PVA粘弹性磁性磨具加工效果的实验分析及预测

摘要

表面质量是影响机械零部件使用性能和寿命的重要参数。磁性磨具光整加工技术可以提高零部件的表面质量和力学性能，已经应用于轴承、汽车零部件和轴类零件的光整加工。但是目前使用的磁性磨具多为分散颗粒的磁磨粉，制备成本高、重复利用性差、易飞散。粘弹性磁性磨具是由具有粘弹性的聚合物、磁介质相和磨粒相混合而成的半固体加工介质，具有很好的流动性和适应性，能够很好的与复杂形面相吻合，可实现内外圆表面、平面、具有沟槽和窄缝等复杂形面的零部件的光整加工。论文采用不同的聚合物为基体，制备了粘弹性磁性磨具，并进行加工效果的评价对于磁性磨粒光整加工技术的推广应用具有重要意义。课题得到了国家自然科学基金（51175365）和山西省自然科学基金（2017D12076）的资助。 本文以PVA和107硅橡胶为基体制备了两种粘弹性磁性磨具，并进行了实验研究，分析了主要工艺参数对加工效果的影响规律。并以PVA粘弹性磁性磨具为加工介质，基于响应曲面法实验研究，建立了表面粗糙度 Ra值下降率的预测模型，通过四组实验验证了模型的有效性，得到了优化的工艺参数。具体研究内容如下： 1.综述了磁性磨具表面光整加工技术的国内外研究进展，提出了新的磁性磨具光整加工介质：107硅橡胶和PVA为基体的粘弹性磁性磨具。 2.提出了粘弹性磁性磨具的性能要求。从基体选择、材料表面改性、磨粒相与铁磁相混合、基体与两相的混合四个方面阐述了粘弹性磁性磨具的制备工艺。分析了磨具的加工机理，提出影响磨具加工效果的因素。 3.以聚乙烯醇（PVA）为基体制备了粘弹性磁性磨具，采用单因素实验，对6061铝合金管的外圆和内圆进行光整加工。分析了主要工艺参数对表面粗糙度Ra的影响规律。结果表明：光整加工效果随所选单因素的改变而不同。加工铝合金管外圆时，工件转速为 600r/min、磨粒相粒径为 320 目、磨具中磨粒相和铁磁相二者质量比为 1:3、磨具中基体和两相质量比为 1:1时，分别可以到达最好的加工效果。加工铝合金管内圆时，磨具中基体和两相质量比为1:2、工件转速为250r/min、磨具中磨粒相和铁磁相质量比为1:3、磨粒相粒径为320目时，分别可以达到最好的加工效果。磨具放置时间较长会提高其光整加工效率，但是流动性和粘弹性变差，失去对复杂形面零件的加工能力。 4.运用响应曲面法分析各影响因素及其交互作用与工件粗糙度值的变化率%ΔRa的关系。建立表面粗糙度预测模型，通过再次设计实验验证模型可信度。最后对现有的工艺参数进行了优化，得到最优的工艺参数。 5.制备了一种以107硅橡胶为基体的粘弹性磁性磨具，并设计实验对其加工性能进行探究。新制备的磨具稳定性较好，可以重复多次使用。当磨粒相粒径为600目、磨粒相和铁磁相质量比为1:3、交联剂为0.14g、工件转速为350r/min时，可将工件表面粗糙度值Ra由0.299μm下降到0.113μm，Ra值相对下降率约为62.2%，加工效果最好。

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