邵 琦，邵藍櫻，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：機械拋光(mechanical polishing, MP)、化學(xué)拋光(chemical polishing, CP)、化學(xué)機械拋光(chemical mechanical polishing, CMP)、電解拋光(electrolytic polishing, EP)、電化學(xué)機械復(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，獲得超光滑無損傷表面，但加工過程對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，且電流擾動對加工過程影響大。

為進一步提高拋光質(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，針對更加復(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)力作用下的非線性流變特性，能實現(xiàn)曲面工件表面的高效、高表面質(zhì)量柔性拋光[14-15]。但SRP過程中剪切增稠的效果對拋光液運動速度依賴性大，過高的拋光液速度所形成的離心效應(yīng)會導(dǎo)致拋光液分布不均、速度過低，無法形成有效剪切增稠效應(yīng)，且其流變過程不易控制，進而難以進一步提高拋光效率與工件表面質(zhì)量。

針對上述問題，本文進一步優(yōu)化SRP方法，提出振動輔助力流變拋光方法(vibration-assisted force rheological polishing, VFRP)。VFRP通過振動輔助作用主動控制拋光液的流變效應(yīng)強度，進而實現(xiàn)拋光液黏度調(diào)控，在保證增稠強度的基礎(chǔ)上，能有效降低力流變拋光過程中剪切增稠程度對拋光液速度的依賴。本研究對不銹鋼材料VFRP去除過程進行分析，采用田口法分析拋光速度、振動頻率和振幅3個關(guān)鍵參數(shù)對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 不銹鋼振動輔助力流變拋光原理

1.1 振動輔助力流變拋光原理

不銹鋼表面振動輔助力流變加工原理見圖1。拋光液以非牛頓冪律流體作為基液，添加磨粒或者微粉配制得到。拋光液在達到臨界剪切速率時會發(fā)生流固轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，即剪切增稠現(xiàn)象。在振動輔助作用下，加工區(qū)域的拋光液受振動作用，拋光液中粒子間發(fā)生相對相位差，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，拋光液黏度上升，增強了對磨粒的把持力。拋光液具有較好的流動特性，能夠形成緊密貼合不同曲率復(fù)雜曲面的“柔性固著磨具”，實現(xiàn)復(fù)雜曲面的高效、高質(zhì)量拋光。在振動輔助力流變拋光中，通過調(diào)節(jié)振幅、振動頻率主動控制拋光液的流變效應(yīng)強度。

圖1 振動輔助力流變拋光示意

1.2 振動輔助力流變拋光微觀去除過程

振動輔助力流變拋光過程中，主要通過振動輔助作用控制施加于拋光液的剪切速率，進而實現(xiàn)拋光液黏度調(diào)控，提高加工過程中拋光液黏度以及對工件的剪切力，實現(xiàn)對工件表面微凸峰的去除。去除示意圖見圖2。

圖2 工件表面微凸峰去除示意

所施加的振動頻率為0～120 Hz，振動過程中不會形成超聲波振動的空化效應(yīng)[16]，因此振動作用帶動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)生相對運動時，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，見圖2(a)。當拋光液和工件形成相對運動，拋光液的慣性力和流場阻力對工件表面形成法向壓力Fn，拋光液受到流場阻力而產(chǎn)生剪切作用并形成粒子簇，對磨粒具備包裹和把持作用，并對工件表面形成剪切力Fs，見圖2(b)。隨著拋光液和工件加工表面保持著相對運動，在壓力與剪切力的協(xié)同作用下，通過粒子簇把持磨粒去除工件表面微凸峰，見圖2(c)，拋光過程中對工件表面的持續(xù)壓力和剪切力將保證加工過程材料的有效去除。當撤去振動作用以及拋光池轉(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，見圖2(d)。

2 工藝優(yōu)化試驗

2.1 試驗過程及條件

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。通過應(yīng)力控制流變儀(MCR 302, Anton Paar, Austria)測量其流變特性，使用直徑為25 mm、錐角為2°的錐板，測量間隙為0.103 mm，使用Peltier加熱夾套將測量溫度控制在25 ℃，重復(fù)測量3次以減小誤差。磨粒質(zhì)量分數(shù)為12%的VFRP拋光液流變曲線見圖3，其黏度隨剪切速率變化呈現(xiàn)3個階段：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；當剪切速率超過臨界值時，拋光液黏度急劇增大，呈現(xiàn)強烈的剪切增稠現(xiàn)象；當剪切速率進一步增大時，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

拋光示意圖見圖4(a)，振動輔助力流變拋光試驗平臺見圖4(b)。工件通過夾具固定在自轉(zhuǎn)軸上，拋光池帶動拋光液與工件形成相對運動。音圈電機通過導(dǎo)電滑環(huán)固定在自轉(zhuǎn)主軸上，拋光過程中對工件施加一定頻率、振幅的軸向振動，一方面可使得工件與拋光液發(fā)生有效的相對位移；另一方面，拋光液受振動后產(chǎn)生流變效應(yīng)，黏度急劇升高并增大對磨粒的把持力。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°。為便于觀測試驗的加工結(jié)果，采用316不銹鋼薄片作為加工對象，工件直徑為25 mm。

(a)VFRP拋光示意

(b) 試驗設(shè)備

VFRP試驗條件見表1。觀測點位置見圖5，觀測間隔為5 min。拋光前后工件質(zhì)量由精密天平(MSA225S-CE)測量，其精度為0.01 mg，重復(fù)測量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)測量，其采樣區(qū)域大小為0.5 mm×0.5 mm，測量結(jié)果取平均值。

表1 VFRP拋光試驗條件

圖5 316不銹鋼表面觀測點示意

2.2 試驗設(shè)計

首先，在拋光池轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，振幅為0.25 mm，振動頻率分別為60、90和120 Hz下進行拋光試驗，觀測加工前后工件表面形貌，分析不銹鋼VFRP去除過程。其次，為獲得最佳拋光工藝參數(shù)組合，并合理減少試驗次數(shù)，以正交表設(shè)計試驗，采用田口法分析拋光速度、振幅、振動頻率對VFRP加工的影響[18]。提高拋光速度可有效提高拋光效率，但拋光速度過高所形成的離心效應(yīng)會使加工后表面質(zhì)量差，因此拋光池轉(zhuǎn)速選取20、30、40、50 r·min-1。振動輔助的頻率及振幅影響拋光液剪切增稠作用，振動輔助的頻率及振幅過小不能使得加工區(qū)域拋光液形成強烈的增稠作用，但是過高又會導(dǎo)致拋光液對工件表面的黏滯力過大而造成劃痕。因此振幅選取0.25、0.35、0.45、0.55 mm，振動頻率選取60、80、100、120 Hz。3因素4水平的L16(34)正交試驗見表2。以工件材料去除率及表面粗糙度作為評價指標，對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 試驗設(shè)計

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)來評估，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值通過式(1)計算，材料去除率為望大特性，其RSN值通過式(2)計算[20]。

(1)

(2)

式中：r=5為工件表面觀測點數(shù)，i為重復(fù)測量次數(shù)，u=3為試驗重復(fù)次數(shù)。材料去除率(HMRR)計算式見式(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為觀測時間，min。

3 結(jié)果與討論

3.1 不銹鋼材料去除過程

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對塑性材料的加工過程中，受振動拋光液中固相粒子包裹磨粒形成粒子簇，對材料的去除過程主要歸納為滑擦和耕犁，以及磨粒的微切削作用，其微觀原理見圖6。當磨粒接觸工件表面時，磨粒的切削刃對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運動速度，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，當磨粒切削刃對工件接觸區(qū)域的應(yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力時，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，磨粒切削刃將推動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臨界切削深δcrit才能實現(xiàn)材料的去除[21]。

圖6 塑性材料去除過程示意

在不同振動頻率下對光滑不銹鋼片表面進行拋光，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)觀測加工前后工件表面形貌。加工10 min后工件表面形貌見圖7。

工件初始表面為光滑表面，僅有幾處凹坑見圖7(a)。在60、90 Hz下拋光后，表面凹坑數(shù)量減少，見圖7(b)、7(c)，且未對表面造成新的缺陷。在120 Hz頻率下拋光后，磨粒對工件表面形成滑擦痕跡，見圖7(d)。拋光液對工件表面的黏滯力表達式見式(4)[22]。當振動頻率為60、90 Hz時，拋光液受振動形成的剪切速率小，拋光池帶動拋光液對工件表面形成的黏滯力小。當振動頻率為120 Hz時，受振動拋光液對工件表面形成的流體動壓及黏滯力超過材料的屈服強度，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；隨著磨粒的動能降低無法繼續(xù)材料去除作用時，拋光液帶動粒子簇翻轉(zhuǎn)繼而離開工件表面，在工件表面形成凹坑見圖7(d)。形成的滑擦痕跡的截面見圖8，驗證了VFRP加工過程中不銹鋼材料的塑性去除過程，并為加工參數(shù)優(yōu)化提供借鑒。

(a) 拋光前

(b) 振動頻率60 Hz

(c) 振動頻率90 Hz

(d) 振動頻率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 正交試驗結(jié)果

正交試驗的材料去除率、表面粗糙度及其RSN值計算結(jié)果見表3。不同因素水平下材料去除率及表面粗糙度的RSN值見圖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，對磨粒的把持力提高，因而更有效地進行工件材料的去除。

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，當拋光速度為40 r·min-1時，RSN值達到最大值為-23.38。隨著拋光速度的提高，拋光液受離心運動向拋光池壁上堆積，見圖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)速下拋光液離心運動示意

3.4 振動頻率的影響

由圖9(a)可知，隨著振動頻率增大，工件材料去除率的RSN值先增大后減小，當振動頻率為80 Hz時，材料去除率RSN值達到峰值34.72。增大振動頻率可提高加工區(qū)域拋光液的剪切速率，進而提高加工區(qū)域拋光液黏度以及拋光液對工件的剪切力和壓力，在一定程度上提高材料去除率。但是隨著振動頻率進一步提高，工件材料去除率呈現(xiàn)下降趨勢。當施加于拋光液的振動頻率達到120 Hz時，拋光液形成“柔性固著模具”且黏度較高，無法響應(yīng)工件的高頻往復(fù)振動，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，當振幅為0.35 mm時，材料去除率RSN值達到最大34.84。增大振幅可提高加工區(qū)域拋光液的剪切速率，進而提高拋光液黏度以及對工件的剪切力。當振幅過大時，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，在相對運動過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

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

根據(jù)上述加工參數(shù)對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、振動頻率80 Hz。

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

圖12 表面粗糙度隨拋光時間變化曲線

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形貌見圖13，表面宏觀形貌見圖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

對不銹鋼VFRP加工去除過程進行了分析，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，以材料去除率與表面粗糙度Sa為評價目標，得出VFRP優(yōu)化工藝參數(shù)，研究結(jié)論如下：

1)VFRP加工不銹鋼過程中，受振動拋光液中粒子間發(fā)生相對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，在相對運動作用下對工件表面施加壓力及剪切力。對不銹鋼材料的去除過程主要為滑擦和耕犁，以及磨粒的微切削作用。振動頻率為60、90 Hz時，拋光液對工件表面形成的黏滯力小，加工后工件表面質(zhì)量進一步提高；當振動頻率達到120 Hz時，拋光液對工件表面黏滯力過大而造成滑擦痕跡。

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，獲取優(yōu)化的VFRP加工工藝參數(shù)。拋光速度對材料去除率影響最大，振幅次之，振動頻率最小。拋光速度對表面粗糙度影響最大，振動頻率次之，振幅最小。以優(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。