磁流變射流技術(shù)材料去除可行性分析*

張效鈺，汪慶華，李佳星，萬筠錢

(西安工業(yè)大學 機電工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

磁射流拋光技術(shù)首先由美國的QED公司提出，并對磁射流拋光的概念和技術(shù)實現(xiàn)進行了驗證，于1999年申請了美國第一個關(guān)于磁射流拋光技術(shù)的專利[1]，在2003年，QED公司又對磁射流拋光裝置進行了改進，并申請了相關(guān)專利[2]。之后，QED公司運用該技術(shù)對帶有球差和像散的平面進行了修形，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)對復雜形狀零件拋光的應用效果[4]。QED公司進一步對磁射流拋光機理進行了一系列的研究，利用“M”形去除函數(shù)對磁流變液有無磁場時的液柱變化進行對比研究，并于2006年利用磁射流拋光技術(shù)對多晶氧化鋁(PCA)的圓形罩進行了拋光，證明了磁射流拋光具有對復雜形腔、模具或其他醫(yī)療器械的小工具和保形光學元件成像系統(tǒng)的修形能力[5]。在后續(xù)磁射流發(fā)展的過程中，QED公司一直致力于磁射流拋光技術(shù)在保形光學元件拋光中的應用研究[6,7]。

韓國Seok J等[8]于2007年對磁流變液的磁場束流模型進行了研究。2015年韓國工業(yè)大學機械設計工程系Kim等[9]對磁射流拋光液、流體剪切力模型和去除函數(shù)進行了一系列的研究。

2007年國防科大張學成[10]對該技術(shù)的基礎理論進行了研究，包括幾種工藝參數(shù)(如沖擊角、工作距離、射流速度、磁場強度)對材料去除的影響，以及材料的去除機理、裝置簡圖和去除函數(shù)。之后，張學成等利用其M形去除函數(shù)通過外加旋轉(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)對波紋度進行了去除實驗。

2013年北京理工大學的Wang T等利用磁射流拋光對工件上小區(qū)域誤差進行了修正處理[13]；2014年Wang T利用磁射流去除函數(shù)為M形狀的特點，當兩次切削軌跡的距離合適時，可以實現(xiàn)將M形看成V形的去除函數(shù)[14]，當磁射流噴嘴進行圓周運動時，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，北京理工大學程灝波研究團隊繼續(xù)對磁射流拋光的一些基本理論進行了研究：2015年Wang T等[16]對磁射流拋光鏡面過程中產(chǎn)生的中頻誤差進行了PSD分析，并設計了一種特殊軌跡用來抑制加工后產(chǎn)生的中頻誤差；2017年Yang H等[17]針對磁射流拋光過程中的噴嘴處磁場束形過程進行了有限元分析，研究了不同性質(zhì)噴嘴對磁射流束的束形作用，并對比分析了在拋光過程中磁射流有無磁場時的去除函數(shù)，進而研究其有效拋光距離；2018年Yang H等[18]對磁射流拋光小工件邊緣位置進行了研究，分析其邊緣效應等問題，并設計了一種斜切形去除函數(shù)對小工件邊緣進行拋光。

2020年中國科學院大學的海闊在已有磁流變射流拋光裝置的基礎上，開發(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元件中去除函數(shù)區(qū)域的粗糙度分布機理及其隨時間的演化模型，然后通過在實驗元件光學表面上進行定點拋光實驗，驗證了理論模型的有效性。通過控制單點拋光的停留時間，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，磁流變射流加工對光學元件的加工取得了一定的成果。本文通過光整加工的加工方式來分析當加工工件為45鋼等金屬材料時，是否可以通過磁流變射流技術(shù)來進行加工。以45鋼為加工工件時，對比工件加工前后質(zhì)量的變化來判斷工件表面材料是否可以去除，并進行實驗驗證。

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拋光技術(shù)。該技術(shù)利用噴嘴出口附近的局部軸向磁場對磁流變液射流束產(chǎn)生穩(wěn)定作用，保持束徑在長距離內(nèi)基本不變，形成穩(wěn)定的細長射流束，大大提高了確定性拋光去除函數(shù)的穩(wěn)定性。磁射流拋光技術(shù)使用準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到材料去除的目的，以可控的方式實現(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、磁場發(fā)生裝置、動力裝置、回收裝置等。其中，噴射裝置主要由錐形噴嘴組成，磁場發(fā)生裝置由電磁線圈、絕緣橡膠片、套筒以及直流電源組成，動力裝置由氣動隔膜泵與空氣壓縮機組成。

本文磁流變液由基液、羥基鐵粉、非磁性拋光粉、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)，通過攪拌裝置進行10 h的充分攪拌后方可進行使用。

要保證磁流變液射出為準直的狀態(tài)，需選用錐形噴嘴，此外錐形噴嘴要有較好的磁導性，且噴嘴的出口應當在電磁線圈軸線方向整體的1/2處。電磁線圈與直流電源相連，產(chǎn)生能磁化錐形噴嘴的勻強磁場。電磁線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磁流變液飛濺到線圈內(nèi)部導致短路的情況發(fā)生。套筒不但可以使線圈馬步式纏繞更方便而且在更換錐形噴嘴的時候不需要再次纏繞線圈，只需將錐形噴嘴進行更換即可。噴射裝置與磁場發(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、電磁線圈2相連接。

1-錐形噴嘴;2-電磁線圈;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進行攪拌，進行攪拌后的磁流變液通過進料管1進入到氣動隔膜泵4中，空氣壓縮機2通過變徑進氣管3將氣體沖入氣動隔膜泵4中形成壓力差，使在氣動隔膜泵4中的磁流變液進入到出料口5中，進入出料口5的磁流變液進入到錐形噴嘴8中，噴射出磁流變液對工件11進行光整加工，當磁流變液對工件11進行光整加工后磁場的作用消失變?yōu)榕ｎD流體，進入到回收裝置13中并用攪拌裝置12對其進行攪拌，形成循環(huán)。裝置使用時可以通過調(diào)節(jié)出料口5處的壓力大小來改變射流的速度，電磁線圈9與直流電源相連，通過改變直流電源電壓的大小可以改變電磁線圈9處的磁場大小。因為套筒11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物如圖3所示。

1-進料管;2-空氣壓縮機;3-變徑進氣管;4-氣動隔膜泵;5-出料口;6-鉆床;7-絕緣橡膠片;8-錐形噴嘴;9-電磁線圈;10-套筒;11-工件;12-攪拌裝置;13-回收裝置

1-空氣壓縮機；2-氣動隔膜泵；3-為鉆床；4-為加工工件；5-噴射裝置；6-出料管；7-進料管；8-進氣管；9-空氣壓縮機出氣口

3 工藝參數(shù)的設置

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、加工時間以及磨粒濃度即磁流變液的選擇等。

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

4 實驗結(jié)果

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

5 結(jié)論

本文通過磁流變射流加工的方式對45鋼進行了材料去除的可行性分析。通過對比工件加工前、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45鋼材料去除是可行的。