趙雪峰, 秦浩, 楊勇, 游科, 殷小龍, 袁銀

(貴州大學 機械工程學院, 貴州 貴陽 550025)

磁力加工是先進的機械加工方法,在航空航天、制藥業(yè)、精密儀器、大規(guī)模集成電路等行業(yè)具有很好的應用前景。但當前磁力加工在國內(nèi)的應用范圍不夠廣泛,制約因素有很多,磁性磨粒是最主要的瓶頸。傳統(tǒng)的磁性磨粒通常是將強磁性的鐵粒子和具有研磨功能的磨粒混合在一起,加入到磁極和工件之間,存在制備方法復雜、制造成本高、產(chǎn)量低、易飛散和重復利用性差等缺點。因此,亟需探索性能穩(wěn)定、成本低、光整性能好的新型磁性磨粒,推動磁力加工的深入發(fā)展。

雙磁盤磁力鈍化加工是一種在磁場作用下利用磁性磨粒對刀具刃口進行鈍化的加工方法,具有磨削能力強、自銳性好、溫升小、不存在加工殘余應力等優(yōu)點,可對多數(shù)復雜型曲面進行精加工[1-2]。目前關(guān)于雙磁盤磁力鈍化機制的研究比較少。Denkena等[3]采用磁力鈍化方法對刀具進行鈍化,通過實驗發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向可以實現(xiàn)刀具刃口的非均勻性,并通過掃描電鏡驗證了沿著切削刃方向的磨粒刷進行運動是獲得光滑刀具刃口的最好方法。Yamaguchi等[4]研究了磁性磨粒刷的組成成分對磨粒刷行為的影響規(guī)律,并通過對比不同形式的拋光,驗證了磁力拋光以最小的材料去除,使表面粗糙度降低50%～60%,使刀具使用壽命提高150%。

磁彈磨粒具有磁性、低彈性模量以及優(yōu)良的研磨性能,兼?zhèn)湔辰Y(jié)磨粒和松散磨粒的特點。目前關(guān)于磁彈磨粒的研究比較少。Yan等[5]采用燒結(jié)法,將碳化硅顆粒加熱至105°,使其表層達到熱變形的溫度,再通過振動馬達,將碳化硅顆粒均勻地涂覆在高沖擊性聚苯乙烯(HIPS)的表面形成復合磨粒,并通過化學法將制備好的Fe3O4浸入乙醇中,使其表面具備親油性,最后將復合磨粒浸泡在硅油中約30分鐘后,涂抹上一層Fe3O4形成磁彈磨粒,尺寸約為150 μm。Cheng等[6]選擇硅膠作為彈性介質(zhì),并與碳化硅和鐵粉進行混合得到磁彈磨粒。Kar等[7]通過將橡膠與碳化硅和環(huán)烷油混合形成彈性磨粒,取代了較為昂貴的硅基聚合物,并研究了不同磨粒配比對磨粒彈性和工件表面粗糙度的影響。Jha等[8]將羰基鐵粉、碳化硅顆粒與彈性脂肪相混合,并采用礦油作為粘接物,通過調(diào)整磁感應強度來控制磁彈磨粒的運動,得到了更好的表面質(zhì)量。Singh等[9]利用凝膠、40%鐵磁顆粒、45% Al2O3和15% Si2O3混合形成磁彈磨料,通過電磁鐵激勵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,研究了磁感應強度、加工時間和磨料流速對表面粗糙度和材料去除率的影響。Chow等[10]采用氣相沉積法將鐵粉、固化劑和硅膠按照不同比例混合,經(jīng)過100目網(wǎng)篩過濾,再與碳化硅顆粒相接觸,然后經(jīng)過80目網(wǎng)篩進行過濾,使用磁鐵進行篩選,以獲得混合充分的磁彈磨粒。

為了解決磁性磨粒在的磁力鈍化中自適應性、易脫落等問題，本文將硅膠型磁彈復合磨粒引入到雙磁盤磁力鈍化中，并通過仿真和實驗的方法驗證了其在刀具鈍化領(lǐng)域的可行性。

1 硅膠型磁彈磨粒細觀特性研究

磁彈磨粒是將磁介質(zhì)相、磨粒相和聚合物基體按照比例以一定的組織方式形成的一種新型磨粒。磁彈磨粒具有磁性、低彈性模量和優(yōu)良的研磨性能，且由于彈性介質(zhì)的存在,能降低切削深度,實現(xiàn)高精度研磨。磁彈磨粒在加工中不斷變形,實現(xiàn)多磨粒共同參與加工。因此,磁彈磨粒不僅能夠提高加工質(zhì)量和加工效率,而且具有易于操作、成本低、自適應性強、便于清洗且無污染等特點。

1.1 硅膠型磁彈磨粒的制備方法

硅膠型磁彈磨粒的基體材料選用4035型液態(tài)硅膠(羥基封端聚二甲基硅氧烷),黏度為58 Pa·s,線收縮率≤0.1%,磨粒相選用150目高純碳化硅。磁介質(zhì)相選用100目GR級高純鐵粉,固化劑選用矽利康(聚硅氧烷),硅膠型磁彈磨粒具體參數(shù)如表1所示。硅膠型磁彈磨粒的制備方法如圖1所示。首先通過將矽利康固化劑與液態(tài)硅膠以1∶50的比例混合,再將碳化硅和鐵粉以1∶3的比例進行混合,并放入含固化劑的液態(tài)硅膠中充分攪拌。由于液態(tài)硅膠會與固化劑聚硅氧烷發(fā)生交聯(lián)固化效應,待其固化后通過破碎機對固化后的復合體進行破碎,再由網(wǎng)篩篩分得到所需目數(shù)的磁彈磨粒,并加入適量潤滑油改善表面黏性。

表1 4035硅膠型磁彈磨粒參數(shù)

圖1 硅膠型磁彈磨粒制備流程

1.2 磁彈磨粒的細觀特征

通過掃描電鏡SEM(ZEISS Gemini 300)對4035硅膠型磁彈磨粒的微觀形貌進行觀測,得到如圖2所示的結(jié)果。

圖2 硅膠型磁彈磨粒的SEM掃描圖

可見硅膠型磁彈磨粒主要呈球狀分布,粒徑在20～25 μm之間,對圖中的磁彈磨粒進行局部放大后,可見其表面嵌入數(shù)個復合顆粒,對復合顆粒表面進行能譜分析,可得磁彈磨粒中的Fe元素含量高,達到了78.46%、其次C元素占11.02%、O和Si元素各占3%左右,Au和Pd為儀器測量所用的導電介質(zhì),與磨粒無關(guān)。

1.3 細觀代表性體積單元模型建立

基于磁彈磨粒的細觀特征,彈性體近似為球形,碳化硅和鐵顆粒呈非規(guī)則球形,為優(yōu)化計算,將鐵顆粒和碳化硅磨粒近似為球形。

在磁力加工中,磨粒粒度Xd必須符合最大粒度準則[11],如(1)式所示

(1)

式中：Xd為磨粒標準直徑；XSiC為碳化硅磨粒相直徑。

(2)

基于最大濃度與最大粒度準則,可以構(gòu)建4035硅膠型磁彈磨粒的細觀代表性體積單元模型,如圖3所示。

圖3 細觀單元模型

采用ABAQUS仿真軟件進行分析,由于4035硅膠基體為超彈性材料,以Yeoh數(shù)學模型進行分析,Yeoh的彈性應變函數(shù)如(3)式所示

(3)

1.4 壓縮狀態(tài)下磁彈磨粒的力學特性

磁彈磨粒壓縮狀態(tài)下的應力見圖4。在最大排列準則下,碳化硅所承受最大壓應力為8.869 MPa,其次為鐵磁相,所承受壓應力為為6.312 MPa。此外,填充磨粒之間還會形成一條明顯的應力應變集中帶,在保證彈性的同時也增大了剛度,且呈現(xiàn)較為均勻的分層現(xiàn)象。

圖4 壓縮狀態(tài)下磁彈磨粒的應力

由圖5可知,單元材料的整體應力應變趨勢呈對稱分布,且Y軸向壓應力分量大于X軸,靠近彈性性體的磨粒所受到的壓應力小于遠離彈性體的磨粒所受到的壓應力;在X軸方向上，碳化硅所受到的壓應力小于鐵磁相所受到的壓應力,在Y軸方向上,碳化硅所受到的壓應力大于鐵磁相所受到的壓應力。材料單元的整體壓縮應變量主要由4035硅膠基體承擔,碳化硅和鐵磁相幾乎沒有發(fā)生變形。

圖5 壓縮狀態(tài)下磨粒的應力、應變曲線

1.5 拉伸狀態(tài)下磁彈磨粒的力學特性

磁彈磨粒拉伸狀態(tài)下的應力如圖6所示。在拉伸狀態(tài)下,碳化硅所受到的拉應力大于鐵磁相的拉應力,硅膠在碳化硅和鐵磁相的連接處應力最集中。在同樣的載荷下,硅膠基體所受到的最大拉應力為2.6 MPa,材料的抗拉性能大于抗壓性能。

圖6 拉伸狀態(tài)磨粒的應力

由圖7可知,磁彈磨粒在X軸向的拉應力分量大于Y軸,在X軸方向上,碳化硅所受到的拉應力大于鐵磁相所受到的拉應力;在Y軸方向上,碳化硅所受到的拉應力小于鐵磁相所受到的拉應力?？拷枘z彈性體部分的磨粒應力較為集中,且受到的拉應力大于遠離彈性體部分所受拉應力,材料的整體拉伸應變量主要由硅膠彈性體承擔,鐵磁相和碳化硅的拉伸應變量近似為零。

圖7 拉伸狀態(tài)下材料應變、應力曲線

2 磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化原理

雙磁盤磁力鈍化將磁性磨粒填充于磁極與刀具之間,由于磁介質(zhì)相的存在,采用磁場產(chǎn)生的磁力吸引磁性磨粒形成柔性磨粒刷。磨粒相在柔性磨粒刷與刀具之間的相對運動的過程中,實現(xiàn)對復雜刃口的鈍化。磁彈磨粒以具有黏彈性的高分子聚合物為基體,由于彈性介質(zhì)的存在,避免工件表面的深度摩擦,產(chǎn)生低切削深度,但能夠?qū)崿F(xiàn)工件的高精度研磨提高鈍化質(zhì)量。磁彈磨粒在加工過程中不斷翻滾,增加接觸面積,內(nèi)部未參與加工的磨粒會流出,替換失效的磨粒,提高了加工效率,并在磁場力合力的作用下,起到對毛刺的去除作用,此后,彈性體會釋放能量并回彈復原。

在磁場的作用下,磁彈磨粒受到的磁場力合力Fz可以分解為沿磁力線方向的磁場力分量Fx和沿等磁線方向的磁場力分量Fy。由于磁盤做勻速圓周運動,磁彈磨粒還受到一個指向磁盤圓心的向心力Fn。Fy,Fn和重力G保證了磨粒在旋轉(zhuǎn)時,不會由于離心力的作用飛出加工區(qū)域,如圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)磁場下磁彈磨粒的受力分析

其等式如(4)～(8)式所示

(4)

(5)

(6)

G=mg

(7)

(8)

3 雙磁盤磁力鈍化實驗研究

雙磁盤的同軸配置適合不同直徑刀具的加工,刀具在磁盤間隙中的旋轉(zhuǎn)和往復運動使得可以同時加工所有刃口,極大地提高了鈍化效率[14]。因此,雙磁盤磁力刀具鈍化能極大地提高鈍化效率和鈍化質(zhì)量。實驗采用團隊自行研發(fā)設計的雙磁盤磁力鈍化設備,刃口采用三維形貌測量儀Alicona進行檢測,如圖9所示。

圖9 雙磁盤磁力鈍化設備

3.1 磁盤轉(zhuǎn)速對鈍化磨損量的影響

采用硬質(zhì)合金刀具,直徑10 mm、前角14°、后角15°、螺旋角30°。刀具轉(zhuǎn)速為64 r/min、鈍化時間為10 min、磁盤間距為20 mm、磁彈磨粒目數(shù)為30目,鐵、碳化硅和硅膠比例為10∶3∶10。刀具鈍化磨損量的變化趨勢如圖10所示。

由圖10可知,隨著磁盤轉(zhuǎn)速的增大,刃口磨損量增大,并且在2 min的鈍化時間內(nèi),鈍化磨損量的變化最大,并且效率也最高,在4～10 min內(nèi),鈍化磨損量增速減緩,效率降低。刀具鈍化刃口形貌變化如圖11所示,鈍化前刀具刃口尖銳、有較多的毛刺,且刃口呈非對稱形貌,但鈍化后,刃口變得更為光滑圓整。

圖10 磁盤轉(zhuǎn)速對鈍化磨損量的影響規(guī)律

圖11 刀具鈍化前后刃口形貌對比

3.2 相對磁導率對刃口磨損量的影響

采用10 mm金剛石刀具、陶瓷刀具、硬質(zhì)合金刀具進行鈍化實驗,刀具鈍化磨損量變化趨勢如圖12所示。

圖12 相對磁導率對鈍化磨損量的影響規(guī)律

可知,硬質(zhì)合金刀具在0～4 min內(nèi)的鈍化效率最高,而陶瓷和金剛石刀具整體磨損趨勢較為平緩,鈍化磨損量最大的為硬質(zhì)合金刀具,其次為陶瓷和金剛石刀具。這是由于刀具相對磁導率影響著磁場力的大小,在同樣的鈍化參數(shù)下,相對磁導率高的刀具鈍化效果最明顯,鈍化效效率也最高。

3.3 磨粒粒度對刃口磨損量的影響

磨粒粒度對刀具刃口鈍化磨損量的影響規(guī)律如圖13所示。磨粒粒度為10目和30目時的鈍化效率較高,而磨粒粒度為50目的整體鈍化趨勢較為平緩,效率較低。這是因為目數(shù)越小時,單個磨粒中所復合的鐵顆粒和碳化硅顆粒也越多,單次碰撞的材料去除率也越高,但目數(shù)過小時,單位時間內(nèi)磁彈磨粒與刀具刃口的有效碰撞量也會減少,因此,鈍化磨損量與磨粒粒度呈非線性關(guān)系。

圖13 磨粒粒度對刀具鈍化磨損量的影響規(guī)律

3.4 不同鈍化方式對刀具刃口磨損量的影響

采用磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化、普通磁性磨粒雙磁盤磁力鈍化和傳統(tǒng)立式鈍化法對硬質(zhì)合金刀具進行鈍化,研究不同鈍化方式對刀具刃口磨損量和表面粗糙度的影響。刀具刃口參數(shù)采用三維形貌測量儀Alicona測量,表面粗糙度采用光學輪廓儀ContourGT測量,實驗方案如表2所示。

表2 不同鈍化方式的實驗方案

不同鈍化方式對刀具刃口磨損量的影響如圖14所示。由圖可知,當?shù)毒咧睆綖?0 mm,鈍化時間為15 min時,刃口磨損量最小為0.32 μm,鈍化方式為立式旋轉(zhuǎn)鈍化,最大為0.68 μm，鈍化方式為磁彈磨粒磁力鈍化,提高了112.5%;當?shù)毒咧睆綖? mm,鈍化時間為10 min時,立式旋轉(zhuǎn)鈍化法的刃口磨損量最小,為0.22 μm,磁彈磨粒磁力鈍化法的刃口磨損最大，為1.08 μm,提高了390%;當?shù)毒咧睆綖? mm刀具,鈍化時間為5 min時,磁性磨粒磁力鈍化法的刃口磨損量最小,為1.44 μm,磁彈磨粒磁力鈍化法的刃口磨損量最大,為1.61 μm,提高了11.8%。因此,對于不同直徑刀具和不同鈍化時間,磁彈磨粒磁力鈍化的磨損量最大,效率最高。

圖14 不同鈍化方式對刃口磨損量的影響

3.5 不同鈍化方式對刃口表面粗糙度的影響

刀具鈍化前后刃口表面粗糙度如圖15所示。對于10 mm刀具，磁彈磨粒磁力鈍化法粗糙度降幅為0.21 μm、磁性磨粒磁力鈍化法降幅為0.18 μm、立式鈍化法降幅為0.19 μm，相比磁性磨粒磁力鈍化法和立式鈍化法，磁彈磨粒磁力鈍化法的粗糙度分別降低了14%，9%；對于8 mm刀具，磁彈磨粒磁力鈍化法粗糙度降幅為0.32 μm、磁性磨粒磁力鈍化法降幅為0.31 μm、立式鈍化法降幅為0.22 μm，相比磁性磨粒磁力鈍化法和立式鈍化法，磁彈磨粒磁力鈍化法的粗糙度分別降低了3%，31%；對于6 mm刀具，磁彈磨粒磁力鈍化法的粗糙度降幅為0.1 μm、磁性磨粒磁力鈍化法降幅為0.07 μm、立式鈍化法降幅為0.09 μm，相比磁性磨粒磁力鈍化法和立式鈍化法，磁彈磨粒磁力鈍化法的粗糙度分別降低了30%，10%。因此采用磁彈磨粒磁力鈍化法，刃口表面光潔度也最好。

圖15 不同鈍化方式對表面粗糙度的影響

4 結(jié) 論

本文將硅膠型磁彈磨粒引入到雙磁盤磁力鈍化法中，并通過仿真和實驗的方法驗證了其在刀具鈍化領(lǐng)域的可行性，主要結(jié)論如下：

1) 提出了4035硅膠型復合磁彈磨粒的制備方法,通過掃描電鏡SEM對磁彈磨粒的微觀形貌進行觀測,發(fā)現(xiàn)磁彈磨粒中的Fe元素含量最高,達到了78.46%,C元素占11.02%,O和Si元素各占3%左右。

2) 建立了磁彈磨粒的細觀代表性體積單元(RVE)模型,采用有限元軟件ABAQUS分析了磁彈磨粒的應力應變特性,發(fā)現(xiàn)在最大濃度粒度準則下,Y方向的壓應力最大,X方向的拉應力最大,且拉壓變形時的應力主要集中在碳化硅上,材料的變形量主要由4035硅膠承擔,材料的抗拉壓性能較好。

3) 刃口鈍化磨損量隨著磁盤轉(zhuǎn)速的增大而增大,相對磁導率越大,刃口鈍化磨損量越大,鈍化磨損量與磨粒粒度呈非線性關(guān)系。

4) 相對于磁性磨粒雙磁盤鈍化法和立式旋轉(zhuǎn)鈍化方法，對于10 mm,8 mm和6 mm的不同直徑刀具，采用磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化時，在不同時間下，刃口磨損量最大提高為112.5%,390%,11.8%，表面粗糙度降幅在3%～31%之間。因此，磁彈磨粒雙磁盤磁力鈍化效率和表面光潔度均優(yōu)于磁性磨粒雙磁盤磁力鈍化和傳統(tǒng)立式鈍化方法。