（机械制造及其自动化专业论文）磁流变液及其柔性夹具阻尼单元的阻尼特性研究.pdf

m a y2 0 1 0 s c h o o lo fe l e c t r o - - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u 。g u a n g d o n g ，p r c h i n a 。5 10 0 0 6 摘要 摘要 柔性夹具在不规则件和薄壁件) j n t 中有着广泛的应用前景。本文结合柔性夹具 的技术要求和磁流变液响应快、可逆、能耗低、易控制的特点，提出了一种适用于 针阵列型磁流变柔性夹具的新型顶针单元结构。论文结合柔性夹具的应用特点，对 磁流变液剪切力测量装置、适用于柔性夹具的磁流变液、以及磁流变柔性夹具顶针 单元的结构设计和阻尼力特性等几个方面进行实验研究。主要的研究内容如下： 1 根据磁流变液器件的特点，结合磁路欧姆定律，确定了磁流变液剪切力测量 装置的磁路设计原则，然后，根据磁流变液的壁面效应，通过实验对剪切碟片的材 料进行了优选。在此基础上，运用机械设计原理和实验力学的测试方法，自行研制 了一套磁流变液剪切力测量装置。 2 分析了磁流变液的组分特性和流变机理；利用实验方法，从钛酸酯偶联剂、 油酸、磺酸钠、聚乙二醇、o p 乳化剂、三聚磷酸钠6 种常用添加剂中优选了防沉 降性较好的新型钛酸酯偶联剂和聚乙二醇添加剂组合；采用单因素实验法，研究了 羟基铁粉的体积含量、硅油粘度和两种添加剂的体积含量对磁流变液的沉降稳定性 和剪切屈服应力的影响规律，分析了钛酸酯偶联剂和聚乙二醇的改性作用机理；在 此基础上，结合柔性夹具应用的需要，采用多因素寻优方法，通过大量的实验，成 功研制了两种剪切屈服强度高、沉降稳定性良好的基于新型添加剂组合的磁流变液。 3 根据剪切阀式顶针的工作原理，推导了它的阻尼力计算公式，建立了参数 化的顶针有限元模型，以顶针的阻尼力为优化目标，结磁固耦合有限元分析和一阶优 化方法，对顶针的结构进行了优化，并制作了顶针试验单元。在此基础上，对灌装 m r f 2 7 0 5 0 磁流变液的顶针单元的阻尼力进行了测量，实验结果表明，优化后的顶 针阻尼力的实验值与理论值基本吻合，阻尼力的平均误差为4 7 5 ，获得了较好的 优化效果。最后，通过实验测试了顶针在灌装自制磁流变液后的阻尼力特性，对比 分析了m r f 2 7 0 5 0 和自制磁流变液的差异及其原因，并对磁流变液的配方提出了改 进建议。 关键词：磁流变液；添加剂；柔性夹具；磁固耦合；阻尼力 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t f l e x i b l ef i x t u r e sh a v eag o o da p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fm a c h i n i n gi 1 1 r e g u l a ra n dt h i n w a l l w o r k p i e c e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ff l e x i b l e f i x t u r ea n dt h eg o o d p e r f o r m a n c eo fm r fw i t hf a s tr e s p o n s e ，g o o dr e v e r s i b i l i t y , l o we n e r g yd i s s i p a t i o na n d e a s yt oc o n t r o l ，an e wt h i m b l eu n i to ft h ep i n a r r a yt y p ef l e x i b l ef i x t u r eb a s e do nm r fi s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm r f , e x p e r i m e n t a l s t u d yo nm r fa p p l i c a t i o ni nf l e x i b l ef i x t u r ea n di t st e s t i n gd e v i c e ，t h es t r u c t u r ed e s i g n a n dd a m p i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h et h i m b l eo ft h ef l e x i b l ef i x t u r ea r ec o n d u c t e di n t h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： 1 b a s e do nt h eo h m sl a wo f m a g n e t i cc i r c u i t ，t h ed e s i g no fm a g n e t i cc i r c u i to ft h e d e v i c ef o rt e s t i n gs h e a rf o r c eo fm r fa r ep r o v i d e d ；t h ew a l le f f e c to fm r fi sd i s c u s s e d ， t h em a t e r i a l - 0 fs h e a r i n gd i s ci sd e t e r m i n e db yt h em e a n so fe x p e r i m e n t f u r t h e r m o r e ，a s h e a rf o r c et e s t i n gd e v i c ef o rm r fi sd e s i g n e d 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n g r e d i e n t si nm r fa n dr h e o l o g ym e c h a n i s mo fm r fh a v e b e e na n a l y z e d ；an e wc o m b i n a t i o no fa d d i t i v e s ，w h i c hi n c l u d et i t a n a t ec o u p l i n ga g e n t a n dp o l y e t h y l e n eg l y c o l ，h a sa l s ob e e nd e v e l o p e df r o mt i t a n a t ec o u p l i n ga g e n t ，o l e i e a c i d ，s o d i u md o d e c y ls u l f o n a t e ，p o l y e t h y l e n eg l y c o l ，e m u l s i f i e ro p , s o d i u m t r i p h o s p h a t eb a s e do nb e t t e ra n t i s e d i m e n t a i t o n b yt h em e a n so ft h es i n g l ef a c t o r e x p e r i m e n t ，t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c i n gm a g n e t o r h e o l o g i c a le f f e c ta n ds e d i m e n t a r y s t a b i l i t yo fm r fi n c l u d i n gt h ev o l u m ec o n t e n t ，t h ev i s c o s i t yo fs i l i c o no i la n dt h e c o n t e n to fa d d i t i v e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ，m e a n w h i l e ，m e c h a n i s mo ft i t a n a t ec o u p l i n g a g e n ta n dp o l y e t h y l e n eg l y c o lh a sb e e na n a l y z e d ；a n dt w ok i n d so fm r fb a s e do nan e w c o m b i n a t i o no fa d d i t i v e sh a v ea l s od e v e l o p e dw i t hm u l t i - f a c t o ro p t i m u mm e t h o d ，t h e y h a v eh i g hs h e a r i n gp r o p e r t i e sa n dw e l la n t i - s e d i m e n t a i t o n 3 a c c o r d i n gt ot h ew o r kp r i n c i p l eo fs h e a r - v a l v em o d et h i m b l e ，af o r m u l ao f c a l c u l a t i n gi t sd a m p i n gf o r c eh a sb e e nd e d u c t e d ，t h ep a r a m e t e r i z e df i n i t ee l e m e n tm o d e l o ft h et h i m b l eh a sb e e nb u i l tu p t a k i n gt h ed a m p i n gf o r c eo ft h i m b l ea so p t i m i z a t i o n o b je c t i v e ，t h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h em o d e la r e o p t i m i z e dw i t hm a g n e t i s m s t r u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i sa n df e mo ff i r s t o r d e ro p t i m i z a t i o nm e t h o d ，a n dt h et h i m b l e a b s 下r a c t u n i th a sa l s ob e e nd e v e l o p e db a s e do no p t i m i z a t i o nr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，t h ed a m p i n g f o r c eo ft h i m b l ea f f u s e dm r f 2 7 0 5 0h a sb e e nt e s t e d ，t h ee x p e r i m e n t e dr e s u l t ss h o wt h a t t h ea v e r a g ee r r o rr a t eb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a ld a m p i n gf o r c ea n dt h et h e o r yd a m p i n g f o r c ei sa b o u t4 7 5 ，t h eo p t i m i z a t i o ne f f e c ti sv e r i f i e d a tt h ee n do ft h ep a p e lt h e d a m p i n gf o r c eo ft h i m b l ea f f u s e ds e l f - d e v e l o pt w ok i n do fm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d sh a s b e e nt e s t e d ，a n dt h ed i f f e r e n c eo ft h es h e a rf o r c eb e t w e e nm r f 2 7 0 5 0a n d s e l f - d e v e l o p e dm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d sm a d eb yo u r s e l fh a sb e e nd i s c u s s e d ，a n ds o m e i m p r o v e m e n t a lm e t h o d so ff o r m u l af o rm a k i n gm r f h a v ea l s ob e e np r o v i d e d k e yw o r d s ：m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d s ；a d d i t i v e ；f l e x i b l ef i x t u r e ；m a g n e t i s m s t r u c t u r e c o u p l i n ga n a l y s i s ；d a m p i n gf o r c e i i i 广东工业大学硕士学位论文 口三量 口水 摘要i a b s t 队c r i i 目录i v c o n t e n t s v i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 磁流变液2 1 2 2 磁流变柔性夹具3 1 3 本课题的来源与主要研究内容6 1 3 1 课题来源6 1 3 2 课题研究内容6 第二章磁流变液剪切力测量装置的研制8 2 1 引言8 2 2 磁路设计9 2 3 剪切机构设计一1 0 2 4 装置的性能测试与分析1 2 2 4 1 扭矩标定。1 2 2 4 2 间隙磁场的测量1 3 2 4 3 碟片间间隙的确定1 4 2 5 本章小结1 5 第三章适用于柔性夹具的磁流变液的研制1 6 3 1 引言1 6 3 2 磁流变液及其流变机理分析1 6 3 2 1 磁流变液组分分析1 6 i v v 广东工业大学硕士学位论文 总结与展望5 8 参考文献6 0 攻读学位期间发表的论文6 3 独创性声明6 4 致谢6 5 v i c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) “i v c o n t e n t s ( i ne n g l i s h ) v i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 ir e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2b a c k g r o u n da n dl i t e r a t u r er e v i e w ：1 1 2 1m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d 2 1 2 2f i e x i b l ef i x t u r eb a s e do nm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d 3 1 3s o u r c ea n dm a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c h 6 1 3 1s o u r c eo f t h er e s e a r c h 6 1 3 2m a i nc o n t e n t s 6 c h a p t e r 2r e s e a r c ho nt h es h e a rf o r c et e s t i n gd e v i c ef o rm r f 8 2 1i n t r o d u c t i o n 8 2 2d e s i g no fm a g n e t i cc i r c u i t 9 2 3d e s i g no fs h e a r i n gm e c h a n i s m 1 0 2 4p e r f 0 m a n c em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i sf o rt h et e s t i n gd e v i c e 1 2 2 4 1t o r q u ec a l i b r a t i o n 1 2 2 4 2g a pm a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n t 13 2 4 3d i s cg a pc a l i b r a t i o n 1 4 2 5s u m m a r y ”1 5 c h a p t e r 3e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm r fa p p l i e di nf l e x i b l ef i x t u r e 1 6 3 1i n t r o d u c t i o n 1 6 3 2a n a l y s i so f m r fa n di t sr h e o l o g i c a lm e c h a n i s m s ”1 6 3 2 1a n a l y s i so f c o m p o s i t i o no f m r f 1 6 3 2 2a n a l y s i so fr h e o l o g i c a lm e c h a n i s m so fm r f 一1 8 v l t 广东工业大学硕士学位论文 3 3r e s e a r c hp r o j e c to fm r f a p p l i e di nf l e x i b l ef i x t u r e 21 3 3 1c h a r a c t e r i s t i co f m r f a p p l i e di nf l e x i b l ef i x t u r e 2 1 3 3 2s e l e c t i n gt h er a wm a t e r i a l so fm r f 2 1 3 3 2e x p e r i m e n t a lp r o j e c t 2 2 3 4e x p e r i m e n to nm r f a p p l i e di nf l e x i b l ef i x t u r e 2 3 3 4 1e x p e r i m e n ta n da n a l y s i su s i n gs i n g l ef a c t o re x p e r i m e n tm e t h o d 2 6 3 4 2e x p e r i m e n ta n da n a l y s i sb ya d d i t i v e si n t e r a c t i o n 3 3 3 4 3e x p e r i m e n ta n da n a l y s i su s i n gt h em u l t i - f a c t o ro p t i m u mm e t h o d 3 6 3 5s u m m a r y 3 8 c h a p t e r4s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h i m b l ei nm r ff l e x i b l ef i x t u r e 3 9 4 1i n t r o d u c t i o n 3 9 4 2m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rd a m p i n gf o r c eo ft h i m b l e 3 9 4 3s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h i m b l e 4 4 4 3 1o p t i m a lm a t h e m a t i c a lm o d e l 4 4 4 3 2f i r s to r d e ro p t i m i z a t i o nm e t h o d 4 5 4 4t h ef i n i te l e m e n ta n a l y s i s 4 6 4 4 1f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n do p t i m i z i n gf l o w 4 7 4 4 2o p t i m i z i n gp r o c e s sa n dr e s u l t sa n a l y s i s 4 8 4 5s u m m a r y 5 0 c h a p t e r 5e x p e r i m e n t a ls t u d yo nd a m p i n gf o r c eo ft h i m b l ei nm r f f l e x i b l ef i x t u r e 51 5 1i n t r o d u c t i o n 51 5 2e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 5 1 5 2 1i n t r o d u c t i o no fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 51 5 2 2c a l i b r a t i o no fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 5 2 5 3e x p e r i m e n to nd a m p i n gf o r c eo ft h i m b l e 5 3 5 3 1d a m p i n ge x p e r i m e n to ft h i m b l ea f f u s e dm r f 2 7 0 5 0 5 3 5 3 2d a m p i n ge x p e r i m e n to ft h i m b l ea f f u s e ds a m p l e sm a d e b yo u r s e l f 5 4 5 4s u m m a r y 5 7 v c o n t e n t s s u m m a r ya n dp r o s p e c t 5 8 r e f e r e n c e s 6 0 p a p e rl i s t 6 3 s t a j e m e n to fo r i g i n a lc r e a t i o n 6 4 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 5 d ( 一 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 随着机械工业的迅速发展，制造系统柔性化成为其中一个重要发展方向，其中 夹具的柔性化已成为了现代制造中一个重要研究课题。 近年来，随着航天、造船、汽车和模具工业的飞速发展，低刚度、复杂形状的 零件以及多品种小批量生产的零件在现代工业中应用得越来越广泛，传统夹具已不 能满足其) j 口- r 的需求【l ：】。传统的组合夹具，可调整夹具 3 】由于难以适应刚性低、易 变形工件的定位夹紧要求，对不规则几何形状的工件加工更是束手无策。低熔点材 料( 锡、铅、蜡等) 的相变夹具虽然能解决部份不规工件的加工，但由于相变时间长， 加工温度要求苛刻，加上装置成本高，材料不环保等缺陷，在一定上限制了它的使 用；电致相变夹具由于电流变液的抗剪切强度较低也限制了它的应用。新型的磁流 变柔性夹具为上述问题的解决提供了新的思路和可能。 磁流变液是一种智能相变材料，具有抗剪切强度高，相变时间短( 毫秒级) 、能 耗低、安全、环保等特点1 5 】，磁流变柔性夹具是以磁流变液作为相变材料而开发的 一种新型柔性夹具，具有响应快、能耗低、可控性强、适应范围大等优势，在现代 制造中具有广阔的应用前景。 本课题结合磁流变液的特性和夹具的结构形式，研究一种适用于针阵列型磁流 变柔性夹具的柔性阻尼顶针单元( 见图1 - 7 ) 。当夹具的励磁线圈未通电加磁场时，夹 具顶针能根据工件的外形自由伸缩；通电加磁后，顶针瞬间被固定，全部顶针所构 成的外型与加工工件的外型完全吻合，对工件实现夹紧定位。本文研究成果对新型 磁流变柔性夹具的开发和解决不规则件、薄壁件加工中定位夹紧难的问题，具有重 要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 磁流变柔性夹具是基于磁流变效应，能够快速地适应不同几何形状零件的装夹 要求，对不断变化的零件的装夹需求能作出快速响应，以满足加工要求的新型夹具。 目前，磁流变柔性夹具的研究主要围绕磁流变液的研制和夹具的结构创新这两个方 广东工业大学硕士学位论文 面在开展。 1 2 1 磁流变液 磁流变材料是一种由易磁化固体颗粒，载液油和稳定剂组成的混合溶液。在零 磁场下，它呈现良好的牛顿流体状态，外加磁场后，它瞬间( 毫秒级) 转化为滨汉姆 ( b i n g h a m ) 流体，表面粘度可增加两个数量级，呈现类似固体的力学性质睁7 】。目前， 这种材料已在汽车冲击保护控制，建筑结构振动控制，机械系统振动控制，武器系 统冲击控制等领域已得到了广阔的应用1 5 9 1 ，在柔性夹具方面的应用还属于起步阶 段。 适用于柔性夹具的磁流变液主要分为加压的磁流变液和未加压的磁流变液。其 中加压磁流变液的研究主要集中在如何提高溶液的剪切屈服强度上。最早研制的磁 流变液的屈服应力不到1 0 k p a ，且溶液易沉降。随着进一步的研究，在1 9 9 3 年w e i s s t t 0 1 研究出了在3 t 磁通密度作用下剪切屈服强度可达至u 9 0 - - - 1 0 0 k p a 的磁流变液。1 9 9 4 年 g i n d e r 等人 1 h 实验研究发现磁流变液在磁饱和情况下的剪切屈服应力( 体积分数为 5 0 ) 最高为2 0 0 k p a 。2 0 0 1 年x u e s o n gz h a n g 等人f l 】设计的磁流变柔性夹具采用沿磁 场方向加压的方式来提高磁流变液的剪切屈服应力，磁流变液的剪切屈服应力可达 n 5 5 0 k p a 。2 0 0 3 年张先舟等人1 1 3 1 使用的磁流变液是体积百分比为5 6 的羟基铁颗粒 和4 4 的硅油为主的磁流变液，在磁场0 3 0 8 t 下，沿磁场方向外加压应力1 0 0 0 0 p a 时， 磁流变液的抗剪切强度可达至u 6 0 0 k p a 。2 0 0 0 年y r o n g t l 】等人通过固化磁流变液后，沿 磁场方向挤压磁流变液，获得了接近8 0 0 k p a 的磁流变液。t a n g ，x t ls 等人对在中等磁 场下原先屈服应力为8 0 k p a 磁流变液采用这种沿磁场方向加压的方法也获得8 0 0 k p a 以上的剪切屈服应力。他们通过电子显微镜扫描观察了磁流变体的微观结构，发现 加压后的磁流变液中的粒子链被挤压到一起形成了粗的圆柱链，剪切屈服应力因而 呈几何级数增长。同年，z h a n g ，x z 【1 6 】等人通过实验和理论的方法对磁流变液被挤 压加强剪切屈服应力的机理进行了研究，在考虑到改良的磁偶极子模型和摩擦力影 响，建立了一个经验实验机理模型。通过沿磁场方向加压获得高的剪切屈服强度已 经能满足工件精加工的要求【1 5 】。 未加压磁流变液的应用主要有a p e t t e r s s o n 等人1 1 7 i 开发抓取食品( 如草莓、苹果 等) 的磁流变夹具。他们采用是l o r d 公司的固体粒子重量百分比为8 5 4 4 的 m r f 1 4 0 c g 磁流变液，在0 2 5 5 t 时剪切屈服应力可达至u 6 0 k p a 。j o l l y t l 8 】等人采用的是 2 第一章绪论 美国的l o r d 公司的开发的商业用的磁流变液开发了磁流变液手柄，等等。其中如 何提高磁流变液的抗沉降性和剪切屈服性能就成为研究的重点。目前，沉降改进方 法主要有加入添加剂、采用高分子材料包覆或复合功能材料以及改变磁流变微观结 构等。如北京科技大学张茂才【1 9 j 等人研究了表面改性对磁流变液稳定性和磁流变性 能的影响。德国b a s f 公司的k o r m a n n t 2 0 】等人对颗粒直径、表面层等作了适当修饰改进 后，研制出了稳定的纳米级磁流变液。江万全( 2 0 0 1 ) 【：- 】等在磁流变液中，加入纳米 粒子，添补微米磁性粒子之间的结构空隙，降低了磁流变液的结构缺陷，在防粒子 沉降性方面取得很好的效果。目前，提高剪切屈服应力的研究主要围绕在改变固体 颗粒的材料和粒度上，如m a r g i d a t 2 ：) 等人的发现铁钴合金、铁镍合金的剪切性能比羟 基铁好。司鹄，的研究表明磁流变液的剪切屈服应力与固体粒子的粒度呈非线性关 系。 1 2 2 磁流变柔性夹具 磁流变柔性夹具的研究主要体现在夹具的结构创新上。目前主要分为沿磁场方 向加压结构的磁流变柔性夹具和其它结构创新的磁流变柔性夹具。自从2 0 0 0 年唐新 鲁等人【1 5 】发表关于加压超强磁流变液的研究成果( 当磁流变液在磁场中受到沿磁场 方向的外加正压力时，其剪切应力得到较大提高，甚至提高一个数量级) 后，研究 者们争相采用这种方法开发磁流变柔性夹具。t a n gx 等人】开发的磁流变柔性夹具 的示意图如图1 - 1 所示，工件置于磁流变液中，通电加磁场后，利用滑楔沿磁场方向 向磁流变液加压，使磁流变液的剪切强度迅速增强。通过测量，固化磁流变液后， 沿磁场方向挤压磁流变液，测量的磁流变液抗剪屈服强度达至) j 8 0 0 k p a ，懈决了磁 流变柔性夹具的夹持力不足的问题。2 0 0 1 年x u es o n gz h a n g t - ：j 采用同样的原理开发了 一种永磁体磁流变柔性夹具工件夹持装置，如图1 - 2 所示。其原理是：在工件植入磁 流变液后，转动内置永磁体部件，开通磁路使磁流变液固化，然后沿磁场方向通过 加压件向固化的磁流变液施压，磁流变液的剪切屈服应力迅速增加，工件被牢固夹 持住。该装置在不规则体小件加工中有较好的应用。由于该夹具是以永磁体作为磁 流源，磁场可调性较差，且可提供的最大磁通量有限。 广东工业大学硕士学位论文 图1 - 1 加压原理图图1 - 2 永磁体磁流变柔性夹具示意图 f i g1 - 1t h ep r i n c i p l ef i g1 - 2t h es k e t c ho fm r ff l e x i b l e o fe x e r t i n gp r e s s u r ef i x t u r eb a s e do np e r m a n e n tm a g n e t 2 0 0 4 年中国科技大学张先舟1 2 5 等人研发了一套磁流变柔性夹具原理样机，如图 卜3 。其原理也是沿磁场方向向固化的磁流变液施压以获取高的剪切屈服强度，装置 不同之处是磁场强度的产生和变化是通过改变励磁线圈的电流来控制。实验测量出 磁流变液固化加压后，一根0 1x1 2 0 m m 的铁片被夹紧后可以承受5 k g 以上的拉力。 该夹具和x u e s o n gz h a n g 开发的磁流变柔性夹具共同的优点是对磁流变液的零场粘 度没有严格要求，所以可以使用高浓度的m r f ( 不仅可以降低发生加压增强效应的临 界磁感应强度大小，而且对防渗漏要求也降低了) ；其次由于高磁场只是建立高强度 结构的先决条件而不是维持条件，所以可以大大降低对设备的要求，在夹紧时应该 使用尽可能高的磁场和压力以建立更高强度的结构，而在夹紧后的加工过程中，可 以仅使用原有一半大小的磁场强度维持结构强度，耗能降低为1 4 ，线圈发热问题得 到解决且其使用寿命可以大大延长f 1 3 l 。但两套装置都存在加工范围小，工件体积不 宜过大。如果加大磁流变液容池体积，就很难获得高的磁通量通过磁流变液，夹持 力受限，且磁流变液用量会增加，成本也会成倍的增加。 图1 3 磁流变柔性夹具原理样机 f i gl - 3t h ep r o t o t y p eo f f l e x i b l ef i x t u r eb a s e do nm r f 4 第一章绪论 除了采用沿磁场方向加压的方式设计磁流变柔性夹具外，研究者们也争相开发 了其它不同形式的磁流变柔性夹具。如2 0 0 0 年北京工商大学刘璇曾将磁流变材料作 为夹具柔性材料铺在电磁工作台上用于碳钢阀片淬硬后的平磨工序，如图卜4 所示， 较好的解决了阀片的加工过程中的局部应力变形。在实验中，可使阀片成品表面的 平面度从原来的1 5 u m 提高到3 肛m 1 2 6 1 。美国的l o r d 公司的j o l l y t 。8 1 等人开发了磁流 变液手柄，这种手柄可用于不同形状工件的抓取。2 0 0 7 年沈阳理工大学肖璐，王凡 等人【2 7 】对用于薄壁件加工的磁流变夹具( 图1 - 5 ) 进行了研究，采用有限元方法对夹紧 力、切削力和磁流变液的剪切应力进行了分析，比较了采用磁流变液前后工件变形 的区别，研究发珊揉用磁流变液后，工件产生的应变减少了将近1 个数量级。其原 理如图1 - 5 所示，将待加工的薄壁圆筒放置于容器中，用自动定心夹紧机构夹紧工 件的工艺台阶轴颈部位。加工工件外表面时( 见图卜5 a ) ，将磁流变液注入工件内部， 通磁以后，磁流变液由液态转变为固态，增强工件刚性，阻止或减小工加工时的变 形。同样，加工工件内表面时( 见图卜5 b ) ，将磁流变液注入工件外部，通磁以后， 磁流变液由液态转变为固态，增强工件夹紧力，阻止或减小工件加工的变形，加工 完毕后，去掉外加磁场，则磁流变液 奠疑l ， 蜜皱2 矽轮 羔鱼 e 主求憋堕 砖籀王蠢蓑辱势囊l静i 工爨l 嚣l | l 爱蠢 图1 4 利用m r f 材料提高阀片平面磨削质量图1 5 加工薄壁件内外表面磁流变夹具 f i g1 - 4i m p r o v i n gt h eq u a l i t ) ，o fv a l v ed i s cb ym e a n so fm i l l i n gb a s e do rm r f f i g1 - 5t h em f rf l e x i b l ef i x t u r ef o rm a c h i n i n gt h i nw o r k p i e c e 2 0 0 9 年z h a oc 等人t 2 s 通过设计了一套磁流变柔性夹具，其夹具的柔性表面能 根据工件形状的改变而改变，夹具表面的刚度变化则通过改变励磁线圈的电流大小 来实现。仿真分析结果表明该柔性夹具具有更好的夹持和定位精度，适合应用到更 多的领域。2 0 1 0 年a p e r e r s s o n1 1 1 等人开发了一套抓取食品( 如草莓、苹果等) 的磁 流变夹具，见图1 - 6 。其原理是在励磁线圈未通电时，移动活动机械手靠近食物， 使包有磁流变液的柔性袋与食物的外型完合贴合。励磁线圈通电后形成磁场，磁流 广东工业大学硕士学位论文 变液迅速由液态转化为固态，食物被定位夹紧。此夹具存在体积过大的缺点，励磁 线圈和磁流变液袋的尺寸和形状有待优化，除此之外，如何获得更高的磁场强度也 是急需要解决的问题。 图1 6 食物抓取磁流变夹具 f i g1 - 6t h em r f l u i dg r i p p e r g r i p p i n gam o d e ls t r a w b e r r y 本文将针对多品种小批量不规则件和薄壁件的加工难的特点，结合磁流变液优 良的流变特性，探索研究一种适用于新型的针阵列型磁流变柔性夹具的柔性阻尼顶 针单元。 1 3 本课题的来源与主要研究内容 1 3 1 课题来源 1 广东省自然基金项目：磁流变液柔性夹具的电磁流固耦合动力学特性研究 ( 8 1 5 1 0 0 9 0 0 1 0 0 0 0 0 5 ) 。 2 国家自然科学基金“高速大行程超精密零传动磁流变阻尼气浮运动平台的 电磁流