薄壁构件精密加工柔性装夹用磁流变液剪切屈服应力研究

李昀桦，孔金星，尚逢祥

中国工程物理研究院机械制造工艺研究所

1 引言

薄壁构件的刚度随着大量毛坯材料的去除而显著降低，特别是当工件减薄到一定程度并进入精加工阶段时，由装夹引起的薄壁构件加工变形高达20%～60%[1，2]，因此减小薄壁构件的装夹变形一直是制造领域技术人员努力解决的问题。由于柔性支撑方法能够有效克服因装夹力引起的回弹变形，工程中常用铜箔、橡胶等支撑物对薄壁构件进行辅助支撑，从而减小装夹变形，但上述方法存在支撑刚度不可控、难以适应薄壁构件面型形状等缺点。而磁流变液(Magnetorheological Fluid，MRF)作为一种支撑刚度可控、能够自适应薄壁构件面型特征的智能相变材料，在柔性夹具设计中得到了广泛应用[3]。

基于磁流变液的柔性夹具在薄壁构件装夹过程中可切实减小装夹变形并提高表面质量，国内外学者针对磁流变液柔性夹具进行了广泛研究。Wuertz T.等[4]提出了基于磁流变液的装夹固定系统，该系统能够承受工件在加工过程中的切削力，且能对复杂形状的工件进行灵活固定装夹。Guo W.C.等[5]提出了一种机械—磁流变流体复合柔性夹紧方法，并通过薄壁件铣削试验验证了方法的有效性，与传统装夹方法相比，减小了薄壁件的变形并提高了表面质量。为更有效控制薄壁构件的装夹变形，Jiang X.H.等[6]认为柔性支撑夹具要求其辅助支撑材料具有一定的支撑刚度，而磁流变液的剪切应力正代表了其固化强度，Iglesias G.R.等[7]也认为剪切应力是磁流变液最重要的特征参数。为了提高柔性夹具中磁流变液的剪切屈服应力，Tang X.等[8]提出通过挤压固化后的磁流变液使其内部结构由单链变为粗柱的方法，有效提高了磁流变液的支撑承载能力。

综上所述，目前国内外学者主要探讨了优化磁流变液柔性夹具结构以及提高磁流变液剪切屈服应力的方法，并取得良好的结果，但对于柔性支撑用磁流变液的浓度、配方及其与剪切屈服特性之间的关系缺乏深入研究。因此，本文以薄壁构件精密加工柔性装夹用磁流变液为对象，制备了不同浓度的水基和油基磁流变液，采用流变仪研究磁场强度、体积分数、温度对磁流变液剪切应力的影响。通过分析对比找出适合于柔性装夹的磁流变液配制方法，并掌握其在磁场作用下的流变特性，为优选适合薄壁构件柔性装夹用磁流变液提供必要的技术支撑。

2 试验方案

剪切应力是衡量磁流变液支撑刚度的重要参数之一，学者们认为影响磁流变液剪切应力特性的因素主要有：可磁化颗粒、包覆材料、基液、添加剂、体积分数、磁场强度和温度[9-11]。本试验重点研究基液、添加剂、体积分数、磁场强度及温度对磁流变液剪切应力的影响。

2.1 磁流变液的制备

配制试样所用的羰基铁粉采用德国BASF公司生产的微米级羰基铁粉，平均粒度约为3μm。

油基磁流变液制备步骤如下：①将二甲基硅油与硬脂酸混合后(质量分数为羰基铁粉的2%)水浴加热并使用搅拌器搅拌；②硬脂酸溶解后加入羰基铁粉并继续恒温水浴，使用搅拌器搅拌1h；③停止水浴加热，继续搅拌溶液使温度降至室温得到稳定溶液；④试样分别用试管保存，用于分析磁流变液的沉降性能。

水基磁流变液制备步骤如下：①将去离子水与抗氧化剂、分散剂混合并使用搅拌器搅拌30min形成稳定溶液并作为水基基液；②将制备好的水基基液与羰基铁粉混合并使用搅拌器搅拌1h得到均匀分散的水基磁流变液；③试样分别用试管保存，用于分析磁流变液的沉降性能。

水基和油基磁流变液的体积分数配置为40%，44%，48%和52%。

2.2 试验设备及方案

试验采用安东帕流变仪(Anton Paar Physica MCR 301)测量磁流变液的黏度及剪切应力。设置剪切速率由0/s均匀增大到100/s，每个剪切速率下测量时间为5s。以100mT为增量，设置外加磁场从0mT增大到700mT。每次改变外加磁场，流变仪需先对磁流变液仪器中的试样退磁10s。试验方案设置见表1。

表1 试验方案

3 试验结果与分析

配置好的试样静置沉降40h，沉降情况见表2。由表可知，油基磁流变液(试样A～E)的抗沉降性能明显优于水基磁流变液(试样F～I)。而且随着体积分数的增大，磁流变液的沉降百分比随体积分数的增大而减小，体积分数为52%的磁流变液经过40小时静置仅沉降4%。通过A和B两试样的沉降情况对比可知，未添加硬脂酸的磁流变液沉降了15%，而添加了硬脂酸的磁流变液沉降了11%，硬脂酸能将体积分数为40%磁流变液的抗沉降性能提高36%。上述试验结果表明，油基磁流变液的抗沉降性能优于水基磁流变液，磁流变液的体积分数越高越不容易沉降，且硬脂酸添加剂能有效降低磁流变液的沉降。

表2 磁流变液沉降40h沉降情况

3.1 添加剂对磁流变液剪切应力的影响

图1为体积分数40%的油基磁流变液A、B两个试样在不同磁场与剪切速率下的剪切应力及黏度测量结果，试样A未添加硬脂酸，试样B添加硬脂酸。图1a为A、B两试样在零磁场时不同剪切速率下的黏度，添加硬脂酸的试样黏度明显大于未添加硬脂酸的试样黏度，因此，硬脂酸使得磁流变液更加黏稠，零磁场黏度升高。图1b为A、B两试样在不同磁场时的剪切屈服应力，磁场强度小于300mT时，无硬脂酸的磁流变液剪切应力略微小于含硬脂酸磁流变液；磁场强度大于300mT时，无硬脂酸磁流变液的剪切屈服应力大于含硬脂酸磁流变液；磁场强度为600mT时，硬脂酸使磁流变液的剪切屈服应力降低36%。图1c为A、B两试样在不同磁场时剪切应力随剪切速率的变化曲线，在较强的磁场下，含硬脂酸的油基磁流变液在低剪切速率下呈明显的剪切屈服现象，无硬脂酸的油基磁流变液未出现明显的剪切屈服现象，剪切速率对剪切应力的影响不大。

(a)零磁场下有无硬脂酸MRF的黏度变化

(b)有无硬脂酸MRF的剪切屈服应力变化

(c)不同剪切速率下有无硬脂酸MRF的剪切应力变化

3.2 基液对磁流变液剪切应力的影响

图2为体积分数分别为40%，52%的油基和水基磁流变液在不同磁场下剪切屈服应力随磁场强度变化的实测结果。由图可知，当磁场强度小于400mT时，两种浓度的油基磁流变液和水基磁流变液的剪切屈服应力差别不大；当磁场强度大于400mT时，两种浓度的水基磁流变液的剪切屈服应力明显大于油基磁流变液的磁场强度；当磁场强度为600mT时，体积分数为40%的水基磁流变液的剪切屈服应力较相同体积分数的油基磁流变液增大了37%，体积分数为52%的水基磁流变液剪切屈服应力较相同体积分数的油基磁流变液增大了78%。

图2 水基和油基MRF剪切屈服应力对比

3.3 磁场强度对磁流变液剪切应力的影响

图3为体积分数40%的水基磁流变液在不同磁场下的剪切屈服应力实测结果。根据有关学者研究，磁流变液在磁场作用下表现出磁非线性饱和效应，磁场强度较低时，其剪切屈服应力与磁场强度的平方成正比；在较高磁场强度下，可磁化颗粒的极化出现局部饱和，此时磁流变液的剪切屈服应力与磁场强度的3/2次方成正比；当磁场强度足够高时，可磁化颗粒完全磁化饱和，此时磁流变液的剪切屈服应力只与可磁化颗粒材料的磁化特性参数有关[12]。

图3 不同磁场下40%水基MRF的剪切屈服应力

由图3可知，对于体积分数为40%的水基磁流变液，磁场强度为0～200mT时，磁流变液处于未磁化饱和状态，呈现平方关系；当磁场强度为200～600mT时，磁流变液处于局部磁化饱和状态，剪切屈服应力曲线与磁场强度基本呈3/2次方的关系；当磁场强度为600～700mT时，随着局部磁化饱和程度的增加，磁流变液正趋近于磁化饱和状态。上述试验结果表明，体积分数为40%的高浓度水基磁流变液在磁场下的剪切屈服应力仍然遵循着磁非线性饱和效应原理。

3.4 体积分数对磁流变液剪切应力的影响

图4为不同体积分数(40%，44%，48%，52%)的水基磁流变液在零磁场下黏度变化的实测结果和剪切应力随剪切速率变化的实测结果。

(a)体积分数对粘度的影响

(b)不同剪切速率下体积分数对剪切应力的影响

图4a为F、G、H和I四个试样在零磁场、剪切速率为20/s时，随着体积分数增大，零磁场时磁流变液的黏度随体积分数的增加而增大。图4b为四个试样在零磁场、剪切速率为20/s，40/s，60/s，80/s，100/s时，随着体积分数的增大，零磁场时磁流变液的剪切应力随体积分数的增加而增大。对于体积分数为40%和44%的两种水基磁流变液，剪切速率对剪切屈服应力的影响不大；对于体积分数为48%和52%的更高浓度水基磁流变液，随着剪切速率的增加，剪切屈服应力也随之增加。

3.5 温度对磁流变液剪切应力的影响

图5为体积分数为48%的油基和水基磁流变液在不同外加磁场和不同温度下的剪切屈服应力实测结果。由图可知，固定剪切速率为100/s且在相同磁场强度作用下，当测试温度从31℃增加到49℃时，体积分数为48%的水基磁流变液(试样H)和油基磁流变液(试样D)的剪切应力基本不变；当磁场强度从0mT增加到400mT时，剪切屈服应力随之增加，与前述结果一致。试验结果表明，当温度为30℃～50℃时，温度对水基和油基磁流变液剪切应力影响不大，能够保证薄壁构件精密加工过程中环境温度不会对磁流变液柔性支撑性能产生影响。

(a)温度对水基MRF剪切应力的影响

(b)温度对油基MRF剪切应力的影响

3.6 适用于柔性夹具的磁流变液分析

试验选用的柔性支撑用磁流变液主要针对薄壁构件精密加工过程，其使用温度范围预计为30℃～50℃且能满足连续工作需求，这要求磁流变液具有较好的抗沉降稳定性及支撑刚度。虽然水基磁流变液具有优于油基磁流变液的磁致剪切应力特性，但经过试验发现，体积分数较高的水基磁流变液在试验过程中存在水蒸发速度过快而导致磁流变液板结的问题，不适用于长时间工作的柔性夹具。油基磁流变液则不存在蒸发导致的板结问题，且具有较好的抗沉降性能。因此，油基磁流变液较水基磁流变液更适用于柔性夹具。根据上述试验结果可知，磁场强度、体积分数是影响磁流变液剪切屈服应力的重要因素，为了尽可能增大磁流变液的剪切应力以提高柔性夹具的支撑刚度，应选用体积分数48%以上的油基磁流变液。

4 结语

本文针对薄壁构件精密加工柔性支撑用磁流变液，对比分析了添加剂、磁场强度、体积分数、温度等因素对水基和油基磁流变液剪切应力的影响，主要结论如下：

(1)磁场强度较小时，油基磁流变液的剪切屈服应力略微大于水基磁流变液，当磁场强度大于400mT时，水基磁流变液的剪切屈服应力明显大于油基磁流变液。

(2)油基磁流变液在低剪切速率下出现明显的剪切屈服现象，水基磁流变液在较小的磁场强度下就已经发生剪切屈服。

(3)磁流变液的体积分数越大，其零磁场黏度就越大，且零磁场时磁流变液的剪切应力正相关于磁流变液的体积分数。

(4)硬脂酸添加剂能有效提高油基磁流变液的沉降性能，当磁场强度小于400mT时，有无添加剂对油基磁流变液的剪切屈服应力无明显影响；当磁场强度大于400mT时，添加剂将大幅降低油基磁流变液的剪切屈服应力。

(5)综合对比使用中的剪切应力、抗沉降性能以及蒸发情况，体积分数为48%以上的油基磁流变液更适合于薄壁构件精密加工用柔性支撑夹具设计。