(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所 四川綿陽(yáng) 621900)

磁流變拋光是一種先進(jìn)的柔性拋光技術(shù)，它是利用磁流變拋光液在梯度磁場(chǎng)下的流變效應(yīng)，構(gòu)建的一種柔度可控、去除率穩(wěn)定、曲面適應(yīng)能力強(qiáng)的柔性拋光工具，具有高精度、超光滑與低缺陷等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。磁流變拋光輪在長(zhǎng)時(shí)間拋光過(guò)程中，存在一定的磨損現(xiàn)象，如圖1所示。拋光輪產(chǎn)生磨損后，一方面，磨損溝槽形態(tài)嚴(yán)重影響了拋光液回收性能，緞帶厚度不可控；另一方面，鍛帶表面不夠平滑，使得加工過(guò)程中會(huì)引入中頻誤差[6-8]。目前磁流變拋光輪磨損問(wèn)題普遍存在，但對(duì)其磨損機(jī)制的研究卻很少，因此，本文作者通過(guò)研究回收器間隙、拋光輪轉(zhuǎn)速、拋光顆粒的含量和尺度等主要因素對(duì)拋光輪磨損的影響規(guī)律，為拋光輪磨損抑制方法提供了有益的支撐。

圖1 產(chǎn)生磨損的拋光輪

1 磁流變拋光輪磨損機(jī)制

1.1 磁流變拋光輪磨損原理

磁流變拋光過(guò)程中，磁流變拋光液在拋光輪內(nèi)部電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下形成類固態(tài)拋光緞帶，拋光緞帶與工件接觸實(shí)現(xiàn)拋光，噴嘴和回收器負(fù)責(zé)回收循環(huán)在拋光輪上的磁流變拋光液。如圖2所示，回收器的原理是進(jìn)入回收器的磁流變拋光液在回收器內(nèi)環(huán)形磁鐵產(chǎn)生的梯度磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，成為具有黏彈性的Bingham介質(zhì)，填滿回收器邊緣與拋光輪之間的間隙，形成磁密封，使后續(xù)進(jìn)入的磁流變拋光液不會(huì)隨拋光輪轉(zhuǎn)動(dòng)流出，進(jìn)而被真空吸走?；厥掌鳟a(chǎn)生的磁密封與高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪相接觸，使回收區(qū)域成為拋光輪磨損的主要部位。

圖2 拋光液回收原理

1.2 磁流變拋光輪磨損機(jī)制

實(shí)際工況下，回收器與拋光輪間隙很小，回收器環(huán)形永磁體產(chǎn)生的磁力線十分密集，垂直于拋光輪的表面。根據(jù)磁流變效應(yīng)場(chǎng)至偶極矩理論，磁流變拋光液在無(wú)磁場(chǎng)情況下，其中的磁性顆粒處于隨機(jī)分布的狀態(tài)，此時(shí)磁流變拋光液呈現(xiàn)出牛頓流體的特性。施加磁場(chǎng)后，單個(gè)磁性顆粒會(huì)被磁化成為偶極矩，顆粒之間由于存在相互作用，偶極矩會(huì)趨向于能量最小方式沿著磁力線方向成鏈狀排列,如圖1(a)所示。當(dāng)磁流變拋光液中加入非磁性拋光顆粒后，在梯度磁場(chǎng)作用下，拋光顆粒在磁流變拋光液中受到磁浮力并朝向磁場(chǎng)減弱的方向移動(dòng)，所受磁浮力[9-10]可表示為

Fm=-Vμ0MH

(1)

式中:V為非磁性顆粒體積;μ0為真空磁導(dǎo)率;M為磁流變液磁化強(qiáng)度;H為非磁性顆粒周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度。

一方面，磁流變拋光液在梯度磁場(chǎng)的作用下成鏈狀排列，形成有一定屈服強(qiáng)度的類固態(tài)。另一方面，拋光顆粒在磁流變拋光液產(chǎn)生流變效應(yīng)的過(guò)程中，一部分拋光顆粒集中向接近拋光輪的方向浮動(dòng)，二者共同作用形成一種由磁鏈夾持著拋光顆粒的柔性磁刷子,如圖1(b)所示。柔性磁刷子從回收磁流變拋光液的角度起到了磁密封的作用，從與拋光輪接觸摩擦的角度是產(chǎn)生拋光輪磨損的主要原因。

圖3 柔性磁刷子形成過(guò)程

2 磁流變拋光輪磨損模型

2.1 半固著磨粒磨損模型

由磁流變拋光液形成的柔性磁刷子與拋光輪產(chǎn)生摩擦?xí)r，拋光顆粒的參與是拋光輪磨損的主要因素。一般情況下，磁流變拋光液中的拋光顆粒要比磁性顆粒和拋光輪的材料硬度大。柔性磁刷子與拋光輪接觸的過(guò)程中，磁流變拋光液形成的磁鏈夾持著浮至表面的拋光顆粒與高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪產(chǎn)生磨粒磨損，對(duì)拋光輪表面材料以犁溝形式進(jìn)行剪切去除，如圖4所示。

圖4 拋光輪磨損材料去除機(jī)制

從圖4可以看出，影響柔性磁刷子對(duì)拋光輪磨損能力的主要因素是磁鏈對(duì)拋光顆粒的約束能力，這種約束從本質(zhì)上是一種“軟束縛”，即在磨損過(guò)程中可能是二體磨損也可能是三體磨損。當(dāng)磁鏈對(duì)拋光顆粒的束縛強(qiáng)度大時(shí)，拋光顆粒的姿態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，在磁鏈內(nèi)較少發(fā)生旋轉(zhuǎn)和位移，此時(shí)柔性磁刷子對(duì)拋光輪的磨損主要以二體磨損為主。當(dāng)束縛強(qiáng)度不足時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)介于二體磨損和三體磨損之間的半固著磨損，拋光顆粒在磁鏈中有位移、旋轉(zhuǎn)，甚至有部分脫離磁鏈處于游離態(tài)。

從磁流變效應(yīng)的角度分析，影響磁鏈對(duì)拋光顆粒約束能力的主要因素從本質(zhì)上講分為兩部分，一部分是磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，另一部分是磁鏈的畸變程度。磁場(chǎng)強(qiáng)度直接決定了磁鏈的剪切屈服強(qiáng)度，也就是磁鏈對(duì)拋光顆粒的夾持能力。而在磁場(chǎng)一定的條件下，所謂磁鏈的畸變程度是指磁性顆粒排列狀態(tài)相對(duì)于最小能量排列方式的變化程度。當(dāng)變化程度越大，磁流變效應(yīng)就會(huì)越弱，磁鏈對(duì)拋光顆粒的夾持能力就越低。

2.2 磁場(chǎng)對(duì)拋光輪磨損率的影響

磁流變拋光液的剪切屈服強(qiáng)度可以通過(guò)它的宏觀本構(gòu)模型進(jìn)行分析，根據(jù)bingham黏塑性模型可以描述磁流變拋光液在磁場(chǎng)中的流變特性。磁流變拋光液的剪切應(yīng)力τ[11]可表示為

(2)

式中:H為外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度；τ0為外加磁場(chǎng)引起的屈服應(yīng)力；η為零磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)液體的黏度；γ為剪應(yīng)變率。

式(2)可以定性說(shuō)明磁流變拋光液的剪切屈服強(qiáng)度與磁場(chǎng)成正比。在拋光輪磨損狀況下，改變永磁體磁性和回收器間隙都可以改變回收器與拋光輪間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小。當(dāng)增強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，磁流變拋光液的剪切屈服強(qiáng)度增大，磁鏈對(duì)拋光顆粒的夾持能力就越強(qiáng)，拋光顆粒在與高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪接觸時(shí)就越不容易脫離約束，剪切去除能力也就越強(qiáng)，磨損率增大。當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，磁鏈對(duì)拋光顆粒的夾持能力減弱，剪切力也隨之降低，甚至在摩擦過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)脫離約束變?yōu)橛坞x態(tài)的情況發(fā)生，此時(shí)拋光輪的磨損率減小。

2.3 磁鏈畸變程度對(duì)拋光輪磨損率的影響

在磁場(chǎng)一定的情況下，磁鏈對(duì)拋光顆粒的夾持能力主要受磁流變拋光液中拋光顆粒的含量和尺度以及拋光輪轉(zhuǎn)速的影響，這些因素可以使磁鏈產(chǎn)生較大的畸變進(jìn)而影響磁鏈對(duì)拋光顆粒的把持能力。

2.3.1 拋光顆粒含量和尺度對(duì)拋光輪磨損率的影響

當(dāng)拋光顆粒的含量和尺度增大時(shí)，參與剪切去除的顆粒增多，單個(gè)拋光顆粒的切深增大，磨損率上升。但是當(dāng)含量和尺度增大到一定程度的時(shí)候，如圖5所示,磁鏈產(chǎn)生的畸變使其對(duì)拋光顆粒的夾持能力下降，拋光顆粒的剪切力隨之減小，磨損率減小。

圖5 拋光顆粒含量和尺度變化對(duì)磁鏈畸變影響

2.3.2 轉(zhuǎn)速對(duì)拋光輪磨損率的影響

當(dāng)拋光輪轉(zhuǎn)速增大時(shí)，柔性磁刷子中的拋光顆粒與拋光輪表面的沖擊力增強(qiáng)，剪切去除能力增大，摩擦行程增大。在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速的增大對(duì)拋光輪的磨損是促進(jìn)的，磨損率增大。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到一定程度后，拋光輪表面與拋光顆粒的沖擊力超過(guò)了磁鏈對(duì)其的把持能力，部分拋光顆粒會(huì)在磁鏈中滾動(dòng)或者脫離磁鏈處于游離態(tài)，與拋光輪失去接觸，導(dǎo)致磨損率下降。

3 磁流變拋光輪磨損影響因素實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

按照表1單因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)裝置采用小拋光輪磨損平臺(tái)，當(dāng)改變某一因素水平時(shí)，其余因素均按照水平2執(zhí)行，磨損時(shí)間為1 h，補(bǔ)水頻率保持一致。實(shí)驗(yàn)拋光輪材料為304不銹鋼，直徑50 mm。實(shí)驗(yàn)所用磁流變拋光液中鐵粉平均尺度為2 μm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持不變。拋光輪磨損前后采用超聲波清洗，用無(wú)水乙醇清洗干凈并吹干。用精密天平稱量磨損前后拋光輪質(zhì)量，計(jì)算出磨損質(zhì)量及單位時(shí)間內(nèi)磨損率。每種實(shí)驗(yàn)條件下重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，取平均值作為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。用掃描電鏡觀察拋光輪磨損表面形貌，用輪廓儀測(cè)量表面粗糙度。

表1 實(shí)驗(yàn)分組

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1 各因素對(duì)拋光輪磨損率的影響

通過(guò)調(diào)整間隙來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，研究了間隙對(duì)拋光輪磨損率的影響，結(jié)果如圖6所示。隨著間隙的增大，回收器與拋光輪之間的梯度磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷減小，柔性磁刷子的剪切屈服強(qiáng)度降低，磁鏈對(duì)拋光顆粒的夾持能力減弱，回收器對(duì)拋光輪的磨損率下降。

圖6 間隙對(duì)磨損率的影響

拋光顆粒尺度對(duì)磨損率的影響如圖7所示。可見(jiàn)，磨損率隨著拋光顆粒尺度的增大先增大后減小，在尺度為3 μm時(shí)磨損率出現(xiàn)最大值，說(shuō)明過(guò)大的拋光顆粒導(dǎo)致磁鏈產(chǎn)生較大的畸變，降低了磁鏈的夾持能力，磨損率隨之減小。

圖7 拋光顆粒尺度對(duì)磨損率的影響

圖8示出了拋光顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磨損率的影響。在拋光顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)，磨損率趨近于0，說(shuō)明參與拋光輪材料磨損的主要因素是相對(duì)更硬的拋光顆粒。當(dāng)拋光顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升時(shí)，參與磨損的拋光顆粒增加，磨損率增大；但隨著顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，由拋光顆粒增多導(dǎo)致的磁鏈畸變逐漸增大，在顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)4%之后磨損率開(kāi)始減小。

圖8 拋光顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磨損率的影響

拋光輪轉(zhuǎn)速對(duì)磨損率的影響如圖9所示。隨著拋光輪轉(zhuǎn)速的增大，磨損率先增大后減小，其中在拋光輪轉(zhuǎn)速達(dá)到600 n/min時(shí)磨損率最大。這是因?yàn)?，拋光輪轉(zhuǎn)速的提高相當(dāng)于增大了拋光顆粒對(duì)拋光輪的剪切力，因而磨損率增加；但是當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定范圍后，拋光輪對(duì)拋光顆粒的沖擊力超過(guò)了磁鏈對(duì)拋光顆粒的把持能力，導(dǎo)致拋光顆粒在磁鏈內(nèi)位置不穩(wěn)定，甚至脫離磁鏈處于游離態(tài)，因而磨損率開(kāi)始下降。

圖9 拋光輪轉(zhuǎn)速對(duì)磨損率的影響

3.2.2 拋光輪表面磨損形貌觀察

采用掃描電鏡觀察在0.1 mm和0.3 mm間隙下實(shí)驗(yàn)后拋光輪表面磨損情況，結(jié)果如圖10所示?？梢钥吹疆?dāng)回收器與拋光輪間隙為0.1 mm時(shí)，此時(shí)磁場(chǎng)較大，拋光顆粒對(duì)拋光輪表面的劃痕連續(xù)且更深，呈現(xiàn)出二體磨損的特點(diǎn)。這是因?yàn)榇艌?chǎng)較大時(shí)，磁鏈對(duì)拋光顆粒的把持能力更強(qiáng)，拋光顆粒在與拋光輪接觸時(shí)姿態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，料去除能力更強(qiáng)。當(dāng)間隙為0.3 mm時(shí)，間隙較大，磁鏈對(duì)拋光顆粒的把持能力較低，在接觸時(shí)拋光顆粒姿態(tài)不穩(wěn)定，在磁鏈中產(chǎn)生位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至脫離磁鏈，所以劃痕不連續(xù)，深度也較淺。磨損后的表面形貌與半固著磨粒磨損的模型預(yù)測(cè)的情況相吻合，驗(yàn)證半固著磨粒磨損模型的正確性。

圖10 拋光輪磨損后微觀形貌

用輪廓儀分別測(cè)量采用拋光顆粒尺度為0.5、4.5 μm時(shí)磨損拋光輪表面粗糙度，結(jié)果如圖11所示。可以看到柔性磁刷子在拋光輪上產(chǎn)生溝槽的同時(shí)也有一定的拋光作用。從拋光的角度來(lái)看，尺度較小的拋光顆粒獲得的表面粗糙度越低，尺度較大顆粒去除率更高，但由于在實(shí)驗(yàn)工況下拋光液進(jìn)入回收器時(shí)，拋光顆粒分布并不均勻，所以在拋光的同時(shí)也會(huì)因拋光顆粒的聚集而產(chǎn)生溝槽。

圖11 不同尺寸拋光顆粒磨損后的表面粗糙度

5 結(jié)論

(1)磁流變拋光輪產(chǎn)生磨損的主要原因是回收器處形成的磁密封與拋光輪之間產(chǎn)生的半固著磨粒磨損，其磨損特征表現(xiàn)為介于二體磨損和三體磨損之間。

(2)通過(guò)建立的磁流變拋光輪磨損模型可知，影響磁流變拋光輪磨損的因素從本質(zhì)上講是磁場(chǎng)和磁鏈畸變程度的大小，各工藝參數(shù)通過(guò)對(duì)這兩個(gè)因素的影響進(jìn)而改變磨損率。

(3)磨損率隨回收器間隙的增大而減小，隨著拋光輪轉(zhuǎn)速、拋光顆粒的尺度和含量的增大，先增大后減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合，表明對(duì)拋光輪磨損的成因和理論分析是可信的。