简析磁流变材料在现代加工设备中的应用

　　1 引言
　　磁流变材料是一种流变性能可由磁场大小控制的新型智能材料，是目前智能材料研究领域中比较活跃的一种。当外加磁场变化时，它的刚度会发生相应的变化，而且这种变化是可逆、可控、迅速(毫秒级)且连续的。近年来，这类智能材料的发展与应用得到了学者们的普遍关注，研究的磁流变材料比较热门的有两种磁流变液(Magnetorheological Fluids，MRF)和磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomer，MRE)。
　　磁流变液是磁流变材料中最早被发现的一种，其主要是由液态载体(硅油等)和分散在其中的铁磁性颗粒(铁、钴等微米级颗粒)所组成。相比其它磁流变材料，磁流变液的应用最为广泛，而且随着科研人员的不断努力，磁流变液的性能已经得到了很大程度的改善。目前全球已经有一万多种磁流变产品，包括磁流变减振器、离合器、阻尼器等已经在实际工程中应用，据预测，在未来10 年内将会有超过100 万个磁流变产品应用于实际工程中。我国对磁流变技术的研究开始于20 世纪90 年代，与国外的研究相比，我国对磁流变技术以及产品的研究与应用起步相对较晚，仍有一定差距。目前我国在磁流变流变机理、动力建模、控制策略、实用装置开发及工程应用等方面取得了一定的进展，已有某大学、某科研院所等数十家科研单位从事磁流变技术的研究，有些研究成果已经应用于实际工程中，取得了良好的效果。
　　磁流变弹性体最初是由日本科研人员于1995 年发现的。磁流变弹性体是在磁流变液的基础上发展起来的，在外加磁场的作用下能够显著的改变其弹性模量。它作为一种新型的磁流变材料，同时具有磁流变材料和弹性体的一些特点，不但具有可控性、可逆性、响应迅速(毫秒级)等高技术特征，还具有稳定性好、结构简单、其应用装置无需密封、成本低、功耗小等独特的优点。因此磁流变弹性体非常适用于对振动的控制，在机械加工、精密制造等振动的控制、降噪方面有着很好的应用前景，已经成为一个研究的热点问题。
　　2 磁流变液在现代加工设备中的应用
　　2.1 磁流变液应用于车床加工
　　在现代制造业中，车削加工一直是最主要的加工方法，而车削加工中的颤振现象则是制约其产品质量和加工效率的一个重要因素。近年来，随着智能材料的快速发展，利用其独特性能而研制出的减振装置受到越来越多的科研人员的关注。其中，磁流变液减振装置可作为一种半主动控制装置，通过实时调控系统参数来抑制其振动，既有主动控制系统适应性强的特点，又具有被动控制系统可靠性高、能耗低的优势。利用磁流变液进行了车床加工振动控制系统的理论研究，搭建了含有磁流变液减振器的车削仿真系统，仿真结果表明该减振器能够有效的抑制车削颤振并改善车削加工的稳定性。将磁流变阻尼器应用于车床刀架，建立了车床刀架系统的数学模型，并设计了车床刀架减振系统的半主动控制模糊控制器，提出了基于修正的Bingham 磁流变阻尼器模型，为今后机床减振控制系统的设计与实现提供了理论性指导。文献为了抑制CA6140 车床在车削加工轴类零件时刀具在振动敏感方向产生的振动，研制出了一种安装在车床中托板和床鞍左侧面的磁流变减振器。利用有限元方法对该减振器进行三维磁场仿真分析并在车床上进行外圆车削减振试验。试验结果表明，该磁流变减振器可以有效地抑制车削外圆时所产生的振动。
　　2.2 磁流变液应用于镗床加工
　　由于镗削系统的结构刚度比较低，在镗削加工过程中极易出现颤振。这不仅会造成精密孔加工效率低、表面质量差，影响零件的使用性能，而且颤振还会加速刀具的磨损，产生强噪音使操作者的身心健康受到危害。对此，某大学研究人员首次将磁流变液材料应用于镗杆动态特性的调节过程，提出了一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆的设计新思路，其具体结构。并对磁流变液自抑振智能镗杆的静动态性能进行测试与分析，获得了固有频率与励磁电流之间的数学模型以及磁流变液材料处于不同状态时智能镗杆阻尼特性与刚度的变化规律。将非线性随机最优半主动控制策略首次引入到镗削颤振控制领域，不但提高了工作效率和加工质量，又有效地避免了颤振的发生。文献研制出了基于磁流变液的镗削振动控制系统，并在不同主轴转速下进行了减振试验，试验结果表明在频率大小为1Hz 的方波激励电流下，减振效果最为明显，工件表面的振纹消除，镗杆端部振动加速度值下降。
　　2.3 磁流变液应用于抛光机精密加工
　　磁流变抛光(Magnetorheological Finishing，MRF)是一种利用电磁场辅助的流体动力抛光技术，具有易于控制、无刀具磨损现象、加工效率高、加工质量高等其他传统抛光方法所没有的优点，其工作原理，如图3 所示。印度的研究人员提出了将磁流变磨料流应用于抛光，可以对复杂的内表面腔体进行精密加工，研究了材料去除率与表面质量的关系。某团队首次提出了超声波磁流变复合抛光技术(UMC)并建立了超声波磁流变复合抛光实验装置。国外科研人员研究了磁流变液精加工过程中磁场变化对正应力、切应力的影响。我国科研人员研究了外加轴向磁场对磁流变液射流的稳定性。通过对磁流变抛光两种不同结构的装置进行比较，给出了磁流变抛光装置关键部件的设计方法。
　　2.4 磁流变液应用于柔性夹具
　　磁流变液柔性夹具是指利用磁流变液材料屈服强度大，在外加磁场的控制下能够实现瞬间(毫秒级)相变的特点而开发的一种柔性夹具。将工件放在磁流变液材料中，当磁流变液材料在外加磁场的作用下变为固态时，工件就会被夹紧，其结构，如图4所示。相对于组合夹具、可调整夹具等一般夹具，磁流变柔性夹具具有显著的优势。它不但可对形状复杂的工件进行定位和夹紧，而且仅用一套磁流变柔性夹具就能将不同尺寸、不同形状的工件定位并夹紧，大大提高了工作效率。文献研制了一套磁流变液柔性夹紧装置，通过外加磁场进行固化，磁流变液的抗剪屈服强度可以达到800kPa 以上，能够满足设计柔性夹具的夹紧力要求。文献研究了用于薄壁件加工的磁流变柔性夹具，通过有限元分析，得出在使用磁流变液后，工件的最大应变由0.43410-7m 变为0.5910-8m，减小了将近1 个数量级。另外，文献针对XK2120 龙门铣床的结构，设计出了可用于该铣床的导轨阻尼器和主轴阻尼器，并给出了阻尼器的结构参数和动力可调范围。
　　3 磁流变弹性体在现代加工设备中的应用
　　磁流变弹性体应用于现代加工中仅仅处于研究阶段，国内外很少对其进行报道。在国内将磁流变弹性体应用于现代加工中仅有某大学等少数科研单位。加工整体叶轮时高温合金中的奥氏体组织等因素会使合金的切削力远大于普通钢材的切削力，叶轮的叶片薄而悬臂长，流道窄，刀具切入切出非常困难，动态切削力容易引起切削过程的不稳定，使变化幅度更剧烈，更容易发生颤振。对此，文献发明了离心式以及轴流式叶轮加工中的振动抑制装置，并申请了专利。装置结构简单，响应迅速，容易控制，降低了叶轮的加工成本，且能够实现对多个目标模态的颤振抑制，避免了被动控制式阻尼器的参数与机床的工艺状态相关性强的局限。在磁流变抛光技术中，为了克服现有技术中的可靠性低、抛光去除率低、需要高压、模型不可控制的缺点，文献提出了一种基于磁流变弹性体的抛光方法，设计了基于磁流变弹性体的抛光装置并申请了专利，该装置可通过外加磁场调节去除率，适用于工件抛光的环境。
　　4 结束语
　　目前，相比于其它磁流变材料，磁流变液的应用最为广泛，国内外科研人员围绕磁流变液的机理、制备、测试、应用等方面已经取得了大量的研究成果。但作为一种悬浮液，磁流变液的长期稳定性差，沉降性问题无法彻底解决;工作时容易泄漏，难密封;磁流变液装置的散热效果差，传递的力和力矩较小且可调控范围较小(刚性、模量等)。这些问题成为影响其发展的重要因素，导致迄今为止国内仍未实现对磁流变液产品的大规模商品化。
　　与磁流变液相比，磁流变弹性体中的载体由液态的硅油等被替换成了硅橡胶等固体，因而不必考虑材料的沉降性和稳定性的问题。它在外加磁场的作用下能显著改变其弹性模量，且响应迅速(毫秒级)，具有更好的可控性和可逆性。正是由于其独特的流变效应和优良的磁场可控性，得到了国内外科研人员的广泛重视和研究。目前，已有许多国内外研究人员开展了磁流变弹性体减振装置的研究工作，并取得了一定的成果，但还仅仅处于理论探索和实验室研究阶段，应用于现代加工设备中更是处于起始阶段。随着研究的不断深入，磁流变弹性体将会在现代加工设备中得到广泛的应用，尤其在需要进行刚度控制的振动系统(例如加工整体叶轮中产生的颤振)中具有非常广阔的应用前景。