磁流變液在智能研磨中應(yīng)用的研究

陳冬　盧永霞　趙浩明　耿驚濤　高恒志

【摘要】? ? 磁流變液屬于一種智能型的材料，響應(yīng)速度非常的快，而且在進(jìn)行操作的時(shí)候也比較簡(jiǎn)單，控制精準(zhǔn)度也非常的優(yōu)良，因?yàn)檫@些特性，所以使磁流變液已經(jīng)成為了智能材料發(fā)展的一個(gè)非常重要的分支，在本篇文章當(dāng)中，主要會(huì)就磁流變液在智能研磨當(dāng)中的具體的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討。

【關(guān)鍵詞】? ? 磁流變液? ? 智能研磨? ? 智能發(fā)展

磁流變液屬于一種具有非常良好發(fā)展性能的智能材料，磁流變液可以在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下表現(xiàn)出非常好的流動(dòng)性，在比較強(qiáng)烈的磁場(chǎng)當(dāng)中，磁流變液也會(huì)迅速的變成固體 ，在去除掉它的外部磁場(chǎng)之后，磁流變液又會(huì)變成一種液體，這種可以在液體，固體的液體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，而且比較容易控制速度越快的材料勢(shì)必會(huì)成為智能材料發(fā)展的一個(gè)重要的分支，現(xiàn)如今，磁流變液已經(jīng)廣泛的使用在了汽車(chē)，航天，建筑，儀器儀表以及精密加工等領(lǐng)域當(dāng)中。

一、磁流變液的性能

1.1磁流變液的磁特性

磁流變液具有一定的磁特性，這里的磁特性指的就是在外力影響之下，磁流變液可能會(huì)出現(xiàn)被磁化的規(guī)律，因此了解了磁流變液的磁特性，對(duì)于最終完成器件設(shè)計(jì)是非常重要的。因?yàn)橐坏┩饬ψ饔貌粩嗟脑鰪?qiáng)，那么磁流變液的特性也會(huì)隨之出現(xiàn)改變，其磁化的速度會(huì)慢慢的增加，伴隨著外力影響的不斷的加大，最重要磁流變液的磁特性可以到達(dá)一個(gè)峰值。

1.2磁流變液的力學(xué)特性

剪切屈服應(yīng)力是磁流變液非常重要的一個(gè)參數(shù)之一，并且人們?cè)趯?duì)于磁流變液的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程當(dāng)中，基本上都是查看其剪切屈服應(yīng)力是否合乎標(biāo)準(zhǔn)，如果存在著外力磁場(chǎng)，那么磁場(chǎng)當(dāng)中的顆粒就會(huì)變成一個(gè)非常有序的結(jié)構(gòu)，這樣能夠有效地降低顆粒的自由度，能夠使磁流變液出現(xiàn)非常明顯的性能變化，會(huì)從流體變成類(lèi)固體，因?yàn)槭艿搅送饨缬绊?，所以說(shuō)它的性能也會(huì)隨之出現(xiàn)變化，并且在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)剪切應(yīng)力，若磁流變液的剪切應(yīng)力要小于它的屈服應(yīng)力的話(huà)，那么其流變液就會(huì)出現(xiàn)固體的性質(zhì)，甚至是在影響下直接產(chǎn)生變形，在磁流變液變形的過(guò)程當(dāng)中，剪切應(yīng)力跟應(yīng)變出現(xiàn)正比例關(guān)系，而且磁流變液也會(huì)因?yàn)榧羟袘?yīng)力不斷的加大而導(dǎo)致連續(xù)的變形，這個(gè)時(shí)候就會(huì)展現(xiàn)出磁流變液存在著的液體流動(dòng)性。

1.3磁流變液的表觀(guān)粘度

流體的表觀(guān)粘度我們將其定義為在流體發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)的過(guò)程當(dāng)中，其內(nèi)部的剪應(yīng)力除以剪應(yīng)所得到的商，在沒(méi)有任何外力磁場(chǎng)的作用下，有大多數(shù)的磁流變液會(huì)被視為牛頓流體，在這個(gè)時(shí)候，零場(chǎng)粘度屬于一定值和剪切的速度沒(méi)有任何的聯(lián)系，而有一些磁流變液在臨場(chǎng)的時(shí)候，就已經(jīng)展現(xiàn)出了非牛頓流體的特性，具體的表現(xiàn)為零場(chǎng)黏度會(huì)伴隨著剪切速率的不斷的增強(qiáng)而出現(xiàn)下降的情況，無(wú)論是哪一種磁流變液，在外力磁場(chǎng)的影響下，一旦出現(xiàn)了流動(dòng)，那么勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象，這個(gè)時(shí)候磁流變液的表觀(guān)粘度會(huì)不斷的下降，最后變成一個(gè)穩(wěn)定值。

1.4磁流變液的沉降穩(wěn)定性

一般來(lái)說(shuō)，磁流變液的磁性懸浮屬于鐵合金粉或者是鐵粉，其積液一般為硅油或者是礦物油，它的密度會(huì)相差7～8倍左右，如果不對(duì)其進(jìn)行特殊的處理的話(huà)，長(zhǎng)期靜置一定會(huì)出現(xiàn)沉降。并且當(dāng)沉降的顆粒覆蓋在表面層或者是在顆粒表面的影響下，最后會(huì)出現(xiàn)團(tuán)結(jié)聚塊的情況，這個(gè)情況如果不能夠加以控制，則會(huì)導(dǎo)致最終的顆粒結(jié)塊，導(dǎo)致磁流變液的材料最終喪失磁流變的效應(yīng)，同時(shí)這種沉降的顆粒塊還會(huì)導(dǎo)致磁流變液出現(xiàn)零場(chǎng)黏度的不斷的增強(qiáng)，導(dǎo)致最終磁流變材料的流動(dòng)性不斷的變差，失去可調(diào)節(jié)的范圍。還會(huì)導(dǎo)致其對(duì)振動(dòng)頻率不能夠及時(shí)的響應(yīng)，導(dǎo)致最終的器件性能變差。就目前來(lái)看，針對(duì)于緩解沉降速度的主要用途，包括首先在表面可以覆蓋一層添加劑，添加劑可以起到很好的防沉淀的作用，第二個(gè)方法就是加入觸變劑在磁流變液當(dāng)中，加入觸變劑之后，能夠有效的改善其沉降特性，并且同時(shí)在表面再加入一層添加劑，添加劑以及觸變劑的有機(jī)結(jié)合要比單獨(dú)使用的效果更為理想。

二、磁流變液在智能研磨當(dāng)中的主要應(yīng)用

現(xiàn)如今微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展的非常的迅速，而且在微機(jī)電系統(tǒng)當(dāng)中，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷的演進(jìn)，各個(gè)系統(tǒng)零件開(kāi)始慢慢向著微型化發(fā)展，其表面的形狀變得越來(lái)越復(fù)雜，這就導(dǎo)致在對(duì)零件表面進(jìn)行研磨的過(guò)程當(dāng)中，其質(zhì)量要求變得越來(lái)越高超，精密加工現(xiàn)在已經(jīng)成為了我們進(jìn)行加工的一個(gè)主要的方法，而且現(xiàn)在超精密加工也已經(jīng)向著納米級(jí)開(kāi)始不斷的發(fā)展。加工的辦法，從過(guò)去傳統(tǒng)的辦法已經(jīng)演變成為現(xiàn)在的非常偏向于智能化的研磨，在進(jìn)行研磨的過(guò)程當(dāng)中，主要使用的現(xiàn)代化的方法包括磁能，電能以及聲能等等一系列的物理學(xué)的辦法，可以針對(duì)于材料進(jìn)行高效率且高精度地處理，現(xiàn)在已經(jīng)成為了研究的一個(gè)重點(diǎn)的區(qū)域，同時(shí)在所有的研磨方法當(dāng)中，磁輔助超精密加工現(xiàn)在已經(jīng)成為了非常典型的一種加工的辦法，而且應(yīng)用在了非常多的領(lǐng)域當(dāng)中，因此對(duì)于磁輔助超精密加工進(jìn)行分析，十分具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.1磁性研磨

磁性研磨指的就是把磁場(chǎng)使用到傳統(tǒng)的研磨技術(shù)當(dāng)中，使傳統(tǒng)的研磨技術(shù)，增加一層智能化的外殼，利用磁性磨料在磁場(chǎng)當(dāng)中形成一個(gè)和器件互相摩擦的磁刷，這樣可以有效的針對(duì)于所需要的器件進(jìn)行微切除，實(shí)現(xiàn)對(duì)于器件表面的加工。

自前蘇聯(lián)工程師于1938年正式提出磁性研磨這一概念之后，磁性研磨從20世紀(jì)60年代開(kāi)始就被大量前蘇聯(lián)學(xué)者進(jìn)行研究，在深入研究的過(guò)程當(dāng)中，我們對(duì)于磁性磨料的制備以及其他的一些工藝點(diǎn)有了一定的了解。20世紀(jì)70年代中期，保加利亞開(kāi)始針對(duì)于磁性研磨技術(shù)進(jìn)行研究。日本則是在20世紀(jì)80年代對(duì)其進(jìn)行了研究，我國(guó)相較于其他的國(guó)家來(lái)說(shuō)，研究的稍晚一些是在20世紀(jì)80年代中后期才開(kāi)始對(duì)這方面的技術(shù)進(jìn)行探討，并且到現(xiàn)在為止也取得了一定的成效。

在一對(duì)磁極當(dāng)中放入磁性磨料，在磁場(chǎng)的感應(yīng)作用下，磁性磨料會(huì)按照磁力的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行分布，并且在磁場(chǎng)中間形成一個(gè)有鋼度的磁刷，當(dāng)被加工的零件放到磁極中間的時(shí)候，零件就會(huì)伴隨著磁極進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和震動(dòng)，磁場(chǎng)會(huì)讓磨料和器件之間的表面形成一定的壓力，并且磨料會(huì)對(duì)這些器件的表面進(jìn)行擠壓，進(jìn)行微量的切削，進(jìn)而對(duì)整個(gè)工件的表面進(jìn)行研磨和加工。

在具體加工時(shí)，需要把磁性磨料放入到我們需要進(jìn)行研磨的工件的內(nèi)部，然后在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，工件的內(nèi)部和磨料就會(huì)進(jìn)行一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終完成拋光，我們所放進(jìn)的磁性磨料，會(huì)隨著機(jī)器的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)，磁料跟拋光粉最終融合在一起，能夠更好的使整體材料的去除變得更加的有效。為了能夠更好的對(duì)那些比較復(fù)雜的曲面進(jìn)行加工，所以說(shuō)也可以把加工的工具做成磁極工件，這樣就能夠在加工的同時(shí)繼續(xù)做垂直方向的上下運(yùn)動(dòng)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)工件的表面加工，一般來(lái)說(shuō)會(huì)影響到磁性研磨加工的特性的主要因素可以分成以下幾種，首先就是磁場(chǎng)的強(qiáng)度，再者就是工作的間隙，包括在工件跟磁性磨料作相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中的具體的速度等等，這些因素對(duì)于最終的加工的效率和精度都有著非常重要的影響。

2.2磁流變拋光

磁流變液指的就是可以將微米大小的磁性的顆粒溶于絕緣載液當(dāng)中，形成一種具有流變性的，懸浮性的液體。這種流變性的液體和磁場(chǎng)有著非常密切的聯(lián)系，磁流變液體的流變性在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下，基本上就和普通的牛頓流體是一樣的，但是一旦處在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，就會(huì)出現(xiàn)非常明顯的變化，其表面的粘度指數(shù)甚至?xí)苯犹嵘齼蓚€(gè)數(shù)量等級(jí)。從而導(dǎo)致磁流變液從一個(gè)液體的狀態(tài)變成固體的狀態(tài)，但是一旦這些外加的磁場(chǎng)去除之后，磁流變液又會(huì)恢復(fù)成原來(lái)的狀態(tài)，磁流變液的狀態(tài)是在磁場(chǎng)的作用下不斷的反復(fù)，而且具有非常明顯的可控性以及反應(yīng)速度非?？斓纫幌盗械奶攸c(diǎn)，和電流變液相比，磁流變液的剪切屈服應(yīng)力要更加的高，同時(shí)在動(dòng)力學(xué)以及溫度穩(wěn)定的情況下，它的性能也要比電流變也更加的優(yōu)越一些，所以說(shuō)磁流變液擁有更加廣闊的使用范圍。在使用磁流變液進(jìn)行拋光的過(guò)程當(dāng)中，要在需要拋光的區(qū)域內(nèi)放入一定濃度的微細(xì)磨料的磁流變液，然后加上一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，這個(gè)區(qū)域的磁流變液的粘度就會(huì)急速增加，從而在拋光的表面形成一種半固體的狀態(tài)，這樣在拋光輪的帶動(dòng)下，可以使用液體動(dòng)壓的效果完成最終的某一個(gè)區(qū)域的拋光任務(wù)。

使用磁流變液來(lái)進(jìn)行拋光具有很多優(yōu)點(diǎn)，具體如下所示，首先第一點(diǎn)，在進(jìn)行拋光之后，物體的表面會(huì)具有非常高質(zhì)量的光學(xué)表面，第二點(diǎn)，使用這樣的方法，因?yàn)橛斜容^強(qiáng)的可控性，也就是說(shuō)我們可以使用這樣的方法，制作比較復(fù)雜的面型，第三點(diǎn)，使用這樣的方法擁有非常高的去除效率，第四點(diǎn)，使用磁流變液來(lái)進(jìn)行拋光在具體的實(shí)施的過(guò)程當(dāng)中，不會(huì)產(chǎn)生刀具方面的損壞，或者是器械方面的堵塞的情況，第五點(diǎn)，磁流變拋光使用的是其獨(dú)特的剪切去除原理，所以說(shuō)不光在應(yīng)用的時(shí)候擁有非常高的去除效率，同樣還可以完成納米級(jí)別的精確的拋光，而且可以保證所拋光的物件的表面的損傷率基本為零，因此使用磁流變拋光技術(shù)是一種非常好的光學(xué)加工辦法。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述 ，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷的發(fā)展，過(guò)去的一律以人工的切削完成研磨的技術(shù)顯然已經(jīng)被時(shí)代所拋棄，將磁流變液使用在智能研磨當(dāng)中，在未來(lái)是有著非常廣闊的發(fā)展天地的，磁場(chǎng)的引入，能夠?yàn)槌艿募庸ぬ峁└嗟男碌姆椒?，也可以提供更多的有效途徑，但是很明顯，磁輔助技術(shù)現(xiàn)在仍然處在一個(gè)探索階段，因此我們有必要對(duì)其機(jī)理還有其他的一些方面進(jìn)行深入的研究，優(yōu)化控制整體模料的運(yùn)動(dòng)軌跡以及加工的行為能夠更好地控制最終的技術(shù)質(zhì)量。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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