薄壁構(gòu)件精密加工柔性裝夾用磁流變液剪切屈服應(yīng)力研究

李昀樺，孔金星，尚逢祥

中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所

1 引言

薄壁構(gòu)件的剛度隨著大量毛坯材料的去除而顯著降低，特別是當(dāng)工件減薄到一定程度并進(jìn)入精加工階段時(shí)，由裝夾引起的薄壁構(gòu)件加工變形高達(dá)20%～60%[1，2]，因此減小薄壁構(gòu)件的裝夾變形一直是制造領(lǐng)域技術(shù)人員努力解決的問題。由于柔性支撐方法能夠有效克服因裝夾力引起的回彈變形，工程中常用銅箔、橡膠等支撐物對薄壁構(gòu)件進(jìn)行輔助支撐，從而減小裝夾變形，但上述方法存在支撐剛度不可控、難以適應(yīng)薄壁構(gòu)件面型形狀等缺點(diǎn)。而磁流變液(Magnetorheological Fluid，MRF)作為一種支撐剛度可控、能夠自適應(yīng)薄壁構(gòu)件面型特征的智能相變材料，在柔性夾具設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用[3]。

基于磁流變液的柔性夾具在薄壁構(gòu)件裝夾過程中可切實(shí)減小裝夾變形并提高表面質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者針對磁流變液柔性夾具進(jìn)行了廣泛研究。Wuertz T.等[4]提出了基于磁流變液的裝夾固定系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠承受工件在加工過程中的切削力，且能對復(fù)雜形狀的工件進(jìn)行靈活固定裝夾。Guo W.C.等[5]提出了一種機(jī)械—磁流變流體復(fù)合柔性夾緊方法，并通過薄壁件銑削試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性，與傳統(tǒng)裝夾方法相比，減小了薄壁件的變形并提高了表面質(zhì)量。為更有效控制薄壁構(gòu)件的裝夾變形，Jiang X.H.等[6]認(rèn)為柔性支撐夾具要求其輔助支撐材料具有一定的支撐剛度，而磁流變液的剪切應(yīng)力正代表了其固化強(qiáng)度，Iglesias G.R.等[7]也認(rèn)為剪切應(yīng)力是磁流變液最重要的特征參數(shù)。為了提高柔性夾具中磁流變液的剪切屈服應(yīng)力，Tang X.等[8]提出通過擠壓固化后的磁流變液使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由單鏈變?yōu)榇种姆椒ǎ行岣吡舜帕髯円旱闹纬休d能力。

綜上所述，目前國內(nèi)外學(xué)者主要探討了優(yōu)化磁流變液柔性夾具結(jié)構(gòu)以及提高磁流變液剪切屈服應(yīng)力的方法，并取得良好的結(jié)果，但對于柔性支撐用磁流變液的濃度、配方及其與剪切屈服特性之間的關(guān)系缺乏深入研究。因此，本文以薄壁構(gòu)件精密加工柔性裝夾用磁流變液為對象，制備了不同濃度的水基和油基磁流變液，采用流變儀研究磁場強(qiáng)度、體積分?jǐn)?shù)、溫度對磁流變液剪切應(yīng)力的影響。通過分析對比找出適合于柔性裝夾的磁流變液配制方法，并掌握其在磁場作用下的流變特性，為優(yōu)選適合薄壁構(gòu)件柔性裝夾用磁流變液提供必要的技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)方案

剪切應(yīng)力是衡量磁流變液支撐剛度的重要參數(shù)之一，學(xué)者們認(rèn)為影響磁流變液剪切應(yīng)力特性的因素主要有：可磁化顆粒、包覆材料、基液、添加劑、體積分?jǐn)?shù)、磁場強(qiáng)度和溫度[9-11]。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究基液、添加劑、體積分?jǐn)?shù)、磁場強(qiáng)度及溫度對磁流變液剪切應(yīng)力的影響。

2.1 磁流變液的制備

配制試樣所用的羰基鐵粉采用德國BASF公司生產(chǎn)的微米級(jí)羰基鐵粉，平均粒度約為3μm。

油基磁流變液制備步驟如下：①將二甲基硅油與硬脂酸混合后(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為羰基鐵粉的2%)水浴加熱并使用攪拌器攪拌；②硬脂酸溶解后加入羰基鐵粉并繼續(xù)恒溫水浴，使用攪拌器攪拌1h；③停止水浴加熱，繼續(xù)攪拌溶液使溫度降至室溫得到穩(wěn)定溶液；④試樣分別用試管保存，用于分析磁流變液的沉降性能。

水基磁流變液制備步驟如下：①將去離子水與抗氧化劑、分散劑混合并使用攪拌器攪拌30min形成穩(wěn)定溶液并作為水基基液；②將制備好的水基基液與羰基鐵粉混合并使用攪拌器攪拌1h得到均勻分散的水基磁流變液；③試樣分別用試管保存，用于分析磁流變液的沉降性能。

水基和油基磁流變液的體積分?jǐn)?shù)配置為40%，44%，48%和52%。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

試驗(yàn)采用安東帕流變儀(Anton Paar Physica MCR 301)測量磁流變液的黏度及剪切應(yīng)力。設(shè)置剪切速率由0/s均勻增大到100/s，每個(gè)剪切速率下測量時(shí)間為5s。以100mT為增量，設(shè)置外加磁場從0mT增大到700mT。每次改變外加磁場，流變儀需先對磁流變液儀器中的試樣退磁10s。試驗(yàn)方案設(shè)置見表1。

表1 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

配置好的試樣靜置沉降40h，沉降情況見表2。由表可知，油基磁流變液(試樣A～E)的抗沉降性能明顯優(yōu)于水基磁流變液(試樣F～I(xiàn))。而且隨著體積分?jǐn)?shù)的增大，磁流變液的沉降百分比隨體積分?jǐn)?shù)的增大而減小，體積分?jǐn)?shù)為52%的磁流變液經(jīng)過40小時(shí)靜置僅沉降4%。通過A和B兩試樣的沉降情況對比可知，未添加硬脂酸的磁流變液沉降了15%，而添加了硬脂酸的磁流變液沉降了11%，硬脂酸能將體積分?jǐn)?shù)為40%磁流變液的抗沉降性能提高36%。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，油基磁流變液的抗沉降性能優(yōu)于水基磁流變液，磁流變液的體積分?jǐn)?shù)越高越不容易沉降，且硬脂酸添加劑能有效降低磁流變液的沉降。

表2 磁流變液沉降40h沉降情況

3.1 添加劑對磁流變液剪切應(yīng)力的影響

圖1為體積分?jǐn)?shù)40%的油基磁流變液A、B兩個(gè)試樣在不同磁場與剪切速率下的剪切應(yīng)力及黏度測量結(jié)果，試樣A未添加硬脂酸，試樣B添加硬脂酸。圖1a為A、B兩試樣在零磁場時(shí)不同剪切速率下的黏度，添加硬脂酸的試樣黏度明顯大于未添加硬脂酸的試樣黏度，因此，硬脂酸使得磁流變液更加黏稠，零磁場黏度升高。圖1b為A、B兩試樣在不同磁場時(shí)的剪切屈服應(yīng)力，磁場強(qiáng)度小于300mT時(shí)，無硬脂酸的磁流變液剪切應(yīng)力略微小于含硬脂酸磁流變液；磁場強(qiáng)度大于300mT時(shí)，無硬脂酸磁流變液的剪切屈服應(yīng)力大于含硬脂酸磁流變液；磁場強(qiáng)度為600mT時(shí)，硬脂酸使磁流變液的剪切屈服應(yīng)力降低36%。圖1c為A、B兩試樣在不同磁場時(shí)剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線，在較強(qiáng)的磁場下，含硬脂酸的油基磁流變液在低剪切速率下呈明顯的剪切屈服現(xiàn)象，無硬脂酸的油基磁流變液未出現(xiàn)明顯的剪切屈服現(xiàn)象，剪切速率對剪切應(yīng)力的影響不大。

(a)零磁場下有無硬脂酸MRF的黏度變化

(b)有無硬脂酸MRF的剪切屈服應(yīng)力變化

(c)不同剪切速率下有無硬脂酸MRF的剪切應(yīng)力變化

3.2 基液對磁流變液剪切應(yīng)力的影響

圖2為體積分?jǐn)?shù)分別為40%，52%的油基和水基磁流變液在不同磁場下剪切屈服應(yīng)力隨磁場強(qiáng)度變化的實(shí)測結(jié)果。由圖可知，當(dāng)磁場強(qiáng)度小于400mT時(shí)，兩種濃度的油基磁流變液和水基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力差別不大；當(dāng)磁場強(qiáng)度大于400mT時(shí)，兩種濃度的水基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力明顯大于油基磁流變液的磁場強(qiáng)度；當(dāng)磁場強(qiáng)度為600mT時(shí)，體積分?jǐn)?shù)為40%的水基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力較相同體積分?jǐn)?shù)的油基磁流變液增大了37%，體積分?jǐn)?shù)為52%的水基磁流變液剪切屈服應(yīng)力較相同體積分?jǐn)?shù)的油基磁流變液增大了78%。

圖2 水基和油基MRF剪切屈服應(yīng)力對比

3.3 磁場強(qiáng)度對磁流變液剪切應(yīng)力的影響

圖3為體積分?jǐn)?shù)40%的水基磁流變液在不同磁場下的剪切屈服應(yīng)力實(shí)測結(jié)果。根據(jù)有關(guān)學(xué)者研究，磁流變液在磁場作用下表現(xiàn)出磁非線性飽和效應(yīng)，磁場強(qiáng)度較低時(shí)，其剪切屈服應(yīng)力與磁場強(qiáng)度的平方成正比；在較高磁場強(qiáng)度下，可磁化顆粒的極化出現(xiàn)局部飽和，此時(shí)磁流變液的剪切屈服應(yīng)力與磁場強(qiáng)度的3/2次方成正比；當(dāng)磁場強(qiáng)度足夠高時(shí)，可磁化顆粒完全磁化飽和，此時(shí)磁流變液的剪切屈服應(yīng)力只與可磁化顆粒材料的磁化特性參數(shù)有關(guān)[12]。

圖3 不同磁場下40%水基MRF的剪切屈服應(yīng)力

由圖3可知，對于體積分?jǐn)?shù)為40%的水基磁流變液，磁場強(qiáng)度為0～200mT時(shí)，磁流變液處于未磁化飽和狀態(tài)，呈現(xiàn)平方關(guān)系；當(dāng)磁場強(qiáng)度為200～600mT時(shí)，磁流變液處于局部磁化飽和狀態(tài)，剪切屈服應(yīng)力曲線與磁場強(qiáng)度基本呈3/2次方的關(guān)系；當(dāng)磁場強(qiáng)度為600～700mT時(shí)，隨著局部磁化飽和程度的增加，磁流變液正趨近于磁化飽和狀態(tài)。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，體積分?jǐn)?shù)為40%的高濃度水基磁流變液在磁場下的剪切屈服應(yīng)力仍然遵循著磁非線性飽和效應(yīng)原理。

3.4 體積分?jǐn)?shù)對磁流變液剪切應(yīng)力的影響

圖4為不同體積分?jǐn)?shù)(40%，44%，48%，52%)的水基磁流變液在零磁場下黏度變化的實(shí)測結(jié)果和剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的實(shí)測結(jié)果。

(a)體積分?jǐn)?shù)對粘度的影響

(b)不同剪切速率下體積分?jǐn)?shù)對剪切應(yīng)力的影響

圖4a為F、G、H和I四個(gè)試樣在零磁場、剪切速率為20/s時(shí)，隨著體積分?jǐn)?shù)增大，零磁場時(shí)磁流變液的黏度隨體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。圖4b為四個(gè)試樣在零磁場、剪切速率為20/s，40/s，60/s，80/s，100/s時(shí)，隨著體積分?jǐn)?shù)的增大，零磁場時(shí)磁流變液的剪切應(yīng)力隨體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。對于體積分?jǐn)?shù)為40%和44%的兩種水基磁流變液，剪切速率對剪切屈服應(yīng)力的影響不大；對于體積分?jǐn)?shù)為48%和52%的更高濃度水基磁流變液，隨著剪切速率的增加，剪切屈服應(yīng)力也隨之增加。

3.5 溫度對磁流變液剪切應(yīng)力的影響

圖5為體積分?jǐn)?shù)為48%的油基和水基磁流變液在不同外加磁場和不同溫度下的剪切屈服應(yīng)力實(shí)測結(jié)果。由圖可知，固定剪切速率為100/s且在相同磁場強(qiáng)度作用下，當(dāng)測試溫度從31℃增加到49℃時(shí)，體積分?jǐn)?shù)為48%的水基磁流變液(試樣H)和油基磁流變液(試樣D)的剪切應(yīng)力基本不變；當(dāng)磁場強(qiáng)度從0mT增加到400mT時(shí)，剪切屈服應(yīng)力隨之增加，與前述結(jié)果一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度為30℃～50℃時(shí)，溫度對水基和油基磁流變液剪切應(yīng)力影響不大，能夠保證薄壁構(gòu)件精密加工過程中環(huán)境溫度不會(huì)對磁流變液柔性支撐性能產(chǎn)生影響。

(a)溫度對水基MRF剪切應(yīng)力的影響

(b)溫度對油基MRF剪切應(yīng)力的影響

3.6 適用于柔性夾具的磁流變液分析

試驗(yàn)選用的柔性支撐用磁流變液主要針對薄壁構(gòu)件精密加工過程，其使用溫度范圍預(yù)計(jì)為30℃～50℃且能滿足連續(xù)工作需求，這要求磁流變液具有較好的抗沉降穩(wěn)定性及支撐剛度。雖然水基磁流變液具有優(yōu)于油基磁流變液的磁致剪切應(yīng)力特性，但經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，體積分?jǐn)?shù)較高的水基磁流變液在試驗(yàn)過程中存在水蒸發(fā)速度過快而導(dǎo)致磁流變液板結(jié)的問題，不適用于長時(shí)間工作的柔性夾具。油基磁流變液則不存在蒸發(fā)導(dǎo)致的板結(jié)問題，且具有較好的抗沉降性能。因此，油基磁流變液較水基磁流變液更適用于柔性夾具。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，磁場強(qiáng)度、體積分?jǐn)?shù)是影響磁流變液剪切屈服應(yīng)力的重要因素，為了盡可能增大磁流變液的剪切應(yīng)力以提高柔性夾具的支撐剛度，應(yīng)選用體積分?jǐn)?shù)48%以上的油基磁流變液。

4 結(jié)語

本文針對薄壁構(gòu)件精密加工柔性支撐用磁流變液，對比分析了添加劑、磁場強(qiáng)度、體積分?jǐn)?shù)、溫度等因素對水基和油基磁流變液剪切應(yīng)力的影響，主要結(jié)論如下：

(1)磁場強(qiáng)度較小時(shí)，油基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力略微大于水基磁流變液，當(dāng)磁場強(qiáng)度大于400mT時(shí)，水基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力明顯大于油基磁流變液。

(2)油基磁流變液在低剪切速率下出現(xiàn)明顯的剪切屈服現(xiàn)象，水基磁流變液在較小的磁場強(qiáng)度下就已經(jīng)發(fā)生剪切屈服。

(3)磁流變液的體積分?jǐn)?shù)越大，其零磁場黏度就越大，且零磁場時(shí)磁流變液的剪切應(yīng)力正相關(guān)于磁流變液的體積分?jǐn)?shù)。

(4)硬脂酸添加劑能有效提高油基磁流變液的沉降性能，當(dāng)磁場強(qiáng)度小于400mT時(shí)，有無添加劑對油基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力無明顯影響；當(dāng)磁場強(qiáng)度大于400mT時(shí)，添加劑將大幅降低油基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力。

(5)綜合對比使用中的剪切應(yīng)力、抗沉降性能以及蒸發(fā)情況，體積分?jǐn)?shù)為48%以上的油基磁流變液更適合于薄壁構(gòu)件精密加工用柔性支撐夾具設(shè)計(jì)。