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作为功能材料,电磁流变液是在基载液中加入可同时被电场极化和磁场磁化的微细固相粒子而形成的具有可控流变行为的悬浮液。在电场和磁场共同作用下具有比单独电流变效应和磁流变效应更显著的协同效应。
本研究基于电磁流变协同效应,提出了一种用于硬脆材料三维微结构创成加工的新方法,即利用电磁流变液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小零件三维微结构的创成加工。基于电磁流变效应微砂轮形成理论,设计了电磁流变效应微砂轮微细加工的实验装置和用于微沟槽加工的数控程序,通过对电磁流变液组分、特性及电磁流变效应机理分析,研制了适合微结构创成加工的电磁流变液。在此基础上,在玻璃材料表面进行了微沟槽加工实验,研究了电磁流变液固相粒子(种类、粒度、百分比等)、加工工具(工具材料、形状、角度等)、加工参数(工具转速、水平工作台进给速度、工具Z向进给、加工时间、加工初始间隙、加工角度、电场电压、磁场电压等)对微沟槽加工的影响,通过相关参数的改变来控制动态微砂轮的尺寸、刚度、磨粒相互结合强度以获得理想的微沟槽形貌,并深入探讨了硬脆材料的去除机理和形状创成加工机理。
研究结果表明,电磁流变效应即效微砂轮在玻璃等硬脆材料上进行微结构创成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产生较好的电磁流变效应并对三维微结构创成加工有良好的加工效果,当Fe3O4粒度为50μm、含量在33.84%时可以获得较好的加工效果。加工工具的材料、端部形状影响了工具端部的电、磁场分布,并决定了电磁流变效应微砂轮的大小和刚度,选用磁导率大的材料可以获得较高的材料去除率,不同端部形状的工具加工的微沟槽形貌不同,当工具锥角为45°时可以获得较高的材料去除率。随着电场或磁场励磁电压的增大,微砂轮对材料的去除效率会随之提高。电磁流变效应即效微砂轮水平加工一次在Z向定量进给一次可以获得较大的材料去除率。加工工艺参数方面,选用工具转速4800r/min、工作台水平进给速度20mm/min、加工时间20min、初始加工间隙10μm时材料去除率较高,并可以获得较好的微沟槽形状。材料去除率随着工具轴线与加工表面倾斜角度的增大而下降。通过对加工表面的微观结构和形貌分析,发现存在脆性裂纹扩展和塑性去除两种材料去除模式,并且通过工艺参数选择可以控制材料去除模式。