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太原理工大学硕士研究生学位论文 液体磁性磨具加工表面速度与应力场分析研究 摘要 液体磁性磨具是应用磁致相变原理研制的一种新型精密光整加工用磨 具，在无外加磁场时，该磨具呈标准的牛顿流体，可以和工件充分接触。 而在施加磁场之后，该磨具的表观粘度和剪切屈服应力增加几个数量级以 上，由牛顿流体迅速相变为类固体，而且这种变化是连续的、可逆的，一 旦去掉外部磁场，又恢复为牛顿流体。液体磁性磨具的这种独特的流变特 性，使液体磁性磨具类似于个“柔性 砂轮，能够与各种型面的零件很 好地贴合在一起，当磨具和工件有相对运动时就可以实现对工件的光整加 工。 本文在目前液体磁性磨具已有研究的基础上，采用理论分析、数值模 拟相结合的方法对液体磁性磨具及其光整加工进行了系统的研究：首先简 要的介绍了液体磁性磨具的概念、组成、物理性质、微观流变机理，以及 液体磁性磨具光整加工的机理、材料去除模型、实验装置、工艺参数等相 关基本理论，然后归纳总结了现有液体磁性磨具的微观和宏观剪切应力模 型；利用临界雷诺数法确定了光整加工中液体磁性磨具的流动状态，在流 动状态确定的基础上，利用非牛顿流体力学和张量分析的理论并结合双粘 度模型，建立了液体磁性磨具光整加工的流体动力学模型，明确了光整加 工中液体磁性磨具运动学和动力学特性，得到了液体磁性磨具的剪切应力 和速度场分布；接着讨论确定了液体磁性磨具的分析区域，并借助有限元 分析软件一a n s y s ，分析和比较了施加磁场前后的液体磁性磨具的剪切应力 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 和速度场；最后对全文进行了总结，并提出了分析中出现的问题和不足， 同时展望了下一步的研究工作。 关键词：液体磁性磨具，光整加工，a n s y s ，数值分析 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n a l y s i sa n di 之e s e a r c ho np r o c e s s i n g s i 爪f a c ev e l o c i t ya n ds t r e s sf i e l d0 ff l u i d m a g n e t i ca b r a s i v e s a bs t r a c t f l u i dm a g n e t i ca b r a s i v e s ( f m a ) a r ean e wk i n do fp r e c i s i o nf i n i s h i n g a b r a s i v e s ，w h i c ht a k ea d v a n t a g eo ft h et h e o r yt h a tt h em a g n e t i s mi n d u c e sp h a s e t o c h a n g e ，i n t h ea b s e n c eo fa n a p p l i e dm a g n e t i cf i e l d ，f m a e x h i b i t n e w t o n i a n 1 i k eb e h a v i o u r ，c a nc o n t a c tw o r k p i e c es u f f i c i e n t l y w h e ne x p o s e dt o a m a g n e t i cf i e l d ，t h ev i s c o s i t ya n dy i e l ds h e a r i n gs t r e s si n c r e a s e ss e v e r a lo r d e r s o fm a g n i t u d e ，t h ef m ac h a n g ef r o mn e w t o n i a nf l u i dt os o l i d ，a n dt h i sc h a n g ei s s u c c e s s i v e 、r e v e r s i b l e ，i nc a s eo fr e m o v i n ge x t e m a lm a g n e t i cf i e l d ，t h ef m a r e t u mt on e w t o n i a nf l u i d t h eu n i q u er e h e o l g i c a lp r o p e r t yo ft h ef m am a k e si t l i k ea “s o f t g r i n d i n gw h e e l ，c a na d a p tt od i f f e r e n tp r o f i l eo fw o r k p i e c e ，w h e n t h e r ei sr e l a t i v em o v e m e n tb e t w e e nt h ef m aa n dw o r k p i e c e ，f i n i s h i n gi s r e a l i z e d t h e d i s s e r t a t i o n ，w h i c h i sb a s e do nt h e e x i s t i n gs t u d y o ft h e f m a ，r e s e a r c hi n t ot h ef m aa n d i t sf i n is h i n g s y s t e m a t i c l y w i t h a d o p t i n g c o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：f i r s to fa l l ，t h e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c ec o n c e p t ，c o m p o s i t i o n ，p h y s i c a lp r o p e r t y 、m i c r o c o s m i c r h e o l o g i c a lm e c h a n i s mo ft h ef m a ，a n da l s ot h ec o r r e l a t i v eb a s i ct h e o r yo ff m a i t m l s h l n gm e c h a n l s m 、m a t e r i a lr e m o v e dm o d e l 、e x p e r i m e n t a le q m p m e n t 、 t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，t h e ns u mu pt h ee x i s t i n gm i c r o c o s m i ca n dm a c r o s c o p i c a l s h e a r i n g s t r e s sm o d e lo ft h ef m a ，c o n f i r mf l o ws t a t eo ft h ef m ad u r i n g f i n i s h i n gw i t ha d o p t i n gc r i t i c a lr e n a u l tm e t h o d ，b a s e do nt h ec o n f i r m a t i o no ft h e f l o ws t a t e ，e s t a b l i s hh y d r o k i n e t i c sm o d e lo ft h ef m a f i n i s h i n gw i t ha d o p t i n gt h e t h e o r y o fn o n n e w t o n i a n l i q u i d a n dt e n s o r a n a l y s i s a n dc o m b i n i n gw i t h b i v i s c o s i t ym o d e l ，c o n f i r mk i n e m a t i c sa n dm e c h a n i c sp r o p e r t yo ft h ef m a f i n i s h i n g ，g a i n e ds h e a r i n gs t r e s sa n dv e l o c i t yf i e l dd i s t r i b u t i n go ft h ef m a ，t h e n d i s c u s sa n dc o n f i r ma n a l y s i sa r e ao ft h e f m a ，a n a l y s ea n dc o m p a r ew i t h s h e a r i n gs t r e s sa n dv e l o c i t yf i e l do ft h ef m a ，w h e ni na b s e n c eo fa n de x p o s e dt o e x t e m a l m a g n e t i cf i e l d ，b y v i r t u eo ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e - a n s y s ；f i n a l l y , s u mu pt h ew h o l ea r t i c l e ，a n dp r e s e n tp r o b l e ma n dd e f i c i e n c y d u r i n ga n a l y s i s ，a n db r i n gf o r w a r dn e x ti n v e s t i g a t i o nw o r ks i m u l t a n e o u s l y k e yw o r d s ：f l u i dm a g n e t i ca b r a s i v e ，f i n i s h i n g ，a n s y s ，n u m e r i c a la n a l y s i s 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：孜逸缝日期：邋鲤亟屋丝宣 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：砬逐逐日期：型星垒厦丝旦 导师签名：啦 啉 h 麓。h 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 液体磁性磨具光整加工的研究背景 1 1 1 目前光整加工方法的局限性 光整加工技术是指在机械加工中旨在提高零件表面质量的各种加工方法、加工技 术，包括毛坯表面光整加工技术和精密表面光整加工技术。对于毛坯零件表面的光整加 工，是指零件在经过铸锻、冲压、焊接之后，对存在表面氧化层、皱曲、粘砂、残留焊 渣等缺陷的零件表面进行清砂、镀前处理等，以保证毛坯零件表面质量为目的的光整技 术：精密表面光整技术，是指零件经切削加工后，进行棱边倒圆、去毛刺、消除微观裂 纹、细化表面粗糙度、改善物理力学性能等为目的的光整技术。下面简要地介绍常见光 整加工方法在加工异型零部件时存在的局限性。 传统光整加工方法中的手工光整加工，适用于单件小批量生产，劳动强度高。由于 受到工人技术等级、熟练程度的影响，质量不稳定，效率低；而机械光整加工需要安排 多道工序，并且各工序间必须不断的更换、清洗磨料，工作量大，效率低，较难、甚至 无法加工磨头无法触及的异型件、细长管件或大型工件。 非传统光整加工方法中的脉冲电化学机械光整加工，要实现对复杂曲面的光整加 工，工具头必须高度柔性连接，并且由于电极制作困难，无法加工那些u 型管、异型槽、 口径小的大型容器等的内表面：而磁粒光整加工虽然可以实现自由曲面的加工，但由于 生产效率低，限制了其的广泛应用。 基于以上传统和非传统光整加工方法存在的局限性，迫切需要开发一种适应性好， 生产效率高的新型光整加工方法。 i 。i 。2 液体磁性磨具光整加工技术的提出 磁流变液是一种具有可控流变行为的稳定的悬浮液，性能良好的磁流变液在磁场的 作用下能产生明显的流变效应，即在毫秒量级的时间内实现液态和固态的快速转化，而 且这个转化过程是连续的、可逆的、能耗极小，可实现实时主动控制。由于施加了磁场 太原理工大学硕士研究生学位论文 后的磁流变液具有较高的剪切应力，因此在磁流变液中加入非磁性磨粒，可以对光学材 料表面进行抛光，得到纳米级表面质量并且有效去除前加工工序所造成的亚表面破坏 层，其加工过程见图1 - 1 。 磁流交液在流经工件与抛光盘形成的微小间隙时，受到磁场的作用，形成具有很高 剪切屈服应力的类固态“小磨头”对工件进行抛光，而当其流出磁场区域时又恢复为很 好流动性的流体，通过泵和回收装置可以实现磁流变液的循环使用。由于磁流变液“小 磨头 与工件之间形成的是软接触，即所谓的柔性抛光，代替了传统抛光中的散粒磨料， 实现对工件的精密去除。磁流变抛光具有抛光效率高、受磁场可控、剪切应力高、磨头 无磨损、温度适用范围宽等其他传统抛光方法所没有的优点，并且通过计算机的控制可 以实现复杂光学表面的加工1 1 j 。 l 旋转圭轴山 图卜1m r f 买验装置图 f i g 1 1s c h e m a t i cv i e wo f m r fe x p e r i m e n t a ls e t 由于磁流变液抛光技术主要应用于玻璃、陶瓷等非金属无法应用于机械零部件的光 整。考虑到目前光整加工方法存在的缺陷及磁流变液抛光技术的突出优点，我们提出了 一种基于磁流变液相变特性的，适用于加工不规则形面、磁性和非磁性材料的精密光整 加工新技术液体磁性磨具光整加工技术。 1 2 液体磁性磨具光整加工的研究现状 自液体磁性磨具光整加工的概念提出以来，在理论和实验方面对液体磁性磨具及其 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 光整加工都进行了细致深入的研究，取得了一些有价值的研究成果，但也存在一些不足 和需要改进的地方。目前取得的研究成果有： 第一：研究并设计好了液体磁性磨具光整加工的完整实验装置和部分物理参数的测 试装置； 第二：通过实验和理论研究确定了液体磁性磨具的组成成分和配比，配制成功了稳 定性较好的用于光整加工的液体磁性磨具； 第三：从理论上分析了影响液体磁性磨具稳定性的主要因素； 第四：从理论上分析了液体磁性磨具的微观流变机理； 第五：利用实验室自制的测试手段大致测得了液体磁性磨具的密度、初始粘度和静 态剪切应力； 第六：研究了工艺参数对加工质量和加工效率的影响，提出并确定了液体磁性磨具 光整加工的最佳工艺参数； 第七：从理论上分析了液体磁性磨具光整加工的机理。 虽然对液体磁性磨具光整加工技术的研究取得了一些成果，但仍然有很多需要进一步研 究和改进的地方，它们主要体现在： 第一：测试装置上还需要改进，现有的实验室测试装置缺乏足够的精度，比如自制 的测试剪切应力的装置需要动态的向托盘上添加沙子，这样不可避免的会使托盘晃动， 影响了测量值的准确性；实验中用于给磁场发生装置提供电流大小的直流电源有限，最 大值仅为2 5 a ，导致自制的测试液体磁性磨具磁饱和强度的装置未能准确测试出磁饱和 强度，得到的磁化特性曲线也不够完整； 第二：液体磁性磨具的剪切屈服应力测量装置使用不够方便，准确性也不高，特别 是动态剪切屈服应力难以准确测量，这在一定程度上限制了对液体磁性磨具进行深入、 准确的研究。因为在光整加工过程中，施加了外部磁场的液体磁性磨具由牛顿流体相变 为粘塑性半固体，其突出的特点是剪切应力增加了几个数量级，有文献记载在一定的电 流强度下，剪切屈服应力可以达到几十千帕甚至上百千帕，正是这种高剪切应力在光整 加工中起到了去除工件表面材料的作用； 第三：液体磁性磨具光整加工的数学模型还没有建立起来，已建起的数学模型是将 光整加工中液体磁性磨具的运动形式看作轴颈轴承润滑时流体的运动形式，利用流体动 力学润滑的理论对其进行了初步的理论分析并建立了相应的数学模型，而液体磁性磨具 太原理工大学硕士研究生学位论文 光整加工是在一个装有类似于“柔性砂轮 的液体的开放容器中对工件进行加工的，属 于浸没式加工，加工工件的运动形式是不断发生变化的，因而流体的运动形式不同于轴 颈轴承润滑时流体的运动形式； 第四：光整加工中液体磁性磨具的流动状态和剪切应力的分布还没有确定，剪切应 力的分布决定了工件表面材料去除量的多少，分布均匀的剪切应力，光整加工后得到的 工件表面粗糙度比较均匀； 第五：液体磁性磨具在外加磁场作用下，磁性粒子的分布状态还没有确定，可以说， 在外加磁场作用下，由于磁场分布的不均匀，导致容器中磁性粒子的分布不均，进而导 致容器中不同位置，液体磁性磨具的密度和粘度的不同； 第六：液体磁性磨具在外加磁场的作用下，粘度值还没有测得，粘度值直接影响到 了液体磁性磨具的流体动力学分析。 尽管还存在许多的不足，但是用于复杂型面光整加工的液体磁性磨具光整加工技术 是可行的，具有很好的发展前景。 1 3 本文的研究目的、意义和内容 1 3 1 本文的研究目的和意义 液体磁性磨具( f m a ) 是一种在外加磁场作用下流变特性会发生显著变化的新型光 整加工用磨具。液体磁性磨具的光整加工过程是利用其在无外加磁场作用下表现出牛顿 流体的特性，使其能够与工件表面充分接触，一旦施加外部磁场，其粘度和剪切应力可 在毫秒级的时间内增加两个数量级以上，表现出粘塑性的半固体的特性，把磨粒压在工 件表面上，这样就可以自动依据工件表面的形状生成一个研磨层，通过工件与研磨层的 相对运动，实现磨粒对工件的微量磨削，从而达到提高工件表面质量的目的。液体磁性 磨具光整加工过程中与工件表面接触部分的应力场和速度分布是决定光整加工效率及 加工质量的最重要的参数，因为应力场及速度分布决定了光整加工中工件表面材料去除 量的多少，进而决定了加工后工件表面的微观几何形状，即粗糙度值的大小。而应力场 及速度分布又取决于工件转速、磁场强度大小以及加工时间等加工工艺参数，不同的加 工工艺参数将获得不同的应力场及速度分布，最终将以不同的加工效率获得不同加工质 量的工件。因此，本文利用非牛顿流体力学的知识对液体磁性磨具光整加工进行理论分 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 析，通过建立液体磁性磨具光整加工的流体动力学模型，以及对这一模型进行的数值模 拟，从理论和数值上明确了光整加工中液体磁性磨具的应力场及速度分布，这对于我们 深入研究加工机理，选择最佳的加工工艺参数以获得高效的光整加工效率、高质量的加 工表面具有重要的实践意义。 1 3 2 本文的研究内容 液体磁性磨具是基于磁流变液、磁性液体的流变特性和磨粒的切削性能提出的一种 新型光整加工用磨具，因此对液体磁性磨具光整加工的分析研究在很多方面借鉴了磁流 变液和磁性液体的研究方法和研究成果。而对液体磁性磨具光整加工的数学模型方面至 今还没有一个切合实际的或者与实验结果吻合很好的模型，特别是剪切应力模型方面， 存在着宏观和微观两种不同的模型，因此本文在借鉴磁流变液剪切应力模型的基础上， 建立了液体磁性磨具光整加工的流体动力学模型，并借助有限元分析软件分析了基于牛 顿流体和非牛顿流体下的液体磁性磨具的流动状态和速度分布，以及相应的剪切应力的 分布，为进一步认识液体磁性磨具光整加工奠定了理论基础。因此，本课题的主要研究 内容有： 1 在借鉴磁流变液剪切应力模型的基础上分析了液体磁性磨具的宏观和微观剪切应力 模型； 2 在剪切应力模型研究的基础上，利用非牛顿流体力学和张量分析理论，建立了液体磁 性磨具光整加工的流体动力学模型； 3 借助有限元分析软件a n s y s 分析基于牛顿流体和非牛顿流体的液体磁性磨具光整加工 过程，得到了不同类型流体下的速度分布和剪切应力分布； 4 总结全文的主要研究结论和成果，指出了有待解决的问题，并展望了下一步的研究工 作。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章液体磁性磨具及其光整j j u l - 2 1 液体磁性磨具概述 2 1 1 液体磁性磨具的概念 液体磁性磨具是将微米级的磁性微粒、稳定剂( 表面活性剂) 和一定比例和粒度的非 磁性磨粒均匀的分散于载液中形成的随外加磁场变化而具有可控流变特性的稳定的悬 浮液体。 在没有外加磁场的条件下，液体磁性磨具呈现标准的牛顿流体状态，而在施加外部 磁场的条件下，其表观粘度和剪切屈服应力可在毫秒级的短时间内增加几个数量级以 上，由牛顿流体迅速相变为类固体，其强度可由剪切屈服应力来表征，而且这种变化是 连续的、可逆的，一旦去掉外部磁场，又恢复为具有很好流动性的牛顿流体。因而利用 液体磁性磨具的这种独特的流变特性可以加工许多传统光整加工方法难以加工的机械 零件，如回转曲面类零件、零件内腔等。 2 1 2 液体磁性磨具的组成 由液体磁性磨具的概念我们可以知道，液体磁性磨具是将微米级的磁性微粒、具有 改善界面性能的表面活性剂和一定比例和粒度的非磁性颗粒均匀的分散于载液中形成 的稳定悬浮液体，因此，液体磁性磨具主要由分散相的磁性微粒、磨粒和连续相的基载 液和表面活性剂四部分组成f 2 1 。 磁性微粒：性能良好的液体磁性磨具在外磁场作用下呈现出良好的流变性，具有较 大的剪切应力，其中的磁性微粒被磁化，形成有序的链状结构，使液体磁性磨具的粘度 增大；一旦去掉外部磁场，液体磁性磨具又应恢复良好的流动性。这就要求去掉外部磁 场后液体磁性磨具不存在剩磁或残留极小的剩磁。液体磁性磨具光整加工中，为了使磁 性微粒在磁场中形成较牢固的链状结构以获得较大的剪切应力，磁性微粒的尺寸要足够 大，能克服布朗运动对链状结构的破坏；但尺寸过大也容易沉淀，使其稳定性变差。目 前，通常用作磁介质微粒的有四氧化三铁( 凡，q ) 、赤铁矿一f e ：q ) 、铁氧体、稀土 太原理工大学硕士研究生学位论文 合金，但是相比较而言，羰基铁具有高磁导率，低磁矫顽力，又是可以广泛获得的软磁 材料。因此，在实验中选择羰基铁作为磁介质微粒，粒度为3p r o - 5 朋。 磨粒：液体磁性磨具光整加工过程中，磨粒直接对工件进行微量切削、挤压和刻划。 因此，磨粒的机械、物理、化学性能对光整加工后工件的表面质量起着非常重要的作用。 机械性能要求磨粒具有一定的强度和较高的硬度，从而实现对工件的磨削加工；物理、 化学性能要求磨粒在磨削热的作用下，不被软化或发生化学分解，且不与其他材料发生 化学反应，进而保持良好的磨削性能。常用的磨粒材料有氧化铝( 彳，0 3 ) 、天然或合成 金刚砂、立方氮化硼( c b n ) 、绿碳化硅( s i c ) 等，通过不同磨粒种类对光整加工效果 的影响实验最后确定选择绿碳化硅( s i c ) 作为磨粒，并且根据不同的工件表面质量要 求可以选择不同的磨粒粒度1 3 j 。 基载液：基载液是液体磁性磨具的载体，其性能直接影响液体磁性磨具的流变性和 稳定性。在液体磁性磨具的具体配制实验过程中，可以选择煤油、硅油等作为基载液，也 可以选择水作为基载液，但是最终我们选择水作为液体磁性磨具的基载液。原因是以水 为基载液的液体磁性磨具的最大优点是在相同的磁场强度条件下，其剪切屈服应力要远 远大于相同浓度下以煤油、硅油等为基载液的液体磁性磨具【4 1 。这一点在光整加工过程 中起到很关键的作用，因为在实际的光整加工过程中，液体磁性磨具的剪切屈服应力越 大，作用于工件表面的剪切应力越大，那么加工工件表面的材料去除率就越高，光整加 工的效率也就越高。另外，水还具有低蒸发率、适宜的粘度，保证了液体磁性磨具组分 和沉降的稳定性；除此之外，水还具有冷却、洗涤、润滑作用，化学稳定性好、无毒、 无异味、价格低廉便于大规模生产等优点。 表面活性剂：在液体磁性磨具中添加表面活性剂主要是用于改变基载液和磁性颗 粒的表面性质，降低两者之间的界面能，确保磁性微粒悬浮于基载液中，选择合适的表 面活性剂可以增加液体磁性磨具的耐用性，延长其使用寿命。一般来说用于液体磁性磨 具的表面活性剂分为三种1 5 】：凝聚稳定剂、沉淀稳定剂和温度稳定剂。凝聚稳定剂用于 阻止液体磁性磨具中的磁性微粒形成聚合体。沉淀稳定剂的作用是阻止液体磁性磨具中 的磁性微粒随时间的推移而发生沉淀。温度稳定剂的作用是抑制液体磁性磨具随温度升 高和降低的作用，保证液体磁性磨具处于一个稳定的温度范围。由于液体磁性磨具的基 载液是水，具有冷却作用，使得加工过程中加工区的温度变化不是很大。因此，对液体磁 性磨具表面活性剂的研究主要集中在凝聚稳定剂和沉淀稳定剂上。目前，在实验中配制 太原理工大学硕士研究生学位论文 成功的液体磁性磨具选用的表面活性剂为十二烷基磺酸钠，具有凝聚稳定剂和沉淀稳定 剂的双重作用，较成功的解决了磁性颗粒间的抱团凝聚和沉降性问题，这种表面活性剂 具有独特的结构，一般是亲油基和亲水基这两种性质不同结构组成的低聚物。它的亲水 基可以吸附在磁性颗粒的表面，而亲油基象“鞭梢”一样扩散在载液当中。磁性颗粒吸 附表面活性剂以后，由于亲油基的“鞭梢”相互缠绕及排斥，一方面会增加颗粒的体积， 减少它们相互吸引碰撞的机会，另方面会在载液内部形成一个相互作用的三维骨架， 而磨粒则嵌附于这些骨架之中，从而降低由于颗粒与载液的比重差而造成的颗粒沉降【6 j 。 液体磁性磨具的稳定与否影响着液体磁性磨具在磁场中的反应速度、剪切屈服应力的大 小。而且液体磁性磨具中磁性颗粒的分布也影响着微细磨料在其中的分布，进而直接影 响着工件的表面加工质量。 实验室配制成功的稳定性较好的液体磁性磨具其重量比配方为：3 5 的羰基 铁，2 5 6 的水，3 8 5 的绿碳化硅，0 5 的稳定剂，乙醇为0 1 8 。实验用液体磁性磨具见 下图2 1 。 图2 - 1 实验用液体磁性磨具【7 】 f i g 2 1f l u i dm a g n e t i ca b r a s i v e s 2 1 3 液体磁性磨具的微观流变机理 液体磁性磨具是由高磁导性、低磁矫顽力的磁性颗粒和非导磁性的基载液、一定粒 度和比例的磨料，以及表面活性剂组成。在无外加磁场时，该磨具符合标准的牛顿流体 的本构关系，而在施加外部磁场的条件下，其表观粘度和剪切屈服应力可在非常短的时 间内增加几个数量级以上，由牛顿流体迅速相变为粘塑性的半固体，当撤除外加磁场作 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 用时，该流体又迅速恢复为原来的牛顿流体，液体磁性磨具的这种性质称为流变性。 液体磁性磨具是由四种成分经过充分的搅拌配制而成，因而在无外加磁场作用时， 磁性颗粒和磨料悬浮于基载液中，由于自身的布朗运动而呈随机分布状态，可自由移动， 见图2 2 ( a ) ：当在外加磁场作用时，和普通磁介质在磁场中磁化的原理一样，分散在 基载液中的磁性颗粒会发生磁化效应而产生磁偶极矩，形成磁偶极子，磁偶极子在外加 磁场作用下可相互发生作用，为了达到能量最小而形成长链。随着外磁场的加大，使这 种链状结构进一步发生聚变，形成复杂的团簇状结构，这种微观结构上的变化直接导致 了液体磁性磨具流变性质的变化。在这一变化过程中，非磁性颗粒一磨料在磁场中不会 被磁化，因而，在零磁场中均匀分布在基载液中的磨料，在磁场作用下便会被均匀挟持在 磁性颗粒形成的链状和柱状结构之间，并且由于这些链状和柱状结构十分稳定，导致磨 料不能自由的移动，见图2 - 2 ( b ) 。 ( a ) 图2 - 2 液体磁性磨具的微观流变机理 f i g 2 2m i c r o c o s m i ct h e o l o g i c a lm e c h a n i s mo ff l u i dm a g n e t i ca b r a s i v e s a ) 无外加磁场的液体磁性磨具b ) 施加磁场后的液体磁性磨具 2 1 4 液体磁性磨具的物理性质 深入的分析和研究液体磁性磨具的物理性质对于准确、全面地认识其本质具有重要 的意义。在现有的实验数据测试装置条件下，我们基本测得了液体磁性磨具在零磁场下 的密度、动力粘度，以及不同磁场条件下( 不同电流大小) 的剪切应力和磁饱和强度。 密度：利用液体比重计测得的液体磁性磨具在零场下的密度为1 3 6 9 c m 3 。这里需要 说明的一点是，在测试液体磁性磨具前必须进行充分的搅拌，避免液体磁性磨具中的磁 性颗粒、磨粒发生团聚和沉降，导致各部分表观密度的不同。另外，这里一直强调测试的 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 液体磁性磨具的密度需要在零磁场条件下进行，是因为液体磁性磨具在施j j h # i - 部磁场之 后，由牛顿流体相变为粘塑性的半固体，而其内部粒子由均匀分布转变为沿着磁场线形 成链状和团簇状结构，导致各部分密度值不同。在施加了磁场之后影响密度值的因素较 多，例如：不同的磁场强度、不同的磁场方向和磁场的分布特点都会导致内部微观结构的 重构，进而影响到表观密度。 动力粘度：我们将液体磁性磨具在零场下的动力粘度成为初始粘度。初始粘度是液 体磁性磨具的一个非常重要的性质，初始粘度决定其在零磁场下的流动性，初始粘度低， 则其流动性就好。这样，在进行液体磁性磨具光整加工过程中，有利于液体磁性磨具中 的磁介质微粒和磨粒的自由移动和均匀分布，光整加工后得到的工件表面质量也比较理 想。测量初始粘度的方法比较多。例如：落球法、转筒法和毛细管法。在实验中，我们 使用基于转筒法原理的n d j l 型旋转粘度计测得的初始粘度为6 1 2 5 c p 。 剪切应力：剪切应力在一定意义上反映了液体磁性磨具由自由流动的牛顿流体固化 为半固体的固化效果。在同一磁场强度下，剪切应力数值越大，液体磁性磨具的固化效 果越好，实际上也就是液体磁性磨具的流变性能越好。固化了的液体磁性磨具用于光整 加工时，在其它相关条件不变的情况下，单位时间内工件表面的材料去除量也就越多， 即光整加工效率越高。因此，不同磁场强度下剪切应力的大小是衡量液体磁性磨具性能 好坏和光整加工效率高低的最重要的参数。剪切应力的测试难度比较大，而且在现有的 实验室测试装置条件下，只能测试得液体磁性磨具的静态剪切应力，无法进行动态剪切 应力的测试，而光整加工过程中，液体磁性磨具主要体现为动态剪切应力，只有分析清 楚动态剪切应力的大小及其分布，才能提高液体磁性磨具光整加工的可控性，实现确定 性加工。从这一点可以看到，动态剪切应力的测试水平限制了进一步对液体磁性磨具的 剪切应力的研究与探索。实验中用于测试液体磁性磨具静态剪切应力的装置见图2 3 ， 测得的静态剪切应力值见表2 1 。 太原理_ 大学硕士研究生学位论文 图2 - 3 液体磁性磨具静态剪切应力的测试装置【2 j f i g 2 3t h ed e v i c eo f t e s t i n gf l u i dm a g n e t i ca b r a s i v e s 表2 - 1 不同测试状态下静态剪切应力的测试值 t a b 2 1t h et e s t i n gv a l u eo fs t a t i cs h e a r i n gs t r e s sa td i f f e r e n ts t a t e 测试状态零磁场电流1 a电流1 5 a电流2 a电流2 5 a 静态剪切应力，p a 6 9 07 1 6 0 9 5 7 0 1 3 0 7 01 4 1 7 0 磁饱和强度：在实验中，通过改变不同的励磁电流来得到不同的磁感应强度。将电 流由小逐渐增大，观察磁感应强度的变化，发现随着电流的增大，磁感应强度逐渐增大， 而当增加到一定值时，再增大励磁电流，磁感应强度不再增加，这时液体磁性磨具中的 全部磁畴与外磁场方向一致，磁感应强度达到饱和，此时的磁感应强度称为饱和磁感应 强度。由前面的介绍我们知道，当施加了磁场之后，液体磁性磨具由牛顿流体相变为类 固体，其粘度和剪切应力都增加了几个数量级，磁感应强度越大，剪切应力越大，因而， 很自然的得出当液体磁性磨具达到磁饱和状态时，剪切应力最大，而光整j j n i 中恰恰就 是利用这种高的剪切应力进行工件表面材料的去除。因此，研究液体磁性磨具的磁饱和 强度，对于准确掌握其脾if - 厶匕h 匕、节省能源和提高光整加工效率都是有重要意义的。实验中 测得的磁感应强度和计算得到的磁场强度值见表2 2 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 2 不同测试状态下的磁感应强度和磁场强度值 t a b 2 2m a g n e t i ci n d u c t i o na n dm a g n e t i cf i e l di n t e s i o na td i f f e r e n ts t a t e 测试状态 电流0 5 a电流i a电流2 a 磁感应强度，t 0 2 40 3 10 3 5 5 磁场强度，a m 1 0 7 6 7 72 7 3 3 2 36 3 7 0 0 0 将表中的磁感应强度和磁场强度列于直角坐标系中，横坐标为磁场强度，纵坐标为磁感 应强度，得到反映液体磁性磨具磁化特性的磁化曲线( b h 曲线) ，见下图2 4 。 蔽体磁f 生磨具脚曲线 卜 田 撂 0 4 0 3 5 0 3 0 2 5 0 2 0 1 5 0 1 0 0 5 0 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 磁溅h ( k a m ) 图2 - 4 液体磁性磨具b - h 曲线 f i g 2 4b hc u r v eo f f l u i dm a g n e t i ca b r a s i v e s 从上图可以直观的看出随着磁场强度的增大，磁感应强度( 磁密) 在先经历急剧增加过 程( 0 a 段) ，然后逐渐缓慢下来( a b 段) ，最后当磁场强度h 很大时，磁感应强度逐渐 达到饱和值，也就是图中b c 段逐应逐渐趋近于平缓，上图中未能完整的表现这一变化 趋势，原因是实验中未能提供足够大的磁场强度，也就是励磁电流有限，能够提供的最 大电流仅为2 5 a ，但从图中我们已经可以清楚的看出磁感应强度随磁场强度变化的规律 【8 1 。 2 2 液体磁性磨具光整加工概述 2 2 1 液体磁性磨具光整加工的概念 液体磁性磨具光整加工是指利用液体磁性磨具独特的流变特性来提高零件表面质 量的自由磨具光整加工技术。 太原理工大学硕士研究生学位论文 液体磁性磨具在没有外部磁场的情况下，和一般的牛顿流体一样具有良好的流动 性；而在施加外部磁场作用下，可以在毫秒级短时间内由流动良好的牛顿流体变为粘塑 性的半固体，实现了由液态到“固态”的转变；当去掉外部磁场时又迅速恢复为牛顿流 体。这种连续、可逆、迅速、易于控制的流变特性，使液体磁性磨具类似于一个“柔性 砂轮，能够让磨具与不同型面的零件很好地贴合在一起，然后再加以一定的相对运动就 可以实现对工件的光整加工。由于液体磁性磨具中磨料的载体是液体，加工过程中磨料 相对于工件没有确定的相对位置，始终处于游离状态，所以液体磁性磨具光整加工技术 属于自由磨具光整加工的范畴【7 1 。 2 2 2 液体磁性磨具光整加工机理 无外加磁场时，液体磁性磨具中的磁性粒子没有形成链状结构，对非磁性的磨粒形 不成束缚，导致磨粒对工件表面形不成足够的压力，当工件表面与磨粒有相对运动时， 磨粒只能滚过工件表面的轮廓峰，因而未能实现对工件表面的微量切削，见图2 - 5 。 ( a )( b )( c ) 臀 龇滥 图2 5 无外加磁场时没有实现光整；b - r f i g 2 5n of i n i s h i n gi na b s e n c eo fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d a ) 磨粒接近微观突起b ) 磨，陛滚过微观突起c ) 磨粒滚过后微观突起没有被切削 当施加外部磁场时，液体磁性模具中的磁性粒子沿着磁场线方向形成链状结构，非 磁性的磨粒则嵌在这些链状结构中，不能自由扩散，链状结构中的磁性粒子通过电磁力 相互吸引，将磨粒不断地挤向工件表面并对其形成了一定的压力，当工件表面与磨粒有 相对运动时，如果作用于磨粒的电磁力沿工件运动方向的分量切向力大于磨粒与工件表 面的摩擦力，则此时磨粒对工件表面的轮廓峰进行微量切削，见图2 - 6 ，如果切向力小 于摩擦力，则磨粒同无外加磁场时的情形一样滚过工件表面的轮廓峰，但此时工件表面 可能产生了微小的塑性变形，当微小的塑性变形不断累积，达到工件材料的塑性疲劳极 限时，磨粒将工件表面的轮廓峰材料切掉一小部分，实现了光整加工，见图2 7 ，另外 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 在磨粒对工件表面进行微量的切削、挤压和刻划的同时，在切削区域可能还伴随着化学 反应的发生，加速了光整加工的进行【9 1 。 ( a )( b )( c ) 磨粒磁性粒孑 盛盛黛 图2 - 6 切向力大于摩擦力 f i g 2 6t a g e n t i a lf o r c ei sl a r g e rt h a nf r i c t i o nf o r c e 8 ) 磨粒接近微观突起b ) 磨粒对微观突起进行微量切削c ) 微量切屑被移除 ( a )( b )( c ) 磨粒磁性粒子 盛盛盛 图2 - 7 切向力小于摩擦力 f i g 2 7t a g e n t i a lf o r c ei ss m a l l e rt h a nf r i c t i o nf o r c e a ) 磨粒接近微观突起b ) 磨粒接触微观突起c ) 磨粒滚过微观突起，产生微小塑性变形 2 2 3 液体磁性磨具光整加工的材料去除模型 液体磁性磨具光整加工是利用液体本身所具有的流动性和外加磁场提供的磁性来 保证磨粒与工件被加工表面间的相对运动和压力，从而达到去除工件被加工表面多余材 料的方法。因而和传统的光整加工方法一样，满足p r e s t o n 方程，材料去除率可以表示 为公式( 2 1 ) ： 尺：即形：k 堕：k 丝( 2 1 ) ss 式中k 一工艺系数，与液体磁性磨具成分、加工区温度、工件材料等有关； p 一磨具对工件表面的研磨压力； 太原理工大学硕士研究生学位论文 v l 一磨具和工件表面的相对速度； t 一磨具对工件表面的剪切应力； e 一磨具与工件表面的摩擦系数； w 研磨功率； 其中k 、v l 和e 可以通过实验测出。 2 2 4 液体磁性磨具光整加工的实验装置 在分析了液体磁性磨具的微观流变机理和光整加工机理后，我们可以知道液体磁性 磨具光整加加工的试验装置应该由保证液体磁性磨具在外加磁场下发生流变性的磁场 发生装置和提供工件不同运动参数的动力装置组成，图2 - 8 是一种利用数控钻铣床进行 液体磁性磨具光整加工的装置示意图。 图2 - 8 实验装置总体结构【2 1 f i g 2 8s t r u c t u r eo fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 1 磁场发生装置2 工件3 液体磁性磨具4 三维数数控铣床 动力装置这里主要采用改造的三维数控钻铣床，用来实现工件的回转运动和轴向运 动等不同的运动轨迹，从而改变工件表面的磨削方向，使切削方向上出现多向性效果， 有利于工件表面粗糙度的减小，同时能够保证不断的有新的磨粒参与光整加工，避免了 磨粒的钝化，提高了光整加工的效率。磁场发生装置作为整个实验装置的核心则是要满 足液体磁性磨具本身所需的工艺参数，通过调节磁场发生装置中电磁铁电流的大小可调 节磁感应强度的大小，从而进一步控制液体磁性磨具剪切应力，实现对工件研磨压力和 切削力的控制，最终达到对工件表面光整加工的目的，磁场发生装置见图2 - 9 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 9 磁场发生装置 f i g 2 9d e v i c eo ff o r m i n gm a g n e t i cf i e l d 1 容器2 磁极3 磁轭4 大铁心5 线圈 2 2 5 液体磁性磨具光整j it 的工艺参数 在液体磁性磨具光整加工中，工艺参数的选择是非常重要的。一组合理的工艺参数 能够更好地使工件形状精度和表面质量达到预期的效果。液体磁性磨具光整加工的工艺 参数包括：研磨时间、磁场强度和工件旋转速度，其中磁场强度通过电流强度来表征。 以下是不同工件的粗糙度降低量随工艺参数的变化规律，见图2 1 0 、图2 1 1 和图2 一1 2 ， 这些变化规律在光整加工中对于选择最佳的工艺参数以期达到最佳的加工效果具有重 要的指导意义。 名1 z l , 删0 出 妥0 弘 襄0 o o51 01 52 0 时间( m i n ) 图2 - 10 粗糙度降低量与加工时间的变化关系 2 1 f i g 2 10r e l a t i o nb e t w e e nd e c r e m e n to fr o u g h n e s sa n dt i m e 太原理工大学硕士研究生学位论文 ，、1 e 1 唧0 也 匠0 鬓o 囊0 。 o u l z 34 电流( a ) 图2 1 1 粗糙度降低量与电流大小的变化关系【2 】 f i g 2 11r e l a t i o nb e t w e e nd e c r e m e n to fr o u g l m e s sa n dc u r r e n t 从图2 - 1 0 和图2 - 1 1 中，可以看出，不同材质的工件( 这里为钢件和铝件) 的粗糙 度降低量随加工时间的变化趋势和随电流大小的变化趋势大致相同，基本上都是随着加 工时间和电流的大小的增加，钢件的粗糙度降低量逐渐增加，