模具型腔表面磁流變拋光機理研究

祝 林

（四川職業(yè)技術學院 機械工程系，遂寧 629000）

0 引言

磁流變液在模具型腔表面磁流變拋光時起著十分重要的作用，將一定量的拋光磨料注入到磁流變液中就會形成磁流變拋光液。在外部磁場的前提下，磁流變液獨有的流變性是完成整個拋光過程的有力保障。工件材料去除機理能夠為加工全過程提供強有力的理論支持，同時對加工方法的研究也具有重要作用。

1 磁流變拋光原理

磁流變液指的是將只有微米大小的磁性顆粒融于絕緣載液內，從而形成一種具有流變性的懸浮液體，其流變性同外加磁場有直接關系。磁流變液的流變性在沒有外加磁場的情況下，基本同普通的牛頓流體一樣，而在強磁場的作用下會發(fā)生明顯變化，其表觀的粘度系數(shù)最少會提高兩個數(shù)量級，從而使其由液體狀態(tài)變得同固體狀態(tài)相類似，但是將外加磁場去除后，它又恢復為原來的液體狀。磁流變液狀態(tài)在磁場的作用下會在液體和固體間反復，并且具有較強的可控、可逆性及反應迅速等特點。同電流變液相比，磁流變液的剪切屈服應力要比其高出一個數(shù)量級，同時在動力學和溫度穩(wěn)定性這兩方面也優(yōu)于電流變液，所以磁流變液擁有更為廣闊的應用范圍[1]。

如圖1可知，在需要拋光的區(qū)域內注入含有一定濃度微細磨料的磁流變液后，外加一定強度的磁場，使該區(qū)域的磁流變液的表觀粘度在流變效應下極速增加，從而在拋光輪表面形成半固體狀態(tài)的拋光工具并在拋光輪的帶動下，利用流體動壓效用完成該區(qū)域的拋光任務[2]。

圖1 磁流變拋光原理示意圖

磁流變拋光具有的優(yōu)點如下[3]：

1）拋光后的物體具有較高質量的光學表面。

2）具有較強可控性，可以獲得較為復雜的面形。

3）具有較高的去除效率。

4）不會產(chǎn)生刀具損壞、堵塞等現(xiàn)象。

5）磁流變拋光利用其獨有的剪切去除原理，不光具有較高去除效率，同時還能夠完成納米級精度的拋光，并且保證亞表面損傷基本為零[4]。所以，磁流變拋光技術不失為一種好的光學加工法。

2 模具型腔表面磁流變拋光機理

2.1 模具型腔表面磁流變拋光的材料去除機理

根據(jù)磁流變效應將一定濃度的細微磨粒加入到磁流變液中。在外加磁場的作用下，磁流變液中的磁性顆粒會在極微時間內被極化并沿磁場方向以鏈狀結構進行運動，此時磁流變液的剪切屈服應力明顯增強并形成與固體相接近的Bingham物質。在外加磁場作用下，磁流變液中呈鏈狀結構的磁性顆粒會像普通砂輪的粘結劑那樣將磨料顆粒緊緊夾住。這些磨料顆粒在一定大小的力的作用下同工件表面間產(chǎn)生柔性研磨層，該研磨層具有較高剪切強度，利用研磨層同工件間的相對運動，達到使工件表面變得光滑的目的。在進行加工時，磁性顆粒所形成的鏈狀結構在受到瞬時力的破壞后能夠在極短時間內形成新的鏈狀結構，利用這種作用能夠令磨料不斷進行更新。

要想實現(xiàn)自由磨粒的研磨，必須滿足下面三個基本條件：1）在工件表面區(qū)域內要具有充足并且有效的磨料顆粒；2）工件表面同磨料顆粒間必須形成有效的相對運動；3）工件表面同磨料顆粒間產(chǎn)生均勻并具有可控性的加工力[5]。在整個拋光過程中，前兩個基本條件很容易實現(xiàn)，第三個基本條件必須利用拋光工具頭的作用才能實現(xiàn)。不過總體來說，這三個基本條件還是比較容易實現(xiàn)的，因此能夠較為容易的對模具型腔表面進行拋光并取得良好效果。

在進行加工時，磁流變液中的磁性顆粒在外加磁力作用下形成鏈狀結構，被磁性顆粒緊緊夾住的非磁性磨料在一定大小的磁力作用下同工件表面形成一個柔性研磨層。這些研磨層中的非磁性磨料同工件表面間因相對運動而形成摩擦力，如果柔性研磨層所具有的剪切應力高于這種摩擦力的話，非磁性磨料就會對工件表面的凸起部分進行劃擦、摩擦和微切削等作用。如果研磨層所具有的剪切應力比非磁性磨料同工件表面所形成的摩擦力小的話，就會導致磁性顆粒的鏈狀結構損壞，不過隨即就會形成新的鏈狀結構，這種鏈狀結構的反復形成會對工件表面金屬產(chǎn)生一種塑變疊加效用，當這種塑變程度超出工件所能承受的最大塑變值時，工件表面的一些微小切屑就會因疲勞斷裂變成磨屑而脫落，從而達到對工件表面進行拋光的目的。

2.2 模具型腔表面磁流變拋光的材料去除模型

模具型腔表面磁流變拋光的材料去除是通過機械和化學的雙重作用實現(xiàn)的，不過在整個拋光過程中，主要是以機械作用為主，基于此，為了將該拋光法的材料去除機理作更為詳盡的說明，我們假設主要利用磨料顆粒的微切削作用對工件表面的材料進行去除。依據(jù)這一假設理論可知，工件表面的材料去除是在磨料顆粒的微切削作用下完成的。如圖4所示是單個磨料顆粒對工件表面凸起部分進行切削的示意圖，我們可以依據(jù)該模型圖對單個磨料顆粒對工件表面所產(chǎn)生的最大作用力進行計算[6]：

其中：F為磨料顆粒受到的磁懸浮力；

τ為磁流變液具有的剪切應力；

α為磨料顆粒外形的半項角；

σs為工件表面所具有的屈服應力；

a為磨料顆粒對工件表面凸起部位的微切削深度。

圖2 單個磨粒對工件表面進行加工的示意圖

由上述公式可知，在磨料顆粒對工件表面的凸起部分進行切削時，工件的表面去除效率也就是公式中提到的切削深度同磨料顆粒尺寸的大小是正比關系，同磁流變液所具有的剪切應力的二分之一次方也是正比關系，而磁流變液中含有的磁性顆粒尺寸的大小和濃度對其剪切應力有直接影響。所以我們可以通過對磁流變液的剪切應力及磨料顆粒的尺寸大小進行調整，從而實現(xiàn)對加工效率和工件表面質量的有效控制。

依據(jù)場致偶極矩理論可知，磁流變液中含有的每一顆磁性顆粒在外部磁力作用下都被極化為磁偶極子，這些磁偶極子在互相吸引的同時還以鏈狀結構沿著磁力方向進行運動，任何兩個相鄰的磁性顆粒間的磁場能都能夠由下面的公式表示[7]：

其中：Ep為相鄰磁性顆粒間的磁場能；

B為磁化強度；Vp為單個磁性顆粒的體積；

μ0為真空磁導率；μr為磁性顆粒間的相對磁導率；

r為磁場顆粒間的距離，在該模型中可以用磁性顆粒的直徑d來代替。

在上述模型中，磁化強度能夠用磁場強度H來代替，同時假設磁性顆粒呈圓形，用相鄰磁性顆粒間所具有的吸引力Fx來表示公式（3）為[8]：

因為相鄰磁性顆粒之間的磁化及位置矢量的夾角為直角，因此能夠將公式（4）簡化成：

將上式進一步簡化得出：

其中，m為磁偶極矩；H為磁場強度。

由上述公式可知，相鄰磁性顆粒間的吸引力同外部磁場強度的平方成正比關系，同磁性顆粒間的距離成反比關系。因為磁性顆粒間的吸引力越高，磁性顆粒所形成的鏈狀結構就越牢固，同時磁流變液中的剪切應力也會更高。

我們假定拋光工具頭和工件表面所形成的研磨層中的鏈狀結構是穩(wěn)定并均勻的，那么就能夠得出體積為V的磁流變液中的磁性鏈的總數(shù)量：

根據(jù)公式（6）、（7）可以得出拋光工具頭同工件表面所形成的研磨層的總體剪切應力τ：

根據(jù)公式（7）可知，磁流變液的體積越大，研磨層所具有的剪切應力也就越高，同時拋光間隙也是影響磁流變拋光法的主要因素。

由宏觀角度考慮，磁流變拋光法的材料去除率能夠利用對Preston公式實施修正描述。因為本拋光法主要利用研磨層的剪切應力來實現(xiàn)材料的去除，所以能夠表示成：

其中，MMR為材料去除率，K為修正系數(shù)，τ為剪切應力，f為摩擦系數(shù)，v為磨料與工件表面間的相對速度，A為加工區(qū)域面積。

把式（8）代入到式（7）中可以得出。

由上式可知，本拋光法的材料去除率主要受磁場強度、相對速度和拋光間隙等因素的影響。本拋光法的材料去除率同磁場強度和拋光間隙是正比關系，而與拋光間隙是反比關系。不過因各個參數(shù)在進行加工時是互相影響和依賴的關系，所以每一個工藝參數(shù)對整個加工過程的具體效果和影響還要通過相關試驗來進行論證。

3 結束語

總之，本文依據(jù)模具型腔磁流變拋光原理對整個加工過程中工件表面的材料去除機理進行了詳細的分析和研究，得出整個加工過程實際就是物理作用和化學作用相互作用的過程，最終構建出工件表面材料去除機理模型。目前，磁流變拋光法已經(jīng)相當成熟，它具有加工質量和效率較高并能有效消除亞表面損傷層等優(yōu)點。所以應對磁流變拋光原理、加工模型和磁流變液等進行更深層次的探索研究，進一步擴大其加工范圍，并不斷提升其加工質量及效率，使其向著自動化、智能化、精密化和集成化的方向前進，最終成為具有世界先進水平的制造技術。

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