TC4鈦合金具有強度高、耐腐蝕性好、耐熱性高以及生物相容性好等性質，廣泛應用于航空航天、船舶、醫療等領域[1-3]。隨著科技的發展，對于TC4鈦合金的表面質量要求越來越高，高質量的TC4鈦合金表面有利于提高其生物相容性以及零部件的使用性能。因此，高效率、高質量的TC4鈦合金表面拋光方法尤為重要。

拋光加工作為精加工工序，能夠有效提高工件的表面質量以及使用性能，為了獲得高質量的TC4鈦合金表面，發展了不同的拋光方法。FiazHS等[4]采用機械拋光方法對TC4鈦合金進行拋光，工件的表面粗糙度達到0.4μm，但該方法加工效率較低，容易產生磨削熱損傷工件表面，加工質量不穩定。UrleaV等[5]采用電解拋光方法對TC4鈦合金進行拋光，工件的表面粗糙度達到1.30μm，但該方法的成形規律目前無法掌握，容易出現過拋或欠拋的現象。MaCP等[6]采用激光拋光方法對TC4鈦合金進行拋光，工件的表面粗糙度達到0.375μm，但該方法加工成本較高。

磨粒流拋光方法是通過黏彈性流體攜帶磨粒對工件表面不斷進行沖擊、劃擦和切削實現拋光加工，其加工質量高、成本低，適用于復雜曲面的拋光加工[7]。高航等[8-9]將磨粒流拋光方法應用于各種增材制造復雜結構件的光整加工中；經過拋光后，工件的內外表面粗糙度達到0.7~1μm，克服了航空增材制造復雜零件表面拋光加工這一難題。李俊燁等[10]將磨粒流拋光方法應用于坦克發動機噴油嘴的拋光加工中，切實提高噴油嘴的表面質量；經過拋光后，噴油嘴內外孔的表面粗糙度達到0.437μm。

LyuBH等[11]采用磨粒流拋光方法對形狀復雜碳化合金嵌件進行拋光，探究了拋光速度、磨料濃度以及磨料尺寸對工件表面粗糙度的影響。結果表明：當拋光速度為90r/min、磨料濃度為9%時，經過15min拋光后，工件的表面粗糙度達到7.1nm。ShaoQ等[12]采用磨粒流拋光方法對GH4169高溫合金葉片凹面進行拋光，探究了拋光角度、拋光速度以及拋光液pH值對工件表面粗糙度的影響。結果表明：當拋光角度為45°、拋光速度為1.88m/s、拋光液pH值為6.5時，經過18min拋光后，工件的表面粗糙度達到4.2nm。但在磨粒流拋光過程中磨粒在工件表面上的作用力較小，大部分磨粒會在工件表面的微凸峰上滾動或者翻轉，而不是進行切削，工件表面的材料難以去除，加工效率及質量受到限制，需提高磨粒流拋光方法的加工效率及質量。

針對磨粒流拋光TC4鈦合金加工效率低等問題，提出機械振動輔助磨粒流拋光方法。

在磨粒流拋光過程中，通過對工件施加機械振動，提高剪切速率，增加拋光液的“剪切增稠”效應強度，提高磨粒去除工件表面材料的能力，實現對TC4鈦合金的高效、高質量拋光。

因此，進行磨粒流拋光TC4鈦合金試驗，探究機械振動對工件的材料去除效率、表面粗糙度和表面形貌的影響，分析其變化規律，為實際的生產加工積累經驗和提供基礎數據。

1、機械振動輔助磨粒流拋光原理

圖1為機械振動輔助磨粒流拋光的材料去除機理。圖1的拋光過程為拋光液在裝置內高速轉動，與工件之間形成相對運動，產生“剪切增稠”效應，形成“粒子簇”牢牢包裹住磨粒，拋光液黏度增加，形成“固著磨具”，在工件表面不斷碰撞、劃擦、切削，去除工件表面上的微凸峰、毛刺等加工缺陷，實現拋光加工[12]。

圖1機械振動輔助磨粒流拋光的材料去除機理

機械振動輔助即在磨粒流拋光過程中對工件施加機械振動，在拋光液高速轉動的同時工件進行縱向簡諧振動，提高剪切速率，“剪切增稠”效應增強，對磨粒的把持力提高，磨粒去除工件表面材料能力的增加；同時，機械振動輔助還能控制拋光液的流變效應強度，對拋光液黏度進行調控，能有效地降低“剪切增稠”效應強度對拋光液流速的依賴，避免拋光液流速過高時形成“離心效應”導致磨粒分布不均，流速過低時無法形成增稠效應等問題，從而提高加工效率及質量[13]。

2、試驗與方法

2.1試驗材料

（1）試驗工件

為了便于表征拋光性能，試驗工件選擇TC4鈦合金平板，但試驗結果也可為曲面工件的拋光工藝提供參考。其工件的表面粗糙度約為200nm，加工尺寸為20mm×20mm×3mm。

在工件表面均勻選取5個測量點區域，測量點區域大小為0.5mm×0.5mm，試驗結果取5個測量點區域的平均值。TC4鈦合金工件表面觀測點示意圖如圖2所示，圖中L=20mm。

圖2TC4鈦合金工件表面觀測點示意圖

（2）試驗拋光液

磨粒流拋光液是以非牛頓流體為基液，加入第二分散相α-Al2O3磨粒，按比例配制而成的兩相流體。其中非牛頓流體的密度和黏度，α-Al2O3磨粒的密度、粒徑和質量分數，環境溫度等因素對于拋光加工效果具有很大的影響，其具體參數見表1。

2.2試驗裝置

選用自行搭建的機械振動輔助磨粒流拋光裝置進行TC4鈦合金拋光試驗。選用VHX-2000C三維光學顯微鏡觀測拋光前后工件的表面形貌；選用TR240表面粗糙度測量儀測量拋光前后工件的表面粗糙度；選用BSM-120.4高精度電子天平（精度為0.01mg）測量拋光前后工件的質量差，計算工件的材料去除效率。機械振動輔助磨粒流拋光示意圖如圖3

所示，具體拋光裝置如圖4所示。

圖3機械振動輔助磨粒流拋光示意圖

圖4具體拋光裝置

2.3試驗方案

采用單因素實驗法，分別在無機械振動、有機械振動兩種加工條件下進行，以工件的材料去除效率、表面粗糙度和表面形貌作為評價標準。根據前期的試驗結果，確定試驗過程中

對工件施加的機械振動的頻率為30Hz、振幅為1mm，每種加工條件下分別進行5組拋光液流速參數試驗，拋光液流速設置為6，7，8，9和10m/s，拋光時間為30min，每組試驗進行3次重復試驗，試驗結果取3次重復試驗結果的平均值，以確保試驗結果的準確性。試驗參數見表2。

3、結果與討論

3.1材料去除效率

材料去除效率是指單位時間內去除工件的材料量，常作為衡量加工效率高低的指標。工件的材料去除效率的計算公式如下：

式中：MRR為工件的材料去除效率，μm/h；Δm為工件拋光前后的質量差，mg；L為工件拋光區域邊長，mm；t為拋光時間，h。

圖5為在不同加工條件下工件的材料去除效率變化規律。

從圖5可以看出：有機械振動條件下工件的材料去除效率明顯高于無機械振動，與無機械振動相比提高19.90%(取5組拋光液流速參數試驗結果的平均值進行分析)。這主要因為在拋光過程中，對工件施加機械振動，提高了“剪切速率”，拋光液的“剪切增稠”效應增強，磨粒去除工件表面微凸峰的能力增加，提高了工件的材料去除效率。因此，有機械振動條件下工件的材料去除效率明顯高于無機械振動，在拋光液流速為6、7、8、9和10m/s時，工件的材料去除效率分別達到了5.51、6.39、7.83、9.28和7.61μm/h。

圖6為在有機械振動條件下3次重復試驗以及3次重復試驗平均值，工件的材料去除效率隨拋光液流速的變化規律。

從圖6可以看出：工件的材料去除效率隨著拋光液流速的增加呈先升高后降低的變化規律，在拋光液流速為9m/s時工件的材料去除效率最高，達到9.28μm/h（取3次重復試驗結果的平均值進行分析）。這主要因為拋光液流速較低時，無法形成有效的“剪切增稠”效應，磨粒去除工件表面材料的能力較弱。隨著拋光液流速的增加，“剪切增稠”效應增強，拋光液黏度升高，對磨粒的把持力提高，磨粒去除工件表面材料的能力增強[13]，工件的材料去除效率提高。但拋光液流速過高時，拋光液產生“離心效應”，導致大部分磨粒被甩到拋光裝置內壁上，磨粒分散不均勻，單位時間內參與磨削的磨粒數減少，工件的材料去除效率降低[12]。因此，隨著拋光液流速的增加，工件的材料去除效率呈先升高后降低的變化規律。

圖 6 有機械振動條件下工件材料去除效率隨拋光液流速的變化規律

圖7為在有機械振動條件下、拋光液流速為9m/s時，工件的材料去除效率隨時間的變化規律。從圖7可以看出：隨著拋光時間的增加，工件的材料去除效率呈逐漸下降的變化規律。這主要因為剛進行拋光時，工件表面上有較多微凸峰，磨粒較鋒利，去除工件表面材料的能力較強，工件的材料去除效率較高。隨著時間的增加，拋光加工產生的磨削熱不易散開，使拋光液的溫度升高，導致拋光液的黏度降低，磨粒去除工件表面材料的能力減弱；同時工件表面上的微凸峰減少，去除工件表面的材料量減少，導致工件的材料去除效率降低。因此，工件的材料去除效率呈逐漸下降的變化規律。

圖7有機械振動條件下工件材料去除效率隨時間的變化規律

3.2表面粗糙度

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度，常作為工件加工質量的評價指標。

圖8為不同加工條件下工件的表面粗糙度變化規律。從圖中8可以看出：有機械振動條件下工件的表面粗糙度明顯低于無機械振動，與無機械振動相比工件的表面粗糙度降低

19.58%(取5組拋光液流速參數試驗結果的平均值進行分析)。這主要因為在拋光過程中，對工件施加機械振動，降低了“剪切增稠”效應對拋光液流速的依賴，避免拋光液流速過高時形成的“離心效應”導致磨粒分布不均，流速過低時無法形成增稠效應等問題，使工件表面拋光的更加均勻一致，提高了工件的表面質量。因此，有機械振動條件下工件的表面粗糙度明顯低于無機械振動，在拋光液流速為6、7、8、9和10m/s時，工件的表面粗糙度分別達到了110、96、79、66和78nm。

圖8不同加工條件下工件的表面粗糙度變化規律

圖9為在有機械振動條件下3次重復試驗以及3次重復試驗平均值，工件的表面粗糙度隨拋光液流速的變化規律。從圖9可以看出：工件的表面粗糙度隨著拋光液流速的增加呈先降低后升高的變化規律，在拋光液流速為9m/s時表面粗糙度最低，達到66nm（取3次重復試驗結果的平均值進行分析）。這主要因為拋光液流速過低時，“剪切增稠”效應不顯著，磨粒去除工件表面材料的能力較弱，導致工件的表面粗糙度較差。隨著拋光液流速的增加，“剪切增稠”效應增強，磨粒去除工件表面材料的能力增強，工件的表面粗糙度也隨之變好。但拋光液流速過高時將產生“離心效應”，導致大部分磨粒被甩到拋光裝置內壁上，磨粒分散不均勻，單位時間內參與磨削的磨粒數減少，工件的材料去除效率降低，工件的表面粗糙度也隨之變差[12]；同時，拋光液流速過高時，拋光加工產生的磨削熱迅速增加，使拋光液溫度升高，黏度降低，磨粒去除工件表面材料的能力降低，工件的表面粗糙度變差[14]。因此，隨著拋光液流速的增加，工件的表面粗糙度值呈先降低后升高的變化規律。

圖9有機械振動條件下工件表面粗糙度隨拋光液流速的變化規律

圖10為在有機械振動加工條件下、拋光液流速為9m/s時，工件的表面粗糙度隨時間的變化規律。從圖10可以看出：隨著拋光時間的增加，工件的表面粗糙度呈逐漸下降的變化規律。這主要因為剛進行拋光時，工件表面上有較多微凸峰，磨粒較鋒利，容易去除工件表面材料，工件的表面粗糙度下降較快。隨著時間的增加，拋光加工產生的磨削熱不易散開，拋光液溫度升高，黏度降低，磨粒去除工件表面材料的能力降低；同時工件表面上的微凸峰逐漸被去除。因此，工件的表面粗糙度呈逐漸下降的變化規律。

圖10有機械振動條件下工件表面粗糙度隨時間的變化規律

3.3表面形貌

工件的表面形貌是指其幾何形狀的詳細圖形。著重研究工件表面微凸體高度的變化，其由形狀公差、波紋度和表面粗糙度，常用來評價工件的表面質量。圖11為在拋光液流速為9m/s時，工件的表面形貌。

從圖11可以看出：拋光前工件表面上有明顯劃痕、凹陷等加工缺陷，經過磨粒流拋光后，工件表面劃痕、凹陷等加工缺陷減少，加工損傷消失，極大地改善了工件表面形貌，提高了工件的表面質量。在無機械振動條件下，工件表面劃痕較多，無明顯的凹陷，工件的表面質量較差。在有機械振動條件下，工件表面劃痕較少，無明顯凹陷，工件的表面質量較高。

這主要因為在拋光過程中對工件施加機械振動，提高了磨粒流拋光方法的加工效率及質量，極大地改善了工件的表面形貌。

圖11工件表面形貌

4、結語

進行磨粒流拋光TC4鈦合金試驗，探究機械振動對工件的材料去除效率、表面粗糙度以及表面形貌的影響，分析其變化規律。得出如下結論：

（1）在加工參數相同的情況下，由于機械振動的輔助功能，拋光液的“剪切增稠”效應顯著，增加了磨粒與工件表面之間的作用力，提高了工件的材料去除效率。相比于無機械振動條件，有振動條件下工件的材料去除效率19.90%；在拋光液流速為9m/s時，工件的材料去除效率最高，達到9.28μm/h。

（2）在加工參數相同的情況下，由于機械振動的輔助功能，拋光液的“剪切增稠”效應增強，磨粒分布均勻，去除工件表面材料的能力增強，提高了工件的表面粗糙度。相比于無機械振動條件，有機械振動條件下工件的表面粗糙度降低19.58%；在拋光液流速為9m/s時，工件的表面粗糙度最低，達到66nm。

（3）在加工參數相同的情況下，由于機械振動的輔助功能，提高了磨粒流拋光方法的加工效率及質量。相比于無機械振動條件下，有機械振動條件下工件表面劃痕較少，無凹陷等加工缺陷，加工損傷消失，改善了工件的表面形貌，提高了工件的表面質量。

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第一作者/通信作者：王奔，男，1984 年出生，教授，研究方向為精密與超精密加工技術。E-mail：18840059457@163.com

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