基于液体磁性磨具的小孔光整加工实验研究

摘要

孔作为一种常见的加工特征，广泛地存在于汽车、医疗器械、航天航空和流体控制等领域相关产品的零部件中，零件内孔的表面质量对相关产品的可靠性、稳定性、使用寿命等性能具有十分重要的影响。随着机械产品日益朝着精密化、微型化发展，现代工业生产对零件内孔的表面质量也提出了越来越高的要求，然而小孔（交叉孔、异型孔、台阶孔）内壁的光整加工一直是机械制造领域的难题之一，并且已经成为制约某些高、尖端机械产品制造的瓶颈。鉴于此，我们开发了液体磁性磨具小孔光整技术，该技术综合利用液体磁性磨具的磁流变特性和挤压研磨的优势来实现小孔的光整加工。液体磁性磨具在动力元件的挤压下挤过试件小孔，且在磁场中发生相变，并自动沿着孔壁表面形成一个柔性研磨层，研磨层中的磨料颗粒在挤出的过程中会对孔壁微观凸起撞击、划擦而达到光整加工的效果。此技术不仅可以使孔壁表面的粗糙度提高1-3个精度等级（原始粗糙度Ra1.3μm，加工20min后粗糙度值可达0.4μm），而且具有形状适应性强、磨削力可控、光整质量高、工件便于清洗等优点。该技术对解决细长管、交叉孔、异形孔、小孔以及复杂型腔的精密光整加工难题有独特地优势，具有较高的研究价值。
　　本论文基于液体磁性磨具的稳定性、小孔光整加工机理、磨料颗粒微观切削模型、宏观材料去除效率以及各因素对加工效率的影响等的理论研究，对加工装置进行了优化设计，重点通过实验对液体磁性磨具的制备方法及工艺、小孔光整加工参数、加工设备等进行了实验研究和结构优化，对加工装置的可行性和相关理论模型进行了验证。主要研究内容有:
　　1)液体磁性磨具的开发及稳定性研究。对液体磁性磨具的制备方法及制备工艺进行了研究，开发出一种适合小孔光整加工的液体磁性磨具。针对液体磁性磨具稳定性差这一缺陷，本文从其本质原因（固相颗粒间引力和斥力的相互作用）入手，通过理论分析与实验探索相结合，探讨了聚丙烯酸、纳米二氧化硅以及溶液PH值对液体磁性磨具稳定性的影响。
　　2)液体磁性磨具小孔光整加工机理研究。以磁性粒子的偶极矩理论为指导，分析了液体磁性磨具的磁流变产生机理，进而从微观角度阐述了液体磁性磨具小孔光整加工的材料去除机理。
　　3)液体磁性磨具小孔光整加工材料去除率模型的建立。采用“双刃圆半径”模型作为磨料颗粒的切削模型，通过对单个磨料颗粒进行力学分析，推导出液体磁性磨具小孔光整加工的材料去除率数学表达式并探讨了各因素对加工效率的影响。
　　4)液体磁性磨具小孔光整加工实验装置的设计。以液体磁性磨具小孔光整加工机理为指导，设计出一套基于液压系统的挤压实验装置，针对实验装置的耐磨性和密封性不足这一缺陷，我们采用对储料缸缸体加装聚四氟乙烯衬里和对活塞加装斯特封的方法来提高储料缸的耐磨性和密封性。为了从根本上解决液压缸挤压系统耐磨性和密封性不足的问题，设计出一套液压隔膜挤压系统。
　　5)液体磁性磨具小孔光整加工实验及分析。通过实验分别研究了试件材料、加工时间、磁场强度、磨料粒度、入口压力等主要因素对小孔光整加工效果的影响，结合推导出的小孔光整加工材料去除率表达式对实验结果进行了分析。
　　6)通过一组三因素四水平的正交试验，探讨了加工时间、入口压力、电流强度这三种因素对光整加工影响的主次顺序，初步确定了3mm孔件的最佳加工工艺。
　　本文深入地研究了液体磁性磨具小孔光整加工机理、液体磁性磨具的制备工艺、单个磨料切削模型，分析了加工时间、磁场强度、磨料粒度、磁场强度等因素对小孔光整加工的影响，从理论推导和实验分析两方面验证了液体磁性磨具小孔光整加工的可行性，研究成果对小孔光整加工具有一定地指导和借鉴意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 孔光整技术综述

1．3 液体磁性磨具的提出背景

1．3．1 磁流变液体

1．3．2 磁性液体

1．3．3 磁流变抛光技术

1．4 液体磁性磨具光整加工技术概述

1．5 课题的研究背景、来源及意义

1．6 本课题主要研究内容及创新点

第二章 液体磁性磨具的制备及性能指标

2．1 引言

2．2 液体磁性磨具的性能要求

2．3 液体磁性磨具的制备

2．3．1 液体磁性磨具的组成

2．3．2 基液的选择

2．3．3 磁性粒子的选择

2．3．4 磨料颗粒的选择

2．3．5 表面活性剂的选择

2．3．6 纳米粒子

2．3．7 液体磁性磨具的制备工艺

2．4 液体磁性磨具的主要物理性能指标

2．4．1 液体磁性磨具的流变性

2．4．2 液体磁性磨具的粘度

2．4．3 液体磁性磨具的稳定性

2．4．4 液体磁性磨具的饱和磁化强度

2．4．5 液体磁性磨具的饱和剪切屈服应力

2．5 本章小结

第三章 液体磁性磨具稳定性实验研究

3．1 引言

3．2 液体磁性磨具稳定性机理研究

3．2．1 沉降稳定机理

3．2．2 分散稳定机理

3．3 液体磁性磨具稳定性实验分析

3．3．1 聚丙烯酸对液体磁性磨具稳定性影响实验

3．3．2 纳米二氧化硅对稳定性影响实验

3．3．3 PH值对稳定性的影响

3．4 本章小结

第四章 液体磁性磨具小孔加工机理研究

4．1 引言

4．2 液体磁性磨具小孔光整加工机理

4．2．1 液体磁性磨具的微观结构

4．2．2 小孔光整机理的微观分析

4．2．3 液体磁性磨具在孔内的剪切应力分布以及速度分布

4．2．4 单个磨粒材料去除模型的建立

4．2．5 影响加工效率和表面粗糙度的主要因素分析

4．3 本章小结

第五章 液体磁性磨具小孔光整加工实验研究

5．1 引言

5．2 液体磁性磨具实验装置

5．2．1 实验装置的设计思想

5．2．2 两种小孔光整加工挤压装置的设计简介

5．3 磁场发生装置

5．4 实验设计

5．4．1 实验平台

5．4．2 试件与磨具准备

5．4．3 实验方案及工艺流程

5．5 实验结果及分析

5．5．1 加工时间及试件材质对材料去除率和表面粗糙度的影响

5．5．2 磨料粒径对材料去除率和表面粗糙度的影响

5．5．3 入口压力对光整加工的影响

5．5．4 电流强度对材料去除率和表面粗糙度的影响

5．5．5 三因素四水平正交试验及分析

5．5．6 内孔表面形貌分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文主要研究工作

6．2 未来研究工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间专利申请