磁流變彈性體磨具的制備及其性能研究

徐志強(qiáng) 王秋良 吳 衡 王 軍 張高峰

湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湘潭，411105

0 引言

為了研發(fā)高效率、高精度和低損傷的超精密加工技術(shù)，一些學(xué)者開始以智能微納米材料為載體研究新型研拋介質(zhì)[1]。目前，已有基于磁流變液[2]、電流變液[3]、電磁流變液[4]和剪切增稠液[5]等智能材料的液體拋光介質(zhì)，以及基于非牛頓流體高分子聚合物[6]的黏彈性體拋光介質(zhì)。用以上介質(zhì)加工工件可以獲得高精度、高質(zhì)量光滑表面，但是仍然存在一些缺陷:這些研拋介質(zhì)的剛度不足，且磨粒是游離的或半固著的，導(dǎo)致加工效率未能明顯提高，尤其是液體研拋介質(zhì)還存在磨料易沉降現(xiàn)象。為了徹底解決上述問題，研究人員仍在不斷探索適用于超精密加工的新材料。

磁流變彈性體(magnetorheological elastomer，MRE)是一種由橡膠類基體和軟磁性顆粒組成的智能材料，具有可逆、響應(yīng)迅速的變剛度特性和穩(wěn)定性，主要應(yīng)用于減振降噪、智能控制等領(lǐng)域[7-9]。在MRE制備方面，硅橡膠、天然橡膠和聚氨酯等聚合物常被用作基體[10-12]，羰基鐵、鈷、鎳及它們的氧化物常被用作軟磁性顆粒[13]。在MRE性能測試方面，XUAN等[14]搭建了一套磁流變力學(xué)測試系統(tǒng)，系統(tǒng)地研究了MRE的磁粉鏈化情況和磁致力學(xué)性能；KCHIT等[15]研究了MRE的電學(xué)特性；LEE等[16]通過摩擦磨損試驗(yàn)證明了磁場能抑制MRE的磨損。隨著研究的深入，MRE的制備技術(shù)越來越成熟、應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

鑒于MRE優(yōu)越的力學(xué)性能和變剛度特性，本文將MRE應(yīng)用到超精密加工中，研制出一種以MRE為結(jié)合劑、以金剛石微粉為磨料的新型研拋介質(zhì)——磁流變彈性體磨具(magnetorheological elastomer abrasive tool，MREAT)。這種新型磨具的磨料完全固著，也不存在沉降問題，所以能提高材料去除率；基體與工件柔性接觸，能有效減少表面損傷，而且可以調(diào)節(jié)MREAT周圍磁場強(qiáng)度來控制其剛度，實(shí)現(xiàn)與工件表面不同程度的貼合。本文以704硅橡膠為基體，分別在零磁場和400mT磁場條件下成功制備各向同性和各向異性MREAT，并用EDS、XRD、超景深光學(xué)顯微鏡、電子萬能試驗(yàn)機(jī)和MarSurf PS 10粗糙度測量儀等設(shè)備研究了外加磁場對(duì)MREAT的微結(jié)構(gòu)和性能的影響情況，為其在磁控柔性研拋加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供一些依據(jù)。

1 制備

1.1 原材料

704硅橡膠用作基體材料，呈黑色；羰基鐵粉購于德國BASF公司，平均粒徑為2 μm，作為軟磁性顆粒；金剛石微粉粒度為w5，用作磨料；二甲基硅油由美國道康寧公司生產(chǎn)，黏度為0.1 Pa·s，用作增塑劑。

1.2 制備裝置

根據(jù)MREAT制備工藝的需求設(shè)計(jì)了一套熱磁力耦合成形裝置，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。圖中，模具設(shè)計(jì)成上模、中框和下模三段式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為不導(dǎo)磁的鋁合金，能制備出最大尺寸為40 mm×20 mm×15 mm的塊狀樣品，加熱板和溫度控制器能提供20～300 ℃的恒溫環(huán)境，外置壓力機(jī)提供0～20 MPa的壓力，沿豎直方向施加在模具的上模表面，加磁部分由DT4C純鐵材質(zhì)的導(dǎo)磁架和2塊N52銣鐵硼永磁鐵組成，能夠提供強(qiáng)度約400 mT的近似勻強(qiáng)磁場。

圖1 熱磁力耦合成形裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of a heat-magnet-force coupled device

1.3 制備工藝

MREAT制備流程分為混煉、澆注、加磁、熱壓成形和深度固化等階段，如圖2所示。首先按照表1中的配比分別依次稱量出704硅橡膠、二甲基硅油、羰基鐵粉以及金剛石微粉，將這4種原料倒入混煉機(jī)中反復(fù)混煉，得到混合均勻的黏稠混合物；其次將混合料置于真空干燥箱，室溫下抽真空15 min，去除混合物內(nèi)的氣泡，再將混合料倒入模具內(nèi)；再次將模具置于圖1所示裝置中一段時(shí)間，保持溫度30 ℃，待羰基鐵粉和金剛石磨粒在磁場作用下穩(wěn)定分布后，在模具上模施加5 MPa壓力將材料壓制成形，獲得各向異性MREAT(制備各向同性MREAT時(shí)，不需要磁場，故移去裝置的勵(lì)磁部分)。常溫下保壓固化10 h后脫模，經(jīng)分割修整后得到若干塊狀和柱狀的樣品，如圖3所示。

圖2 磁流變彈性體磨具制備工藝流程Fig.2 Preparation process of MREAT

圖3 磁流變彈性體磨具樣品Fig.3 MREAT samples

表1 磁流變彈性體磨具樣品制備條件Tab.1 Preparation conditions of MREAT samples

2 表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM)與能譜儀(EDS)分析MREAT的組成元素，樣品表面噴金處理，加速電壓20 kV；采用X射線衍射(XRD)儀分析MREAT的結(jié)構(gòu)參數(shù)，測試中使用CuKα射線光源，波長λ=0.154 nm，管電流為15 mA，管電壓為40 kV，掃描角度為10°～90°，掃描分辨率為0.02°；采用超景深光學(xué)顯微鏡VHX-2000觀察各向同性和各向異性MREAT的表面微觀形貌。

使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)RGM-4100)測試MREAT在不同磁場下的壓縮力學(xué)性能，設(shè)備見圖4。磁場條件由兩塊圓柱體永磁鐵提供，通過改變磁鐵間距調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)弱，用高斯計(jì)標(biāo)定磁場強(qiáng)度。試樣直徑為15 mm、厚度為8 mm，壓縮速度為0.1 mm/s。

圖4 單軸壓縮測試系統(tǒng)Fig.4 Uniaxial compression test system

研拋性能測試在拋光裝置(圖5)上進(jìn)行，如圖5a所示，拋光頭安裝在三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控移動(dòng)滑臺(tái)上，勵(lì)磁夾具通過壓塊固定在支架上，且勵(lì)磁夾具內(nèi)部放置有磁鐵，用于為拋光過程提供外加磁場；實(shí)驗(yàn)中選用鈦合金塊作為拋光工件，通過強(qiáng)力膠固定在勵(lì)磁平臺(tái)上表面；半球形的MREAT固定拋光工具的端部；拋光裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5b所示，腔體內(nèi)部放置有一塊圓柱體永磁鐵，與勵(lì)磁夾具內(nèi)部磁鐵共同構(gòu)成磁場線垂直于工件表面的磁場。拋光時(shí)，拋光工具在數(shù)控平臺(tái)和電機(jī)的帶動(dòng)下作平動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與工件對(duì)磨，研拋實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 研拋實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Parameters of polishing experiments

(a)拋光裝置整體實(shí)物圖

3 結(jié)果與討論

3.1 新型磨具成分分析

圖6所示為MREAT材料表面的EDS分析結(jié)果，圖6a、圖6b分別對(duì)應(yīng)線掃結(jié)果和面掃結(jié)果。圖6a中右上角為磨具的SEM圖像，可以看到呈球形的羰基鐵粉以及不規(guī)則形態(tài)的金剛石顆粒。由EDS線掃能譜圖6a可知，新型磨具基體中含有C、O、Si、Fe和Ca五種元素，其中，Si元素的含量最高，這與磨具制備時(shí)的配比相吻合，被檢測出的少量Ca元素則來自704硅橡膠中用作補(bǔ)強(qiáng)劑的CaCO3。由EDS面掃能譜圖6b可知，Si元素的含量最高，同時(shí)Fe元素呈現(xiàn)鏈狀分布，與其微觀形貌表征結(jié)果相符。圖7是MREAT的XRD圖譜，圖7中同時(shí)存在著尖峰和寬峰。通過與圖7b中各組分的XRD圖的比對(duì)可知，在衍射角2θ為43.7°和75°處強(qiáng)度較高的尖峰代表C元素，在2θ為44.9°、65.4°和82.5°處強(qiáng)度較高的尖峰代表Fe元素，在2θ為23°、29.5°、36°、39.5°、43°、47.5°和48.5°等處的尖峰代表CaCO3化合物，而在2θ為12°和23°處有強(qiáng)度不高的寬峰，表明磨具基體中存在不定形態(tài)的物質(zhì)，即硅橡膠和硅油混合物[17]。除此以外，沒有出現(xiàn)其他圖譜特征，說明MREAT是一種聚合物復(fù)合材料。

(a)線掃圖片

3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

(a)整體成分分析

(a)樣品1 (b)樣品2

MREAT的表面微觀結(jié)構(gòu)如圖8所示，圖8a展示的是各向同性MREAT的微觀形貌，在制備過程中沒有對(duì)該樣品施加磁場，可以看到基體中的羰基鐵粉與金剛石磨粒呈隨機(jī)分布，這是由樣品在制備過程中的機(jī)械混煉作用和微粒的布朗運(yùn)動(dòng)造成的。圖8b～圖8d展示的是各向異性MREAT的微觀形貌，這些樣品在制備過程中被施加了400 mT的近似勻強(qiáng)磁場，可以看出，基體中的金剛石磨粒依然呈隨機(jī)分布，但是羰基鐵粉則聚集在一起呈若干鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)，而且鏈狀結(jié)構(gòu)的取向基本一致。這是因?yàn)樵谥苽溥^程中施加磁場后，羰基鐵粉會(huì)在磁場下被磁化而相互吸引，當(dāng)磁力大于基體的阻力時(shí)，羰基鐵粉會(huì)沿磁場線方向移動(dòng)并呈規(guī)則排布。對(duì)比圖8b～圖8d中的羰基鐵粉鏈，可以發(fā)現(xiàn)鏈狀結(jié)構(gòu)越來越長、越來越粗，甚至出現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)。由表1中數(shù)據(jù)知，上述圖片對(duì)應(yīng)的MREAT樣品的金剛石顆粒和羰基鐵粉的總量相同，但是其質(zhì)量比分別為1∶1、1∶4和1∶9，所以金剛石顆粒的含量越少，羰基鐵粉的含量越多，鏈狀結(jié)構(gòu)就越容易形成。由以上現(xiàn)象可以得出：在MREAT制備過程中，外加磁場會(huì)引起基體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的改變，主要是使羰基鐵粉聚集形成鏈狀結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)特征的形成效果與MREAT各組分含量、羰基鐵粉所受磁力、基體阻力的相對(duì)大小等多種因素有關(guān)。

為了獲知磁場強(qiáng)度對(duì)MREAT硬度的影響情況，采用邵氏橡膠硬度計(jì)LX-A測量MREAT在不同磁場下的硬度，圖9是磁流變彈性磨具的硬度結(jié)果圖，可以看出，樣品1的硬度值在0或300mT的外磁場下均為4個(gè)樣品中的最低值，這是因?yàn)闃悠?在制備過程中未加磁場，導(dǎo)致基體內(nèi)部羰基鐵粉與金剛石磨粒呈現(xiàn)隨機(jī)分布的各向同性，而樣品2～樣品4是在制備過程中施加了外磁場，基體內(nèi)部羰基鐵粉呈現(xiàn)鏈狀排布的各向異性，因此，三者的硬度均大于樣品1的硬度。在零磁場下樣品2～樣品4的硬度依次降低，以上現(xiàn)象主要由樣品中羰基鐵粉和金剛石含量的不同所導(dǎo)致，由于金剛石硬度遠(yuǎn)大于羰基鐵粉的硬度，故金剛石含量對(duì)樣品的硬度起主導(dǎo)作用，從而導(dǎo)致樣品2的硬度最高。

圖9 磁流變彈性體磨具硬度測試結(jié)果Fig.9 Hardness test results of MREATs

綜上所述，由樣品的微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，樣品3中羰基鐵粉顆粒呈鏈狀排布且鏈型較好，金剛石磨粒也比其他樣品分布更均勻；由樣品硬度實(shí)驗(yàn)可得，樣品3的硬度較大且磁場作用下硬度調(diào)節(jié)效果更好。考慮到本材料是用于磁控柔性研拋加工，故本文選用樣品3作為后續(xù)壓縮力學(xué)性能和拋光性能的研究對(duì)象。

3.3 壓縮力學(xué)性能分析

圖10所示為MREAT在零磁場單軸壓縮測試下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。可看出，MREAT的大應(yīng)變壓縮過程大致分以下3個(gè)階段：①線性階段。A段曲線部分，該部分的曲線斜率基本恒定，即材料的剛度保持恒定，材料處于線彈性變形狀態(tài)，表現(xiàn)出的力學(xué)特性與普通橡膠材料相似，另外，在A段起始部分材料應(yīng)力出現(xiàn)了非線性波動(dòng)，如放大圖所示，這是由于電子萬能試驗(yàn)機(jī)上壓縮裝置中的壓頭與MREAT表面接觸不充分造成的。②非線性階段。B段曲線部分，該部分的材料剛度開始緩慢增加，基本呈線性增長，在該階段，MREAT中的粉體顆粒從相互靠近、部分接觸到完全接觸。③高次非線性階段。C段曲線部分，該部分的材料剛度開始快速地呈非線性增長，此階段的MREAT被充分壓實(shí)，趨于硬化狀態(tài)。由以上描述可知，在MREAT的整個(gè)壓縮過程中，除去壓縮起始波動(dòng)部分的線性階段最具有工程應(yīng)用價(jià)值。

圖10 大應(yīng)變壓縮下試樣的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Force-displacement curve of the specimen under large strain compression

圖11展示的是在壓縮過程的線性階段，MREAT在不同強(qiáng)度的外加磁場下表現(xiàn)出的力學(xué)特性。由試樣的受力-位移曲線斜率變化趨勢可得，隨著磁場強(qiáng)度的增大，曲線斜率變大，即MREAT的壓縮彈性模量逐漸增大，這證實(shí)了其具有與磁流變彈性體相似的磁致變剛度特性。按照磁偶極子理論來解釋[18-19]，是因?yàn)镸REAT中含有羰基鐵粉，羰基鐵顆粒磁化后會(huì)成為磁偶極子，具有磁偶極矩，相鄰的磁偶極子間會(huì)產(chǎn)生相互作用力，該作用力沿壓縮方向上的分量會(huì)使壓縮力增大，進(jìn)而使壓縮彈性模量增大，而且磁性顆粒間的相互作用效果與磁場強(qiáng)度成正比，所以外加磁場強(qiáng)度越大，MREAT的壓縮彈性模量就越大。因此，可以通過改變外加磁場強(qiáng)度來控制MREAT的剛度變化情況。

圖11 不同磁場強(qiáng)度下試樣的壓縮力-位移曲線Fig.11 Force-displacement curves of samples with different magnetic field intensities

3.4 材料去除機(jī)理分析

MREAT的材料微量去除行為原理如圖12所示。圖12a～圖12c所示為MREAT在零磁場下對(duì)材料微量去除的過程，由圖可知，MREAT基體內(nèi)部磨粒被呈鏈狀分布的羰基鐵粉包裹，當(dāng)突出磨粒的切割邊與工件表面的粗糙度峰接觸時(shí)，由于拋光體具有彈性，導(dǎo)致羰基鐵粉和磨粒會(huì)隨著基體變形，磨粒出現(xiàn)“彈性退讓”現(xiàn)象(即磨粒在峰的阻擋下移動(dòng)甚至越過阻礙物)，所以只有粗糙度峰頂端很小的一部分或者沒有材料被磨粒切掉，宏觀上表現(xiàn)為材料去除率低。而圖12d～圖12f中，在外加磁場的作用下，顆粒鏈中的羰基鐵粉會(huì)產(chǎn)生相互作用力，使拋光體不易發(fā)生變形，而且顆粒鏈將磨粒緊緊夾持，當(dāng)磨粒靠近粗糙峰時(shí)，鐵粉鏈會(huì)阻礙磨粒產(chǎn)生“彈性退讓”現(xiàn)象，導(dǎo)致粗糙度峰上產(chǎn)生較大的磨屑。因此，外加磁場會(huì)提高材料去除率。

(a)磨粒靠近粗糙峰 (b)磨粒切割粗糙峰(c)磨粒穿過粗糙峰后恢復(fù)形變

用半球形MREAT分別在零磁場和300 mT磁場下拋光兩塊已經(jīng)過500目氧化鋁砂輪磨削預(yù)處理的鈦合金塊，每間隔2 min用MarSurf PS 10粗糙度測量儀測量一次工件表面粗糙度，得到表面粗糙度隨時(shí)間變化曲線，如圖13所示。由圖可知，在同一時(shí)刻，外加磁場下拋光的工件表面粗糙度總是小于無磁場拋光的工件表面粗糙度。在300 mT磁場下拋光的鈦合金表面粗糙度能夠快速下降至較低值，然后變化趨于平緩。雖然在零磁場下拋光的工件表面粗糙度也能降至較低值，但是需要拋光更長的時(shí)間。因此，外加磁場可以提高M(jìn)REAT對(duì)工件的表面材料去除率。此外，為了進(jìn)一步描述磁場對(duì)MREAT拋光效果的影響，本文采用稱量法得到拋光過程中工件表面的材料去除量，圖14所示為材料去除量分別隨時(shí)間變化的曲線，可以看出，材料去除量隨著時(shí)間的延長而逐漸增大，且拋光一定時(shí)間后，即使再延長時(shí)間，材料去除量也基本趨于穩(wěn)定。

圖13 工件表面粗糙度隨加工時(shí)間變化曲線Fig.13 Variation curve of workpiece surface roughness with machining time

圖14 材料去除量隨加工時(shí)間變化曲線Fig.14 Variation curve of material removal with machining time

為了進(jìn)一步分析磁場對(duì)工件表面材料去除的影響情況，用超景深光學(xué)顯微鏡觀察拋光前后的鈦合金表面形貌并測出對(duì)應(yīng)的表面粗糙度輪廓曲線，結(jié)果見圖15。圖15a中，經(jīng)過500目氧化鋁砂輪磨削預(yù)處理的鈦合金表面留下長且深的磨痕，工件表面輪廓曲線的波峰、波谷數(shù)量相對(duì)較少，但波動(dòng)起伏大，波紋周期長，粗糙度Ra為0.365 μm；圖15b中，用MREAT在零磁場下拋光后，鈦合金表面的磨痕呈現(xiàn)較淺的細(xì)線狀，工件表面輪廓曲線的波峰、波谷參差不齊，但是整體幅度減小，波動(dòng)比較平穩(wěn)，Ra減小到0.077 μm，減幅達(dá)78.9%，說明MREAT作為一種新型磨具，可以有效減小工件的表面粗糙度；圖15c中，用MREAT在300mT磁場下拋光后，工件表面幾乎看不到磨痕，其表面輪廓曲線的波幅更小、波動(dòng)更平穩(wěn)，Ra減小到 0.037 μm，與零磁場拋光相比，表面粗糙度減小了51.9%，說明外加磁場可以改善MREAT對(duì)工件的拋光效果。主要原因在于MREAT的剛度可以被其周圍的磁場強(qiáng)度調(diào)控，磁場下的MREAT會(huì)瞬間變“硬”，這也與3.3節(jié)的磁致壓縮結(jié)果相對(duì)應(yīng)，使其與工件表面接觸更緊密、貼合面更大，進(jìn)而提高了MREAT的加工效率，使工件表面快速達(dá)到高精度要求。

(a)磨削處理

4 結(jié)論

(1)本文采用磁場輔助模壓成形方法成功制備出新型研拋介質(zhì)磁流變彈性體磨具，制備過程中的外加磁場會(huì)使磁流變彈性體磨具內(nèi)部的羰基鐵粉聚集形成鏈狀微結(jié)構(gòu)。

(2)磁流變彈性體磨具的壓縮彈性模量會(huì)在磁場下產(chǎn)生變化，即磁流變彈性體磨具具有磁致變剛度特性，這與磁場誘發(fā)的磁流變彈性拋光體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)。

(3)磁流變彈性體磨具在零磁場下可以有效降低工件的表面粗糙度，而且它對(duì)工件的加工效果會(huì)在外加磁場下得以提高，這一特性可以應(yīng)用到超精密加工中，實(shí)現(xiàn)磁控柔性研拋加工。