磁流變拋光輪磨損影響因素分析*

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所 四川綿陽 621900)

磁流變拋光是一種先進的柔性拋光技術，它是利用磁流變拋光液在梯度磁場下的流變效應，構建的一種柔度可控、去除率穩定、曲面適應能力強的柔性拋光工具，具有高精度、超光滑與低缺陷等優點[1-5]。磁流變拋光輪在長時間拋光過程中，存在一定的磨損現象，如圖1所示。拋光輪產生磨損后，一方面，磨損溝槽形態嚴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，使得加工過程中會引入中頻誤差[6-8]。目前磁流變拋光輪磨損問題普遍存在，但對其磨損機制的研究卻很少，因此，本文作者通過研究回收器間隙、拋光輪轉速、拋光顆粒的含量和尺度等主要因素對拋光輪磨損的影響規律，為拋光輪磨損抑制方法提供了有益的支撐。

圖1 產生磨損的拋光輪

1 磁流變拋光輪磨損機制

1.1 磁流變拋光輪磨損原理

磁流變拋光過程中，磁流變拋光液在拋光輪內部電磁鐵產生的磁場作用下形成類固態拋光緞帶，拋光緞帶與工件接觸實現拋光，噴嘴和回收器負責回收循環在拋光輪上的磁流變拋光液。如圖2所示，回收器的原理是進入回收器的磁流變拋光液在回收器內環形磁鐵產生的梯度磁場作用下產生磁流變效應，成為具有黏彈性的Bingham介質，填滿回收器邊緣與拋光輪之間的間隙，形成磁密封，使后續進入的磁流變拋光液不會隨拋光輪轉動流出，進而被真空吸走?；厥掌鳟a生的磁密封與高速旋轉的拋光輪相接觸，使回收區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制

實際工況下，回收器與拋光輪間隙很小，回收器環形永磁體產生的磁力線十分密集，垂直于拋光輪的表面。根據磁流變效應場至偶極矩理論，磁流變拋光液在無磁場情況下，其中的磁性顆粒處于隨機分布的狀態，此時磁流變拋光液呈現出牛頓流體的特性。施加磁場后，單個磁性顆粒會被磁化成為偶極矩，顆粒之間由于存在相互作用，偶極矩會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。當磁流變拋光液中加入非磁性拋光顆粒后，在梯度磁場作用下，拋光顆粒在磁流變拋光液中受到磁浮力并朝向磁場減弱的方向移動，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為真空磁導率;M為磁流變液磁化強度;H為非磁性顆粒周圍磁場強度。

一方面，磁流變拋光液在梯度磁場的作用下成鏈狀排列，形成有一定屈服強度的類固態。另一方面，拋光顆粒在磁流變拋光液產生流變效應的過程中，一部分拋光顆粒集中向接近拋光輪的方向浮動，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生拋光輪磨損的主要原因。

圖3 柔性磁刷子形成過程

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生摩擦時，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的拋光輪產生磨粒磨損，對拋光輪表面材料以犁溝形式進行剪切去除，如圖4所示。

圖4 拋光輪磨損材料去除機制

從圖4可以看出，影響柔性磁刷子對拋光輪磨損能力的主要因素是磁鏈對拋光顆粒的約束能力，這種約束從本質上是一種“軟束縛”，即在磨損過程中可能是二體磨損也可能是三體磨損。當磁鏈對拋光顆粒的束縛強度大時，拋光顆粒的姿態相對穩定，在磁鏈內較少發生旋轉和位移，此時柔性磁刷子對拋光輪的磨損主要以二體磨損為主。當束縛強度不足時，就會出現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，甚至有部分脫離磁鏈處于游離態。

從磁流變效應的角度分析，影響磁鏈對拋光顆粒約束能力的主要因素從本質上講分為兩部分，一部分是磁場的強弱，另一部分是磁鏈的畸變程度。磁場強度直接決定了磁鏈的剪切屈服強度，也就是磁鏈對拋光顆粒的夾持能力。而在磁場一定的條件下，所謂磁鏈的畸變程度是指磁性顆粒排列狀態相對于最小能量排列方式的變化程度。當變化程度越大，磁流變效應就會越弱，磁鏈對拋光顆粒的夾持能力就越低。

2.2 磁場對拋光輪磨損率的影響

磁流變拋光液的剪切屈服強度可以通過它的宏觀本構模型進行分析，根據bingham黏塑性模型可以描述磁流變拋光液在磁場中的流變特性。磁流變拋光液的剪切應力τ[11]可表示為

(2)

式中:H為外加磁場的強度；τ0為外加磁場引起的屈服應力；η為零磁場強度時液體的黏度；γ為剪應變率。

式(2)可以定性說明磁流變拋光液的剪切屈服強度與磁場成正比。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強度大小。當增強磁場時，磁流變拋光液的剪切屈服強度增大，磁鏈對拋光顆粒的夾持能力就越強，拋光顆粒在與高速旋轉的拋光輪接觸時就越不容易脫離約束，剪切去除能力也就越強，磨損率增大。當磁場減弱時，磁鏈對拋光顆粒的夾持能力減弱，剪切力也隨之降低，甚至在摩擦過程中就會出現脫離約束變為游離態的情況發生，此時拋光輪的磨損率減小。

2.3 磁鏈畸變程度對拋光輪磨損率的影響

在磁場一定的情況下，磁鏈對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速的影響，這些因素可以使磁鏈產生較大的畸變進而影響磁鏈對拋光顆粒的把持能力。

2.3.1 拋光顆粒含量和尺度對拋光輪磨損率的影響

當拋光顆粒的含量和尺度增大時，參與剪切去除的顆粒增多，單個拋光顆粒的切深增大，磨損率上升。但是當含量和尺度增大到一定程度的時候，如圖5所示,磁鏈產生的畸變使其對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磁鏈畸變影響

2.3.2 轉速對拋光輪磨損率的影響

當拋光輪轉速增大時，柔性磁刷子中的拋光顆粒與拋光輪表面的沖擊力增強，剪切去除能力增大，摩擦行程增大。在一定范圍內，轉速的增大對拋光輪的磨損是促進的，磨損率增大。但是，當轉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了磁鏈對其的把持能力，部分拋光顆粒會在磁鏈中滾動或者脫離磁鏈處于游離態，與拋光輪失去接觸，導致磨損率下降。

3 磁流變拋光輪磨損影響因素實驗研究

3.1 實驗方法

按照表1單因素進行實驗分析，實驗裝置采用小拋光輪磨損平臺，當改變某一因素水平時，其余因素均按照水平2執行，磨損時間為1 h，補水頻率保持一致。實驗拋光輪材料為304不銹鋼，直徑50 mm。實驗所用磁流變拋光液中鐵粉平均尺度為2 μm，質量分數保持不變。拋光輪磨損前后采用超聲波清洗，用無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量，計算出磨損質量及單位時間內磨損率。每種實驗條件下重復3次實驗，取平均值作為評價數據。用掃描電鏡觀察拋光輪磨損表面形貌，用輪廓儀測量表面粗糙度。

表1 實驗分組

3.2 結果與討論

3.2.1 各因素對拋光輪磨損率的影響

通過調整間隙來改變磁場強度，研究了間隙對拋光輪磨損率的影響，結果如圖6所示。隨著間隙的增大，回收器與拋光輪之間的梯度磁場強度不斷減小，柔性磁刷子的剪切屈服強度降低，磁鏈對拋光顆粒的夾持能力減弱，回收器對拋光輪的磨損率下降。

圖6 間隙對磨損率的影響

拋光顆粒尺度對磨損率的影響如圖7所示?？梢?，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時磨損率出現最大值，說明過大的拋光顆粒導致磁鏈產生較大的畸變，降低了磁鏈的夾持能力，磨損率隨之減小。

圖7 拋光顆粒尺度對磨損率的影響

圖8示出了拋光顆粒質量分數對磨損率的影響。在拋光顆粒質量分數為0時，磨損率趨近于0，說明參與拋光輪材料磨損的主要因素是相對更硬的拋光顆粒。當拋光顆粒的質量分數提升時，參與磨損的拋光顆粒增加，磨損率增大；但隨著顆粒質量分數的增大，由拋光顆粒增多導致的磁鏈畸變逐漸增大，在顆粒質量分數超過4%之后磨損率開始減小。

圖8 拋光顆粒質量分數對磨損率的影響

拋光輪轉速對磨損率的影響如圖9所示。隨著拋光輪轉速的增大，磨損率先增大后減小，其中在拋光輪轉速達到600 n/min時磨損率最大。這是因為，拋光輪轉速的提高相當于增大了拋光顆粒對拋光輪的剪切力，因而磨損率增加；但是當轉速超過一定范圍后，拋光輪對拋光顆粒的沖擊力超過了磁鏈對拋光顆粒的把持能力，導致拋光顆粒在磁鏈內位置不穩定，甚至脫離磁鏈處于游離態，因而磨損率開始下降。

圖9 拋光輪轉速對磨損率的影響

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間隙下實驗后拋光輪表面磨損情況，結果如圖10所示?？梢钥吹疆敾厥掌髋c拋光輪間隙為0.1 mm時，此時磁場較大，拋光顆粒對拋光輪表面的劃痕連續且更深，呈現出二體磨損的特點。這是因為磁場較大時，磁鏈對拋光顆粒的把持能力更強，拋光顆粒在與拋光輪接觸時姿態相對穩定，料去除能力更強。當間隙為0.3 mm時，間隙較大，磁鏈對拋光顆粒的把持能力較低，在接觸時拋光顆粒姿態不穩定，在磁鏈中產生位移和轉動，甚至脫離磁鏈，所以劃痕不連續，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測的情況相吻合，驗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

用輪廓儀分別測量采用拋光顆粒尺度為0.5、4.5 μm時磨損拋光輪表面粗糙度，結果如圖11所示?？梢钥吹饺嵝源潘⒆釉趻伖廨喩袭a生溝槽的同時也有一定的拋光作用。從拋光的角度來看，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，但由于在實驗工況下拋光液進入回收器時，拋光顆粒分布并不均勻，所以在拋光的同時也會因拋光顆粒的聚集而產生溝槽。

圖11 不同尺寸拋光顆粒磨損后的表面粗糙度

5 結論

(1)磁流變拋光輪產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生的半固著磨粒磨損，其磨損特征表現為介于二體磨損和三體磨損之間。

(2)通過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上講是磁場和磁鏈畸變程度的大小，各工藝參數通過對這兩個因素的影響進而改變磨損率。

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