磁弹磨粒配比的力学模型及试验分析.pdf

基金项目：国家自然科学基金（）收稿日期：年 月磁弹磨粒配比的力学模型及试验分析袁银，赵雪峰，游科，殷小龙贵州大学机械工程学院摘要：磁弹磨粒作为双磁盘磁场中对刀具钝化的主要研磨颗粒，其物理特性对磁弹磨粒的磨削效果有着非常重要的作用。为研究磁弹磨粒制备时磁粒相与磨粒相颗粒之间的最佳配比，基于磁粒相与磨粒相颗粒之间的受力状态，根据力平衡原理，建立了磨粒相与磁粒相颗粒之间的力学模型。以硅胶为基体，氧化铝颗粒为磨粒相，铁粉为磁粒相制备出了磁粒相与磨粒相比例为 ，的磁弹磨粒颗粒，并观测不同颗粒的微观形貌及元素分布。根据双磁盘磁力钝化设备对刀具的钝化原理，建立了钝化试验方案。试验发现，磨粒相与磁粒相颗粒比例为 时，制备的磁弹磨粒对提高刀具刃口表面粗糙度、去除刀具前后刀面的钝化值较好。关键词：磁弹磨粒；配比；力学模型；刀具钝化中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言磁弹磨粒是一种具有粘弹性、自锐性功能、导磁性的聚合物，该聚合物的构成主要包括磨粒相、磁粒相与粘弹性基体三部分 。本文在制备磁弹磨粒时，选择以硅胶为粘弹性基体、颗粒为磨粒相颗粒以及铁粉为磁粒相颗粒并按照一定比例进行混合来制备 。但是目前并没有明确的理论模型验证磨粒相与磁粒相混合的比例，只是根据现有文献中较为普遍的比例进行混合，而磁粒相与磨粒相混合的比例越合适，所制备出的磨粒磨削效果就越好。目前，国内外文献中对磨粒的制备方法研究较多，制备出的磨粒种类也较多，这也为磁弹磨粒的制备提供了参考方法。例如，等 以硅胶为基体，以 改性碳化硅颗粒为增强磨料以及增韧剂、偶联剂等添加剂，制成整体弹性磨料，并研究了不同含量 （质量分数为 、）和不同粒度（分别为 、和 目筛网）弹性磨料的力学性能。等 以氧化铝和氧化硅与羰基铁颗粒（铁磁材料）的混合物为磨料，通过烧结法制备了烧结磁性磨料，通过扫描电子显微镜（）、能量色散光谱（）和 射线衍射技术研究了烧结磁性磨料的形貌和结构。等 根据气体雾化和快速凝固过程的特点，在适当控制加工参数和原料成分比例的情况下，成功制备了新型铁基 球形复合磁性磨料，并通过扫描电子显微镜（）和 射线衍射（）对其形貌、显微组织、相组成进行了表征。等 采用化学共沉 年第 卷 淀法在 颗粒表面包覆一层氧化铁膜，制备了一种新型 氧化铝 三氧化二铁核壳型磨料，并采用飞行时间二次离子质谱（）、射线光电子能谱（）、射线衍射（）和激光粒度分析仪对 氧化铝 三氧化二铁复合颗粒进行表征。等 采用氨水在 下对 左右的铁粉进行氮化，制备出了核壳结构的氮化铁磁性磨料，且考察了氮化时间、氨水压力和冷却方式对产物的影响，分别采用 射线衍射仪（）、扫描电子显微镜（）、磁力计和纳米压痕仪对产物的组成、形貌、磁性能和力学性能进行了表征。等 提出了一种硅油基磁流变液的制备方法，并对制备的磁流变液进行了性能测试，利用扫描电镜观察未包覆磁粉与包覆磁粉之间的变化，制备了磁粉体积分数分别为 、和 的 个样品。等 以丁苯橡胶为基体，研制了一种新式磁性磨具，该磁性磨具具有良好的流动性、自变形性和耐磨性基本特性。等 将磁性颗粒分散在硅橡胶中，制备了不同颗粒含量的磁流变胶，并对其磁性、粘弹性和微观结构进行了研究。等 以硅橡胶为基础将碳化硅与纯铁粉混合，研制出弹性磁性磨粒。本文基于磁弹磨粒中磨粒相与磁粒相颗粒之间的受力状态，建立了磨粒相与磁粒相颗粒的力学模型，通过力学模型分析了磨粒相与磁粒相比例为 ，时的受力大小。以硅胶为基体，氧化铝颗粒为磨粒相，铁粉为磁粒相制备出了磁粒相与磨粒相比例为 ，的磁弹磨粒颗粒，观测不同颗粒的微观形貌及元素分布。根据双磁盘磁力钝化设备的钝化原理，建立相应的试验方案并进行分析。?磁粒相与磨粒相颗粒的力学模型?受力分析假设磁弹磨粒在制备过程中磨粒相与磁粒相颗粒按照一定比例均匀混合，磨粒相颗粒与磁粒相颗粒的形状均看作完美的球形颗粒，混合时的力学模型见图 。混合后，磨粒相颗粒与磁粒相颗粒的面积的计算式为 ，（）根据 ，方向上力的平衡原则，可以得出 （）（）式中，为磨粒相颗粒与刀具表面的摩擦力；为磨粒相颗粒对刀具表面的正压力；为磨粒相颗粒与磁粒相颗粒之间的摩擦力；为磨粒相颗粒对磁粒相颗粒的正压力；为磁弹磨粒在双磁盘磁场中受到的磁场力。图 磨粒相与磁粒相颗粒的力学模型相关公式为 ，槡 （），（）式中，为磨粒相颗粒与磁粒相颗粒之间的摩擦系数；为磨粒相颗粒与刀具表面之间的摩擦系数。将式（）和式（）代入式（）可得 ()（）将式（）代入式（），整理可得磨粒相颗粒与刀具表面之间的摩擦力公式为 槡()（）将式（）和式（）代入式（）可得 ()（）将式（）代入式（），整理可得磁弹磨粒在双磁盘磁场中受到的磁场力公式为 槡 （）（）槡（）（）不同比例的磨粒相与磁粒相受力情况目前在制备磁性磨料的过程中，研磨颗粒与磁性颗粒的常用比例有 ，其力学模型见图 。不同比例下，磨粒相颗粒与刀具表面之间的摩擦力公式为 槡()（）槡()（）槡()（）工 具 技 术磁弹磨粒在双磁盘磁场中受到的磁场力公式为 槡 ()()槡()（）槡 ()()槡()（）槡 ()()槡()（）假设磨粒相颗粒与磁粒相颗粒之间的正压力不变，即 ，则可以得出磨粒相与刀具之间的摩擦力 ，磁弹磨粒在双磁盘磁场中受到的磁场力 ，而磁弹磨粒在双磁盘磁场中对刀具钝化时，磨粒相颗粒起主要的磨削作用，故制备磁弹磨粒时磨粒相与磁粒相之间的配比应该选择的比例为 。图 磨粒相与磁粒相颗粒不同混合比例的力学模型?磁弹磨粒的微观形貌磨粒相与磁粒相颗粒不同比例时，制备的磁弹磨粒的微观形貌及元素分布见图 。可以看出，在比例为 时，磁弹磨粒表面颗粒附着程度更好且内部元素分布更加均匀，表明聚合物的混合均匀度较好。?试验设备及方案?试验设备试验设备见图 ，采用三维形貌检测仪（见图 ）测量刀具钝化前后刀具刃口表面的粗糙度值以及前后刀面的钝化值，试验刀具见图 。采用双磁盘磁力钝化设备对硬质合金刀具进行钝化试验，由于磁弹磨粒较干燥，在磁盘转动过程中容易飞出场外，故需要添加适量的研磨液与磁弹磨粒混合，使其保持微湿状态，降低磨削过程中磁弹磨粒的温度。图 磁弹磨粒的微观形貌及元素分布（）双磁盘磁力钝化设备（）三维形貌检测仪（）硬质合金刀具图 试验设备及硬质合金刀具?试验方案试验过程中，控制其他钝化参数不变，采用磨粒相与磁粒相颗粒混合比例为 ，时制备的磁弹磨粒分别对 、号刀具进行钝化试验，每隔 测量一次刀具的钝化参数值。试验方案见表 。表 试验方案序号刀具编号磁盘转速（）磁盘间隙（）刀具转速（）磁弹磨粒粒径（目）钝化时间（）磨粒相与磁粒相颗粒的比例 年第 卷?试验结果分析磨粒相与磁粒相为 时，制备的磁弹磨粒对刀具刃口钝化参数的影响见图 。钝化 后可以得出，刀具刃口表面粗糙度提高了近 ，刀具前刀面的钝化值 减少了 ，后刀面的钝化值 减少了 。磨粒相与磁粒相为 时，制备的磁弹磨粒对刀具刃口钝化参数的影响见图 。钝化 后可以得出，刀具刃口表面粗糙度提高了近 ，刀具前刀面的钝化值 减少了 ，后刀面的钝化值 减少了 。图 磨粒相与磁粒相配比为 时磁弹磨粒对刀具刃口钝化参数的影响图 磨粒相与磁粒相配比为 时磁弹磨粒对刀具刃口钝化参数的影响磨粒相与磁粒相为 时，制备的磁弹磨粒对刀具刃口钝化参数的影响见图 。可知，钝化 后刀具刃口表面的表面粗糙度值提高近 ，刀具前刀面的钝化值 减少了 ，后刀面的钝化值 减少了 。在磨粒相与磁粒相颗粒的三种比例下，通过对比磁弹磨粒对刀具刃口表面参数值的影响可以得出，磨粒相与磁粒相为 时，所制备的磁弹磨粒聚合物对刀具刃口参数的影响较大，均优于另外两种比例的磁弹磨粒，故配比较好。图 磨粒相与磁粒相配比为 时磁弹磨粒对刀具刃口钝化参数的影响?结语（）基于磁弹磨粒中磨粒相与磁粒相颗粒之间的力学原理，建立了力学模型，并根据受力状态计算了磨粒相与磁粒相颗粒配比为 ，时，磨粒相颗粒的摩擦力、磁粒相颗粒的磁场力大小。（）根据双磁盘磁力钝化设备对刀具钝化的原理，建立了磨粒相与磁粒相颗粒配比为 ，时制备的磁弹磨粒对刀具刃口钝化的试验方案。试验得出，磨粒相与磁粒相颗粒配比为 时，刀具刃口表面粗糙度提高了近 ，刀具前刀面的钝化值 减少了 ，后刀面的钝化值 减少了 ，钝化效果最好。参考文献 ，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：工 具 技 术 ，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：第一作者：袁银，硕士研究生，贵州大学机械工程学院，贵阳市 ：，通信作者：赵雪峰，教授，贵州大学机械工程学院，贵阳市 ：，收稿日期：年 月高温轴承钢套圈硬切削表面完整性试验研究史慧楠，杨树新，闫佳山，孙重阳中国航发哈尔滨轴承有限公司摘要：通过采用 刀具对淬火后 高温轴承钢外圈内沟道表面进行硬切削加工试验，分析硬切削加工 高温轴承钢套圈沟道的表面完整性，探究不同切削参数对已加工表面粗糙度、表面微观形貌、表面残余应力以及表面变质层等表面完整性指标的影响规律，综合分析各项指标并获得最优的切削参数。试验提出了硬切削代替粗磨加工的可行性，并为高温轴承钢套圈沟道硬切削参数的选取提供试验和数据基础。关键词：滚动轴承；硬切削；外圈沟道；表面完整性中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言 钢是一种高温轴承钢，主要用于航空轴承的制造，其含有 ，等多种合金元素，材料强度高且耐磨性能好，但在冶炼过程中形成的一次碳化物颗粒大、数量多、易聚集，且轴承套圈淬回火处理后在粗磨加工中的材料去除量大，使得工件表层易产生磨削烧伤和微裂纹。硬切削是指采用聚晶立方氮化硼（）或陶瓷刀具等超硬刀具对淬硬钢材料（大于 ）进行精密切削加工。与磨削相比，硬切削具有高柔性、高效性和环保性的优点 。因此，在一定的条件下，硬切削可以代替粗 年第 卷