电磁流变效应微砂轮研抛加工机理研究

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电磁流变液(EMRF)作为一种新型的智能材料,与电流变液(ERF)和磁流变液(MRF)同属可控制流体,是在基载液中加入可被电场和磁场极化的微细粒子而制成的悬浮液。电磁流变液具有电磁流变效应,在不施加磁场和电场时是可流动的液体,施加电场或磁场后其流变性会瞬间发生变化——由粘度较小的液态迅速变成粘度较大的胶体状态,撤掉电场和磁场后又会恢复其流动特性,并且在电场和磁场叠加作用下具有比单独作用都强烈的协同作用效果。基于电磁流变效应及电磁场协同作用,本研究提出了一种用于硬脆材料研抛微细加工的新方法,即利用电磁流变液作为即效微砂轮结合剂,在电磁流变效应作用下将混入电磁流变液中的磨料微粒粘结、聚集,形成动态即效微砂轮,用于玻璃、单晶硅、工程陶瓷等硬脆材料微器件的精细加工。本文以电磁流变效应微砂轮形成理论为基础,研制了电磁流变效应微砂轮微细加工的实验装置,实现了硬脆材料的定点加工。通过对电磁流变液成分、特性及电磁流变效应机理的分析,研制了适合研磨抛光的电磁流变抛光液,并实验研究了电磁流变液参数(磨料尺寸、种类、浓度等)、外部过程参数(工具形状、加工间隙、加工时间、工具转速、电场电压、磁场电压等)及协同效应影响参数(电磁场组合方向、电磁场组合强度等)对抛光加工效果的影响。借助光学显微镜、扫描电子显微镜、Taylor-Hobson轮廓仪等仪器分析了工件加工表面特征,探讨了硬脆材料的材料去除机理。研究结果表明,利用电磁流变效应即效微砂轮对玻璃等硬脆材料进行精细加工是可行和有效的,以Fe3O4粒子作为固相粒子配制成的电磁流变液能实现电磁流变抛光加工并能获得良好的抛光效果;磨料的硬度对工件表面的材料去除率有显著影响,硬度大的磨料(如金刚石微粉)可以得到较高的材料去除率和较大的表面粗糙度,硬度小的磨料(如氧化铝)可以得到较高的表面质量但去除率较低;当金刚石磨料粒度为7μm、含量在3%~6%时可以获得较好的加工效果;工具基体的端部形状直接影响抛光表面电场和磁场的分布,从而形成不同的定点加工形貌;随着电场或磁场电压的增大电磁流变效应微砂轮的去除效率会随之增高;当外部加工参数选用加工间隙5μm、加工时间10min、工具转速3300rpm时材料去除率较高;外加电、磁场组合方式(方向、强度组合),是电磁流变协同效应的重要影响因素,对电磁流变抛光加工效率有极大影响,当电场和磁场同向叠加时抛光区域的去除深度和直径明显增大;较大电场电压和较小磁场励磁电压的叠加可获得较好的协同效果,材料去除效率较高。通过对加工表面的微观结构和形貌的分析,发现抛光加工区域的材料去除数学模型符合光学加工中人们普遍接受的Preston方程,工件材料存在脆性断裂和塑性去除两种去除模式。
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