李昀樺，孔金星，尚逢祥

中國工程物理研究院機械制造工藝研究所

1 引言

薄壁構件的剛度隨著大量毛坯材料的去除而顯著降低，特別是當工件減薄到一定程度并進入精加工階段時，由裝夾引起的薄壁構件加工變形高達20%～60%[1，2]，因此減小薄壁構件的裝夾變形一直是制造領域技術人員努力解決的問題。由于柔性支撐方法能夠有效克服因裝夾力引起的回彈變形，工程中常用銅箔、橡膠等支撐物對薄壁構件進行輔助支撐，從而減小裝夾變形，但上述方法存在支撐剛度不可控、難以適應薄壁構件面型形狀等缺點。而磁流變液(Magnetorheological Fluid，MRF)作為一種支撐剛度可控、能夠自適應薄壁構件面型特征的智能相變材料，在柔性夾具設計中得到了廣泛應用[3]。

基于磁流變液的柔性夾具在薄壁構件裝夾過程中可切實減小裝夾變形并提高表面質(zhì)量，國內(nèi)外學者針對磁流變液柔性夾具進行了廣泛研究。Wuertz T.等[4]提出了基于磁流變液的裝夾固定系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠承受工件在加工過程中的切削力，且能對復雜形狀的工件進行靈活固定裝夾。Guo W.C.等[5]提出了一種機械—磁流變流體復合柔性夾緊方法，并通過薄壁件銑削試驗驗證了方法的有效性，與傳統(tǒng)裝夾方法相比，減小了薄壁件的變形并提高了表面質(zhì)量。為更有效控制薄壁構件的裝夾變形，Jiang X.H.等[6]認為柔性支撐夾具要求其輔助支撐材料具有一定的支撐剛度，而磁流變液的剪切應力正代表了其固化強度，Iglesias G.R.等[7]也認為剪切應力是磁流變液最重要的特征參數(shù)。為了提高柔性夾具中磁流變液的剪切屈服應力，Tang X.等[8]提出通過擠壓固化后的磁流變液使其內(nèi)部結(jié)構由單鏈變?yōu)榇种姆椒ǎ行岣吡舜帕髯円旱闹纬休d能力。

綜上所述，目前國內(nèi)外學者主要探討了優(yōu)化磁流變液柔性夾具結(jié)構以及提高磁流變液剪切屈服應力的方法，并取得良好的結(jié)果，但對于柔性支撐用磁流變液的濃度、配方及其與剪切屈服特性之間的關系缺乏深入研究。因此，本文以薄壁構件精密加工柔性裝夾用磁流變液為對象，制備了不同濃度的水基和油基磁流變液，采用流變儀研究磁場強度、體積分數(shù)、溫度對磁流變液剪切應力的影響。通過分析對比找出適合于柔性裝夾的磁流變液配制方法，并掌握其在磁場作用下的流變特性，為優(yōu)選適合薄壁構件柔性裝夾用磁流變液提供必要的技術支撐。

2 試驗方案

剪切應力是衡量磁流變液支撐剛度的重要參數(shù)之一，學者們認為影響磁流變液剪切應力特性的因素主要有：可磁化顆粒、包覆材料、基液、添加劑、體積分數(shù)、磁場強度和溫度[9-11]。本試驗重點研究基液、添加劑、體積分數(shù)、磁場強度及溫度對磁流變液剪切應力的影響。

2.1 磁流變液的制備

配制試樣所用的羰基鐵粉采用德國BASF公司生產(chǎn)的微米級羰基鐵粉，平均粒度約為3μm。

油基磁流變液制備步驟如下：①將二甲基硅油與硬脂酸混合后(質(zhì)量分數(shù)為羰基鐵粉的2%)水浴加熱并使用攪拌器攪拌；②硬脂酸溶解后加入羰基鐵粉并繼續(xù)恒溫水浴，使用攪拌器攪拌1h；③停止水浴加熱，繼續(xù)攪拌溶液使溫度降至室溫得到穩(wěn)定溶液；④試樣分別用試管保存，用于分析磁流變液的沉降性能。

水基磁流變液制備步驟如下：①將去離子水與抗氧化劑、分散劑混合并使用攪拌器攪拌30min形成穩(wěn)定溶液并作為水基基液；②將制備好的水基基液與羰基鐵粉混合并使用攪拌器攪拌1h得到均勻分散的水基磁流變液；③試樣分別用試管保存，用于分析磁流變液的沉降性能。

水基和油基磁流變液的體積分數(shù)配置為40%，44%，48%和52%。

2.2 試驗設備及方案

試驗采用安東帕流變儀(Anton Paar Physica MCR 301)測量磁流變液的黏度及剪切應力。設置剪切速率由0/s均勻增大到100/s，每個剪切速率下測量時間為5s。以100mT為增量，設置外加磁場從0mT增大到700mT。每次改變外加磁場，流變儀需先對磁流變液儀器中的試樣退磁10s。試驗方案設置見表1。

表1 試驗方案

3 試驗結(jié)果與分析

配置好的試樣靜置沉降40h，沉降情況見表2。由表可知，油基磁流變液(試樣A～E)的抗沉降性能明顯優(yōu)于水基磁流變液(試樣F～I)。而且隨著體積分數(shù)的增大，磁流變液的沉降百分比隨體積分數(shù)的增大而減小，體積分數(shù)為52%的磁流變液經(jīng)過40小時靜置僅沉降4%。通過A和B兩試樣的沉降情況對比可知，未添加硬脂酸的磁流變液沉降了15%，而添加了硬脂酸的磁流變液沉降了11%，硬脂酸能將體積分數(shù)為40%磁流變液的抗沉降性能提高36%。上述試驗結(jié)果表明，油基磁流變液的抗沉降性能優(yōu)于水基磁流變液，磁流變液的體積分數(shù)越高越不容易沉降，且硬脂酸添加劑能有效降低磁流變液的沉降。

表2 磁流變液沉降40h沉降情況

3.1 添加劑對磁流變液剪切應力的影響

圖1為體積分數(shù)40%的油基磁流變液A、B兩個試樣在不同磁場與剪切速率下的剪切應力及黏度測量結(jié)果，試樣A未添加硬脂酸，試樣B添加硬脂酸。圖1a為A、B兩試樣在零磁場時不同剪切速率下的黏度，添加硬脂酸的試樣黏度明顯大于未添加硬脂酸的試樣黏度，因此，硬脂酸使得磁流變液更加黏稠，零磁場黏度升高。圖1b為A、B兩試樣在不同磁場時的剪切屈服應力，磁場強度小于300mT時，無硬脂酸的磁流變液剪切應力略微小于含硬脂酸磁流變液；磁場強度大于300mT時，無硬脂酸磁流變液的剪切屈服應力大于含硬脂酸磁流變液；磁場強度為600mT時，硬脂酸使磁流變液的剪切屈服應力降低36%。圖1c為A、B兩試樣在不同磁場時剪切應力隨剪切速率的變化曲線，在較強的磁場下，含硬脂酸的油基磁流變液在低剪切速率下呈明顯的剪切屈服現(xiàn)象，無硬脂酸的油基磁流變液未出現(xiàn)明顯的剪切屈服現(xiàn)象，剪切速率對剪切應力的影響不大。

(a)零磁場下有無硬脂酸MRF的黏度變化

(b)有無硬脂酸MRF的剪切屈服應力變化

(c)不同剪切速率下有無硬脂酸MRF的剪切應力變化

3.2 基液對磁流變液剪切應力的影響

圖2為體積分數(shù)分別為40%，52%的油基和水基磁流變液在不同磁場下剪切屈服應力隨磁場強度變化的實測結(jié)果。由圖可知，當磁場強度小于400mT時，兩種濃度的油基磁流變液和水基磁流變液的剪切屈服應力差別不大；當磁場強度大于400mT時，兩種濃度的水基磁流變液的剪切屈服應力明顯大于油基磁流變液的磁場強度；當磁場強度為600mT時，體積分數(shù)為40%的水基磁流變液的剪切屈服應力較相同體積分數(shù)的油基磁流變液增大了37%，體積分數(shù)為52%的水基磁流變液剪切屈服應力較相同體積分數(shù)的油基磁流變液增大了78%。

圖2 水基和油基MRF剪切屈服應力對比

3.3 磁場強度對磁流變液剪切應力的影響

圖3為體積分數(shù)40%的水基磁流變液在不同磁場下的剪切屈服應力實測結(jié)果。根據(jù)有關學者研究，磁流變液在磁場作用下表現(xiàn)出磁非線性飽和效應，磁場強度較低時，其剪切屈服應力與磁場強度的平方成正比；在較高磁場強度下，可磁化顆粒的極化出現(xiàn)局部飽和，此時磁流變液的剪切屈服應力與磁場強度的3/2次方成正比；當磁場強度足夠高時，可磁化顆粒完全磁化飽和，此時磁流變液的剪切屈服應力只與可磁化顆粒材料的磁化特性參數(shù)有關[12]。

圖3 不同磁場下40%水基MRF的剪切屈服應力

由圖3可知，對于體積分數(shù)為40%的水基磁流變液，磁場強度為0～200mT時，磁流變液處于未磁化飽和狀態(tài)，呈現(xiàn)平方關系；當磁場強度為200～600mT時，磁流變液處于局部磁化飽和狀態(tài)，剪切屈服應力曲線與磁場強度基本呈3/2次方的關系；當磁場強度為600～700mT時，隨著局部磁化飽和程度的增加，磁流變液正趨近于磁化飽和狀態(tài)。上述試驗結(jié)果表明，體積分數(shù)為40%的高濃度水基磁流變液在磁場下的剪切屈服應力仍然遵循著磁非線性飽和效應原理。

3.4 體積分數(shù)對磁流變液剪切應力的影響

圖4為不同體積分數(shù)(40%，44%，48%，52%)的水基磁流變液在零磁場下黏度變化的實測結(jié)果和剪切應力隨剪切速率變化的實測結(jié)果。

(a)體積分數(shù)對粘度的影響

(b)不同剪切速率下體積分數(shù)對剪切應力的影響

圖4a為F、G、H和I四個試樣在零磁場、剪切速率為20/s時，隨著體積分數(shù)增大，零磁場時磁流變液的黏度隨體積分數(shù)的增加而增大。圖4b為四個試樣在零磁場、剪切速率為20/s，40/s，60/s，80/s，100/s時，隨著體積分數(shù)的增大，零磁場時磁流變液的剪切應力隨體積分數(shù)的增加而增大。對于體積分數(shù)為40%和44%的兩種水基磁流變液，剪切速率對剪切屈服應力的影響不大；對于體積分數(shù)為48%和52%的更高濃度水基磁流變液，隨著剪切速率的增加，剪切屈服應力也隨之增加。

3.5 溫度對磁流變液剪切應力的影響

圖5為體積分數(shù)為48%的油基和水基磁流變液在不同外加磁場和不同溫度下的剪切屈服應力實測結(jié)果。由圖可知，固定剪切速率為100/s且在相同磁場強度作用下，當測試溫度從31℃增加到49℃時，體積分數(shù)為48%的水基磁流變液(試樣H)和油基磁流變液(試樣D)的剪切應力基本不變；當磁場強度從0mT增加到400mT時，剪切屈服應力隨之增加，與前述結(jié)果一致。試驗結(jié)果表明，當溫度為30℃～50℃時，溫度對水基和油基磁流變液剪切應力影響不大，能夠保證薄壁構件精密加工過程中環(huán)境溫度不會對磁流變液柔性支撐性能產(chǎn)生影響。

(a)溫度對水基MRF剪切應力的影響

(b)溫度對油基MRF剪切應力的影響

3.6 適用于柔性夾具的磁流變液分析

試驗選用的柔性支撐用磁流變液主要針對薄壁構件精密加工過程，其使用溫度范圍預計為30℃～50℃且能滿足連續(xù)工作需求，這要求磁流變液具有較好的抗沉降穩(wěn)定性及支撐剛度。雖然水基磁流變液具有優(yōu)于油基磁流變液的磁致剪切應力特性，但經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，體積分數(shù)較高的水基磁流變液在試驗過程中存在水蒸發(fā)速度過快而導致磁流變液板結(jié)的問題，不適用于長時間工作的柔性夾具。油基磁流變液則不存在蒸發(fā)導致的板結(jié)問題，且具有較好的抗沉降性能。因此，油基磁流變液較水基磁流變液更適用于柔性夾具。根據(jù)上述試驗結(jié)果可知，磁場強度、體積分數(shù)是影響磁流變液剪切屈服應力的重要因素，為了盡可能增大磁流變液的剪切應力以提高柔性夾具的支撐剛度，應選用體積分數(shù)48%以上的油基磁流變液。

4 結(jié)語

本文針對薄壁構件精密加工柔性支撐用磁流變液，對比分析了添加劑、磁場強度、體積分數(shù)、溫度等因素對水基和油基磁流變液剪切應力的影響，主要結(jié)論如下：

(1)磁場強度較小時，油基磁流變液的剪切屈服應力略微大于水基磁流變液，當磁場強度大于400mT時，水基磁流變液的剪切屈服應力明顯大于油基磁流變液。

(2)油基磁流變液在低剪切速率下出現(xiàn)明顯的剪切屈服現(xiàn)象，水基磁流變液在較小的磁場強度下就已經(jīng)發(fā)生剪切屈服。

(3)磁流變液的體積分數(shù)越大，其零磁場黏度就越大，且零磁場時磁流變液的剪切應力正相關于磁流變液的體積分數(shù)。

(4)硬脂酸添加劑能有效提高油基磁流變液的沉降性能，當磁場強度小于400mT時，有無添加劑對油基磁流變液的剪切屈服應力無明顯影響；當磁場強度大于400mT時，添加劑將大幅降低油基磁流變液的剪切屈服應力。

(5)綜合對比使用中的剪切應力、抗沉降性能以及蒸發(fā)情況，體積分數(shù)為48%以上的油基磁流變液更適合于薄壁構件精密加工用柔性支撐夾具設計。