張效鈺，汪慶華，李佳星，萬(wàn)筠錢(qián)

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

磁射流拋光技術(shù)首先由美國(guó)的QED公司提出，并對(duì)磁射流拋光的概念和技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，于1999年申請(qǐng)了美國(guó)第一個(gè)關(guān)于磁射流拋光技術(shù)的專(zhuān)利[1]，在2003年，QED公司又對(duì)磁射流拋光裝置進(jìn)行了改進(jìn)，并申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利[2]。之后，QED公司運(yùn)用該技術(shù)對(duì)帶有球差和像散的平面進(jìn)行了修形，利用相關(guān)裝置和去除函數(shù)，最終使表面粗糙度的RMS(均方根)從幾十納米降低到幾個(gè)納米，證明了該技術(shù)的拋光能力[3]。2005年QED公司拋光了一個(gè)材質(zhì)為熔石英玻璃的半球形頭罩，使其表面質(zhì)量得到了將近十倍的改善，有力地證明了該技術(shù)對(duì)復(fù)雜形狀零件拋光的應(yīng)用效果[4]。QED公司進(jìn)一步對(duì)磁射流拋光機(jī)理進(jìn)行了一系列的研究，利用“M”形去除函數(shù)對(duì)磁流變液有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的液柱變化進(jìn)行對(duì)比研究，并于2006年利用磁射流拋光技術(shù)對(duì)多晶氧化鋁(PCA)的圓形罩進(jìn)行了拋光，證明了磁射流拋光具有對(duì)復(fù)雜形腔、模具或其他醫(yī)療器械的小工具和保形光學(xué)元件成像系統(tǒng)的修形能力[5]。在后續(xù)磁射流發(fā)展的過(guò)程中，QED公司一直致力于磁射流拋光技術(shù)在保形光學(xué)元件拋光中的應(yīng)用研究[6,7]。

韓國(guó)Seok J等[8]于2007年對(duì)磁流變液的磁場(chǎng)束流模型進(jìn)行了研究。2015年韓國(guó)工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)工程系Kim等[9]對(duì)磁射流拋光液、流體剪切力模型和去除函數(shù)進(jìn)行了一系列的研究。

2007年國(guó)防科大張學(xué)成[10]對(duì)該技術(shù)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究，包括幾種工藝參數(shù)(如沖擊角、工作距離、射流速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度)對(duì)材料去除的影響，以及材料的去除機(jī)理、裝置簡(jiǎn)圖和去除函數(shù)。之后，張學(xué)成等利用其M形去除函數(shù)通過(guò)外加旋轉(zhuǎn)的方式，獲得了較為理想的高斯形去除函數(shù)[11]。2009年國(guó)防科大戴一帆等[12]在后續(xù)的研究中利用磁射流拋光技術(shù)對(duì)波紋度進(jìn)行了去除實(shí)驗(yàn)。

2013年北京理工大學(xué)的Wang T等利用磁射流拋光對(duì)工件上小區(qū)域誤差進(jìn)行了修正處理[13]；2014年Wang T利用磁射流去除函數(shù)為M形狀的特點(diǎn)，當(dāng)兩次切削軌跡的距離合適時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)將M形看成V形的去除函數(shù)[14]，當(dāng)磁射流噴嘴進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以將M形去除函數(shù)變?yōu)楦咚剐螤钊コ瘮?shù)[15]。在之后的幾年里，北京理工大學(xué)程灝波研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)對(duì)磁射流拋光的一些基本理論進(jìn)行了研究：2015年Wang T等[16]對(duì)磁射流拋光鏡面過(guò)程中產(chǎn)生的中頻誤差進(jìn)行了PSD分析，并設(shè)計(jì)了一種特殊軌跡用來(lái)抑制加工后產(chǎn)生的中頻誤差；2017年Yang H等[17]針對(duì)磁射流拋光過(guò)程中的噴嘴處磁場(chǎng)束形過(guò)程進(jìn)行了有限元分析，研究了不同性質(zhì)噴嘴對(duì)磁射流束的束形作用，并對(duì)比分析了在拋光過(guò)程中磁射流有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的去除函數(shù)，進(jìn)而研究其有效拋光距離；2018年Yang H等[18]對(duì)磁射流拋光小工件邊緣位置進(jìn)行了研究，分析其邊緣效應(yīng)等問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了一種斜切形去除函數(shù)對(duì)小工件邊緣進(jìn)行拋光。

2020年中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的海闊在已有磁流變射流拋光裝置的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了新的循環(huán)攪拌系統(tǒng)，提出并構(gòu)建了磁射流拋光精密光學(xué)元件中去除函數(shù)區(qū)域的粗糙度分布機(jī)理及其隨時(shí)間的演化模型，然后通過(guò)在實(shí)驗(yàn)元件光學(xué)表面上進(jìn)行定點(diǎn)拋光實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論模型的有效性。通過(guò)控制單點(diǎn)拋光的停留時(shí)間，可以有效地降低表面粗糙度，從而提高工件的表面質(zhì)量[19]。

綜上所述，磁流變射流加工對(duì)光學(xué)元件的加工取得了一定的成果。本文通過(guò)光整加工的加工方式來(lái)分析當(dāng)加工工件為45鋼等金屬材料時(shí)，是否可以通過(guò)磁流變射流技術(shù)來(lái)進(jìn)行加工。以45鋼為加工工件時(shí)，對(duì)比工件加工前后質(zhì)量的變化來(lái)判斷工件表面材料是否可以去除，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 磁流變射流技術(shù)的原理

磁射流拋光技術(shù)(Magnetorheological Jet Polishing, MJP)是射流技術(shù)和磁流變技術(shù)的結(jié)合，是一種小磨頭確定性?huà)伖饧夹g(shù)。該技術(shù)利用噴嘴出口附近的局部軸向磁場(chǎng)對(duì)磁流變液射流束產(chǎn)生穩(wěn)定作用，保持束徑在長(zhǎng)距離內(nèi)基本不變，形成穩(wěn)定的細(xì)長(zhǎng)射流束，大大提高了確定性?huà)伖馊コ瘮?shù)的穩(wěn)定性。磁射流拋光技術(shù)使用準(zhǔn)直的硬化射流束噴射到放置在一定距離處的工件表面，借助磨料顆粒的剪切作用達(dá)到材料去除的目的，以可控的方式實(shí)現(xiàn)拋光和修形。

2 磁流變射流光整加工裝置

磁流變射流光整加工裝置包括：噴射裝置、磁場(chǎng)發(fā)生裝置、動(dòng)力裝置、回收裝置等。其中，噴射裝置主要由錐形噴嘴組成，磁場(chǎng)發(fā)生裝置由電磁線(xiàn)圈、絕緣橡膠片、套筒以及直流電源組成，動(dòng)力裝置由氣動(dòng)隔膜泵與空氣壓縮機(jī)組成。

本文磁流變液由基液、羥基鐵粉、非磁性?huà)伖夥?、表面活性劑、抗氧化劑及其他功能的添加劑組成。配置好的磁流變液為水與磨料分離狀態(tài)，通過(guò)攪拌裝置進(jìn)行10 h的充分?jǐn)嚢韬蠓娇蛇M(jìn)行使用。

要保證磁流變液射出為準(zhǔn)直的狀態(tài)，需選用錐形噴嘴，此外錐形噴嘴要有較好的磁導(dǎo)性，且噴嘴的出口應(yīng)當(dāng)在電磁線(xiàn)圈軸線(xiàn)方向整體的1/2處。電磁線(xiàn)圈與直流電源相連，產(chǎn)生能磁化錐形噴嘴的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。電磁線(xiàn)圈外部的絕緣橡膠片既可以起到絕緣的作用還可以防止光整加工時(shí)磁流變液飛濺到線(xiàn)圈內(nèi)部導(dǎo)致短路的情況發(fā)生。套筒不但可以使線(xiàn)圈馬步式纏繞更方便而且在更換錐形噴嘴的時(shí)候不需要再次纏繞線(xiàn)圈，只需將錐形噴嘴進(jìn)行更換即可。噴射裝置與磁場(chǎng)發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，錐形噴嘴1與套筒4相連，套筒4與絕緣橡膠片3、電磁線(xiàn)圈2相連接。

1-錐形噴嘴;2-電磁線(xiàn)圈;3-絕緣橡膠片;4-套筒

本文搭建的磁流變射流加工裝置整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。將磁流變液加入到回收裝置13中，并用攪拌裝置12進(jìn)行攪拌，進(jìn)行攪拌后的磁流變液通過(guò)進(jìn)料管1進(jìn)入到氣動(dòng)隔膜泵4中，空氣壓縮機(jī)2通過(guò)變徑進(jìn)氣管3將氣體沖入氣動(dòng)隔膜泵4中形成壓力差，使在氣動(dòng)隔膜泵4中的磁流變液進(jìn)入到出料口5中，進(jìn)入出料口5的磁流變液進(jìn)入到錐形噴嘴8中，噴射出磁流變液對(duì)工件11進(jìn)行光整加工，當(dāng)磁流變液對(duì)工件11進(jìn)行光整加工后磁場(chǎng)的作用消失變?yōu)榕ｎD流體，進(jìn)入到回收裝置13中并用攪拌裝置12對(duì)其進(jìn)行攪拌，形成循環(huán)。裝置使用時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)出料口5處的壓力大小來(lái)改變射流的速度，電磁線(xiàn)圈9與直流電源相連，通過(guò)改變直流電源電壓的大小可以改變電磁線(xiàn)圈9處的磁場(chǎng)大小。因?yàn)樘淄?1的存在，可以根據(jù)需要直接更換不同口徑的錐形噴嘴8。磁流變射流加工裝置實(shí)物如圖3所示。

1-進(jìn)料管;2-空氣壓縮機(jī);3-變徑進(jìn)氣管;4-氣動(dòng)隔膜泵;5-出料口;6-鉆床;7-絕緣橡膠片;8-錐形噴嘴;9-電磁線(xiàn)圈;10-套筒;11-工件;12-攪拌裝置;13-回收裝置

1-空氣壓縮機(jī)；2-氣動(dòng)隔膜泵；3-為鉆床；4-為加工工件；5-噴射裝置；6-出料管；7-進(jìn)料管；8-進(jìn)氣管；9-空氣壓縮機(jī)出氣口

3 工藝參數(shù)的設(shè)置

影響磁流變射流加工結(jié)果的主要因素有：電流的大小、射流速度、加工時(shí)間以及磨粒濃度即磁流變液的選擇等。

本文實(shí)驗(yàn)選擇的工藝參數(shù)如下：空氣壓縮機(jī)壓力為0.6 MPa，電磁線(xiàn)圈電流為1.11 A、靶距為140 mm、射流速度為18 m/s、噴嘴口徑為2 mm、加工時(shí)間為15 min。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

取一塊長(zhǎng)為102 mm、寬為62 mm、高為6 mm的45鋼板作為工件，用電子秤測(cè)量出工件的初始質(zhì)量為105.48 g，用搭建好的磁流變射流加工裝置對(duì)板材進(jìn)行加工。當(dāng)加工后的板材質(zhì)量有所減小，那么則證明本文所配置的磁流變液能對(duì)板材進(jìn)行材料去除，反之，則證明不行。利用磁流變射流加工裝置對(duì)工件進(jìn)行加工后，經(jīng)充分干燥處理用電子秤測(cè)量出工件質(zhì)量為105.44 g。

5 結(jié)論

本文通過(guò)磁流變射流加工的方式對(duì)45鋼進(jìn)行了材料去除的可行性分析。通過(guò)對(duì)比工件加工前、后質(zhì)量可知，在磁流變射流加工后工件質(zhì)量有所減小，證明了磁流變射流加工對(duì)45鋼材料去除是可行的。