模具型腔表面磁流变抛光机理研究

祝 林

（四川职业技术学院 机械工程系，遂宁 629000）

0 引言

磁流变液在模具型腔表面磁流变抛光时起着十分重要的作用，将一定量的抛光磨料注入到磁流变液中就会形成磁流变抛光液。在外部磁场的前提下，磁流变液独有的流变性是完成整个抛光过程的有力保障。工件材料去除机理能够为加工全过程提供强有力的理论支持，同时对加工方法的研究也具有重要作用。

1 磁流变抛光原理

磁流变液指的是将只有微米大小的磁性颗粒融于绝缘载液内，从而形成一种具有流变性的悬浮液体，其流变性同外加磁场有直接关系。磁流变液的流变性在没有外加磁场的情况下，基本同普通的牛顿流体一样，而在强磁场的作用下会发生明显变化，其表观的粘度系数最少会提高两个数量级，从而使其由液体状态变得同固体状态相类似，但是将外加磁场去除后，它又恢复为原来的液体状。磁流变液状态在磁场的作用下会在液体和固体间反复，并且具有较强的可控、可逆性及反应迅速等特点。同电流变液相比，磁流变液的剪切屈服应力要比其高出一个数量级，同时在动力学和温度稳定性这两方面也优于电流变液，所以磁流变液拥有更为广阔的应用范围[1]。

如图1可知，在需要抛光的区域内注入含有一定浓度微细磨料的磁流变液后，外加一定强度的磁场，使该区域的磁流变液的表观粘度在流变效应下极速增加，从而在抛光轮表面形成半固体状态的抛光工具并在抛光轮的带动下，利用流体动压效用完成该区域的抛光任务[2]。

图1 磁流变抛光原理示意图

磁流变抛光具有的优点如下[3]：

1）抛光后的物体具有较高质量的光学表面。

2）具有较强可控性，可以获得较为复杂的面形。

3）具有较高的去除效率。

4）不会产生刀具损坏、堵塞等现象。

5）磁流变抛光利用其独有的剪切去除原理，不光具有较高去除效率，同时还能够完成纳米级精度的抛光，并且保证亚表面损伤基本为零[4]。所以，磁流变抛光技术不失为一种好的光学加工法。

2 模具型腔表面磁流变抛光机理

2.1 模具型腔表面磁流变抛光的材料去除机理

根据磁流变效应将一定浓度的细微磨粒加入到磁流变液中。在外加磁场的作用下，磁流变液中的磁性颗粒会在极微时间内被极化并沿磁场方向以链状结构进行运动，此时磁流变液的剪切屈服应力明显增强并形成与固体相接近的Bingham物质。在外加磁场作用下，磁流变液中呈链状结构的磁性颗粒会像普通砂轮的粘结剂那样将磨料颗粒紧紧夹住。这些磨料颗粒在一定大小的力的作用下同工件表面间产生柔性研磨层，该研磨层具有较高剪切强度，利用研磨层同工件间的相对运动，达到使工件表面变得光滑的目的。在进行加工时，磁性颗粒所形成的链状结构在受到瞬时力的破坏后能够在极短时间内形成新的链状结构，利用这种作用能够令磨料不断进行更新。

要想实现自由磨粒的研磨，必须满足下面三个基本条件：1）在工件表面区域内要具有充足并且有效的磨料颗粒；2）工件表面同磨料颗粒间必须形成有效的相对运动；3）工件表面同磨料颗粒间产生均匀并具有可控性的加工力[5]。在整个抛光过程中，前两个基本条件很容易实现，第三个基本条件必须利用抛光工具头的作用才能实现。不过总体来说，这三个基本条件还是比较容易实现的，因此能够较为容易的对模具型腔表面进行抛光并取得良好效果。

在进行加工时，磁流变液中的磁性颗粒在外加磁力作用下形成链状结构，被磁性颗粒紧紧夹住的非磁性磨料在一定大小的磁力作用下同工件表面形成一个柔性研磨层。这些研磨层中的非磁性磨料同工件表面间因相对运动而形成摩擦力，如果柔性研磨层所具有的剪切应力高于这种摩擦力的话，非磁性磨料就会对工件表面的凸起部分进行划擦、摩擦和微切削等作用。如果研磨层所具有的剪切应力比非磁性磨料同工件表面所形成的摩擦力小的话，就会导致磁性颗粒的链状结构损坏，不过随即就会形成新的链状结构，这种链状结构的反复形成会对工件表面金属产生一种塑变叠加效用，当这种塑变程度超出工件所能承受的最大塑变值时，工件表面的一些微小切屑就会因疲劳断裂变成磨屑而脱落，从而达到对工件表面进行抛光的目的。

2.2 模具型腔表面磁流变抛光的材料去除模型

模具型腔表面磁流变抛光的材料去除是通过机械和化学的双重作用实现的，不过在整个抛光过程中，主要是以机械作用为主，基于此，为了将该抛光法的材料去除机理作更为详尽的说明，我们假设主要利用磨料颗粒的微切削作用对工件表面的材料进行去除。依据这一假设理论可知，工件表面的材料去除是在磨料颗粒的微切削作用下完成的。如图4所示是单个磨料颗粒对工件表面凸起部分进行切削的示意图，我们可以依据该模型图对单个磨料颗粒对工件表面所产生的最大作用力进行计算[6]：

其中：F为磨料颗粒受到的磁悬浮力；

τ为磁流变液具有的剪切应力；

α为磨料颗粒外形的半项角；

σs为工件表面所具有的屈服应力；

a为磨料颗粒对工件表面凸起部位的微切削深度。

图2 单个磨粒对工件表面进行加工的示意图

由上述公式可知，在磨料颗粒对工件表面的凸起部分进行切削时，工件的表面去除效率也就是公式中提到的切削深度同磨料颗粒尺寸的大小是正比关系，同磁流变液所具有的剪切应力的二分之一次方也是正比关系，而磁流变液中含有的磁性颗粒尺寸的大小和浓度对其剪切应力有直接影响。所以我们可以通过对磁流变液的剪切应力及磨料颗粒的尺寸大小进行调整，从而实现对加工效率和工件表面质量的有效控制。

依据场致偶极矩理论可知，磁流变液中含有的每一颗磁性颗粒在外部磁力作用下都被极化为磁偶极子，这些磁偶极子在互相吸引的同时还以链状结构沿着磁力方向进行运动，任何两个相邻的磁性颗粒间的磁场能都能够由下面的公式表示[7]：

其中：Ep为相邻磁性颗粒间的磁场能；

B为磁化强度；Vp为单个磁性颗粒的体积；

μ0为真空磁导率；μr为磁性颗粒间的相对磁导率；

r为磁场颗粒间的距离，在该模型中可以用磁性颗粒的直径d来代替。

在上述模型中，磁化强度能够用磁场强度H来代替，同时假设磁性颗粒呈圆形，用相邻磁性颗粒间所具有的吸引力Fx来表示公式（3）为[8]：

因为相邻磁性颗粒之间的磁化及位置矢量的夹角为直角，因此能够将公式（4）简化成：

将上式进一步简化得出：

其中，m为磁偶极矩；H为磁场强度。

由上述公式可知，相邻磁性颗粒间的吸引力同外部磁场强度的平方成正比关系，同磁性颗粒间的距离成反比关系。因为磁性颗粒间的吸引力越高，磁性颗粒所形成的链状结构就越牢固，同时磁流变液中的剪切应力也会更高。

我们假定抛光工具头和工件表面所形成的研磨层中的链状结构是稳定并均匀的，那么就能够得出体积为V的磁流变液中的磁性链的总数量：

根据公式（6）、（7）可以得出抛光工具头同工件表面所形成的研磨层的总体剪切应力τ：

根据公式（7）可知，磁流变液的体积越大，研磨层所具有的剪切应力也就越高，同时抛光间隙也是影响磁流变抛光法的主要因素。

由宏观角度考虑，磁流变抛光法的材料去除率能够利用对Preston公式实施修正描述。因为本抛光法主要利用研磨层的剪切应力来实现材料的去除，所以能够表示成：

其中，MMR为材料去除率，K为修正系数，τ为剪切应力，f为摩擦系数，v为磨料与工件表面间的相对速度，A为加工区域面积。

把式（8）代入到式（7）中可以得出。

由上式可知，本抛光法的材料去除率主要受磁场强度、相对速度和抛光间隙等因素的影响。本抛光法的材料去除率同磁场强度和抛光间隙是正比关系，而与抛光间隙是反比关系。不过因各个参数在进行加工时是互相影响和依赖的关系，所以每一个工艺参数对整个加工过程的具体效果和影响还要通过相关试验来进行论证。

3 结束语

总之，本文依据模具型腔磁流变抛光原理对整个加工过程中工件表面的材料去除机理进行了详细的分析和研究，得出整个加工过程实际就是物理作用和化学作用相互作用的过程，最终构建出工件表面材料去除机理模型。目前，磁流变抛光法已经相当成熟，它具有加工质量和效率较高并能有效消除亚表面损伤层等优点。所以应对磁流变抛光原理、加工模型和磁流变液等进行更深层次的探索研究，进一步扩大其加工范围，并不断提升其加工质量及效率，使其向着自动化、智能化、精密化和集成化的方向前进，最终成为具有世界先进水平的制造技术。

[1]杨建国, 李中会, 李蓓智, 陶晓峰.精密磁流变抛光装置的设计与应用[J].机械设计与制造, 2010, (09): 45-47.

[2]李耀明, 沈兴全, 王爱玲.磁流变抛光技术的工艺试验[J].金刚石与磨料磨具工程, 2009, (05): 23-24.

[3]李中会, 杨建国, 邱明君.磁流变抛光技术及其质量控制的研究[J].工具技术, 2010, (03): 13-15.

[4]成连民, 李蓓智, 杨建国, 张家梁.磁流变抛光工艺参数的研究[J].机械, 2009, (06): 89-90.

[5]石峰, 戴一帆, 彭小强, 宋辞.磁流变抛光过程的材料去除三维模型[J].中国机械工程, 2009, (06): 78-79.

[6]贾乃智.浅谈塑料模具的抛光[J].模具制造, 2011, (05):21-23.

[7]李养良, 杜大明, 宋杰光, 商建峰, 席守谋.模具表面强化新技术的应用和发展[J].热处理技术与装备, 2010, (04):99-100.

[8]袁巨龙, 张飞虎, 戴一帆, 康仁科, 杨辉, 吕冰海.超精密加工领域科学技术发展研究[J].机械工程学报, 2010,(15): 88-89.