本發(fā)明屬于金屬合金的超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及金屬合金研磨和化學(xué)機(jī)械拋光的超精密加工方法，特別涉及鈦合金研磨及超精密拋光方法。

背景技術(shù)：

鈦合金由于具有比重輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、海洋、電力、石油化工、通訊、輕工、醫(yī)療等領(lǐng)域。鈦與氧、氮、碳有極強(qiáng)的親和性，容易形成鈍化膜，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。由于與氧元素的親和力強(qiáng)，鈦合金的加工容易發(fā)生氧化，形成表層的陶瓷膜，加劇刀具磨損；此外，容易與高速鋼等含C元素的切削刀具以及金剛石砂輪反應(yīng)，使得刀具和砂輪磨損加劇，導(dǎo)致加工精度急劇降低，因?yàn)槌蔀殡y加工材料，其超精密加工技術(shù)目前主要被歐美以及日本等發(fā)達(dá)國家壟斷。鈦合金的超精密加工技術(shù)是高性能裝備和零件的核心關(guān)鍵制造技術(shù)，涉及國家安全、國防、尖端科技和民生，因此發(fā)達(dá)國家對鈦合金的超精密加工技術(shù)實(shí)行嚴(yán)格的封鎖與限制，只能靠自主研發(fā)來實(shí)現(xiàn)突破。

目前鈦合金的超精密加工方法，主要采用的是游離磨料研磨和化學(xué)機(jī)械拋光方法，研磨液是游離的碳化硅或者氧化鋁磨料，拋光液主要使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或者有毒的化工試劑，這種游離磨料難以控制其運(yùn)動(dòng)軌跡，容易在加工表面留下較深的劃痕，使得加工精度降低。強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有毒的化工試劑的處理非常麻煩，耗時(shí)耗力，而且對操作者和環(huán)境具有重大的潛在危害。因此，研發(fā)固結(jié)磨料研磨和綠色環(huán)保的化學(xué)機(jī)械拋光液加工鈦合金非常重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是采用研磨及化學(xué)機(jī)械拋光方法，實(shí)現(xiàn)鈦合金的超精密拋光。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的一種鈦合金研磨及化學(xué)機(jī)械拋光方法，包括以下步驟：

步驟S100：固結(jié)磨料研磨，研磨液為去離子水，依次選用的氧化鋁砂紙磨料尺寸為26μm、16μm、10μm和4μm；研磨時(shí)，研磨盤和工件的轉(zhuǎn)速為50-80rpm，加載方式為配重塊或者砝碼，研磨壓力為22-30kPa，更換不同磨粒尺寸的砂紙時(shí)，超聲清洗鈦合樣品，并用氣槍吹干。

步驟S200：固結(jié)磨料研磨后，超聲清洗鈦合金樣品，并用氣槍吹干。

步驟S300：化學(xué)機(jī)械拋光：拋光墊為黑色絨毛拋光墊，拋光壓力為65-80kPa，拋光盤和工件的轉(zhuǎn)速為65-85rpm，拋光時(shí)間為14-20min；拋光液含有硅溶膠、氧化劑、絡(luò)合劑和去離子水，氧化劑為雙氧水，絡(luò)合劑為蘋果酸或者檸檬酸。

步驟S310：粗拋，絡(luò)合劑為檸檬酸，硅溶膠的粒徑為110-200nm，拋光完成后用超聲清洗鈦合金樣品，用氣槍吹干，更換新的黑色絨毛拋光墊。

步驟S320：精拋，絡(luò)合劑為蘋果酸，硅溶膠的粒徑為65-100nm；精拋后，超聲清洗鈦合金樣品，用氣槍吹干。

其中，所述步驟S100中，用氧化鋁防水砂紙，粘接于研磨盤上，作為固結(jié)磨料磨具；26μm和16μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為4-6min，10μm和4μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為14-20min。

其中，所述步驟S300中，硅溶膠磨料的重量百分比為18-25％，雙氧水的重量百分比為40-50％，雙氧水在拋光液中的重量百分比為4-6％，拋光液的pH值為4.2-4.8。

本發(fā)明的技術(shù)方案是鈦合金研磨及化學(xué)機(jī)械拋光方法，屬于金屬合金的超精密加工技術(shù)領(lǐng)域。固結(jié)磨料研磨時(shí)，26μm和16μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為4-6min，10和4μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為14-20min。研磨時(shí)，研磨盤和工件的轉(zhuǎn)速為50-80rpm，加載方式為配重塊或者砝碼，研磨壓力為22-30kPa?；瘜W(xué)機(jī)械拋光時(shí)，拋光墊為黑色絨毛拋光墊，拋光壓力為65-80kPa，拋光盤和工件的轉(zhuǎn)速為65-85rpm，拋光時(shí)間為14-20min，拋光液含有硅溶膠、氧化劑、絡(luò)合劑和去離子水，氧化劑為雙氧水，絡(luò)合劑為蘋果酸或者檸檬酸。硅溶膠磨料的重量百分比為18-25％，雙氧水的重量百分比為40-50％，雙氧水在拋光液中的重量百分比為4-6％，拋光液的pH值為4.2-4.8。

固結(jié)磨料研磨，研磨液為去離子水，依次選用的氧化鋁砂紙磨料尺寸為26，16μm，10μm和4μm；研磨時(shí)，研磨盤和工件的轉(zhuǎn)速為50-80rpm，加載方式為配重塊或者砝碼，研磨壓力為22-30kPa，更換不同磨粒尺寸的砂紙時(shí)，超聲清洗鈦合樣品，并用氣槍吹干。固結(jié)磨料研磨，磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡相對于游離磨料容易控制，磨料的利用率高，磨料磨損后可以整體更換研磨砂紙。研磨液為去離子水，不適用任何化工試劑，綠色環(huán)保。研磨盤和工件的轉(zhuǎn)速只要不能夠整除就可以將磨削軌跡分開，達(dá)到更好的研磨效果。加載方式為恒重力加載。為了避免上一道工序的較粗糙的磨料對下一道更精密的研磨工序的細(xì)磨料產(chǎn)生影響，更換不同磨料尺寸的砂紙時(shí)，超聲清洗鈦合金樣品，將磨料沖洗干凈，并用壓縮空氣吹干，即用氣槍吹干。

固結(jié)磨料研磨后，超聲清洗鈦合金樣品，并用氣槍吹干。固結(jié)磨料研磨后，要更換絨毛拋光墊，要徹底清洗鈦合金樣品，避免磨料及磨屑?xì)埩粼阝伜辖饦悠繁砻?，影響下一步的化學(xué)機(jī)械拋光效果，因此超聲清洗鈦合金樣品，并用氣槍吹干。

化學(xué)機(jī)械拋光：拋光墊為黑色絨毛拋光墊，拋光壓力為65-80kPa，拋光盤和工件的轉(zhuǎn)速為65-85rpm，拋光時(shí)間為14-20min；拋光液含有硅溶膠、氧化劑、絡(luò)合劑和去離子水，氧化劑為雙氧水，絡(luò)合劑為蘋果酸或者檸檬酸。拋光墊為軟質(zhì)拋光墊，以便提高化學(xué)機(jī)械拋光的精度，主要靠絨毛機(jī)械去除形成的軟質(zhì)鈍化膜，獲得超光滑表面。拋光盤和工件的轉(zhuǎn)速不能整除，以便拋光軌跡分開，不重合，從而獲得好的拋光效果。拋光液中的硅溶膠磨料為二氧化硅，是自然界中石英、沙子的主要成分，廣泛分布于自然界。雙氧水在空氣中可以緩慢分解為氧氣和水，氧氣是空氣的主要成分，水是生命之源。蘋果酸和檸檬酸為食用飲料，用于食品行業(yè)，可以直接飲用，是水果中蘋果和檸檬的主要成分，也來自于自然界。去離子水是自來水進(jìn)行離子交換獲得的，只是大大降低了硬離子濃度，如鈣離子和鎂離子等，與自然界的水類似。拋光液是綠色環(huán)保的，沒有傳統(tǒng)的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有毒的化工試劑，因此消除了強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和有毒試劑對操作者和環(huán)境的危害難題。

粗拋，絡(luò)合劑為檸檬酸，硅溶膠的粒徑為110-200nm，拋光完成后用超聲清洗鈦合金樣品，用氣槍吹干，更換新的黑色絨毛拋光墊。粗拋時(shí)選用酸性較強(qiáng)的檸檬酸作為pH調(diào)節(jié)劑和絡(luò)合劑，加快化學(xué)反應(yīng)速度，硅溶膠的粒徑相對精拋較大，為了更快地去除精密研磨階段留下的劃痕。粗拋完成后，為了去除粒徑較大的硅溶膠，超聲清洗鈦合金樣品，并用氣槍吹干。絨毛拋光墊里面難免藏有粗糙階段的拋光液，因此要更換新的絨毛拋光墊，以免對精拋效果產(chǎn)生影響。

精拋，絡(luò)合劑為蘋果酸，硅溶膠的粒徑為65-100nm；精拋后，超聲清洗鈦合金樣品，用氣槍吹干。蘋果酸相對于檸檬酸，酸性較弱，使得化學(xué)反應(yīng)相對溫和，產(chǎn)生的鈍化膜更加均勻而致密，從而獲得更好的拋光效果。硅溶膠的粒徑也較粗拋小，易于獲得更光滑的表面，綜合考慮機(jī)械與化學(xué)的平衡作用，選擇硅溶膠的粒徑為65-100nm。精拋后，為了去除殘留在鈦合金樣品表面的拋光液和鈍化膜，用去離子水超聲清洗鈦合金樣品，然后用氣槍吹干，也為了更清潔鈦合金表面。

用氧化鋁防水砂紙，粘接于研磨盤上，作為固結(jié)磨料磨具；26μm和16μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為4-6min，10μm和4μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為14-20min。用相對較粗的氧化鋁砂紙，主要是去除線切割留下的亞表面損傷層。時(shí)間相對較短，用這種磨粒的砂紙能快速去除線切割留下的損傷層，同時(shí)不至于過多去除鈦合金材料，從而造成浪費(fèi)。用細(xì)磨粒的氧化鋁防水砂紙，是為了去除粗磨粒留下的損傷層。研磨時(shí)間相對較長，是為了使得損傷層的厚度均勻。

硅溶膠磨料的重量百分比為18-25％，雙氧水的重量百分比為40-50％，雙氧水在拋光液中的重量百分比為4-6％，拋光液的pH值為4.2-4.8。硅溶膠、雙氧水均可用去離子水進(jìn)行稀釋，然后采用檸檬酸或者蘋果酸作為pH調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)拋光液的pH值在4.2-4.8之間，達(dá)到化學(xué)機(jī)械拋光中機(jī)械與化學(xué)作用的平衡。

本發(fā)明的效果和益處是實(shí)現(xiàn)了鈦合金研磨及化學(xué)機(jī)械拋光方法，采用氧化鋁防水砂紙粘接于研磨盤上，作為研磨工具，硅溶膠、雙氧水、蘋果酸或者檸檬酸和去離子水作為拋光液，實(shí)現(xiàn)了鈦合金的超精密拋光。

附圖說明

圖1是10μm和4μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為14min時(shí)表面測試圖。

圖2是10μm和4μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為15min時(shí)表面測試圖。

圖3是10μm和4μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為16min時(shí)表面測試圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

鈦合金樣品為Ti-6Al-4V，尺寸為10×10×1.5mm³，用502膠水將4塊鈦合金樣品均勻地粘接于直徑為150mm的鋁合金盤圓周，用配重塊進(jìn)行加載。將氧化鋁防水砂紙粘接于研磨拋光機(jī)的不銹鋼研磨盤上，依次選用的氧化鋁磨料尺寸為26μm，16μm，10μm，4μm，26和16μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為5min，10μm和4μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間分別為14min，15min和16min。更換不同磨料尺寸的防水砂紙時(shí)，用去離子水對鈦合金樣品進(jìn)行清洗，并用氣槍吹干。研磨時(shí)，研磨盤和工件的轉(zhuǎn)速分別為58和67rpm，研磨壓力為25kPa。研磨結(jié)束后，用去離子水超聲清洗鈦合金樣品，并用氣槍吹干。

隨后開始化學(xué)機(jī)械拋光，拋光墊為絨毛拋光墊，拋光壓力為70kPa，拋光盤和工件的轉(zhuǎn)速為67和71rpm，拋光時(shí)間為15min。粗拋時(shí)，拋光液由硅溶膠、雙氧水、檸檬酸和去離子水組成。硅溶膠的粒徑為110-180nm，硅溶膠磨料的重量百分比為20％，雙氧水的重量百分比為45％，采用檸檬酸為pH調(diào)節(jié)劑和絡(luò)合劑，用去離子水稀釋，粗拋時(shí)，拋光液的pH值為4.2。粗拋結(jié)束后，用去離子水超聲清洗鈦合金樣品，并用氣槍吹干。精拋時(shí)，更換新的絨毛拋光墊，拋光液由硅溶膠、雙氧水、蘋果酸和去離子水組成。硅溶膠的粒徑為70-100nm，硅溶膠和雙氧水的重量百分比分別為20％和45％，精拋時(shí)，拋光液的pH值為4.4。精拋結(jié)束后，用去離子水超聲清洗鈦合金樣品表面，并用氣槍吹干。用美國產(chǎn)Zygo公司的NewView 5022非接觸精密表面輪廓儀對鈦合金樣品的表面進(jìn)行粗糙度測試，測試面積為50×70μm²。

10μm和4μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為14min時(shí)，測試結(jié)果如圖1所示：表面粗糙度R_a為0.827nm，rms為1.069nm，PV值為7.703nm。

10μm和4μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為15min時(shí)，測試結(jié)果如圖2所示：表面粗糙度R_a為0.684nm，rms 0.856為nm，PV值為6.575nm。

10μm和4μm的氧化鋁防水砂紙的研磨時(shí)間為16min時(shí)，測試結(jié)果如圖3所示：表面粗糙度R_a為0.711nm，rms為0.918nm，PV值為7.366nm。