電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭加工機(jī)理研究.pdf

1、隨著微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展，微尺寸零件的需求迅速增加，硬脆材料微結(jié)構(gòu)的精細(xì)加工要求越來(lái)越高，微細(xì)加工技術(shù)是硬脆材料微結(jié)構(gòu)微細(xì)加工的關(guān)鍵。作為一種智能材料，電磁流變液綜合了電流變液和磁流變液的優(yōu)點(diǎn)，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)作用時(shí)，能夠產(chǎn)生“協(xié)同效應(yīng)”，造成屈服應(yīng)力高于單獨(dú)電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下的屈服應(yīng)力甚至其總和。本文基于電流變拋光和磁流變拋光原理，提出了電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭加工方法，研制了相應(yīng)的試驗(yàn)加工裝置，采用定點(diǎn)加工方法試驗(yàn)研究了工藝參數(shù)

2、的影響，建立了微磨頭中固相粒子(包括分散粒子和磨粒)的受力模型和材料去除模型，深入研究了電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭加工的電磁耦合協(xié)同作用機(jī)理。
　　 基于電磁流變協(xié)同效應(yīng)的微磨頭加工方法，是將磨料混入電磁流變液形成拋光液，以導(dǎo)電和導(dǎo)磁材料制作錐形工具，在錐形工具和工件之間形成高壓電場(chǎng)和磁場(chǎng)，在電磁耦合場(chǎng)作用下錐形工具端部形成電磁流變效應(yīng)微磨頭，利用電磁流變液的“協(xié)同效應(yīng)”來(lái)控制電磁流變效應(yīng)微磨頭的性能，實(shí)現(xiàn)硬脆材料的高效拋光和微量去

3、除。
　　 針對(duì)絕緣性較差的水基電流變液無(wú)法形成穩(wěn)定電流變效應(yīng)的問(wèn)題，深入分析了電流變效應(yīng)的形成機(jī)理，提出了隔離電極的電流變效應(yīng)加工方法和裝置，改進(jìn)后的電流變效應(yīng)微磨頭加工裝置能形成良好的電流變效應(yīng)，具有較好的加工效果。根據(jù)電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭加工原理，研制了電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭加工試驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)與磁場(chǎng)不同方向疊加以及對(duì)硬脆材料工件的定點(diǎn)加工和軌跡加工，滿足加工試驗(yàn)要求。
　　 采用電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭定點(diǎn)

4、加工方式對(duì)玻璃材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。隨外場(chǎng)強(qiáng)度增大、加工時(shí)間延長(zhǎng)、初始間隙減小，電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭的去除能力增強(qiáng)，工具速度對(duì)加工效果的影響取決于微磨頭切削速度和離心力的共同作用。電磁流變拋光工作液中混入的磨粒對(duì)電磁流變效應(yīng)微磨頭的鏈串結(jié)構(gòu)有顯著影響，磨料種類、粒度和濃度等均影響到電磁流變效應(yīng)微磨頭的性能及材料去除能力。磨粒的添加能顯著提高材料去除效率，但磨粒濃度增大到一定程度后，材料去除量的增速趨緩。在材料去除效率方面，磨粒的硬度起著

5、關(guān)鍵因素，磨粒硬度越大，材料去除效率越高，但硬度較小的磨料可以得到粗糙度較小的加工表面，磨料的粒度和密度會(huì)影響微磨頭鏈串結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，最佳的磨料粒度和密度需要根據(jù)電、磁場(chǎng)強(qiáng)度和分散粒子的大小來(lái)優(yōu)化。
　　 基于固相粒子的極化理論，推導(dǎo)了電磁流變液中固相粒子之間的電、磁場(chǎng)作用力計(jì)算公式，利用Ansys軟件進(jìn)行了電、磁場(chǎng)分布情況仿真，采用疊加法建立了固相粒子在電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭中的受力模型，在此基礎(chǔ)上，建立了工件表面的拋光壓力計(jì)算

6、模型和材料去除模型。根據(jù)材料去除模型計(jì)算出的輪廓與定點(diǎn)加工試驗(yàn)得到的工件加工截面輪廓曲線形狀一致，證明了建立的材料去除模型的正確性。通過(guò)電磁場(chǎng)耦合狀態(tài)下的加工試驗(yàn)和微磨頭中固相粒子鏈串間作用力的計(jì)算，改進(jìn)了電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭中固相粒子在工具旋轉(zhuǎn)時(shí)的受力模型，揭示了電磁耦合協(xié)同加工作用機(jī)理和微磨頭的形成機(jī)理。在電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭加工中，微磨頭中固相粒子在電磁場(chǎng)耦合場(chǎng)中受電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力以及洛倫茲力產(chǎn)生的自旋力偶的共同作用維持鏈串的動(dòng)

7、態(tài)穩(wěn)定性，其中電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力維持固相粒子鏈串結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，自旋力偶產(chǎn)生的固相粒子的原位振動(dòng)會(huì)影響鏈串結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。但固相粒子的原位振動(dòng)對(duì)材料去除具有雙重作用，一方面原位振動(dòng)會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生沖擊，對(duì)材料去除有很大的促進(jìn)作用，另一方面若鏈串固相粒子間連接力較弱或自旋力偶較大時(shí)，會(huì)對(duì)鏈串造成破壞，降低了材料去除能力。當(dāng)電、磁場(chǎng)力相近并與自旋力偶相匹配時(shí)，電磁流變效應(yīng)微磨頭加工有很好的協(xié)同作用效果。
　　 為進(jìn)一步驗(yàn)證電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨