制施加于拋光液的剪切速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拋光液黏度調(diào)控，提高加工過(guò)程中拋光液黏度以及對(duì)工件的剪切力，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面微凸峰的去除。去除示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 工件表面微凸峰去除示意

所施加的振動(dòng)頻率為0～120 Hz，振動(dòng)過(guò)程中不會(huì)形成超聲波振動(dòng)的空化效應(yīng)[16]，因此振動(dòng)作用帶動(dòng)磨粒形成的沖擊去除作用也微乎其微。拋光液與工件未發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磨粒與固相粒子均勻分散在拋光液中，工件表面不受剪切力作用，見(jiàn)圖2(a)。當(dāng)拋光液和工件形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，拋光液的慣性力和流場(chǎng)阻力對(duì)工件表面形成法向壓力Fn，拋光液受到流場(chǎng)阻力而產(chǎn)生剪切作用并形成粒子簇，對(duì)磨粒具備包裹和把持作用，并對(duì)工件表面形成剪切力Fs，見(jiàn)圖2(b)。隨著拋光液和工件加工表面保持著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在壓力與剪切力的協(xié)同作用下，通過(guò)粒子簇把持磨粒去除工件表面微凸峰，見(jiàn)圖2(c)，拋光過(guò)程中對(duì)工件表面的持續(xù)壓力和剪切力將保證加工過(guò)程材料的有效去除。當(dāng)撤去振動(dòng)作用以及拋光池轉(zhuǎn)速，粒子簇將瞬間解體，磨粒與固相粒子重新均勻分散于拋光液中，見(jiàn)圖2(d)。

2 工藝優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過(guò)程及條件

以一定比例均勻混合多羥基聚合物、磨粒、去離子水和添加劑得到VFRP拋光液。通過(guò)應(yīng)力控制流變儀(MCR 302, Anton Paar, Austria)測(cè)量其流變特性，使用直徑為25 mm、錐角為2°的錐板，測(cè)量間隙為0.103 mm，使用Peltier加熱夾套將測(cè)量溫度控制在25 ℃，重復(fù)測(cè)量3次以減小誤差。磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的VFRP拋光液流變曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，其黏度隨剪切速率變化呈現(xiàn)3個(gè)階段：低剪切速率下，拋光液黏度隨著剪切速率的增大而減小，即剪切稀化現(xiàn)象；當(dāng)剪切速率超過(guò)臨界值時(shí)，拋光液黏度急劇增大，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的剪切增稠現(xiàn)象；當(dāng)剪切速率進(jìn)一步增大時(shí)，拋光液又表現(xiàn)出剪切稀化現(xiàn)象[17]。

圖3 拋光液的流變曲線(xiàn)

拋光示意圖見(jiàn)圖4(a)，振動(dòng)輔助力流變拋光試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖4(b)。工件通過(guò)夾具固定在自轉(zhuǎn)軸上，拋光池帶動(dòng)拋光液與工件形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)。音圈電機(jī)通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)固定在自轉(zhuǎn)主軸上，拋光過(guò)程中對(duì)工件施加一定頻率、振幅的軸向振動(dòng)，一方面可使得工件與拋光液發(fā)生有效的相對(duì)位移；另一方面，拋光液受振動(dòng)后產(chǎn)生流變效應(yīng)，黏度急劇升高并增大對(duì)磨粒的把持力。工件平面與水平方向的傾角θ與流變儀轉(zhuǎn)子錐角相同，設(shè)置為2°。為便于觀測(cè)試驗(yàn)的加工結(jié)果，采用316不銹鋼薄片作為加工對(duì)象，工件直徑為25 mm。

(a)VFRP拋光示意

(b) 試驗(yàn)設(shè)備

VFRP試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。觀測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖5，觀測(cè)間隔為5 min。拋光前后工件質(zhì)量由精密天平(MSA225S-CE)測(cè)量，其精度為0.01 mg，重復(fù)測(cè)量3次并取平均值。不同位置的表面粗糙度由白光干涉儀(Super View W1)測(cè)量，其采樣區(qū)域大小為0.5 mm×0.5 mm，測(cè)量結(jié)果取平均值。

表1 VFRP拋光試驗(yàn)條件

圖5 316不銹鋼表面觀測(cè)點(diǎn)示意

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先，在拋光池轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，振幅為0.25 mm，振動(dòng)頻率分別為60、90和120 Hz下進(jìn)行拋光試驗(yàn)，觀測(cè)加工前后工件表面形貌，分析不銹鋼VFRP去除過(guò)程。其次，為獲得最佳拋光工藝參數(shù)組合，并合理減少試驗(yàn)次數(shù)，以正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，采用田口法分析拋光速度、振幅、振動(dòng)頻率對(duì)VFRP加工的影響[18]。提高拋光速度可有效提高拋光效率，但拋光速度過(guò)高所形成的離心效應(yīng)會(huì)使加工后表面質(zhì)量差，因此拋光池轉(zhuǎn)速選取20、30、40、50 r·min-1。振動(dòng)輔助的頻率及振幅影響拋光液剪切增稠作用，振動(dòng)輔助的頻率及振幅過(guò)小不能使得加工區(qū)域拋光液形成強(qiáng)烈的增稠作用，但是過(guò)高又會(huì)導(dǎo)致拋光液對(duì)工件表面的黏滯力過(guò)大而造成劃痕。因此振幅選取0.25、0.35、0.45、0.55 mm，振動(dòng)頻率選取60、80、100、120 Hz。3因素4水平的L16(34)正交試驗(yàn)見(jiàn)表2。以工件材料去除率及表面粗糙度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比不同因素水平下的平均響應(yīng)得出較優(yōu)拋光參數(shù)。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3 信噪比分析

材料去除與表面粗糙度結(jié)果采用信噪比(RSN)來(lái)評(píng)估，RSN為輸出特征的期望值與不期望值的比值。RSN分析中包括望小特性、望目特性和望大特性[19]。加工過(guò)程中要求低表面粗糙度和高材料去除率，因此表面粗糙度為望小特性，其RSN值通過(guò)式(1)計(jì)算，材料去除率為望大特性，其RSN值通過(guò)式(2)計(jì)算[20]。

(1)

(2)

式中：r=5為工件表面觀測(cè)點(diǎn)數(shù)，i為重復(fù)測(cè)量次數(shù)，u=3為試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)。材料去除率(HMRR)計(jì)算式見(jiàn)式(3)：

HMRR=107Δm/(ρSt)

(3)

式中：Δm為拋光前后質(zhì)量差，g；ρ為工件密度，g/cm3；S為工件面積，cm2；t為觀測(cè)時(shí)間，min。

3 結(jié)果與討論

3.1 不銹鋼材料去除過(guò)程

塑性材料如低碳鋼、銅、鋁等能產(chǎn)生較大的塑性變形，在外力作用下，雖然材料產(chǎn)生較顯著變形但不被破壞。VFRP對(duì)塑性材料的加工過(guò)程中，受振動(dòng)拋光液中固相粒子包裹磨粒形成粒子簇，對(duì)材料的去除過(guò)程主要?dú)w納為滑擦和耕犁，以及磨粒的微切削作用，其微觀原理見(jiàn)圖6。當(dāng)磨粒接觸工件表面時(shí)，磨粒的切削刃對(duì)工件表面施加法向壓力使其發(fā)生彈性形變，拋光液與加工表面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，磨粒受剪切力作用與工件表面形成滑移摩擦。隨著法向壓力的增大，當(dāng)磨粒切削刃對(duì)工件接觸區(qū)域的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服應(yīng)力時(shí)，將產(chǎn)生耕犁現(xiàn)象，工件表面材料形成塑性變形而隆起。隨著磨粒繼續(xù)壓入工件表面并滑動(dòng)，磨粒切削刃將推動(dòng)工件材料脫離工件表面，形成微小的切削作用，磨粒壓入工件表面的深度必須超過(guò)臨界切削深δcrit才能實(shí)現(xiàn)材料的去除[21]。

圖6 塑性材料去除過(guò)程示意

在不同振動(dòng)頻率下對(duì)光滑不銹鋼片表面進(jìn)行拋光，初始表面粗糙度Sa為8.5 nm。使用超景深顯微鏡(VHX-7000)和白光干涉儀(Super View W1)觀測(cè)加工前后工件表面形貌。加工10 min后工件表面形貌見(jiàn)圖7。

工件初始表面為光滑表面，僅有幾處凹坑見(jiàn)圖7(a)。在60、90 Hz下拋光后，表面凹坑數(shù)量減少，見(jiàn)圖7(b)、7(c)，且未對(duì)表面造成新的缺陷。在120 Hz頻率下拋光后，磨粒對(duì)工件表面形成滑擦痕跡，見(jiàn)圖7(d)。拋光液對(duì)工件表面的黏滯力表達(dá)式見(jiàn)式(4)[22]。當(dāng)振動(dòng)頻率為60、90 Hz時(shí)，拋光液受振動(dòng)形成的剪切速率小，拋光池帶動(dòng)拋光液對(duì)工件表面形成的黏滯力小。當(dāng)振動(dòng)頻率為120 Hz時(shí)，受振動(dòng)拋光液對(duì)工件表面形成的流體動(dòng)壓及黏滯力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，磨粒壓入工件表面并在剪切力及拋光速度的作用下耕犁工件表面；隨著磨粒的動(dòng)能降低無(wú)法繼續(xù)材料去除作用時(shí)，拋光液帶動(dòng)粒子簇翻轉(zhuǎn)繼而離開(kāi)工件表面，在工件表面形成凹坑見(jiàn)圖7(d)。形成的滑擦痕跡的截面見(jiàn)圖8，驗(yàn)證了VFRP加工過(guò)程中不銹鋼材料的塑性去除過(guò)程，并為加工參數(shù)優(yōu)化提供借鑒。

(a) 拋光前

(b) 振動(dòng)頻率60 Hz

(c) 振動(dòng)頻率90 Hz

(d) 振動(dòng)頻率120 Hz

圖8 滑擦痕跡截面

(4)

式中：F為黏滯力，η為黏度，s為接觸面積，dv/dx為速度梯度。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)的材料去除率、表面粗糙度及其RSN值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。不同因素水平下材料去除率及表面粗糙度的RSN值見(jiàn)圖9。

3.3 拋光速度的影響

由圖9(a)可知，材料去除率的RSN值隨著拋光速度的增加而增大，這表明拋光池轉(zhuǎn)速越高，工件材料去除率隨之增大，拋光速度的提高將直接提升加工效率。此外隨著剪切速率的提高，加工區(qū)域拋光液黏度升高，對(duì)磨粒的把持力提高，因而更有效地進(jìn)行工件材料的去除。

表3 表面粗糙度和材料去除率的RSN值

(a) 材料去除率

(b) 表面粗糙度

隨著拋光速度的提高，工件表面粗糙度RSN值先增大后減小，當(dāng)拋光速度為40 r·min-1時(shí)，RSN值達(dá)到最大值為-23.38。隨著拋光速度的提高，拋光液受離心運(yùn)動(dòng)向拋光池壁上堆積，見(jiàn)圖10。在相同體積拋光液的情況下，拋光液不能完整包裹工件表面，導(dǎo)致不銹鋼平面工件外沿材料去除率大，而中心區(qū)域拋光效果差，使得工件薄片中心粗糙度大，外沿粗糙度小。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下拋光液離心運(yùn)動(dòng)示意

3.4 振動(dòng)頻率的影響

由圖9(a)可知，隨著振動(dòng)頻率增大，工件材料去除率的RSN值先增大后減小，當(dāng)振動(dòng)頻率為80 Hz時(shí)，材料去除率RSN值達(dá)到峰值34.72。增大振動(dòng)頻率可提高加工區(qū)域拋光液的剪切速率，進(jìn)而提高加工區(qū)域拋光液黏度以及拋光液對(duì)工件的剪切力和壓力，在一定程度上提高材料去除率。但是隨著振動(dòng)頻率進(jìn)一步提高，工件材料去除率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)施加于拋光液的振動(dòng)頻率達(dá)到120 Hz時(shí)，拋光液形成“柔性固著模具”且黏度較高，無(wú)法響應(yīng)工件的高頻往復(fù)振動(dòng)，與工件表面形成間隙，導(dǎo)致拋光效率降低。

3.5 振幅的影響

隨著振幅的增大，材料去除率RSN值先增大后減小，當(dāng)振幅為0.35 mm時(shí)，材料去除率RSN值達(dá)到最大34.84。增大振幅可提高加工區(qū)域拋光液的剪切速率，進(jìn)而提高拋光液黏度以及對(duì)工件的剪切力。當(dāng)振幅過(guò)大時(shí)，施加于加工區(qū)域拋光液剪切速率越大，加工區(qū)域拋光液黏度升高形成固著磨具，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中拋光液不能很好貼合工件表面，形成加工空隙導(dǎo)致材料去除率降低。

3.6 方差分析

為評(píng)估不同拋光參數(shù)對(duì)材料去除率和工件表面粗糙度的影響程度，參考文獻(xiàn)[16]的方法利用方差分析(ANOVA)進(jìn)行研究。拋光速度、振幅和振動(dòng)頻率對(duì)材料去除率和表面粗糙度Sa的影響程度見(jiàn)圖11。拋光速度(70.99%)對(duì)材料去除率影響最大，振幅(15.09%)次之，振動(dòng)頻率(13.92%)最小。對(duì)于表面粗糙度而言，拋光速度(80.67%)對(duì)材料去除率影響最大，振動(dòng)頻率(14%)次之，振幅影響最小(5.33%)。

(a)材料去除率

(b) 表面粗糙度

3.7 VFRP優(yōu)化條件加工試驗(yàn)

根據(jù)上述加工參數(shù)對(duì)材料去除率和表面粗糙度的影響分析，在較優(yōu)的表面粗糙度前提下能保持較高材料去除率的工藝參數(shù)組合為拋光轉(zhuǎn)速40 r·min-1、振幅0.35 mm、振動(dòng)頻率80 Hz。

基于上述優(yōu)化后的加工參數(shù)，對(duì)316不銹鋼進(jìn)行拋光試驗(yàn)，工件表面粗糙度Sa及表面形貌隨拋光時(shí)間的變化見(jiàn)圖12。

圖12 表面粗糙度隨拋光時(shí)間變化曲線(xiàn)

在優(yōu)化后加工條件下拋光30 min后，工件表面粗糙度Sa從(80±10) nm快速降低至(7.1±0.9) nm。拋光前后工件表面微觀3D形貌見(jiàn)圖13，表面宏觀形貌見(jiàn)圖14。被加工表面的劃痕被去除，粗糙表面被拋光成光滑表面且具有鏡面效果，材料去除率最高達(dá)到68 nm·min-1。

(a)拋光前

(b) 拋光后

圖14 拋光前后不銹鋼工件表面

4 結(jié) 論

對(duì)不銹鋼VFRP加工去除過(guò)程進(jìn)行了分析，并基于田口法的不銹鋼工件加工工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以材料去除率與表面粗糙度Sa為評(píng)價(jià)目標(biāo)，得出VFRP優(yōu)化工藝參數(shù)，研究結(jié)論如下：

1)VFRP加工不銹鋼過(guò)程中，受振動(dòng)拋光液中粒子間發(fā)生相對(duì)相位差并形成一定的剪切速率，使拋光液產(chǎn)生流變效應(yīng)并把持游離磨粒，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用下對(duì)工件表面施加壓力及剪切力。對(duì)不銹鋼材料的去除過(guò)程主要為滑擦和耕犁，以及磨粒的微切削作用。振動(dòng)頻率為60、90 Hz時(shí)，拋光液對(duì)工件表面形成的黏滯力小，加工后工件表面質(zhì)量進(jìn)一步提高；當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到120 Hz時(shí)，拋光液對(duì)工件表面黏滯力過(guò)大而造成滑擦痕跡。

2)探討了基于田口法的316不銹鋼工件加工工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲取優(yōu)化的VFRP加工工藝參數(shù)。拋光速度對(duì)材料去除率影響最大，振幅次之，振動(dòng)頻率最小。拋光速度對(duì)表面粗糙度影響最大，振動(dòng)頻率次之，振幅最小。以?xún)?yōu)化的工藝參數(shù)拋光30 min后，316不銹鋼表面粗糙度Sa由(80±10) nm快速下降到(7.1±0.9) nm，其材料去除率達(dá)到68 nm·min-1。工件表面的劃痕被去除，粗糙形面被拋光成光滑表面且具有鏡面效果。