電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭加工機理研究.pdf

1、隨著微機電系統(tǒng)的應(yīng)用和進一步發(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，在電場和磁場同時作用時，能夠產(chǎn)生“協(xié)同效應(yīng)”，造成屈服應(yīng)力高于單獨電場和磁場作用下的屈服應(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)的試驗加工裝置，采用定點加工方法試驗研究了工藝參數(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和磁場，在電磁耦合場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)”來控制電磁流變效應(yīng)微磨頭的性能，實現(xiàn)硬脆材料的高效拋光和微量去

3、除。
　　 針對絕緣性較差的水基電流變液無法形成穩(wěn)定電流變效應(yīng)的問題，深入分析了電流變效應(yīng)的形成機理，提出了隔離電極的電流變效應(yīng)加工方法和裝置，改進后的電流變效應(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)微磨頭加工試驗裝置，可以實現(xiàn)電場與磁場不同方向疊加以及對硬脆材料工件的定點加工和軌跡加工，滿足加工試驗要求。
　　 采用電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭定點

4、加工方式對玻璃材料進行了試驗研究。隨外場強度增大、加工時間延長、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，工具速度對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、磁場強度和分散粒子的大小來優(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、磁場作用力計算公式，利用Ansys軟件進行了電、磁場分布情況仿真，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算

6、模型和材料去除模型。根據(jù)材料去除模型計算出的輪廓與定點加工試驗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。通過電磁場耦合狀態(tài)下的加工試驗和微磨頭中固相粒子鏈串間作用力的計算，改進了電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨頭中固相粒子在工具旋轉(zhuǎn)時的受力模型，揭示了電磁耦合協(xié)同加工作用機理和微磨頭的形成機理。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耦合場中受電場力、磁場力以及洛倫茲力產(chǎn)生的自旋力偶的共同作用維持鏈串的動

7、態(tài)穩(wěn)定性，其中電場力和磁場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會影響鏈串結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。但固相粒子的原位振動對材料去除具有雙重作用，一方面原位振動會對工件表面產(chǎn)生沖擊，對材料去除有很大的促進作用，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，會對鏈串造成破壞，降低了材料去除能力。當(dāng)電、磁場力相近并與自旋力偶相匹配時，電磁流變效應(yīng)微磨頭加工有很好的協(xié)同作用效果。
　　 為進一步驗證電磁流變協(xié)同效應(yīng)微磨