磁流變效應(yīng)微砂輪的磨粒半固著機(jī)理研究

柴京富 閻秋生 張鵬程

1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州，510006 2.南昌航空大學(xué)，南昌，330063

0 引言

磁流變拋光是一種集電磁學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)及精密光學(xué)于一體的先進(jìn)光學(xué)表面加工技術(shù)。國內(nèi)外眾多研究者對(duì)磁流變液的配制及其性能、拋光設(shè)備的開發(fā)以及磁流變拋光機(jī)理進(jìn)行了研究，國外QED Technologies公司的產(chǎn)品已商品化，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)與國外尚存在較大差距，有待進(jìn)一步深入研究［1］。

本文提出一種基于磁流變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)硬脆材料局部微細(xì)加工的工藝方法［2］。將磨?；烊氪帕髯円褐兄瞥纱帕髯儝伖夤ぷ饕?，當(dāng)磨粒聚集于以磁極為工具基體的工具頂端時(shí)即形成磁流變效應(yīng)微砂輪，以此進(jìn)行微細(xì)加工。該方法可以通過調(diào)節(jié)磁場參數(shù)來控制微砂輪的大小和硬度。

磁流變液是形成磁流變效應(yīng)微砂輪的基礎(chǔ)，磨粒是磁流變拋光工作液的重要組成部分，可對(duì)磁流變拋光工作液性能產(chǎn)生重要影響，決定了磁流變效應(yīng)微砂輪的加工效果。在磁流變效應(yīng)微砂輪中，磨粒被成串分布的鐵磁粒子裹攜、約束而處于半固著狀態(tài)。本文通過理論建模分析，研究了磁流變效應(yīng)微砂輪的磨粒半固著機(jī)理。

1 磁流變效應(yīng)微砂輪性能控制機(jī)理

1.1 磁流變效應(yīng)機(jī)理

磁流變效應(yīng)的場致偶極矩理論認(rèn)為，在外加磁場作用下，每一顆鐵磁粒子都被極化成磁偶極子，各個(gè)偶極子相互吸引形成鏈串。鐵磁顆?？杀灰暈閯傂孕∏颍瑹o外加磁場時(shí)，顆粒均勻分布于載液中，此時(shí)磁流變液的屈服應(yīng)力為零。一旦受外加磁場作用，顆粒瞬間被磁化為偶極子，磁矩與磁場方向一致，于是顆粒之間由于存在磁相互作用而逐漸開始運(yùn)動(dòng)，最后沿磁場方向成鏈狀分布，磁流變液的表觀黏度增加，具有一定的抗剪切能力，即存在剪切屈服應(yīng)力。繼續(xù)增加磁場，偶極子鏈數(shù)目增多，部分鏈相互結(jié)合形成鏈柱，宏觀表現(xiàn)為剪切應(yīng)力增大。撤去外磁場后，偶極子鏈消失，顆粒排列恢復(fù)原狀，其變化時(shí)間只有幾毫秒。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，顆粒形成磁鏈?zhǔn)臄?shù)目增大，磁流變液的黏度和抗剪切屈服應(yīng)力增大［3－4］。

由于鐵磁顆粒磁化后形成磁鏈，故可對(duì)磁流變工作液中的磨粒起到約束作用，使磨粒具有確定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，磨粒對(duì)所接觸的工件產(chǎn)生一定的微切削作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的微量去除。

1.2 磁流變效應(yīng)微砂輪形成原理

磁流變液是一種新型智能材料，在零磁場強(qiáng)度下，呈現(xiàn)出低黏度的牛頓流體特性，在磁場作用下呈現(xiàn)出高黏度、低流動(dòng)性的Bingham流體特性，在極端情況下可以固化，這使得它可在液－固兩相體之間轉(zhuǎn)換，且這種轉(zhuǎn)換是瞬間的、可逆的，通過改變磁場可使這種轉(zhuǎn)換平穩(wěn)快速地完成，且流變后的剪切屈服應(yīng)力與磁場強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

利用磁流變液的流變特性，磁流變液作為即效砂輪結(jié)合劑與磨粒一起形成微砂輪，其原理如圖1所示。

圖1 磁流變效應(yīng)微砂輪示意圖

以永磁體材料制成的錐棒作為工具，在錐棒產(chǎn)生的磁場作用下，磁流變液中出現(xiàn)磁粒沿磁力線成鏈狀結(jié)構(gòu)、且磨粒被約束于這些鏈狀結(jié)構(gòu)之間的特性。磁流變液的這種固化作用使得錐棒工具端部形成由磁鏈包裹著磨粒的球團(tuán)（即微砂輪）。當(dāng)錐棒旋轉(zhuǎn)時(shí)微砂輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面材料去除的微細(xì)加工。

磁流變效應(yīng)微砂輪沿其半徑方向磨粒的結(jié)合強(qiáng)度依次降低，中心部位的磨粒黏結(jié)強(qiáng)度高而接近于固著狀態(tài)，外部接近于游離狀態(tài)，其加工特征介于固著磨粒與游離磨粒之間。

1.3 磁流變效應(yīng)微砂輪磨粒半固著作用機(jī)理

磁流變液的力學(xué)性能可以從磁流變液的宏觀本構(gòu)模型入手進(jìn)行分析，采用簡單的Bingham黏塑性模型可以定量描述磁流變液在磁場中流變本質(zhì)特性［5］。在模型中總的剪切應(yīng)力τ為

式中，H為外加磁場強(qiáng)度；τ0為外加磁場引起的屈服應(yīng)力；η為零磁場強(qiáng)度時(shí)液體的黏度；γ·為剪應(yīng)變率。

式（1）可以定性說明：磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度與外加磁場和剪切應(yīng)變率成正比，因此可以通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度來改變磁流變液的剪切強(qiáng)度大小。

構(gòu)成磁流變效應(yīng)微砂輪的磨粒主要產(chǎn)生切削作用，磁粒在磁場作用下沿磁力線形成鏈狀分布，使磁流變效應(yīng)微砂輪具有抗剪切屈服強(qiáng)度，磨?；旌嫌诖帕Ｖg，磁粒串對(duì)磨粒產(chǎn)生夾持作用。通過磁場強(qiáng)度的變化調(diào)節(jié)磁流變效應(yīng)的大小，調(diào)節(jié)磁流變效應(yīng)微砂輪中磨粒的固著強(qiáng)度，即從游離狀態(tài)到固著狀態(tài)的變化，以達(dá)到不同的加工要求。

2 磁流變效應(yīng)微砂輪磨粒半固著機(jī)理模型與理論分析

磨粒在磁流變效應(yīng)微砂輪中主要產(chǎn)生切削作用，首先需要對(duì)添加磨粒的特性進(jìn)行分析。

2.1 磨粒材料種類影響

磁流變效應(yīng)微砂輪中磨粒的切削性能與磨粒的幾何形狀和材料物理性能有很大的關(guān)系。磨粒材料應(yīng)具有一定的硬度、耐蝕性、韌性等，其硬度高于工件硬度才能有較好的切削性能。磨粒材料的硬度和強(qiáng)度影響磨粒的切削能力，表1列出了幾種常用的研磨拋光加工磨粒及其物理機(jī)械性能。磨粒種類對(duì)處于磁流變效應(yīng)微砂輪中的磨粒固著狀態(tài)有兩方面的影響。一方面是磨粒材料的磁學(xué)性能，從表1可見，磨粒是抗磁性材料，本身的磁化程度可以忽略不計(jì)，磁流變效應(yīng)中的磨粒完全依靠周圍鐵磁粒子的包圍、裹攜、約束產(chǎn)生固結(jié)作用而形成微砂輪。另一方面是磨粒密度影響微砂輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力大小，從而決定磁流變效應(yīng)微砂輪中磨粒的密度。

表1 常用磨粒的主要物理機(jī)械性能［6］

2.2 磨粒形狀影響

經(jīng)過對(duì)磨粒形狀的觀察分析，根據(jù)磨粒的長寬高之比的不同，可將磨粒形狀分為三種類型：①等積形，三維方向尺寸近似相等；②片狀形，二維方向尺寸近似相等，另一方向尺寸顯著??；③錐柱形，二維方向尺寸近似相等，另一方向尺寸顯著大，如圖2所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)歸納，從磨粒形狀所占比例來看，等積形磨粒最多，片狀形次之，柱狀形最少。

圖2 磨粒形狀示意圖

磨粒形狀對(duì)磁流變效應(yīng)微砂輪中磨粒固著強(qiáng)度有顯著影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，在磁流變效應(yīng)微砂輪形成過程中，磨粒作為非磁性物質(zhì)混入磁流變液，使鐵磁粒子串產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致磁流變效應(yīng)減弱［7］。

在磁流變液中，鐵磁顆粒同樣會(huì)有不同的形狀，但在磁流變效應(yīng)微砂輪中磨粒主要產(chǎn)生去除作用，因此建模分析磨粒約束模型時(shí)將鐵磁顆粒簡化為球形。根據(jù)圖2所示磨粒形狀，假設(shè)磨粒與鐵磁顆粒尺寸在同一數(shù)量級(jí)，建立磁流變效應(yīng)微砂輪中鐵磁顆粒約束磨粒的模型，如圖3所示。由圖3可見，磁性顆粒在磁場作用下沿磁力線成串分布，磨粒置于鐵磁鏈串之中后，改變了鐵磁顆粒的原始狀態(tài)，同時(shí)又被鐵磁顆粒包圍、裹攜、約束而固定。

圖3 不同形狀磨粒受磁粒約束示意圖

等積形磨粒對(duì)磁流變效應(yīng)鏈串影響最明顯，磁鏈扭曲嚴(yán)重，因而可使磁流變效應(yīng)顯著減?。黄瑺钚魏湾F柱形磨粒具有方向性，總體影響相對(duì)減弱，但從磨粒切削性能方面來看，等積形磨粒最好，不僅可以承受較大切削作用力，而且易于被磁鏈穩(wěn)定約束，而片狀形和錐柱形磨粒在受到切削力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)而失穩(wěn)，其在磁鏈中的不同姿態(tài)對(duì)磁鏈變形影響也不同。

2.3 磨粒大小影響

添加到磁流變液中的磨粒尺寸與鐵磁顆粒尺寸對(duì)磁流變效應(yīng)微砂輪中磨粒的固著狀態(tài)有顯著影響。鐵磁顆粒對(duì)磨粒的包圍形態(tài)可以分為三種情形：小包大、同尺寸包容、大包小，如圖4所示。

圖4 磨粒與鐵磁粒子匹配性影響

當(dāng)磨粒尺寸遠(yuǎn)大于鐵磁顆粒尺寸時(shí)，鐵磁顆粒從四周包圍磨粒，磁力線沿磨粒外圍繞行，鐵磁顆粒鏈串畸變嚴(yán)重、結(jié)合強(qiáng)度會(huì)被顯著消弱，因而磁流變效應(yīng)減小，鐵磁鏈串對(duì)磨粒的約束作用下降，嚴(yán)重時(shí)無法有效約束磨粒，如圖4a所示。當(dāng)磨粒較小而鐵磁顆粒尺寸較大時(shí)，磨粒被夾持在磁粒的間隙中，鐵磁鏈串變形很小，對(duì)磁流變效應(yīng)影響也較小，鐵磁顆粒對(duì)磨粒的約束力較強(qiáng)，如圖4b所示。當(dāng)磨粒尺寸和磁粒尺寸基本相當(dāng)時(shí)，磁鏈雖有變形，但磁流變液的抗剪切應(yīng)力下降不多，此時(shí)磁鏈可有效約束磨粒，磨粒的結(jié)合強(qiáng)度最高，如圖4c所示。

從磁流變效應(yīng)微砂輪中磨粒的切削性能方面分析，大磨?？梢杂行岣呷コ?，小磨粒與加工表面的干涉作用會(huì)減弱，可以有效降低表面粗糙度。如果磨粒尺寸較大，鐵磁鏈串無法有效約束磨粒，那么磁流變效應(yīng)微砂輪中的磨粒接近于游離狀態(tài)；而如果磨粒較小，則隱藏于鐵磁粒子間隙中被周圍較大鐵磁粒子限制，近似于固著磨粒，當(dāng)處于切削狀態(tài)時(shí)，磁粒無法對(duì)其實(shí)現(xiàn)約束；當(dāng)磨粒尺寸與鐵磁顆粒尺寸相當(dāng)時(shí)，磨粒處于半固著狀態(tài)，與鐵磁顆粒形成的空間關(guān)系保證了其具有較好的去除材料能力。

2.4 磨粒含量的影響

磨粒含量的高低會(huì)影響磁流變效應(yīng)微砂輪的加工性能。假設(shè)磨粒尺寸與鐵磁顆粒尺寸相當(dāng)，磨粒含量對(duì)鐵磁鏈串畸變的影響如圖5所示。

圖5 不同磨粒含量對(duì)鐵磁鏈串的影響

由圖5可見，當(dāng)磁流變液中磨粒的體積百分含量較低時(shí)，鐵磁鏈串變形較小，磨粒被鐵磁顆粒約束的強(qiáng)度較大，對(duì)磁流變效應(yīng)影響也較小，但是磨粒含量較低會(huì)降低磁流變效應(yīng)微砂輪的加工效果。當(dāng)磨粒體積百分含量增高時(shí)，磨粒在磁場作用下使鐵磁顆粒鏈串產(chǎn)生較大畸變，磨粒被約束強(qiáng)度減小，對(duì)改善磁流變效應(yīng)微砂輪加工效果是負(fù)面的。所以，磨粒含量對(duì)磁流變效應(yīng)微砂輪加工性能的影響具有正反兩方面的影響，只有在磨粒含量適當(dāng)時(shí)才具有最佳效果。

3 磁流變效應(yīng)微砂輪加工實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法和裝置

磁流變液基礎(chǔ)液為硅油，磁流變粒子為羰基鐵粉（平均粒徑為5μm），并添加一定量的甘油作為添加劑。在磁流變液中添加不同種類和含量的磨粒制成不同性能要求的磁流變工作液。

磁流變效應(yīng)微砂輪研拋加工實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。實(shí)驗(yàn)工件材料為K9玻璃，采用水平單方向進(jìn)給加工溝槽。將磁流變工作液注入工件和工具基體之間，施加于電磁場發(fā)生裝置的線圈的勵(lì)磁電壓為20V（此時(shí)在拋光區(qū)可得到0.1T的磁場強(qiáng)度），電主軸的轉(zhuǎn)速為3600r／min，工具基體隨著加工溝槽深度的增大緩慢向下進(jìn)給，水平進(jìn)給速度為2.6μm／min，加工時(shí)間為20min。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及實(shí)驗(yàn)裝置照片

工件加工前后，用無水乙醇、丙酮清洗干凈并烘干，利用精密天平稱量工件加工前后的質(zhì)量，得到材料去除量，然后計(jì)算出去除率，以磁流變效應(yīng)微砂輪的去除率作為對(duì)比參數(shù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同種類的磨粒對(duì)磁流變效應(yīng)微砂輪去除率的影響如表2所示。由表2中數(shù)據(jù)可見，材料去除率與磁流變工作液中添加磨粒的硬度大小成正比。以金剛石磨粒為參照，碳化硅的材料去除率比金剛石有少量降低，但是硬度較低的氧化鋁和氧化鈰的材料去除率均有較大幅度降低，其中氧化鋁的去除率比金剛石低20%，氧化鈰的比金剛石低43%，說明磨粒物理機(jī)械性能對(duì)磁流變效應(yīng)微砂輪加工性能起決定性作用。

表2 不同磨粒對(duì)加工效果的影響

表3所列數(shù)據(jù)表示磨粒粒度對(duì)磁流變效應(yīng)微砂輪去除率的影響，材料去除率均隨著磨粒粒徑的增大先增大后減小，當(dāng)磨粒粒徑為W7時(shí)，材料去除率達(dá)到最大值。僅從材料去除率來看，磨粒粒度小，其材料去除效果差，磨粒粒度大，其材料去除效果好，但磁流變效應(yīng)降低較大，反而影響了對(duì)材料的去除作用。

表3 不同粒徑對(duì)加工效果的影響

磁流變液中金剛石磨粒含量對(duì)材料去除率的影響如表4所示，材料去除率隨著金剛石磨粒含量的增加先增大后逐漸減小，當(dāng)金剛石磨粒含量為3%時(shí)去除率達(dá)到最大值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在磁流變液中添加磨粒是為了提高對(duì)工件材料的去除作用，但另一方面卻降低了磁流變效應(yīng)。因而，為了保證材料去除作用和不致使磁流變效應(yīng)降低，磨粒含量要合適，同時(shí)要適當(dāng)增強(qiáng)磁場的作用。

表4 金剛石磨粒含量對(duì)加工效果的影響

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上節(jié)所建立的磁流變效應(yīng)微砂輪中磨粒固著狀態(tài)模型分析結(jié)果吻合，說明所建立的磁流變效應(yīng)微砂輪磨粒半固著理論對(duì)于分析磁流變效應(yīng)微砂輪加工過程是有意義的。

4 結(jié)論

（1）磁流變效應(yīng)微砂輪的磨粒處于半固著狀態(tài)時(shí)，既克服了游離磨粒加工中磨粒利用率低、材料去除率低、磨粒分布不均勻的缺點(diǎn)，也克服了固結(jié)磨粒對(duì)加工表面作用力過強(qiáng)、不易得到光滑表面的缺點(diǎn)。

（2）磁流變效應(yīng)微砂輪的磨粒半固著狀態(tài)是通過控制磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)磁鏈約束力大小而實(shí)現(xiàn)的，磨粒被約束的強(qiáng)度介于游離磨粒與固著磨粒之間。

（3）磁流變工作液中磨粒的材料、大小、形狀和含量等特性影響磁流變微砂輪的性能和加工效果，其作用機(jī)制是，非磁性磨粒介于鐵磁粒子鏈之間使鐵磁粒子鏈產(chǎn)生畸變，從而減弱磁流變效應(yīng)以及鐵磁粒子鏈對(duì)磨粒的約束。

（4）磁流變效應(yīng)微砂輪研拋加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論建模分析相吻合，表明建立的磁流變效應(yīng)微砂輪磨粒半固著理論是可信的。

［1］ 王偉，郭忠達(dá)，劉衛(wèi)國，等.磁流變拋光（MRF）技術(shù)的發(fā)展［J］.中國材料科技與設(shè)備，2007（1）：41－43.

［2］ 余娟，閻秋生，路家斌.磁流變即效微細(xì)砂輪精細(xì)加工研究［J］.金剛石與磨粒磨具工程，2007，157（1）：74－77.

［3］ 龔興龍，李輝，張培強(qiáng).磁流變液的制備、機(jī)理和應(yīng)用［J］.中國科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，1：23－27.

［4］ Furst E M，Gast A P.Micromechanics of Magneto－rheological Suspensions［J］.Physicao Review E，2000，61（6）：6732－6739.

［5］ 李海濤，彭向和，陳偉民.基于鏈化分析的磁流變液剪切屈服應(yīng)力模型［J］.化學(xué)物理學(xué)報(bào)，2005，18（5）：505－509.

［6］ 孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊(cè)（第2卷）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［7］ 張鵬程，閻秋生，路家斌.磨粒對(duì)磁流變工作液性能及加工效果的影響［J］.金剛石與磨粒磨具工程，2010，175（30）：20－24.