钛合金磁流变刷抛光机设计
作者 : 未知

  摘 要 钛合金是一种十分重要的结构材料,由于其具有密度小、强度高、耐腐蚀以及较低的弹性模量等优势而被广泛用于航空航天/医疗仪器/生物工程/汽车工业等领域。近年来,随着钛合金材料性能及加工方法的日益提高,新原理、新功能的钛合金应用器件不断涌现,如应用于人造骨/关节/牙等的钛合金植入物/矫形物、钛合金手术器械/医疗仪器、飞机钛合金起落架/骨架/紧固件/发动机构件等,展示了钛合金材料的光明前景。
  关键词 钛合金;抛光机;磁流变刷;发动机
  目前,钛合金材料在医用骨创伤产品(髓内钉、固定板、螺钉等)、脊柱矫形内固定系统、人工关节、牙、介入性心血管支架等各种医用植入物中广为利用。钛合金植入材料存在的主要问题是腐蚀,腐蚀一方面导致腐蚀产物进入人体,引起严重的生理危害,如组织毒化、细胞畸变等;另一方面造成植入假体的松脱、早期断裂等失效行为。钛合金的耐蚀性随其表面粗糙度的提高而降低,其中平滑表面和微观粗糙表面具有良好的耐腐蚀性和较低的离子释放率。因此,对医用钛合金植入物进行适当的表面光整处理显得尤为必要。
  磁流变抛光是利用磁流变抛光液在磁场中的固液相相互转化的特性,通过控制外加磁场对磁流变抛光液的剪切屈服应力和局部形状来进行实时控制,形成一个能够与被加工工件表面相吻合的“柔性抛光刷”,实现对硬脆材料的研磨、抛光。它克服了现有化学/电化学/磁性研磨/超声波抛光技术易污染、效率低、可控性低等缺点,以其表面质量高、表面损伤小、效率高、能耗低、材料去除率可控以及复杂曲面/难加工材料/超精密抛光等优点引起了国内外学者和工业界的广泛研究,近年来取得了显著进展,对较为规则的曲面形状表面(如光学镜片、硅、锗半导体材等)光整加工有良好的效果[11-13]。因磁流变抛光是在抛光轮表面形成半固体状的抛光工具,故对被加工零件的形状有一定的要求无法用于工件非规则螺旋表面,如医用颈椎/脊柱/接骨板/胸腰椎等系统中的螺钉及精密工件。因此,工件表面质量高、表面损伤小、效率高、材料去除率可控且适用于钛合金回转曲面的超精密研抛方法依然是很多领域所急需的。
  不同于现有的磁流变抛光方法与系统构成,提出通过将超声振动控制、磁流变涡流旋转与磁流变液形成的柔性刷相结合抛光的新方法,即利用复合光整加工技术通过磁流变刷与工件表面形成一个柔性研磨层,利用超声振动带动毛刷产生振动,并伴随“空化效应”(超声振动使磁流变液内产生大量的小气泡,当气泡达到一定程度破裂时产生力冲击力,将软化工件表面层),同时旋转涡流使柔性研磨层与工件表面发生复杂相对运动,希望由此消除或降低工件表面损伤、孔内/死角/螺牙不规则部位抛光有限等弊端,所形成的超声涡流磁流变刷抛光技术是超声振动控制、涡流流动技术及磁流变液抛光技术的融合与发展。
  超声振动与旋转涡流抛光技术具有设备简单、成本较低、通用性强等优势,在国民经济和国防工业的各个行业已成功应用多年,但材料去除不可控、表面质量不高、效率低。磁流变抛光技术表面质量高、材料去除率可控、效率高,但对被加工零件的形状有一定的要求,难以加工微型工件非规则表面/内部型腔。与其相比,本项目的超声涡流磁流变刷抛光机的优势在于:①表面质量高(柔性毛刷对工件表面层不会产生压应力,无损伤);②去除率可控(通过控制磁场强度控制磁流变刷的硬度);③效率高(超声振动-涡流流动-磁流变刷同时研磨工件)④消除/降低死角(工件多方位被研磨)。因此,超声涡流磁流变刷抛光机更适于医用微型钛合金复杂工件表面光整加工。现有的超声波/涡流/磁流变抛光技术抛光效率较低或对被加工工件形状/尺寸有一定要求;而超声涡流磁流变刷抛光机利用复合光整加工技术,磁流变刷在可控磁场的作用下可调,且工件间的相对运动是多方位的,抛光过程实为工件、磁流变液、超声振动及旋转涡流之间的相互耦合过程,故应属新的抛光理论,目前未见类似的研究报道,估计相关研究尚属空白。
  磁流变刷气囊抛光技术的研究构想,可视为气囊抛光技术及磁流变液抛光技术的融合与发展。目前,对磁流变刷气囊抛光的装置进行了初步研究,证明通过磁流变气囊耦合作用可同步实现钛合金微型工件抛光的最初设想。但试验中所获得的材料去除率、表面质量及效率还很有限,尚未充分发挥磁流变液高响应和低能耗的技术优势。这说明磁流变液与气囊耦合作用的抛光能力还有相当大的提升空间,同时也表明,并非将磁流变刷、气囊抛光装置、磁场发生装置、钛合金工件、磁流变液及控制电磁路简单地连接就能实现预期的功能,磁流变刷气囊抛光效果的形成机理及影响因素尚未被发现,机电气系统参数的匹配关系、流固耦合振动特性及电磁控制方法等方面的基础理论和关键技术尚需进一步深入系统的研究。

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