CN106217272B - 液体磁性磨具滑移模型及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体磁性磨具滑移模型及应用，该滑移模型由磁性粒子的受力及磁性粒子由静止状态到相对工件壁面发生滑移的条件建立，滑移模型:当F＜0时，磁性粒子能发生滑移，且F越小越容易滑移，滑移速度越大；当F≥0时，磁性粒子不能发生滑移，滑移速度为0。本发明可以用于确定FMA孔光整加工的有效磁场强度区间在该区间内，加工的材料去除率随磁场强度的增大而增大，且加工效率较高；在该区间外，加工效率极低或不能进行加工。

Description

液体磁性磨具滑移模型及其应用

技术领域

本发明涉及材料加工领域，具体涉及一种液体磁性磨具滑移模型及其应用。

背景技术

液体磁性磨具(Fluid Magnetic Abrasives，简称FMA)光整加工技术，是一种新型的精密光整加工技术。FMA由一定比例的磁性微粒、非磁性磨料微粒、表面活性剂、防锈剂等组成，是一种具有较高饱和剪切屈服应力、较低初始粘度、良好稳定性和分散性的加工液。FMA在无外加磁场时，具有牛顿流体特性，呈现稳定的悬浮状态，磨削能力很低，在磁场作用下该液体的流变性能迅速发生变化，剪切屈服应力和粘度大幅提高，磁性微粒形成的链状结构像粘结剂一样将磨料粒子夹持在其间，形成一种类似半固结状态的磨具，该磨具会在与之相接触的工件表面形成一个柔性研磨层，一旦使该研磨层与工件表面发生相对运动，就可以对复杂型面工件进行精密光整加工。该加工方法可有效解决小孔、台阶孔、交叉孔等光整加工时，磨削工具无法伸入孔道的难题，实现对细长管、台阶孔、交叉孔及复杂型腔的精密光整加工。

FMA在磁场作用下，内部磁性粒子被极化，形成磁偶极子，磁偶极子的相互吸引使之沿磁场方向规律排列成链状结构，并在磁场力的作用下吸附于工件壁上，形成具有较大剪切屈服应力和粘度的滑移层。当滑移层受力满足滑移条件时，会相对工件壁面发生运动，从而实现对该处表面的光整加工。滑移效应对加工的材料去除率、加工效果的一致性及加工过程能否顺利进行都有重要影响，它可能导致磁场强度较高区域的工件表面材料去除率较低，进而导致整个内孔表面粗糙度不一致，甚至会导致加工堵塞，阻碍加工进行，缩短设备寿命。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种液体磁性磨具滑移模型及其应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

液体磁性磨具滑移模型，其特征在于，由磁性粒子的受力及磁性粒子由静止状态到相对工件壁面发生滑移的条件建立，滑移模型见公式(1)：

其中：μ₀为真空磁导率；μ为羰基铁粉颗粒磁导率；f为摩阻系数；P为磁性粒子所受压力；P_D为磁性粒子所受拖拽力；P_L为磁性粒子所受上举力；φ为羰基铁粉颗粒的在液体磁性磨具中的体积比浓度；θ₁为孔壁面不同位置磁感线切线方向与X轴的夹角；θ₂为孔横截面中心与孔壁面不同位置的连线与X轴的夹角；H为磁场强度；P₀为工件孔入口处的压力；ρ为液体磁性磨具的密度；V为液体磁性磨具的平均流速，近似等于磨具的入口流速；l为工件内壁不同位置与入口之间的距离；D为孔径；C_D为拖拽力系数，C_L为上举力系数，与雷诺数有关；

当F＜0时，磁性粒子能发生滑移，且F越小越容易滑移，滑移速度越大；当F≥0时，磁性粒子不能发生滑移，滑移速度为0。

上述的液体磁性磨具滑移模型可用于确定FMA孔光整加工的有效磁场强度区间，在该区间内，材料去除率随磁场强度的增大而增大；在该区间外，加工效率极低或不能进行加工。

本发明具有以下有益效果：

可以用于确定FMA孔光整加工的有效磁场强度区间，在该区间内，加工的材料去除率随磁场强度的增大而增大，且加工效率较高；当磁场强度小于有效磁场强度区间下限时，材料去除率随磁场强度的增大而减小，且材料去除率小于零磁场条件下的加工材料去除率，加工效率较低；当磁场强度超过有效磁场强度区间上限时，将不能满足滑移条件，FMA不能与工件内壁产生相对运动，不能对工件进行加工，甚至会出现堵塞，阻碍加工的进行，缩短设备的寿命。可以通过选择合适的磁场强度并按一定规律旋转工件角度的加工工艺优化方法提高加工效率并达到较好加工效果。研究成果对FMA孔光整加工理论的发展和工艺的改进具有重要意义。

附图说明

图1为孔中FMA分布及滑移流动结构示意图；

图中：(1)为无磁场；(2)为有磁场。

图2为滑移层磁性粒子受力示意图。

图3为壁面磁性粒子所受磁化压力示意图；

图中，P_m(θ)为工件不同位置磁性粒子垂直于壁面方向所受的磁化压力；P_m为磁性粒子在磁场中所受的磁化压力；θ₁为孔壁面不同位置磁感线切线方向与X轴的夹角，θ₂为孔横截面中心与孔壁面不同位置的连线与X轴的夹角，θ为P_m(θ)与P_m之间的夹角。

图4为光整加工设备结构示意图。

图5为试件在磁场中的摆放位置。

图6为图5中A的放大图；

图中，方向1-6分别对应实验结果数据中的1-6个方向。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种液体磁性磨具滑移模型，由磁性粒子的受力及磁性粒子由静止状态到相对工件壁面发生滑移的条件建立，滑移模型见公式(1)：

当F＜0时，磁性粒子能发生滑移，且F越小越容易滑移，滑移速度越大；当F≥0时，磁性粒子不能发生滑移，滑移速度为0。

在无磁场作用时，磁性颗粒与磨料颗粒在孔中均匀分布，如图1(1)所示。加工过程中，由于磁场的作用，磁性颗粒沿磁感线方向成链状排列，如图1(2)所示。此时，将FMA在孔内的流动区域分为两部分，靠近孔壁面的滑移流动区和靠近孔中心的柱塞流动区。流动结构如图1(2)所示。

处于滑移流动区的磁性粒子受到压力P、拖拽力P_D、上举力P_L的作用，各力对磁性粒子作用如图2所示。

滑移层磁性粒子所受拖拽力和上举力可以表示为：

式中,C_D为拖拽力系数，C_L为上举力系数，与雷诺数有关；ρ为液体磁性磨具的密度；V为液体磁性磨具的平均流速，近似等于磨具的入口流速；

FMA孔光整加工中作用于磁性粒子的压力P主要由流体动压力P_d、磁化压力P_m和磁致伸缩压力P_n组成；

P＝P_m+P_n+P_d (4)

FMA在加工中不产生伸缩变化，磁致伸缩压力为0。磁化压力的大小与磁场强度、磁感线方向有关，用P_m(θ)表示。为了解释θ，绘制如图3所示的受力示意图，X为磁场梯度方向，磁场强度沿X轴正向增大。

由图中受力分析可知：

式中，P_m(θ)为工件不同位置磁性粒子垂直于壁面方向所受的磁化压力；P_m为磁性粒子在磁场中所受的磁化压力；θ₁为孔壁面不同位置磁感线切线方向与X轴的夹角，θ₂为孔横截面中心与孔壁面不同位置的连线与X轴的夹角；μ₀为真空磁导率；M_f为液体磁性磨具的磁化强度；H为磁场强度；φ为羰基铁粉颗粒在液体磁性磨具中的体积比浓度；M为羰基铁粉颗粒的磁化强度；μ为羰基铁粉颗粒磁导率。

流体动压力可表示为：

式中，P₀为孔入口处的压力；f为摩阻系数，与雷诺数有关；ρ为磨具的密度；V为磨具在孔某一横截面的平均流速，近似等于入口流速；l为工件内壁不同位置与入口之间的距离；D为孔径；

根据切削理论，材料去除率可以描述成如下线性方程：

R_z＝KPV_h (7)

式中，R_z为材料去除率，单位μm/s；K为比例常数，它由速度和压力以外其它因素决定，对于FMA孔光整加工技术而言，主要为羟基铁粉及碳化硅磨粒粒径及其体积比浓度；V_h为滑移速率。

由滑移模型可知：其他条件一定，滑移效应随入口流速的增大而增强，滑移速率与工件入口流速成正比，当速度小于一定值时，滑移效应不能发生；滑移效应随磁场强度的增强而减弱，滑移速率与磁场强度成反比，当磁场强度增大到一定值时，滑移效应不能发生。

当F＜0时，FMA能发生滑移，可以对工件进行加工。设滑移速率与磁场强度的n次方成反比(n≥1)，比例系数为k₁。则：

当n≥2时，无论磁场强度H取何值，随H增大，R_z减小，这与液体磁性磨具的加工机理和实验现象不符。

当n＝1时，对上式进行求导可得：

(1)R′_z＜0时，材料去除率随磁场强度的增大而减小，且小于无外加磁场时的材料去除率，加工效果较弱。

(2)R′_z＞0时，材料去除率随磁场强度的增大而增大，加工效果较好，为液体磁性磨具的有效加工区间。

当F≥0时，FMA不能发生滑移，磨具不能相对工件发生运动，不能对工件进行加工，为液体磁性磨具的无效加工区间。加工继续进行会导致小孔内磨具积聚，最终堵塞小孔，阻止加工的进行，对设备造成损害。

实施例

FMA孔光整加工装置结构如图4所示，主要由挤压装置、存储装置、磁场发生装置、压力控制装置、管路等组成。磨具由存储装置进入挤压装置，经过加压后高速流出，流出的磨具通过管路流过位于磁场中的工件，并发生流变效应，获得加工能力，对小孔进行加工，之后磨具通过管路回到存储装置，开始下一个循环。通过磨具在回路中的循环，达到对工件的持续加工。

实验设计

工件材料选用6061铝合金，长65mm、孔径5mm，工件孔在4.8mm麻花钻粗加工基础上，用5mm铰刀进行精加工。选用1030号磨料,其组成为32g六磷偏酸钠、480ml去离子水、12g纳米二氧化硅、12g亚硝酸钠、880g羰基铁粉、880g碳化硅。磁场发生装置选择能产生梯度磁场的电磁铁，通过调节流经电磁铁的电流强度来调节磁场强度。在不达到磁饱和强度的情况下，磁场强度与电流强度成正比，磁场强度可由电流强度表征，试验中磁场强度对加工效果的影响规律用电流强度对加工效果的影响规律表示。本试验1、2、3、4、5号工件采用的电流强度分别为1.0A、1.5A、2.0A、2.5A、3A，入口压力为0.5MPa，加工时间为20min。试件在磁场中的摆放位置如图5所示：

实验结果

实验使用TR200粗糙度仪对工件加工前后的粗糙度值进行测量，试验取值为三次测量平均值,单位为μm。

表1加工前粗糙度值

表2加工后粗糙度值

表3粗糙度变化率

5号工件在加工过程中出现堵塞现象，加工进行至5分钟时，挤压装置开始泄露，加工无法继续进行。

结果分析

(1)1号、2号工件六个方向及3号、4号工件1、2、6方向所处磁场的磁场强度在有效磁场强度区间内，满足滑移条件，滑移速度不为0，粗糙度变化率都大于0，存在加工效果。3号、4号工件3、4、5方向处于磁场强度较强位置，磁场强度大于有效磁场区间上限，不满足滑移条件，FMA静止吸附于工件壁面，不能与壁面发生相对运动，不能对工件进行加工。

(2)1号、2号、3号、4号工件有加工效果的工件表面，沿着方向1→2(6)→3(5)→4方向粗糙度变化率逐渐增大，这是由于沿着方向1→2(6)→3(5)→4方向磁场强度逐渐增大，在有效磁场强度区间内，随着磁场强度的增大，材料去除率相应增大，加工效果逐渐增强，由加工效果可看出选择1.5A电流进行加工有较高的加工效率和较好的加工一致性。

(3)5号工件由于所处磁场强度超过了有效磁场强度，磁性粒子不能发生滑移，在加工过程中出现堵塞现象，加工进行至5分钟时，挤压装置开始泄露，加工无法继续进行。

综上所述，FMA孔光整加工存在有效的磁场强度区间，在该区间内，加工的材料去除率随磁场强度的增大而增大，且加工效率较高；当磁场强度小于有效磁场强度区间下限时，材料去除率随磁场强度的增大而减小，且材料去除率小于零磁场条件下的加工材料去除率，加工效率较低；当磁场强度超过有效磁场强度区间上限时，将不能满足滑移条件，FMA不能与工件内壁产生相对运动，不能对工件进行加工，甚至会出现堵塞，阻碍加工的进行，缩短设备的寿命。可以通过选择合适的磁场强度并旋转工件相应角度的加工工艺优化方法提高加工效率并达到较好加工效果。研究对FMA孔光整加工理论的发展和工艺的改进具有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.液体磁性磨具滑移模型，其特征在于，由磁性粒子的受力及磁性粒子由静止状态到相对工件壁面发生滑移的条件建立，滑移模型见公式(1)：

其中：μ₀为真空磁导率；μ为羰基铁粉颗粒磁导率；f为摩阻系数；P为磁性粒子所受压力；P_D为磁性粒子所受拖拽力；P_L为磁性粒子所受上举力；φ为羰基铁粉颗粒在液体磁性磨具中的体积比浓度；θ₁为孔壁面不同位置磁感线切线方向与X轴的夹角；θ₂为孔横截面中心与孔壁面不同位置的连线与X轴的夹角；H为磁场强度；P₀为工件孔入口处的压力；ρ为液体磁性磨具的密度；V为液体磁性磨具的平均流速，近似等于磨具的入口流速；l为工件内壁不同位置与入口之间的距离；D为孔径；C_D为拖拽力系数，C_L为上举力系数，与雷诺数有关；

当F＜0时，磁性粒子能发生滑移，且F越小越容易滑移，滑移速度越大；当F≥0时，磁性粒子不能发生滑移，滑移速度为0。

2.如权利要求1所述的液体磁性磨具滑移模型的应用，其特征在于，用于确定FMA孔光整加工的有效磁场强度区间