CN109534690B - 一种磁力增韧抑制硬脆材料加工损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁力增韧抑制硬脆材料加工损伤的方法，属于机械加工过程的质量控制技术领域。本发明将硬脆材料浸入充满磁流变液的装夹模具中，磁流变液进而渗入硬脆材料表层的孔隙、裂纹等缺陷内部，且在硬脆材料周围形成液态包封。加工时，施加以可控的磁场，使得磁流变液受磁力影响产生磁流变效应，形成具有较大屈服强度的高粘度弹性膜。因此，硬脆材料表层缺陷内部磁流变液固化而形成封孔增韧机制，材料周围的磁流变液固化而形成三维周向预压应力包封，且可吸收砂轮等刀具施加给硬脆材料的冲击振动与能量，有利于抑制裂纹向径向深处或侧向边缘扩展，从而减少裂纹、表面破碎、边缘破碎等缺陷产生，改善了加工质量。

Description

一种磁力增韧抑制硬脆材料加工损伤的方法

技术领域

本发明属于机械加工过程的质量控制技术领域，尤其涉及一种磁力增韧抑制硬脆材料加工损伤的方法。

背景技术

工程陶瓷、光学玻璃等材料具有高硬度低韧性的特点，它们的断裂强度对应力集中效应与残余拉应力非常敏感，在加工过程容易出表面破碎与微裂纹现象。另外，在硬脆材料的入口与出口部位容易崩边，即边缘破碎现象，主要源于刀具与工件的冲击应力作用、边缘缺乏材料支撑等因素有关。表面破碎、微裂纹、边缘破碎等加工损伤现象出现随机性较大，成为硬脆材料加工过程中质量难于控制的难题。

目前，硬脆材料的增韧抑制加工损伤措施大致归结为：1）能量辅助加热法；采用激光、电火花等能量辅助加热切削方式，使材料去除机理偏于延性域去除，抑制陶瓷的崩碎损伤，但难以实现对加热过程的精确控制，且容易造成工件的热损伤。2）机械式包封预应力控制法；采用金属材料对硬脆材料工件进行机械式的周向包封，实现预施压应力增韧工件表面方式，降低了硬脆材料的边缘碎裂，该方法已证实有效但目前应用较少。3）材料改性增韧法；通过颗粒增韧、晶须增韧、相变增韧、原位增韧和复合增韧等方法改善硬脆材料自身韧性，提高材料的断裂强度，但这类增韧补强方法需优化材料组分并形成多相复合，且工艺技术复杂。此外，陆军装甲兵学院的唐修检等人最新研究进展表明，采用有机封孔剂可有效阻止裂纹径向扩展，并使裂纹向表面产生偏转，达到封孔增韧强化作用。

发明内容

针对工程陶瓷、光学玻璃等硬脆性材料在加工过程中存在难以控制的微裂纹、表面破碎和崩边等损伤问题，提出一种硬脆材料表层实时磁力增韧抑制加工损伤的新方法，其利用磁流变效应实现硬脆材料表层的实时增韧，在加工过程中抑制加工损伤，有利于提高硬脆材料的加工表面质量，并有准确可控制的优点，更好的实现硬脆材料的高效精密加工。

本发明的磁力增韧抑制硬脆材料加工损伤的方法，其包括以下步骤：

步骤1，先将磁流变液添加至装夹模具中，再将工程陶瓷、光学玻璃等硬脆材料浸入至磁流变液中。磁流变液进而渗入至硬脆材料表层的孔隙、裂纹等缺陷内部，并且在硬脆材料周围侧面外形成液态包封。

步骤2，在采用砂轮等刀具加工硬脆材料时，在装夹模具中区域内施加磁场，使得磁流变液由液态向固态形成可控的迅速转化。通过控制电磁铁线圈电流，磁流变液固化形成具有合适屈服强度的固态的弹性膜体，实现硬脆性材料表层裂纹、孔隙等缺陷的封孔增韧作用，且装夹模具内侧与硬脆材料各侧表面之间的磁流体固化后起到包封预加压应力作用，增加材料裂纹朝表层深处与自由表面扩展的难度，且吸收刀具作用在硬脆材料表面的冲击能量，有效抑制变质层微裂纹、表面破碎、边缘破碎等缺陷的产生。

步骤3，当硬脆材料加工结束后，撤销电磁铁线圈中的电流导致磁场消失，使得磁流变体又由固态恢复其液态特性，将硬脆材料取出且进行表面清洗。

本发明具有如下的特点及有益效果：

本发明基于磁流变效应，能够达到工程陶瓷、光学玻璃等硬脆材料表层裂纹、孔隙等缺陷的封孔增韧作用与硬脆材料各侧表面的周向包封预加压应力作用，能够在机械加工过程中实现抑制微裂纹、边缘破碎等加工损伤。

（1）本发明彻底改变了传统的硬脆性材料增韧方式，首次提出磁力增韧的方法。该新方法无需改变材料特性，能在机械加工过程改变表层的韧性与应力状态，实时增韧硬脆材料表层材料，改善硬脆材料的磨削性能，抑制微裂纹、表面破碎、崩边等加工损伤，提高硬脆材料加工表面质量，实现硬脆材料的高效精密加工。

（2）本发明巧妙利用磁流变效应，达到硬脆材料硬脆材料表层的封孔增韧与周向包封预压力增韧综合效果。在磁流变液渗入硬脆性材料硬脆材料表层孔隙内再转变为固态的弹性膜体，以达到封孔增韧强化作用。在夹具内侧与硬脆材料外侧面之间的间隙的磁流体转变为固态的弹性膜体，实现预压应力包封，达到硬脆材料表层增韧强化作用。

（3）磁流变效应对磁场作用的响应十分敏感，磁流变液的屈服强度与粘度随磁场强度增大可通过电磁铁线圈的电流强度进行准确控制。因此，该方法具有准确灵活可控性，便于实现机械加工过程的智能化控制。

附图说明

图1为未施加磁场力作用时磁力增韧系统；

图2为在磨削加工过程施加磁场力作用示意图；

具体实施方式

磁流变液在外加磁场作用下产生磁流变效应，可在液态与固态之间瞬间实现连续可逆的转化，其液固相转化程度、粘度与剪切屈服强度均可通过磁场强度实现可控的连续无级变化。磁流变液作为研究热点，目前已知的可应用范围为汽车制动器、离合器、智能阻尼减振器、硬脆材料磁力抛光、柔性夹具、密封元件等电子控制和机械领域。磁流变液是一种很有工程应用前景的新兴智能材料，在各领域内可继续挖掘其应用的潜力价值。本发明即首次提出磁力增韧的方法，巧妙利用磁流变效应，达到硬脆材料硬脆材料表层的封孔增韧与周向包封预压力增韧综合效果。在磁流变液渗入硬脆性材料硬脆材料表层孔隙内再转变为固态的弹性膜体，以达到封孔增韧强化作用。在夹具内侧与硬脆材料外侧面之间的间隙的磁流体转变为固态的弹性膜体，实现预压应力包封，达到硬脆材料表层增韧强化作用。

原理分析：封孔增韧有利于吸收冲击能量、减小应力集中效应、阻挡微裂纹扩展等缘由，抑制了表层缺陷的尖端失稳扩展。硬脆材料周向预压包封可以对硬脆材料提供弹性压应力场，改变硬脆材料表层应力状态，使横向裂纹仅能以较短延伸距离向磨削方向前沿扩展，且硬脆材料边缘处有材料支撑，从而抑制了表面破碎与崩边发生。磁流变液渗入工程陶瓷、光学玻璃等硬脆材料硬脆材料表层孔隙内再固化形成弹性膜体，以达到封孔增韧强化作用。在夹具内侧与硬脆材料外侧两者间隙的磁流体固化形成弹性膜体，实现预压应力包封，达到硬脆材料表层增韧强化作用。

故此，本发明提出一种利用磁流变效应实现硬脆材料表层实时磁力增韧抑制加工损伤的方法。下面通过具体的实施例及附图，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

采用卧轴矩台精密平面磨床进行氮化硅陶瓷的磨削试验。以基于氮化硅陶瓷硬脆材料表层实时磁力增韧抑制磨削损伤为例，它包括以下步骤：

第一步：采用的实时磁力增韧装置系统主要由装夹模具和电磁场加载装置组成，整个执行系统示意图如附图1所示。先将磁流变液3中注入装夹模具4中，再将氮化硅陶瓷2浸入磁流变液3中。进而，磁流变液3渗入至硬脆材料表层的裂纹7、孔隙8等缺陷内部，并且在硬脆材料周围侧面外形成液态包封。此时，电磁场控制器6处于关闭状态，电磁铁线圈5内无电流，装夹模具区域内均处于零磁场状态。金刚石砂轮1未接触硬脆材料表面，处于静止状态。

第二步：在金刚石砂轮1磨削加工氮化硅陶瓷2前，如附件图2所示，开启并控制电磁场控制器，调节电磁铁线圈5的电流大小，从而在装夹模具4区域内施加以磁场力，使得磁流变液3由液态向固态转化，形成具有合适屈服应力的，固态的弹性膜体。硬脆性材料表层裂纹、孔隙等缺陷内的磁流变液固化，起到封孔增韧作用。装夹模具4内侧与硬脆材料各侧表面之间的磁流变液固化，起到包封预加压应力作用。然后，金刚石砂轮1随磨床主轴高速旋转以一定磨削深度开始加工氮化硅陶瓷2上表面时，固化后的磁流变体的封孔增韧与包封预加压应力作用，将共同增加材料裂纹朝表层径向深处与自由表面扩展的难度，且吸收金刚石砂轮1作用在氮化硅陶瓷2硬脆材料表面的冲击能量，有效抑制变质层微裂纹、表面破碎、边缘破碎等缺陷的产生。

第三步：当氮化硅陶瓷2磨削加工结束后，撤销电磁铁线圈5中的电流导致磁场消失，使得磁流变体又由固态恢复其液态流变特性，将加工后的硬脆材料取出且进行表面清洗。采用输液泵与回收装置实现磁流变液的循环使用，避免污染环境与节约成本。

Claims (1)

1.一种磁力增韧抑制硬脆材料加工损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将硬脆材料浸入充满磁流变液的装夹模具中，所述磁流变液渗入硬脆材料表层的缺陷内部，并在硬脆材料表层形成液态包封；

步骤2，加工硬脆材料时，在装夹模具区域内施加以可控的磁场，使得磁流变液在液固相态间形成可控的连续转化；

且加工硬脆材料前，在装夹模具区域内磁场控制为零磁场状态，所述磁流变液渗入硬脆材料表层的缺陷内部，并在硬脆材料表层形成液态包封；

通过控制电磁铁线圈电流，使缺陷内部中的磁流变液受磁力影响产生磁流变效应，从而固化且形成固态的弹性膜体，实现硬脆材料表层裂纹、孔隙的封孔增韧作用，使装夹模具与硬脆材料之间的磁流变液固化形成三维周向预压应力包封，增加材料裂纹朝表层径向深处与自由表面扩展的难度，且吸收刀具作用在硬脆材料表面的冲击能量；

当硬脆材料加工结束后，撤销电磁铁线圈中的电流导致磁场消失，磁流变体由固态恢复液态特性，将硬脆材料取出且进行表面清洗。

Images