血泵殼體零件高精度面研磨方法

劉紅濤,王長(zhǎng)峰,曹 勇,趙 睿

（1.超精密航天控制儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,北京 100039;2.北京航天控制儀器研究所,北京 100039)

0 引言

心力衰竭（Heart Failure,HF)是當(dāng)今人類所面臨的一種常見(jiàn)致死心血管疾病,針對(duì)HF的治療手段,包括藥物治療和非藥物治療兩種手段。針對(duì)病情較輕的情況,藥物治療比較有效;在病情較為嚴(yán)重時(shí),非藥物治療更為直接有效。如圖1所示,非藥物治療主要借助的是心室輔助裝置（Ventricular Assist Device,VAD),VAD裝置的核心部分即為血泵[1]。因此,血泵的機(jī)械加工精度在血泵研發(fā)過(guò)程中顯得尤為重要。

圖1 VAD裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of VAD

在目前的研究報(bào)道中,血泵存在的主要問(wèn)題是出凝血。血泵的不良血液相溶性是影響國(guó)產(chǎn)血泵應(yīng)用于臨床的主要因素[2]。目前,解決該問(wèn)題的重要方法為:在殼體內(nèi)表面使用涂層使表面光滑,允許有微栓形成但不會(huì)形成大的血栓,從而不致影響正常的生理機(jī)能[3-5]。為了使殼體內(nèi)表面的涂層表面光滑,需要對(duì)殼體的鈦合金基體進(jìn)行研磨工藝處理,這也是血泵生產(chǎn)加工過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

北京工業(yè)大學(xué)的符珉瑞等[6]對(duì)軸承磨損導(dǎo)致的血泵偏心對(duì)其血流力學(xué)性能和血液損傷的流體力學(xué)特性進(jìn)行了研究分析,通過(guò)建立10個(gè)不同軸距的流體力學(xué)幾何模型,得出了軸承磨損是導(dǎo)致溶血、血栓形成、出血風(fēng)險(xiǎn)增加的原因之一。鄭賀天等[7]對(duì)TC18航空鈦合金機(jī)械研磨處理疲勞特性進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨處理的TC18鈦合金在試樣表面存在高幅值的殘余壓應(yīng)力,能有效抑制疲勞裂紋的擴(kuò)展,改善疲勞強(qiáng)度。

在本文中,結(jié)合血泵殼體的特殊結(jié)構(gòu),通過(guò)建立三維有限元Archard摩擦磨損模型,分析出在研磨血泵殼體的過(guò)程中存在的徑向研磨差異問(wèn)題。通過(guò)設(shè)計(jì)專用的研具和研料,采用梯次研磨方法,有效控制了血泵殼體內(nèi)表面的研磨質(zhì)量。

1 血泵殼體材料及結(jié)構(gòu)

1.1 血泵殼體材料

考慮到血泵殼體零件的醫(yī)療應(yīng)用環(huán)境,血泵殼體材料選用具有小密度（4.5g/cm3)和較好生物相容性的α+β相鈦合金TC4,其材料化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分(重量百分比)Table 1 Chemical composition(WT%)of TC4

此外,TC4鈦合金具有優(yōu)良的耐蝕性、高比強(qiáng)度、較好的韌性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、汽車、船舶等領(lǐng)域。

1.2 血泵殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖2所示,血泵殼體的加工屬于精密甚至超精密加工,加工精度很高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳統(tǒng)的研磨工藝很難達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙的要求,研磨加工存在的技術(shù)難點(diǎn)主要有以下四個(gè)方面:

圖2 血泵殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of blood pump shell internal surface

1)血泵殼體的內(nèi)端面要求研磨后的平面度達(dá)到0.01mm以內(nèi),表面粗糙度≤Ra0.04。

2)內(nèi)平面研磨不能采用平板推研,只能使用車床夾取血泵殼體,手持自制研具進(jìn)行研磨。但由于血泵殼體隨著車床轉(zhuǎn)動(dòng)的外圈線速度大,研磨去量隨之增大,工件的平面度難以保證。

3)血泵殼體材料為鈦合金,并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為薄壁件,在研磨過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量積聚從而引起殼體變形,進(jìn)一步影響殼體內(nèi)端面的平面度。在本文中,由于血泵殼體的內(nèi)端面經(jīng)過(guò)精密銑削加工后,其平面度已經(jīng)能夠達(dá)到0.01mm以內(nèi),僅表面粗糙度無(wú)法滿足Ra0.04的要求。此時(shí),在手持研具的情況下,只需要1s～2s的短暫輕接觸,反復(fù)多次研磨即可,加上輔助水冷卻液,不會(huì)使熱量發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間聚集。所以,本文暫不考慮熱影響因素產(chǎn)生的影響。

4)血泵殼體分為兩部分,一部分端面中間存在凸起結(jié)構(gòu),且需要凸起結(jié)構(gòu)部分清根,而另一部分端面中間存在通孔,這都為研磨研具工裝的設(shè)計(jì)、平面度和粗糙度的保證帶來(lái)了困難。

2 工藝流程簡(jiǎn)介

為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求的表面粗糙度技術(shù)指標(biāo),血泵殼體研磨的工藝流程安排如圖3所示。

圖3 血泵殼體研磨工藝流程Fig.3 Grinding process flow of blood pump shell

整個(gè)工藝流程分為4個(gè)步驟:

1)研料選擇,對(duì)鈦合金研磨適應(yīng)性進(jìn)行對(duì)比匹配;

2)根據(jù)血泵本身的中心凸起結(jié)構(gòu)進(jìn)行研具工裝設(shè)計(jì);

3)確定研磨方法;

4)計(jì)量最終結(jié)果,驗(yàn)證工藝流程的有效性。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,血泵殼體在銑加工結(jié)束后進(jìn)行研磨工序。研磨需要先對(duì)磨料進(jìn)行適應(yīng)性匹配,分別選用不同研料對(duì)鈦合金的研磨表面質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比,再根據(jù)血泵本身的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行研磨工裝設(shè)計(jì),采用三級(jí)研磨工藝（粗研、半精研和精研)進(jìn)行研磨,最終進(jìn)行計(jì)量并驗(yàn)證。

3 有限元裝夾模擬

為了了解研具對(duì)血泵殼體表面研磨質(zhì)量的影響,采用有限元軟件進(jìn)行瞬態(tài)力學(xué)模擬,分析血泵殼體的受力變形和應(yīng)力分布。

3.1 有限元摩擦磨損Archard模型的建立

1)幾何模型建立。通過(guò)三維模型軟件建立血泵殼體、研具的三維模型,并將其導(dǎo)入至ANSYS有限元分析軟件中。血泵殼體及研具的摩擦屬于接觸問(wèn)題計(jì)算,因此選用六面體八節(jié)點(diǎn)單元C3D8I來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其優(yōu)點(diǎn)還包括節(jié)省計(jì)算時(shí)間。研具與殼體的網(wǎng)格劃分單元數(shù)分別為1224、3558。

2)約束及載荷的施加。研具在X方向、Y方向的位移限制為0,Z方向?yàn)樽杂蔂顟B(tài);殼體則為固定約束。載荷施加方向?yàn)閆方向,載荷為持續(xù)性載荷,大小為6N,載荷施加在研具端面（非接觸面端),研具的摩擦系數(shù)0.2。

3)摩擦磨損Archard模型的計(jì)算公式如下

式（1)中,V為磨損體積,K為磨損因子,P為接觸面法向壓力,L為研具與血泵殼體的切向滑動(dòng)距離,H為研具硬度。

3.2 模擬結(jié)果分析

由于殼體需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并接觸研具進(jìn)行研磨,因此有必要了解研磨過(guò)程中殼體內(nèi)表面的研磨去量情況和研具受力情況。徑向研磨去量差異產(chǎn)生的問(wèn)題如圖4所示。

由圖4（a)可知,殼體內(nèi)表面在被研具接觸研磨時(shí),在徑向方向存在研磨去量差異。造成這一結(jié)果的原因是:殼體的外徑處旋轉(zhuǎn)線速度Vouter最大,內(nèi)徑處旋轉(zhuǎn)線速度Vinner最小。

當(dāng)殼體內(nèi)表面研磨去量存在差異時(shí),就會(huì)導(dǎo)致殼體內(nèi)表面出現(xiàn) “鼓肚”的現(xiàn)象。此時(shí),研具的研磨摩擦力分布云圖如圖4（b)所示。顯然,研具從中心到外徑邊緣摩擦受力依次降低,這不利于殼體內(nèi)表面的研磨質(zhì)量。

圖4 徑向研磨去量差異產(chǎn)生的問(wèn)題Fig.4 Problems caused by difference in radial grinding amount

為了抵消這種研磨去量差異導(dǎo)致的研磨問(wèn)題,研具采用梯次直徑設(shè)計(jì)。

4 加工方式優(yōu)化分析

4.1 研具的設(shè)計(jì)

由于血泵內(nèi)端面上存在凸起結(jié)構(gòu)（圖2),故將研具設(shè)計(jì)成中間帶有通孔的結(jié)構(gòu)。研磨過(guò)程中,殼體工件將固定在車床卡盤上作低速回轉(zhuǎn),因此殼體外側(cè)的旋轉(zhuǎn)線速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于殼體內(nèi)側(cè)的,這就造成了殼體外側(cè)的研磨去量大于內(nèi)側(cè)的,所以研具的研磨端面逐漸變小,以使內(nèi)外側(cè)的研磨去量相同。研具的實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 梯次直徑設(shè)計(jì)的研具Fig.5 Grinding tools for step diameter design

本研具可以解決以下問(wèn)題:

1)依據(jù)殼體不同半徑距離上的粗糙度不同,改變研具的半徑;

2)具有6個(gè)不同方向的排屑功能,可以防止因排屑不暢劃傷血泵內(nèi)表面質(zhì)量;

3)旋轉(zhuǎn)研磨,解決了血泵中心有凸起結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的研磨結(jié)構(gòu)障礙。

由于研具的數(shù)量n應(yīng)滿足n≥2,考慮到實(shí)際應(yīng)用加工情況,研具的數(shù)量n不宜過(guò)多。當(dāng)n=2時(shí),無(wú)法形成梯次變化研磨去量;當(dāng)n=3時(shí),能夠形成最少梯次變化研磨去量。因此,選擇3種不同直徑的研具。

為了能夠在梯次變化去量時(shí),去量能夠相對(duì)平衡,且考慮到殼體內(nèi)端面的尺寸,需要選擇10mm～40mm之間的研具。可供選擇的方案有兩種:1)10mm、25mm、40mm（半徑等差方案);2)10mm、30mm、40mm（面積近等差方案)。其中,方案2面積近似等差,而研磨去量ΔV與研具接觸面積S成正比,方案2可以最大化保證梯次變化的研磨去量結(jié)果更均衡。因此,采用方案2來(lái)進(jìn)行研具設(shè)計(jì)。

首先使用直徑為Φ10的研具進(jìn)行研磨,再使用直徑為Φ30的研具進(jìn)行研磨,最終使用直徑為Φ40的研具進(jìn)行整體研磨,保證血泵上下兩部分內(nèi)部表面的平面度和粗糙度。

4.2 研料的選擇

另一個(gè)影響血泵殼體內(nèi)表面質(zhì)量的重要因素是研料[8-12],研料的種類根據(jù)其硬度不同可以分為剛玉類研料、金剛石類研料和碳化硅類研料。如表2所示,剛玉類研料的硬度較低,而金剛石類研料的硬度最高,碳化硅類研料的硬度介于剛玉類和金剛石類之間;碳化硅類研料的機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉,性脆而鋒利。根據(jù)工件材料的不同,也可選用復(fù)合型研料,復(fù)合型研料含有上述兩種或兩種以上研料,研磨性能更加全面。

表2 不同種類研料的硬度及機(jī)械強(qiáng)度Table 2 Hardness and mechanical strength of different types of grinding materials

研料粒度的選擇主要取決于對(duì)工件表面的加工精度和生產(chǎn)效率的要求,粗粒度及中等粒度的研料適用于粗加工和半精加工,而細(xì)研料則用于精加工和超精加工。研磨工件金屬的機(jī)械性能也是決定研料粒度的因素,硬度低、延展性好及韌性大的材料宜用粗粒度的研料,硬度高且脆的材料宜用細(xì)粒度的研料。

根據(jù)血泵殼體的基體材料,選用了三種不同粒度（m28～m10、 m7～m5、 m2～m1)的不同研料進(jìn)行實(shí)驗(yàn),三種研料包括:Al2O3研料、金剛石研料和自制研料。其中,自制研料為Al2O3（含量百分比為90%)與Cr2O3（含量百分比為10%)的復(fù)合型研料。

4.3 計(jì)量

在血泵殼體研磨后精度計(jì)量時(shí),采用Hommel T8000RC粗糙度/輪廓度測(cè)量?jī)x設(shè)備。測(cè)量范圍:±400μm,測(cè)量精度2%,最小分辨率1nm,滿足測(cè)量精度要求。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在恒溫廠房（20℃ ±1℃)條件下進(jìn)行,如圖6所示,精密加工設(shè)備使用的是SCHAUBLIN CH-2735型號(hào)的車床,其主軸跳動(dòng)為0.002mm,轉(zhuǎn)速為40m/s,已經(jīng)完全能夠滿足血泵殼體平面度0.01mm的要求,故本文工藝不再考慮主軸跳動(dòng)帶來(lái)的影響。

圖6 SCHAUBLIN CH-2735型車床Fig.6 Diagram of SCHAUBLIN CH-2735 turning lathe

通過(guò)使用 Al2O3（01#)、 金剛石（02#)和自制研料（03#),分別經(jīng)過(guò)不同的研磨階段（粗研、半精研和精研),對(duì)零件表面粗糙度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),表面粗糙度結(jié)果取自3組研磨結(jié)果的平均值。不同研料的具體粒度大小和研磨血泵殼體表面后的結(jié)果如表3所示。

表3 研料的選擇及研磨的結(jié)果Table 3 Selection of grinding materials and results of grinding

由表3可知,03#自制研料在粒度大小為m2～m1時(shí),表面粗糙度可達(dá)到Ra0.08～Ra0.014,研磨質(zhì)量最好。03#自制研料研磨效果比較好的原因是:Cr2O3具有較好的親水性,能夠在研料表面形成一層較薄的水膜,起到一定的潤(rùn)滑作用,改善了零件表面的粗糙度。因此,選用03#自制研料進(jìn)行血泵殼體內(nèi)表面的研磨。

經(jīng)過(guò)三級(jí)研料和梯次直徑研具研磨后的血泵殼體內(nèi)表面效果如圖7所示,血泵組件效果如圖8所示,經(jīng)過(guò)組裝后的血泵可直接移植到動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行存活實(shí)驗(yàn)。

圖7 血泵殼體內(nèi)表面的研磨后效果Fig.7 Result of blood pump shell internal surface after grinding

圖8 血泵組件效果圖Fig.8 Diagram of blood pump assembly

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)自制研料以及研具的設(shè)計(jì),在粗研、半精研和精研加工后,粗糙度達(dá)到了Ra0.08～Ra0.014,滿足血泵內(nèi)表面粗糙度≤Ra0.04、平面度0.01mm以內(nèi)的指標(biāo)要求。在后期的活體實(shí)驗(yàn)中,活體動(dòng)物的生存時(shí)間達(dá)到了60天,充分證實(shí)了血泵殼體內(nèi)表面的研磨質(zhì)量較好,有效避免了血泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中血紅細(xì)胞與血泵殼體內(nèi)表面因磨損撞擊等失去活性。

6 結(jié)論

針對(duì)血泵殼體內(nèi)表面研磨問(wèn)題,本文進(jìn)行了有限元模擬分析,根據(jù)徑向研磨去量差異結(jié)果,設(shè)計(jì)了梯次直徑研具,并對(duì)比了不同粒度的研料研磨結(jié)果,最終得到如下結(jié)論:1)使用梯次直徑研具進(jìn)行血泵殼體內(nèi)表面研磨可以有效抵消徑向研磨去量差異帶來(lái)的 “鼓肚”和研具中心摩擦力大于研具外徑的問(wèn)題;2)采用三級(jí)研磨（粗研、半精研和精研)工藝,使用粒度分別為 m28～m10、m7～m5、m2～m1的自制研料,可以達(dá)到粗糙度Ra0.08～Ra0.014,滿足血泵殼體內(nèi)表面粗糙度≤Ra0.04的要求。因此,梯次直徑研具的設(shè)計(jì)和自制研料的選取是能夠滿足血泵殼體內(nèi)表面研磨質(zhì)量要求的,此方法克服了一定的零件結(jié)構(gòu)障礙和旋轉(zhuǎn)研磨自身帶來(lái)的研磨去量差異缺陷,值得借鑒推廣。