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        磁流變夾具的薄壁件加工裝夾性能分析與優(yōu)化*

        2022-05-12 07:21:40石楠楠趙梓伊朱海華駱立巍江小輝
        制造技術(shù)與機(jī)床 2022年5期
        關(guān)鍵詞:磁場強(qiáng)度剪切應(yīng)力裝夾

        石楠楠 趙梓伊 楊 敏 朱海華 駱立巍 江小輝

        (上海理工大學(xué),上海 200093)

        薄壁件由于重量輕、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度不足等特點(diǎn)導(dǎo)致加工裝夾穩(wěn)定性差、容易產(chǎn)生振動,引起加工質(zhì)量難控制。目前對于薄壁件加工過程中的夾持問題,多采用鏡像支撐裝夾[1]、真空吸附裝夾[2]等工藝方法。但受加工特征的復(fù)雜性限制 ,部分特征難以采用傳統(tǒng)夾具進(jìn)行裝夾,因此學(xué)者們提出了相變?nèi)嵝詩A具,例如電流變液(electrorheological fluids,ER)、磁流變液(magnetorheological fluids,MRF),磁場作用后由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài),起輔助支撐作用。相比于傳統(tǒng)夾具,相變?nèi)嵝詩A具有工件受力均勻、加工變形小和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[3]。

        國內(nèi)外學(xué)者們圍繞柔性夾具開展了大量研究,其中,司鵠[4]等人建立了磁流變流體屈服應(yīng)力模型,徐媛[5]等人推導(dǎo)了一種簡明的電偶極子和磁偶極子在外加磁場中的受力預(yù)測公式,為磁流變液夾緊力分析及優(yōu)化提供了理論依據(jù)。Jiang X[6]等人建立了MRF剪切應(yīng)力的理論數(shù)學(xué)模型并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了薄壁件磁流變液裝夾的可靠性。此外,Paul P S[7]等人通過研究銑削加工時磁流變阻尼參數(shù),對磁流變液成分進(jìn)行了配比優(yōu)化。肖璐[8]等人得出MRF夾具在銑削過程中夾緊力和銑削力之間可以互相平衡,且對薄壁件加工進(jìn)行了驗(yàn)證。Ma J[9]等人設(shè)計(jì)了一款磁流變?nèi)嵝詩A具用來研究加工過程中的振動抑制及加工質(zhì)量控制?,F(xiàn)有研究為柔性夾具的應(yīng)用提供了較好的理論和實(shí)驗(yàn)借鑒,但針對磁流變液柔性夾具的磁場與薄壁件裝夾綜合性能的優(yōu)化仍需進(jìn)一步挖掘。

        所以本文提出并設(shè)計(jì)了一種磁流變?nèi)嵝詩A具,通過理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合,探究了磁場大小、剪切應(yīng)力和銑削力三者之間的關(guān)系,并以某回轉(zhuǎn)薄壁件為例進(jìn)行驗(yàn)證,為航空航天領(lǐng)域薄壁件加工提供一種新方法。

        1 磁流變液夾具原理

        1.1 磁流變液的固化原理

        磁流變液是近十年來迅速發(fā)展的一種智能材料,無磁場時為牛頓流體,在外界磁場的作用下,磁性顆粒能夠從隨機(jī)的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變成沿外界磁場方向分布的有序鏈狀或者柱狀結(jié)構(gòu),這種微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的宏觀表現(xiàn)是磁流變液從液體轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w,此過程磁流變液會發(fā)生剪切流動。當(dāng)撤去外界磁場時,有序的鏈狀或者柱狀結(jié)構(gòu)又轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的隨機(jī)結(jié)構(gòu),其固液轉(zhuǎn)換在毫秒量級內(nèi)完成,如圖1所示。在磁流變液3種工作模式中,擠壓模式可以產(chǎn)生比剪切模式和流動模式更大的阻力[10],所以基于擠壓工作模式,設(shè)計(jì)了一套薄壁件磁流變液柔性夾持裝置,以獲得優(yōu)良的加工減振效果。

        圖1 磁流變液勵磁固化示意[11]

        1.2 夾持系統(tǒng)的理論力學(xué)模型

        通過磁場強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn),磁流變夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素在于磁場強(qiáng)度與剪切應(yīng)力大小及分布,以下兩節(jié)是具體的分析理論及模型基礎(chǔ),為磁流變液夾具的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。受力分析如圖2所示。

        圖2 受力分析

        1.2.1 磁場強(qiáng)度的理論模型

        磁場強(qiáng)度會影響磁流變液輔助支撐的效果,由磁化強(qiáng)度定義可知,若磁介質(zhì)中體積是V,磁化強(qiáng)度為M,則磁偶極子間磁矩m為

        其中:r1、r2為 兩磁極到點(diǎn)P的位移矢量; ε0為真空介電常數(shù),圖3中n為a外加磁場方向的單位矢量。根據(jù)磁偶極矩j的定義和磁矩與磁偶極距之間的關(guān)系

        圖3 磁偶極子在P處產(chǎn)生

        將式(2)代入式(3),則磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

        1.2.2 磁流變液的剪切應(yīng)力模型

        由于加工對象是薄壁件,在加工過程中產(chǎn)生的振動極易導(dǎo)致加工精度降低。需要借助力學(xué)模型分析磁流變液在銑削過程中抑制振動的效果。利用磁性物理學(xué)的理論得到磁單鏈作用力從而計(jì)算磁流變液的剪切應(yīng)力為[6]

        其中:f為粒子間的靜磁作用力;δ為磁性粒子之間的間隙;N為磁流變液中形成的穩(wěn)定鏈條數(shù); μ0為零磁場時的相對磁導(dǎo)率; χ為磁性粒子磁化率;H0為局部磁場強(qiáng)度;φ為磁性粒子的含量;r為磁性粒子半徑;θ為受剪切力的鏈條傾斜角度。計(jì)算得出剪切應(yīng)力大小即可分析磁流變液輔助裝夾效果。

        2 磁流變液夾具設(shè)計(jì)

        磁場強(qiáng)度是改變磁流變夾具剪切應(yīng)力的重要因素,本節(jié)首先通過Maxwell對磁鐵結(jié)構(gòu)和間距進(jìn)行仿真,通過分析上述因素對磁場分布及強(qiáng)度的影響,選用最佳結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)出最優(yōu)性能的磁流變夾具。

        2.1 磁場設(shè)計(jì)

        磁場結(jié)構(gòu)是影響磁場強(qiáng)度的因素之一,選用最常見的空心圓柱形(編號為1)和長方體形(編號為2)進(jìn)行磁場強(qiáng)度仿真。

        首先,將1號永磁鐵的大小設(shè)置最大直徑為220 mm,圓形內(nèi)壁直徑為200 mm,高度200 mm,材料設(shè)置為N45,利用Maxwell仿真磁場分布情況。再測量磁場具體大小,從X軸方向隔10 mm取一個測點(diǎn),同時在Z方向隔20 mm取一個測點(diǎn),測得磁場如圖4所示。從圖中可以得出初步結(jié)論,磁場強(qiáng)度整體呈U 形分布,最大磁場強(qiáng)度約為0.138 T,最小約為0.015 T。測得的磁場大小如圖4所示。

        圖4 1號磁鐵磁場強(qiáng)度分布圖

        2號磁鐵設(shè)置長、寬和高分別為200 mm,25 mm,200 mm;材料設(shè)置為N45。同理可分析2號磁鐵。測量磁場具體大小以磁塊中面為基準(zhǔn),分別向上和向下隔20 mm取一個測點(diǎn),同時沿X軸正方向,隔10 mm取一個測點(diǎn)。測得的磁場大小如圖5所示。

        圖5 2號磁鐵磁場強(qiáng)度分布圖

        分析可得2號磁鐵的磁場強(qiáng)度也呈U形分布,最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.2 T,最小約為0.03 T。所以矩形磁場優(yōu)于圓形磁場。因距磁場100 mm左右時基本滿足夾具夾緊最低要求,所以將兩磁塊距離設(shè)定為200 mm,并以此為磁場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

        2.2 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

        由上一節(jié)仿真可知,磁場設(shè)計(jì)選用矩形磁場和尺寸為300 mm×200 mm×100 mm的N45系列釹鐵硼材料,兩端磁鐵距離200 mm。利用六點(diǎn)定位原理[12]進(jìn)行設(shè)計(jì),所設(shè)計(jì)的磁流變?nèi)嵝詩A具由底板、螺紋板、放置磁流變液的箱體及磁鐵固定箱組成。采用機(jī)械和磁流變復(fù)合裝夾的方式進(jìn)行裝夾,其中機(jī)械元件起主要夾持作用,磁流變液起輔助支撐作用。為將磁流變夾具固定在機(jī)床上,設(shè)計(jì)底板的長度大于夾具底部長度。其次為限制零件加工時的自由度,特增加螺紋板進(jìn)行定位,并可適應(yīng)不同高度零件的裝夾。兩側(cè)固定箱將磁塊固定在夾具上,如圖6所示。因磁流變液固化對磁場的作用,所以為避免磁場對夾具的影響,夾具采用非導(dǎo)磁材料鋁合金制造。

        圖6 夾具三維模型

        3 測試驗(yàn)證

        為進(jìn)一步驗(yàn)證本設(shè)計(jì)磁場分布、裝夾性能及加工質(zhì)量。以下探究及揭示磁場強(qiáng)度和工件位置及銑削力的關(guān)系,并以某回轉(zhuǎn)薄壁件為例進(jìn)行加工驗(yàn)證。

        3.1 磁場分布測試流程及結(jié)果分析

        為驗(yàn)證2.1節(jié)磁場仿真結(jié)果的正確性,本節(jié)進(jìn)行了磁場強(qiáng)度分布測試。實(shí)驗(yàn)使用儀器選用特斯拉計(jì)(型號:KT-101)、尺寸為的300 mm×200 mm×100 mm的永磁鐵,測試流程如下:以夾具箱體底面為測量基準(zhǔn)面,長邊為X軸,高為Z軸,沿X正方向每隔10 mm和Z正方向每隔20 mm劃線直至夾具另一平行壁面,將兩線交叉點(diǎn)設(shè)置為測點(diǎn),用特斯拉計(jì)測量所有交叉點(diǎn)。結(jié)果如圖7所示。

        圖7 測得磁場分布

        由圖7可知,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢基本和仿真結(jié)果一致。磁場大小呈U形分布,磁場在夾具中間強(qiáng)度最小,兩端最大,具體的磁場強(qiáng)度最大偏差控制在20%以內(nèi)。

        3.2 不同位置的工件與磁場強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性分析

        由于磁場強(qiáng)度大小影響磁流變液固化狀態(tài),即磁場強(qiáng)度越大,磁流變液固化越好,產(chǎn)生的剪切應(yīng)力越大,輔助支撐效果越好且不同位置磁場強(qiáng)度不同,所以工件位置與剪切應(yīng)力存在關(guān)聯(lián),本節(jié)對不同位置50 mm×50 mm×1 mm的鋁合金板塊的剪切應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,步驟如下:填充35 mm高的磁流變液[13],以夾具箱體左側(cè)為起點(diǎn),向右移動10 mm為第一個位置,間隔45 mm一個測點(diǎn),共5個測點(diǎn),測量結(jié)果如表1所示。

        表1 剪切應(yīng)力與工件的關(guān)系

        由結(jié)果可知,同一工件在中間位置所受剪切應(yīng)力最小,兩端所受剪切應(yīng)力最大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論,放置位置不同的工件所受剪切應(yīng)力不同。對于結(jié)構(gòu)較大的薄壁件,適合放在磁場中間位置以保證兩側(cè)的剪切應(yīng)力對稱,從而提升裝夾性能。

        3.3 不同磁場強(qiáng)度對工件銑削力的影響分析

        磁場強(qiáng)度越大,剪切應(yīng)力越大,磁流變液輔助支撐效果越好,振動越小。而銑削加工的振動與銑削力存在一定關(guān)系[14],所以磁場強(qiáng)度對銑削力有影響。

        為進(jìn)一步探究磁場強(qiáng)度對工件銑削力的影響,本節(jié)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)加工驗(yàn)證,首先設(shè)定銑削參數(shù):刀具直徑10 mm,設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速14 000 r/min,銑削深度0.2 mm,進(jìn)給率400 mm/min。鋁合金工件尺寸為長寬高50 mm×50 mm×50 mm,根據(jù)銑削位置不同準(zhǔn)備9塊樣件,依次放在0 mm、25 mm、50 mm、75 mm、100 mm、125 mm、150 mm、175 mm及200 mm位置進(jìn)行加工,利用Kistler測力儀,測得以上各個位置3個方向的銑削力,結(jié)果如圖8所示。

        圖8 工件不同位置的銑削力

        由圖8可知,X、Y、Z這3個方向銑削力均呈中間大兩邊小的趨勢,與3.2節(jié)剪切應(yīng)力呈相反關(guān)系,這是由于剪切應(yīng)力越大,磁流變液的輔助夾緊作用越明顯,工件所受振動越小,加工時機(jī)床提供的銑削力就越小。

        3.4 基于磁流變夾具的薄壁件加工質(zhì)量研究

        為驗(yàn)證磁流變夾具對加工質(zhì)量的優(yōu)勢,本節(jié)以某圓筒形薄壁件為對象,加工安裝位置在磁流變液箱體中間位置(100 mm)。該樣件具體尺寸參數(shù)為:外徑34 mm,內(nèi)徑30 mm。實(shí)驗(yàn)對比了有無磁流變液情況下的加工結(jié)果,具體工藝為先用φ10 mm平底刀對外壁進(jìn)行粗加工,去除余量為0.15 mm,再用φ3 mm的平底刀對外壁進(jìn)行精加工,去除余量為0.1 mm,最終將工件加工至壁厚1.5 mm。

        實(shí)驗(yàn)采用Kistler測力儀、NIcDAQ-9 178振動信號測試機(jī)箱、PCB356B18傳感器測量有無MRF裝夾下加工過程中的振動,實(shí)驗(yàn)加工如圖9所示;再利用三坐標(biāo)測量儀測量同心度,通過上述實(shí)驗(yàn),得到工件厚度、位置一樣時,無MRF時加速度值是1.65g,有MRF時加速度值為0.29g,降低率為82.4%;有MRF裝夾相對于無MRF裝夾同心度下降38.5%,即采用有MRF裝夾方式同心度值更小。實(shí)驗(yàn)證明有MRF時加工質(zhì)量明顯上升,所以磁流變液柔性夾具的夾持效果要比傳統(tǒng)夾具的夾持效果好。

        圖9 加工實(shí)驗(yàn)圖

        4 結(jié)語

        為提高薄壁件加工效率,通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)測試,本文設(shè)計(jì)了一種磁流變液夾具,并與傳統(tǒng)夾具進(jìn)行對比,驗(yàn)證了此夾具的優(yōu)勢。具體結(jié)論如下:

        (1)為了設(shè)計(jì)夾持效果更優(yōu)的磁流變夾具,從磁流變液原理出發(fā),構(gòu)建了夾持系統(tǒng)的理論力學(xué)模型,并應(yīng)用Maxwell仿真對比兩種不同磁場結(jié)構(gòu)的磁場強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)可選擇磁場強(qiáng)度更大的矩形磁場結(jié)構(gòu)作為磁源。

        (2)為驗(yàn)證磁場仿真結(jié)果的正確性,通過實(shí)驗(yàn)測試磁場強(qiáng)度分布,發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)夾具內(nèi)部的磁場呈U形分布,最大磁場強(qiáng)度在近磁鐵位置為0.2 T,最小磁場強(qiáng)度在中間位置為0.03 T,與仿真結(jié)果一致。

        (3)通過實(shí)驗(yàn),獲得了工件不同位置和剪切應(yīng)力及銑削力之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力呈中間小兩邊大的趨勢,銑削力反之。

        (4)對所設(shè)計(jì)的磁流變液夾具進(jìn)行加工質(zhì)量研究,以圓筒形薄壁件為加工對象,將其放置在100 mm的位置加工,發(fā)現(xiàn)磁流變夾具有效降低銑削振動并提高薄壁件的加工質(zhì)量,充分驗(yàn)證了本文提出的磁流變夾具的合理性,并為推廣至復(fù)雜航空航天薄壁件加工提供了理論依據(jù)。

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