磁射流抛光技术研究
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图 1 射流束比较图 F ig ure 1 Com parison of Jet Bundle 好效果的磁射流表面光整加工, 就必须对磁流变液的 组成及基本性质进行了解, 下面主要对磁流变液的基 本组成成分和性质简略介绍。 2 磁流变液 ( M agne torheo log ica l F lu ids, MRF ) 磁射流抛光技术是射流技术和磁流变效应的综合 应用, 磁流变液的成分的合理选择以及磁流变液的配 置也在很大程度上影响磁射流抛光技术的加工效果。 磁流变液是一种新型的智能材料 , 是由 m 级高磁饱 和磁化强度的磁性颗粒分散于非磁性绝缘基液中及少 量的稳定剂形成的非胶体悬浮液, 有时候为了加工效 率 , 也会在磁流变液中加入适量的适宜粒度的磨料来 提高加工效率。 磁性微粒一般选用四氧化三铁 ( F e3 O4 ) 、 赤铁矿 ( Fe2 O3 ) 、 铁氧体、 稀土合金及羟基铁等 , 其中羟基铁 磁导率高、 低磁矫顽力, 是现今使用最广的磁性颗粒。 磁性微粒的粒度也影响磁流变液的加工性能, 磁性微 粒的粒度过大的话, 较大的磁性微粒容易沉淀 , 使磁性 微粒的稳定性变差, 磁流变液中磁性微粒的尺寸一般 为 1~ 10 m。基液要满足低黏度、 低蒸发率和高度化 学稳定性的要求 , 还要求对工件无腐蚀, 一般选用绝缘 性液体 , 如纯水、 煤油、 酯、 硅油、 醚等 , 也可以采用导电 的液态金属 , 如水银。表面活性剂也叫分散剂、 稳定剂 或表面涂层。它将单个磁性微粒的表面包覆起来, 使 之彼此分开 , 悬浮于基液中。 磁流变液的成分中一般基液所占 体积比 50 % ~ 55% 之间, 磁性微粒所占体积比例 35 % 左右 , 表面活 性剂占体积比 3 % ~ 5 % , 再根据具体的加工要求 , 选 择合适粒度的磨粒, 充分搅拌并静置 48 h 以上能满足 沉降性小、 初始黏度低的就可以满足要求。
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轻Βιβλιοθήκη Baidu机械
L ight Industry M ach inery
2010年第 5期
磁流变液的基本特性有磁 特性、 流变性、 稳定性 等。磁特性是指在外磁场的作用下 , 随着磁场强度的 增强, 磁流变液的剪切屈服强度也随着提高, 直到渐渐 趋近于其磁饱和磁化度 ; 流变性是指在外磁场的作用 下 , 由原来的牛顿流体状 态在 m s级时 间内迅速变成 高黏度的类固体性质的 B ingham 体 , 一旦磁场撤离, 就 会恢复成牛顿流体状态 , 整个转化过程在 m s 级时间 内完成 ; 稳定性是指在整个抛光过程中, 磁流变液的温 度和化学稳定性 , 不会因为温度的过高或过低而与其 他成分之间发生化学反应。 前面对磁射流抛光技术的介绍 , 把加工的基本原 理已经介绍清楚 , 那么在确定的加工装置和配备相应 成分的磁流变液的情况下 , 实际的应用过程中 , 磁射流 抛光技术的几个基本参数对表面加工效果产生一定的 影响, 为了更好的对加工过程进行控制, 也必须对磁射 流抛光的基本参数进行分析和研究。 3 磁射流抛光加工工艺参数 磁射流抛光技术的加工工 艺参数主要由 磁场强 度、 抛光距离、 射流速度、 驻留时间等 , 不同的加工对象 要根据情况的不同而调整这些工艺参数 , 制定出最优 的工艺参数来保证表面加工性能的保证。 在能保证射流束汇聚的范围内, 磁射流抛光去除深 度会随着磁场强度的增强而加深, 如果超过汇聚点的磁 场强度, 反而会使去除深度降低, 如图 2所示
第 28卷 第 5期 2010年 10 月
轻工机械 L ight Industry M achinery
V o. l 28 N o. 5 O ct . 2010
[ 制造
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DO I: 10 . 3969 / j. issn. 1005 2895 . 2010 . 05 . 029
磁射流抛光技术研究
术和抛光技术已经没有办法进行加工 , 随后国内外相 应的出现了用磨料和液体混合物的射流束来抛光这里 曲面, 但是普通液体的射流束以一定的速度进入大气 中的时候会因为阶梯压力、 空气阻力和表面张力的作 用下, 运行很短的距离就会发生紊乱 , 流体界面的不稳 定性问题, 也导致了冲击区流动的不稳定性, 并会引起 抛光区不稳定的问题 , 使得对高陡性非球面光学零件 的确定性加工变得困难。而磁流变液在外磁场的作用
收稿日期 : 2010 01 27; 修回日期 : 2010 02 10 基金项目 : 浙江省科技计划项目 ( 2009C21005) ; 温州市科技计划项目 ( H 20090020, G20100114) 作者简介 : 许瑞 ( 1984), 女 , 河南淮阳人 , 浙江工业大学机械工程学院在 读硕士研 究生 , 主 要研究方 向为磁 流变光 整加工 技术。 E ma i:l lcd @ zjut . edu. cn
许 瑞 , 鲁聪达 , 南秀蓉
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(1 . 浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室 , 浙江 杭州 2 . 温州职业技术学院 机电工程系 , 浙江 温州
摘
310014 ; 325035)
要 : 磁射流抛光技术是射流技术和磁流变效应的综合应用一种确定性加 工方法 , 文章对磁射流技术和磁流 变液进行
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许
瑞, 等
磁射流抛光技术研究
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下 , 能在 m s时间内快速地由低粘度的 牛顿流体转化 成类固体的 B ingham 流体, 其粘度成数量级的增加, 这 种液体和固体之间的转化快速且可逆 , 可以实现确定 性加工的可控性。 1 磁射流抛光技术 磁射流抛光技术 ( M agnetorheo log ical Jet P olish in g , M JP )是将射流技术和磁流变技术相结合 , 利用低粘度 磁流变液在外磁场的作用下发生磁流变效应, 表观粘 度增大来增加射流束表面的稳定性 , 混合有磨粒的磁 流变液在喷嘴处轴向磁场的作用下形成准直硬化的射 流束喷射到一定距离处的工件表面 , 借助于磨粒的高 速碰撞剪切作用实现材料的去除, 以可控的方式实现 抛光表面修整。 磁射流和磁流变液的综合运用来对导磁性材料加 工的是美国 QED 公司的 Ko rdonski等人首先发明并研 究了磁射流抛光技术的第一个美国专利 , 以及后来的 国防科技大学的张学成等人的磁射流抛光技术研究从 而实现了磁射流技术的加工应用, 在这些研究的基础 上开始实现了磁射流抛光技术的应用。 磁射流抛光的发生装置由磁场发生装置、 回收装 置、 搅拌装置、 泵、 冷却装置和机床本体等组成。在磁 场发生装置中, 需要磁流变液在搅拌装置中得到充分 搅拌以后, 由吸入泵按照限定的流量升压以后 , 再经过 处于磁场中的喷嘴高速碰射到工件表面 , 进行确定性 加工, 然后用收集器把使用过的磁流变液收集并进行 过滤和冷却 , 从而进行下一轮的抛光。装置里的磁场 发生装置是由螺线圈和充当铁芯的喷嘴组成的, 喷嘴 是用铁磁性材料制成的锥形喷嘴, 锥形喷嘴有利于射 流束速度的提高和磁场强度的集中。另外 , 在螺线圈 周围添加一个用高磁导率材料做成的磁屏蔽体, 可以 使喷嘴处的磁场强度提高两倍以上 , 有利于磁场强度 的集中 , 同时也可以使加工对象不受磁场的干扰, 使加 工材料从光学材料扩展到导磁性材料 , 很大程度上提 高了磁射流抛光技术的应用范围。下面是 3 种射流束 情况。 图 1 中所示的是 , 在喷嘴直径 d = 2 mm, 射流速度 为 v = 30 m / s时的射流情况, 其中 ( a) 图是水射流束, ( b)图是磨料射流束在没有磁场时候的射流情况, ( c) 图为磁流变液在外磁场作用下的射流束, 可以看出 , 水 射流和磨料射流在没有磁场的作用下 , 都没有办法保 证准直的射流束 , 但是磁流变液在磁场的作用下, 形成 了准直的射流束 , 以便于对工件表面进行加工 。 磁流变液是磁射流技术中重要的组成 , 想达到较
讨论 , 包括磁流变液的基本组成和磁射流抛光技术的加工装置研究 , 以及用实验和仿真的方法分析影响磁射流 抛光加工 效果的几个基本参数 。 如磁射流 加工效果在一定的限度内 , 随 着磁场强度 的增强而 变好 、 对 抛光距 离不敏 感 、 驻 留时间 越长加工效果越好等 。 这样如果 能根据加工对象的材料和形状的差 异进行调 整 , 将有 利于更好 地进行零 件的表 面光整 加工和面形修整 。 图 3 参 14 关 键 词 : 精密光整加工 ; 磁射 流技术 ; ANSY S 仿真 ; 磁场发生装置 文献标志码 : A 文章编号 : 1005 2895( 2010) 05 0104 04 中图分类号 : TG66 ; O 361
Study ofM agnetorheological Jet P olishing
XU Ru i, LU Cong da , NAN X iu rong
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( 1. T he MO E K ey L aboratory of Spec ia l Purpose Equ ipm ent and A dvanced M ach in ing T echno logy , Zhe jiang U n ive rs ity o f T echno logy , H ang zhou 310014, Ch ina ; 2. W enzhou V ocationa l& T echnical Co llege , W enzhou 325035, Ch ina)
Abstract : M agnetorheo log ical jet po lish ing is a defin it iv e processing m ethod
that is a comprehensiv e app lication o f
flu id ics techn ique and m agnetorheo log ical effec.t The pap er d iscussed about m agnet jet technique and m agnetorheolog ical f luid including the basic constitute of m agnetorheolog ical f luid and processing device w ith m agnetorheolog ical jet polishing as w ell as analy sis som e basic param eters in pact on m agnetorheo logical get p olishing eff ect w ith exp erim ents and sim ulation. The results show that w ithin certa in li m itation, the m agnetorheo log ical je t po lish ing effect becom es better w ith in creasing the m agnet ic streng th , and less sensible to the pdishing d istance , the lo nger the retaining ti me , the better the processing effec. t If adjust m ent acco rd ing to the difference of processing m aterial and shape , the better surface po lishing and shape can be obta in ed . [ Ch , 3 fig. 14 re. f ] K ey w ord s : precisio n fin ish ing ; m agnetorheolog ic al jet po lishing; ANSYS si m ulat io n ; m agnetic fie ld generatin g dev ice 0 引言 随着光学、 电子、 通讯、 航空航天技术的飞速发展, 高性能、 高精度、 高集成的光电系统不断涌现, 以光学 玻璃、 碳化硅、 碳化钨、 结晶硅等硬脆材料为代表的光 学元器件对光学加工技术提出了更严格的要求。对高 陡度非球面、 复杂曲面 ( 如鼻锥体、 头锥体、 圆柱体、 自 由曲面 ) 体、 高陡度的凹形曲面、 微光学零件及模具等 由于机械干涉和陡峭的局部倾斜, 传统的刚性研磨技
图 1 射流束比较图 F ig ure 1 Com parison of Jet Bundle 好效果的磁射流表面光整加工, 就必须对磁流变液的 组成及基本性质进行了解, 下面主要对磁流变液的基 本组成成分和性质简略介绍。 2 磁流变液 ( M agne torheo log ica l F lu ids, MRF ) 磁射流抛光技术是射流技术和磁流变效应的综合 应用, 磁流变液的成分的合理选择以及磁流变液的配 置也在很大程度上影响磁射流抛光技术的加工效果。 磁流变液是一种新型的智能材料 , 是由 m 级高磁饱 和磁化强度的磁性颗粒分散于非磁性绝缘基液中及少 量的稳定剂形成的非胶体悬浮液, 有时候为了加工效 率 , 也会在磁流变液中加入适量的适宜粒度的磨料来 提高加工效率。 磁性微粒一般选用四氧化三铁 ( F e3 O4 ) 、 赤铁矿 ( Fe2 O3 ) 、 铁氧体、 稀土合金及羟基铁等 , 其中羟基铁 磁导率高、 低磁矫顽力, 是现今使用最广的磁性颗粒。 磁性微粒的粒度也影响磁流变液的加工性能, 磁性微 粒的粒度过大的话, 较大的磁性微粒容易沉淀 , 使磁性 微粒的稳定性变差, 磁流变液中磁性微粒的尺寸一般 为 1~ 10 m。基液要满足低黏度、 低蒸发率和高度化 学稳定性的要求 , 还要求对工件无腐蚀, 一般选用绝缘 性液体 , 如纯水、 煤油、 酯、 硅油、 醚等 , 也可以采用导电 的液态金属 , 如水银。表面活性剂也叫分散剂、 稳定剂 或表面涂层。它将单个磁性微粒的表面包覆起来, 使 之彼此分开 , 悬浮于基液中。 磁流变液的成分中一般基液所占 体积比 50 % ~ 55% 之间, 磁性微粒所占体积比例 35 % 左右 , 表面活 性剂占体积比 3 % ~ 5 % , 再根据具体的加工要求 , 选 择合适粒度的磨粒, 充分搅拌并静置 48 h 以上能满足 沉降性小、 初始黏度低的就可以满足要求。
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磁流变液的基本特性有磁 特性、 流变性、 稳定性 等。磁特性是指在外磁场的作用下 , 随着磁场强度的 增强, 磁流变液的剪切屈服强度也随着提高, 直到渐渐 趋近于其磁饱和磁化度 ; 流变性是指在外磁场的作用 下 , 由原来的牛顿流体状 态在 m s级时 间内迅速变成 高黏度的类固体性质的 B ingham 体 , 一旦磁场撤离, 就 会恢复成牛顿流体状态 , 整个转化过程在 m s 级时间 内完成 ; 稳定性是指在整个抛光过程中, 磁流变液的温 度和化学稳定性 , 不会因为温度的过高或过低而与其 他成分之间发生化学反应。 前面对磁射流抛光技术的介绍 , 把加工的基本原 理已经介绍清楚 , 那么在确定的加工装置和配备相应 成分的磁流变液的情况下 , 实际的应用过程中 , 磁射流 抛光技术的几个基本参数对表面加工效果产生一定的 影响, 为了更好的对加工过程进行控制, 也必须对磁射 流抛光的基本参数进行分析和研究。 3 磁射流抛光加工工艺参数 磁射流抛光技术的加工工 艺参数主要由 磁场强 度、 抛光距离、 射流速度、 驻留时间等 , 不同的加工对象 要根据情况的不同而调整这些工艺参数 , 制定出最优 的工艺参数来保证表面加工性能的保证。 在能保证射流束汇聚的范围内, 磁射流抛光去除深 度会随着磁场强度的增强而加深, 如果超过汇聚点的磁 场强度, 反而会使去除深度降低, 如图 2所示
第 28卷 第 5期 2010年 10 月
轻工机械 L ight Industry M achinery
V o. l 28 N o. 5 O ct . 2010
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DO I: 10 . 3969 / j. issn. 1005 2895 . 2010 . 05 . 029
磁射流抛光技术研究
术和抛光技术已经没有办法进行加工 , 随后国内外相 应的出现了用磨料和液体混合物的射流束来抛光这里 曲面, 但是普通液体的射流束以一定的速度进入大气 中的时候会因为阶梯压力、 空气阻力和表面张力的作 用下, 运行很短的距离就会发生紊乱 , 流体界面的不稳 定性问题, 也导致了冲击区流动的不稳定性, 并会引起 抛光区不稳定的问题 , 使得对高陡性非球面光学零件 的确定性加工变得困难。而磁流变液在外磁场的作用
收稿日期 : 2010 01 27; 修回日期 : 2010 02 10 基金项目 : 浙江省科技计划项目 ( 2009C21005) ; 温州市科技计划项目 ( H 20090020, G20100114) 作者简介 : 许瑞 ( 1984), 女 , 河南淮阳人 , 浙江工业大学机械工程学院在 读硕士研 究生 , 主 要研究方 向为磁 流变光 整加工 技术。 E ma i:l lcd @ zjut . edu. cn
许 瑞 , 鲁聪达 , 南秀蓉
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(1 . 浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室 , 浙江 杭州 2 . 温州职业技术学院 机电工程系 , 浙江 温州
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310014 ; 325035)
要 : 磁射流抛光技术是射流技术和磁流变效应的综合应用一种确定性加 工方法 , 文章对磁射流技术和磁流 变液进行
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许
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磁射流抛光技术研究
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下 , 能在 m s时间内快速地由低粘度的 牛顿流体转化 成类固体的 B ingham 流体, 其粘度成数量级的增加, 这 种液体和固体之间的转化快速且可逆 , 可以实现确定 性加工的可控性。 1 磁射流抛光技术 磁射流抛光技术 ( M agnetorheo log ical Jet P olish in g , M JP )是将射流技术和磁流变技术相结合 , 利用低粘度 磁流变液在外磁场的作用下发生磁流变效应, 表观粘 度增大来增加射流束表面的稳定性 , 混合有磨粒的磁 流变液在喷嘴处轴向磁场的作用下形成准直硬化的射 流束喷射到一定距离处的工件表面 , 借助于磨粒的高 速碰撞剪切作用实现材料的去除, 以可控的方式实现 抛光表面修整。 磁射流和磁流变液的综合运用来对导磁性材料加 工的是美国 QED 公司的 Ko rdonski等人首先发明并研 究了磁射流抛光技术的第一个美国专利 , 以及后来的 国防科技大学的张学成等人的磁射流抛光技术研究从 而实现了磁射流技术的加工应用, 在这些研究的基础 上开始实现了磁射流抛光技术的应用。 磁射流抛光的发生装置由磁场发生装置、 回收装 置、 搅拌装置、 泵、 冷却装置和机床本体等组成。在磁 场发生装置中, 需要磁流变液在搅拌装置中得到充分 搅拌以后, 由吸入泵按照限定的流量升压以后 , 再经过 处于磁场中的喷嘴高速碰射到工件表面 , 进行确定性 加工, 然后用收集器把使用过的磁流变液收集并进行 过滤和冷却 , 从而进行下一轮的抛光。装置里的磁场 发生装置是由螺线圈和充当铁芯的喷嘴组成的, 喷嘴 是用铁磁性材料制成的锥形喷嘴, 锥形喷嘴有利于射 流束速度的提高和磁场强度的集中。另外 , 在螺线圈 周围添加一个用高磁导率材料做成的磁屏蔽体, 可以 使喷嘴处的磁场强度提高两倍以上 , 有利于磁场强度 的集中 , 同时也可以使加工对象不受磁场的干扰, 使加 工材料从光学材料扩展到导磁性材料 , 很大程度上提 高了磁射流抛光技术的应用范围。下面是 3 种射流束 情况。 图 1 中所示的是 , 在喷嘴直径 d = 2 mm, 射流速度 为 v = 30 m / s时的射流情况, 其中 ( a) 图是水射流束, ( b)图是磨料射流束在没有磁场时候的射流情况, ( c) 图为磁流变液在外磁场作用下的射流束, 可以看出 , 水 射流和磨料射流在没有磁场的作用下 , 都没有办法保 证准直的射流束 , 但是磁流变液在磁场的作用下, 形成 了准直的射流束 , 以便于对工件表面进行加工 。 磁流变液是磁射流技术中重要的组成 , 想达到较
讨论 , 包括磁流变液的基本组成和磁射流抛光技术的加工装置研究 , 以及用实验和仿真的方法分析影响磁射流 抛光加工 效果的几个基本参数 。 如磁射流 加工效果在一定的限度内 , 随 着磁场强度 的增强而 变好 、 对 抛光距 离不敏 感 、 驻 留时间 越长加工效果越好等 。 这样如果 能根据加工对象的材料和形状的差 异进行调 整 , 将有 利于更好 地进行零 件的表 面光整 加工和面形修整 。 图 3 参 14 关 键 词 : 精密光整加工 ; 磁射 流技术 ; ANSY S 仿真 ; 磁场发生装置 文献标志码 : A 文章编号 : 1005 2895( 2010) 05 0104 04 中图分类号 : TG66 ; O 361
Study ofM agnetorheological Jet P olishing
XU Ru i, LU Cong da , NAN X iu rong
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( 1. T he MO E K ey L aboratory of Spec ia l Purpose Equ ipm ent and A dvanced M ach in ing T echno logy , Zhe jiang U n ive rs ity o f T echno logy , H ang zhou 310014, Ch ina ; 2. W enzhou V ocationa l& T echnical Co llege , W enzhou 325035, Ch ina)
Abstract : M agnetorheo log ical jet po lish ing is a defin it iv e processing m ethod
that is a comprehensiv e app lication o f
flu id ics techn ique and m agnetorheo log ical effec.t The pap er d iscussed about m agnet jet technique and m agnetorheolog ical f luid including the basic constitute of m agnetorheolog ical f luid and processing device w ith m agnetorheolog ical jet polishing as w ell as analy sis som e basic param eters in pact on m agnetorheo logical get p olishing eff ect w ith exp erim ents and sim ulation. The results show that w ithin certa in li m itation, the m agnetorheo log ical je t po lish ing effect becom es better w ith in creasing the m agnet ic streng th , and less sensible to the pdishing d istance , the lo nger the retaining ti me , the better the processing effec. t If adjust m ent acco rd ing to the difference of processing m aterial and shape , the better surface po lishing and shape can be obta in ed . [ Ch , 3 fig. 14 re. f ] K ey w ord s : precisio n fin ish ing ; m agnetorheolog ic al jet po lishing; ANSYS si m ulat io n ; m agnetic fie ld generatin g dev ice 0 引言 随着光学、 电子、 通讯、 航空航天技术的飞速发展, 高性能、 高精度、 高集成的光电系统不断涌现, 以光学 玻璃、 碳化硅、 碳化钨、 结晶硅等硬脆材料为代表的光 学元器件对光学加工技术提出了更严格的要求。对高 陡度非球面、 复杂曲面 ( 如鼻锥体、 头锥体、 圆柱体、 自 由曲面 ) 体、 高陡度的凹形曲面、 微光学零件及模具等 由于机械干涉和陡峭的局部倾斜, 传统的刚性研磨技