立、臥式磁性復(fù)合流體拋光對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

張 瑞, 姜 晨, 任 鶴, SOULEYANE A Kiari Oumar

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200093)

引 言

光學(xué)玻璃元件是高精密光學(xué)系統(tǒng)的重要組件之一,能采用精密模壓成型法制備完成。玻璃透鏡壓模成型所用模具因能與高溫軟化的玻璃不發(fā)生粘連,所以模具的精度一定程度上決定著光學(xué)玻璃的精密程度,因此必須對(duì)模具進(jìn)行精密加工處理。磁性復(fù)合流體(magnetic compound fluid,MCF)拋光作為一種先進(jìn)精密加工技術(shù),在可控磁場(chǎng)的作用下,流體黏度可保持連續(xù)、無級(jí)變化,能夠?qū)崿F(xiàn)可控、確定性加工。

20世紀(jì)80年代初期,日本Tani等[1]發(fā)明了磁流體(magnetic fluid,MF)光整加工技術(shù),采用把松散磨?；烊氪帕黧w中,通過磁場(chǎng)控制磁流體中磨粒做機(jī)械運(yùn)動(dòng),從而起到拋光作用,但是納米級(jí)磁性粒子的飽和磁化強(qiáng)度和黏度過低。20世紀(jì)90年代初期,美國(guó)Rochester大學(xué)光學(xué)研究中心的Kordonski等[2-3],研發(fā)了磁流變(magnetorheological fluid,MRF)加工技術(shù),MRF中微米級(jí)磁性粒子的飽和磁化強(qiáng)度大,但是流變性和抗沉淀穩(wěn)定性較差。為克服上述缺陷,2002年,日本的Shimada等[4-5]提出磁性復(fù)合流體概念,MCF是由MRF與MF混合而成,具有較好的黏度與粒子分布穩(wěn)定性,在磁場(chǎng)作用下能夠產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)作用力,具有良好的拋光性能。目前我國(guó)也開展了相關(guān)研究:王續(xù)躍等[6]研制了一種新型磁性復(fù)合拋光體并對(duì)其拋光性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;焦黎等[7-8]針對(duì)臥式MCF拋光輪加工方法,通過建立拋光輪的空間外磁場(chǎng)分布解析式,研究磁場(chǎng)分布對(duì)材料去除率(material removal rate,MRR)的影響,發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)分布越強(qiáng)的區(qū)域,材料去除率越大;Guo等[9-10]采用立式MCF拋光方法對(duì)光學(xué)玻璃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拋光,發(fā)現(xiàn)拋光過程中正壓力和剪切力均對(duì)工件的材料去除率有一定影響,但剪切力的影響較大,隨后針對(duì)一種加入氧化鋯涂層的羰基鐵粉顆粒,通過拋光實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以有效地改善拋光效果;Wang等[11-12]對(duì)不同加工對(duì)象,如具有V槽結(jié)構(gòu)的無氧銅和有電鍍Ni-P鍍層的模具鋼,進(jìn)行了MCF拋光特性實(shí)驗(yàn)研究。

現(xiàn)有MCF拋光技術(shù)研究工作中,鮮見針對(duì)不同拋光頭結(jié)構(gòu)的MCF拋光性能研究。為了更好地掌握立式和臥式兩種拋光頭結(jié)構(gòu)對(duì)MCF拋光特性的影響,并為之后研究玻璃透鏡壓模模具的精密加工提供依據(jù),本文以黃銅H26模具材料為加工對(duì)象,設(shè)計(jì)了立式和臥式拋光頭裝置,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比兩種拋光頭結(jié)構(gòu)的拋光性能差異。

1 MCF拋光原理及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 MCF拋光原理

MCF由磁性顆粒、磨料、植物纖維素及基液組成。在外磁場(chǎng)的作用下,MCF因其中的磁性顆粒沿著磁力線方向分布而形成磁性簇,非磁性磨料顆粒夾雜在磁性簇的內(nèi)部或間隙中,植物纖維素穿插于磁性簇間隙,用于增加MCF黏度,此時(shí)MCF呈半固態(tài)。但針對(duì)不同的MCF拋光方式,由于外磁場(chǎng)分布不同,MCF內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異。立式和臥式MCF拋光原理如圖1所示。

圖1(a)為立式MCF拋光機(jī)構(gòu),永磁鐵以偏心距e固定于磁鐵盤下方,載液板固定于永磁鐵下δ處,用于附著MCF。永磁鐵以轉(zhuǎn)速nc旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定并繞主軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。臥式MCF拋光機(jī)構(gòu)如圖1(c)所示,MCF拋光輪由左右兩片環(huán)形擋板和中間環(huán)形磁鐵構(gòu)成。軸向均勻磁化的環(huán)形磁鐵繞水平軸旋轉(zhuǎn)nt,形成動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。當(dāng)一定質(zhì)量MCF引入拋光頭和工件的工作間隙Δ時(shí),MCF立即鏈化形成磁性簇,如圖1(b)、(d)所示,立式磁場(chǎng)下磁性簇沿著發(fā)散的磁力線方向呈錐形,臥式磁場(chǎng)下磁性簇沿著閉合的磁力線形成鏈條狀。另外,因受磁懸浮力和重力的綜合作用,MCF中大部分非磁性磨料向下移動(dòng)聚集于MCF下表面。在動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的作用下,磁性簇做空間鐘擺運(yùn)動(dòng),其表面的磨料和工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而發(fā)揮微切削作用,實(shí)現(xiàn)材料去除[13]。

1.2 拋光實(shí)驗(yàn)裝置

自行研制的立式和臥式MCF拋光實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。黃銅H26工件(50 mm×50 mm×6 mm)固定在水平工作臺(tái)上,拋光裝置均安裝在Z軸上,控制Z軸來改變MCF與工件的工作間隙Δ,從而實(shí)現(xiàn)定位拋光。

圖1 MCF拋光原理示意圖Fig.1 Schematics of MCF polishing

圖2 MCF拋光實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental apparatus for MCF polishing

2 MCF拋光實(shí)驗(yàn)條件

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,立式和臥式MCF拋光方式在拋光過程中,選用同種MCF成分配比,如表1所示。同時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度B,工作間隙Δ,轉(zhuǎn)速nt,MCF質(zhì)量也相同,如表2所示。

表1 MCF的成分Tab.1 Composition of MCF

表2 MCF拋光實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Parameters of MCF polishing

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 材料去除率

以等質(zhì)量MCF對(duì)黃銅工件進(jìn)行一定時(shí)間的拋光,測(cè)量拋光前后工件質(zhì)量,并計(jì)算其材料去除率。圖3是立式和臥式兩種MCF拋光材料去除率的變化情況。立式MCF拋光的材料去除率,在t=25 min和t=50 min時(shí),分別有最小值4×10-5g/min和最大值6×10-5g/min。在拋光過程中,材料去除率在5×10-5g/min上下波動(dòng),相對(duì)變化較小;臥式MCF拋光材料去除率,在t=5 min時(shí),由較大值20×10-5g/min,迅速降低至8×10-5g/min,隨后緩慢降低至5×10-5g/min,下降速度逐漸減小;臥式MCF拋光的最大材料去除率明顯高于立式MCF拋光,但其材料去除率的穩(wěn)定性比立式MCF拋光較弱。

隨著拋光時(shí)間增加,MCF的消耗將影響拋光性能,導(dǎo)致拋光過程中材料去除率逐漸降低。此外,當(dāng)立式拋光頭載液板轉(zhuǎn)速和臥式拋光頭轉(zhuǎn)速相同(nt=600 r/min)時(shí),磁鐵徑向線速度大于磁鐵端面線速度,并對(duì)材料的去除效果更明顯,這與臥式MCF拋光的材料去除率較大相吻合。

3.2 工件表面質(zhì)量

通過采用金相顯微鏡(M230-21BLC)觀察工件表面形貌,并用粗糙度儀(SJ-201P)測(cè)量工件表面粗糙度,對(duì)比研究工件表面質(zhì)量。

立式和臥式MCF拋光前后工件表面形貌如圖4所示。立式MCF拋光能在一定程度上使工件表面更平滑,但當(dāng)t=5 min和t=30 min時(shí),工件表面形貌改善效果差別較小,如圖4(a)、(b)、(c)所示;而臥式MCF拋光能大幅度降低工件表面的光潔度,且當(dāng)t=5 min和t=30 min時(shí),工件的表面形貌改善效果差別明顯,如圖4(d)、(e)、(f)所示;比較相同時(shí)間下兩種拋光頭對(duì)工件拋光效果,發(fā)現(xiàn)臥式MCF拋光對(duì)工件的表面形貌改善比立式MCF拋光明顯,如圖4(b)、(e)或圖4(c)、(f)所示。

圖3 材料去除率Fig.3 Material removal rate

圖4 表面形貌Fig.4 Surface morphology

立式和臥式MCF拋光后工件表面粗糙度的變化情況如圖5所示。立式MCF拋光后工件的表面粗糙度,在前25 min內(nèi)迅速降低至0.17 μm,隨后緩慢降到0.16 μm并保持穩(wěn)定;臥式MCF拋光后工件表面粗糙度,能夠連續(xù)降低至0.04 μm。比較兩種拋光方式的工件表面粗糙度,發(fā)現(xiàn)立式和臥式MCF拋光均能有效降低工件表面粗糙度,且臥式MCF拋光可獲得的最低表面粗糙度明顯低于立式MCF拋光,但臥式MCF拋光的工件表面粗糙度相對(duì)于立式MCF拋光的相對(duì)平穩(wěn)性較差。

圖5 表面粗糙度的變化Fig.5 Change of surface roughness

3.3 MCF水分損耗

水分變化直接影響到MCF的粘稠度,最終對(duì)拋光效果產(chǎn)生影響。通過圖6所示的MCF宏觀和顯微照片,觀察兩種拋光方式中MCF水分變化趨勢(shì)。圖6(a)為未添加水時(shí)的MCF,圖6(b)為添加水后未拋光的MCF,圓圈中泛白且較為模糊的區(qū)域?yàn)镸CF中的水分。通過對(duì)比圖6(b)、(c)和(d)可以看出,立式拋光過程中MCF水分逐漸減少;同樣對(duì)比圖6(b)、(e)和(f)可以看出,臥式拋光過程中MCF水分也逐步減少且損耗較明顯;比較圖6(b)和(e)或者圖6(d)和(f),發(fā)現(xiàn)在相同拋光時(shí)間下,立式拋光中MCF水分損耗比臥式拋光較少。宏觀圖片中MCF水分變化和上述現(xiàn)象基本一致。

在高速拋光過程中,拋光頭與工件摩擦生熱,導(dǎo)致MCF中水分受熱蒸發(fā),引起兩種拋光方式中MCF水分持續(xù)損耗。另外,因?yàn)榕P式拋光中磁鐵徑向線速度大于立式拋光中磁鐵端面線速度,同時(shí),臥式拋光中MCF與空氣接觸面積較大,均造成水分損耗,所以臥式拋光中MCF水分比立式拋光損失更為嚴(yán)重。此外,由于MCF水分的逐漸減少,降低了MCF拋光性能,這與圖3所示的材料去除率隨著時(shí)間變化逐漸降低現(xiàn)象相吻合。

4 結(jié) 論

基于磁性復(fù)合流體(MCF)拋光的兩種方式,進(jìn)行了立式和臥式MCF拋光特性對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。包括兩種拋光頭結(jié)構(gòu)對(duì)工件的材料去除率、表面質(zhì)量、以及MCF水分變化的影響。主要結(jié)論如下:

1) 臥式MCF拋光的最大材料去除率20×10-5g/min明顯高于立式MCF拋光最大材料去除率6×10-5g/min,但臥式拋光材料去除率的穩(wěn)定性低于立式MCF拋光;

2) 立式和臥式MCF拋光均能改善工件的表面形貌,但在拋光時(shí)間相同的情況下,臥式MCF拋光工件表面形貌改善更明顯;

圖6 MCF水分變化趨勢(shì)Fig.6 Trends of MCF moisture

3) 立式和臥式MCF拋光均能降低工件表面粗糙度,臥式MCF拋光可獲得最低表面粗糙度Ra=0.04 μm,明顯低于立式最低表面粗糙度Ra=0.16 μm,但立式MCF拋光工件表面粗糙度變化相對(duì)平穩(wěn);

4) 隨著時(shí)間增加,兩種拋光方式的MCF水分均減少,而立式拋光MCF水分減少較慢。