磁場輔助剪切增稠流體拋光硬質合金刀片的仿真與實驗研究

摘要：

為了提高硬質合金刀片磨削后的表面質量，提出了一種用于硬質合金刀片拋光的新方法——磁場輔助剪切增稠流體拋光。介紹了該拋光方法的基本原理，配制拋光液并進行流變特性的測試與分析，基于流變測試結果，獲得了拋光液的優化配制方案。通過ANSYS FLUENT模塊獲得不同放置方式下工件表面的流場狀態，分析在不同拋光速度與磁感應強度下工件表面的動壓力與剪切應力分布情況，確定了工件的放置方式和加工參數。建立拋光實驗平臺，通過拋光實驗探究了拋光速度、磁感應強度等工藝參數對表面粗糙度與材料去除率的影響規律。實驗結果表明：刀片表面粗糙度Ra隨著拋光速度的增大而降低，但磁感應強度對表面粗糙度影響不明顯；工件表面拋光液的剪切應力和速度的乘積與材料去除率成正相關性。通過優化拋光工藝參數（工件豎直放置、拋光速度100 r/min、磁感應強度30 mT），可以獲得刀片表面粗糙度Ra=15 nm的超精密加工表面，以及11.1 μm/h的高材料去除率。

關鍵詞：硬質合金刀片；磁場輔助剪切增稠拋光；流變特性；表面質量；材料去除率

中圖分類號：TG712

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.003

Simulation and Experimental Study of Magnetic Field-assisted Shear Thickening Fluid Polishing for Cemented Carbide Blades

LI Hongyu HUANG Xiangming MING Yang LI Xiyang ZENG Qing ZHOU Dongdong

College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha，410082

Abstract： In order to improve the surface quality of ground cemented carbide blades， a new method for polishing cemented carbide blades， magnetic field-assisted shear thickening fluid polishing， was proposed. The basic principles of the polishing method were introduced， the polishing liquid was prepared， and the rheological properties were tested and analyzed. Based on the rheological test results， the optimal preparation scheme of the polishing liquid was obtained. The flow field state of the workpiece surface under different placement methods was obtained by the ANSYS FLUENT module， and the distribution of dynamic pressure and shear stress on the workpiece surfaces was analyzed under different polishing speeds and magnetic induction strengths， and the placement mode and processing parameters of the workpiece were determined. A polishing experimental platform was established， and the effects of polishing speed， magnetic induction intensity and other processing parameters on the surface roughness and material removal rate were explored. The experimental results show that the surface roughness Ra decreases with the increasing polishing speed， but it is not significantly affected by the magnetic induction intensity. And the product of the shear stress and velocity of the polishing liquid on the workpiece surfaces has a positive correlation with the material removal rate. By optimizing the polishing processing parameters（The workpiece is placed vertically， the polishing speed is as 100 r/min， and the magnetic induction intensity is as 30 mT）， the ultra-precision machined surfaces with surface roughness Ra=15 nm and the high material removal rate（11.1 μm/h） may be obtained.

Key words： cemented carbide blade； magnetic field-assisted shear thickening polishing； rheological property； surface quality； material removal rate

收稿日期：2022-01-20

基金項目：

國家自然科學基金（51975203）;湖南省自然科學基金（2021JJ30113）;湖南省高新技術產業科技創新引領計劃（2020GK2097）

0 引言

硬質合金因高耐磨性、高硬度和高強度等特性而成為應用非常廣泛的刀具材料。硬質合金刀片通常采用金剛石砂輪磨削，磨削過程中會產生熱變形、磨削燒傷和表面或亞表面損傷［1］。這些缺陷嚴重影響刀具的性能和壽命，且刀具表面質量會直接影響涂層處理，因此，需對硬質合金刀片進行表面拋光。

硬質合金刀具的使用壽命與其研磨拋光的質量息息相關［2］。對于硬質合金刀片磨削表面損傷層的去除和光整，目前主要采用研磨、拋光等方法，如磁流變研磨拋光方法、剪切增稠拋光方法、化學機械研磨拋光方法等。研究人員對刀具的磁流變研拋工藝進行了深入研究，從研磨軌跡［3］、研磨表面質量［4］等方面，闡述了優化刀具壽命的規律。胡自化等［5］對硬質合金刀片采用化學機械拋光進行預處理，并使用了涂層工藝，硬質合金刀片的平均粗糙度可達19 nm，耐用度相比磨削處理的刀片提高了8.3%。HU等［6］使用化學機械拋光工藝加工前刀面，使得刀具壽命比傳統磨削增長了32.3%。秦長江等［7］利用化學機械拋光技術進行硬質合金刀具加工，在-50 ℃冷風條件下，采用該刀具切削TC4鈦合金工件，其表面粗糙度Ra與磨削刀片加工相比降低了54.4%。

剪切增稠拋光（shear thickening polishing，STP）是一種新型非接觸式的加工方法，利用具備剪切增稠流變特性的拋光液可以拋光出較高表面質量的工件，在超精密加工領域具有巨大的應用潛力［8］。LYU等［9］對硬質合金刀具進行剪切增稠拋光，加工15 min后，表面粗糙度Ra從121.8 nm降低至 7.1 nm。翁海舟等［10］采用STP對石英晶片加工1 h后，其表面粗糙度Ra由300.08 nm降低到4.26 nm。李敏［11］利用剪切增稠液對Cr12Mo1V1模具鋼與Si3N4陶瓷進行拋光，均得到高表面質量，但因拋光液峰值黏度較低，故拋光效率相對比較低。

筆者研究團隊提出了一種磁場輔助剪切增稠拋光方法，在剪切增稠液的基礎上加入適量羰基鐵粉，使它在弱磁場的激勵作用下能獲得比剪切增稠拋光液更高的峰值黏度，這增強了對拋光液中磨料的把持作用，可提高材料去除率［12-13］。本文針對硬質合金刀片開展磁場輔助剪切增稠拋光實驗研究。分析了磁場輔助剪切增稠拋光方法的原理，配制拋光液并進行流變特性分析；通過流體和磁場仿真確定了拋光工藝參數；通過拋光實驗研究了拋光工藝參數對刀片表面質量和材料去除率的影響規律，獲得了較優的刀片拋光工藝。

1 拋光機理

圖1是利用磁場輔助剪切增稠拋光方法加工硬質合金刀片的基本原理圖。在拋光過程中，硬質合金刀片與拋光液發生相對運動，由此產生了剪切增稠現象。與此同時，分散在液體中的多羥基聚合物顆粒和在磁場作用下的羰基鐵粉顆粒組成的“磁鏈”一起包裹住金剛石磨粒，形成顆粒團，增強了顆粒團對金剛石磨料的把持力。因此，拋光液在接觸區域形成的柔性“固定磨具”會在工件表面產生微切削，實現刀片表面材料的去除。

2 拋光液的流變特性

2.1 制備

磁場輔助剪切增稠拋光液（magnetic field-assisted shear thickening polishing fluid，MASTPF）由多羥基聚合物、去離子水、金剛石顆粒和羰基鐵粉組成。去離子水作為分散劑，多羥基聚合物、金剛石顆粒、羰基鐵粉作為分散相顆粒。此外，使用聚丙烯酸鈉作為添加劑，改善拋光液的沉降性。

拋光液制備過程如下：①在常溫條件下，將平均粒徑為10 μm的多羥基聚合物顆粒（質量分數51%）添加到去離子水（質量分數49%）中，使用超聲波分散機作用30 min，獲得剪切增稠基液；②將羰基鐵（平均粒徑為3 μm）、金剛石磨粒（平均粒徑為3 μm）和添加劑添加到基液中，機械攪拌20 min后，超聲波分散20 min；③在真空箱中靜置1 h，以消除拋光液中氣泡。通過上述制備方法獲得磁性剪切增稠拋光液，拋光液的具體配方如表1所示。取配制好的拋光液2～3 mL滴于載玻片上，將載玻片放在60 ℃真空干燥箱中干燥30 min后取出，在場發射掃描電鏡下觀察，結果見圖2。

2.2 流變特性

采用平行板流變儀（MCR301）對配制溶液進行流變測試。測試設備的幾何尺寸設置為：直徑20 mm、間隙1 mm。平行板流變儀的下方添加磁感應裝置（MRD180），流變儀施加0，0.2，0.35，0.5 A電流強度，對應磁感應強度B分別為0，30，60，90 mT。流變測試的溫度均設置為25 ℃，剪切速率范圍設置為1～1000 s-1。通過測試可得到不同磁場強度條件下樣品拋光流體黏度與剪切速率值，實驗重復3次，取平均值作為實驗結果。

圖3為不同羰基鐵粉質量分數的MASTPF在不同磁場下的流變特性曲線。曲線可以分為三個階段：第一階段在低剪切速率區間，隨著剪切速率的增大，流體從一個較大的初始黏度開始減小；第二階段為剪切增稠階段，此時流體的黏度隨著剪切速率的增大而增大；第三階段為剪切變稀階段，此時流體的黏度隨著剪切速率的增大而減小。

由圖3a可以看出，當羰基鐵粉質量分數較低時，MASTPF具有良好的剪切增稠特性，且在磁場30 mT的狀態下增稠效果最好，峰值黏度能達到80 Pa·s左右，相比無磁場狀態下的MASTPF其黏度有了很大的提高。由圖3可以看出，隨著羰基鐵粉質量分數的增大，拋光液樣品的增稠效果降低；隨著磁場強度的增大，拋光液增稠效果變差。這說明高羰基鐵粉含量和高磁感應強度的共同作用會在一定程度上抑制剪切增稠作用，因此在后續的實驗中，選用編號為MASTPF-1的拋光液。

3 流體仿真分析

在拋光過程中，工件放置方式、拋光速度以及磁感應強度等都會對加工質量和加工效率產生影響。本文采用有限元仿真的方法研究工件放置方式、拋光速度和磁感應強度對工件表面的速度場和壓力場數值分布的影響規律。

3.1 仿真設定條件

首先使用SolidWorks軟件建立硬質合金刀片加工過程的簡化幾何模型，再將兩種工件放置形式的模型導入ANSYS FLUENT模塊中分別進行CFD計算，設置邊界條件如圖4a和圖4b所示。其中，拋光槽的旋轉半徑為200 mm，刀片中心距離側壁面20 mm、距離下壁面15 mm，并有水平和豎直兩種放置方式，如圖4c所示。入口速度設置為1.13 m/s、1.50 m/s和1.88 m/s，分別對應拋光盤的轉速60 r/min、80 r/min和100 r/min。

使用六面體網格進行劃分，并加密硬質合金刀片圓弧刃處的網格，將其網格大小設置為0.001 mm，其余為0.002 mm，設置流體區域的網格大小為1 mm。一共得到195 762個節點、237 460個網格。

使用FLUENT軟件的UDF（user defined function）功能將MASTPF本構方程進行編譯，得到自定義黏度的拋光液。為了表征MASTPF的本構方程，需要對流變特性測試所獲得的黏度-剪切速率曲線進行擬合。常用的非牛頓流體的本構模型有冪律模型、Cross模型、Carreau模型等，但它們對此次測得的流變特性數據擬合度不高，所以選用在各領域廣泛應用的高斯函數進行擬合，不同磁感應強度作用下MASTPF的本構方程為

y=y0+Awπ4ln2e-4（x-xc）2w2ln2（1）

式中，y0為基線；A為仿真曲線全域波峰面積；xc為波峰加權平均中心；w為半峰全寬。

使用高斯函數多峰擬合可以使R2提高到95%以上。

3.2 工件放置方式的影響

在工件豎直放置和磁感應強度為30mT條件下，工件表面區域拋光液的速度矢量仿真云圖見圖5。從圖5中可以看出，拋光速度由60 r/min增加到100 r/min，刀片附近的流體最大速度由1.52 m/s增加到1.84m/s，說明隨著拋光速度的增加，靠近刀片的流體速度也明顯增加。刀片底部的拋光液靠近拋光液槽底部，由于黏度的影響會產生沿程阻力損失，因此其流體速度會減小。

工件水平放置時的速度矢量仿真圖見圖6，當拋光速度較小時，流體會較為均勻地流過工件表面，但隨著拋光速度的增加，工件表面會形成一部分真空區，當拋光速度達到100 r/min時，流體分布在工件表面的密度最小。這是由于隨著速度的增加，剪切速率已超過增稠區間進入了剪切變稀階段，拋光液的黏度會逐漸減小，刀片圓弧刃處的分流效果就會增大，導致液體被圓弧刃分開后不再沖刷工件表面，其加工的區域會逐漸減小。

綜上所述，工件放置方式對拋光液在工件表面的分布有很重要的影響，工件水平放置時拋光液在工件表面的分布不均勻，而豎直放置時其均勻性較好，因此采用豎直放置可保證較好的拋光效果。

3.3 拋光速度對壓力分布的影響

3.3.1 工件表面動壓力分布

為了探究刀片表面的材料去除一致性，將工件表面劃分為A、B、C、D 4個區域，取表面中線上的18個點進行數據采集，如圖7所示。

當工件豎直放置時，工件表面的動壓力p1數值分布如圖8所示。隨著拋光速度n的增加（從60 r/min增加到100 r/min），工件表面動壓力也逐漸增大，最大動壓力由28 Pa增加到100 Pa左右，這說明工件表面的動壓力與拋光速度成正相關。當拋光速度n=60 r/min時，此時流體處于低剪切速率區間，拋光液流過工件表面的速度低，進而導致動壓力不大。隨著流速逐漸增大，流體可以以更大的相對速度流經工件表面區域，進而增大流體動壓力。

3.3.2 工件表面剪切應力分布

工件表面的剪切應力分布如圖9所示。由牛頓內摩擦定律可得

τ=μdudy（2）

式中，τ為剪切應力；μ為動力黏度；du/dy為速度梯度即剪切速率。

隨著拋光速度的增大，速度梯度不斷增大，且當拋光液剪切速率上升時，黏度也會有所上升，進而導致剪切應力增大。

3.4 磁感應強度對壓力分布的影響

3.4.1 工件表面動壓力分布

圖10是工件表面的動壓力分布云圖，可以看出，隨著磁感應強度的增加（從30 mT增加到90 mT），工件表面動壓力會減小，最大動壓力由100 Pa減小至30 Pa，這說明工件表面的動壓力與磁感應強度成負相關。由圖10可知，當磁感應強度為60 mT和90 mT時，其流變曲線差距不大，因此兩種情況下其動壓力相差不大。

3.4.2 工件表面剪切應力分布

工件表面的剪切應力分布如圖11所示，可以看出，隨著磁感應強度的增加，工件表面剪切應力驟降，最大剪切應力由2800 Pa減小到1700 Pa。這是由于隨著磁感應強度的增大，拋光液中鐵粉的顆粒鏈變長，鐵粉顆粒之間的作用力大于多羥基聚合物分子間的作用力，會將較大的粒子簇劃分為許多小粒子簇，進而導致拋光液的黏度減小，增稠團簇把持磨粒的能力變弱，從而導致工件表面的剪切應力下降［12］。

3.5 壓力與速度乘積的變化規律

通常情況下，工件的材料去除率rMR滿足Preston方程：

rMR=kpv（3）

式中，k為Preston常數；p為施加在加工區域的壓力；v為磨料與工件的相對運動速度。

GUO等［14］研究了壓力和剪切應力對磁性復合流體拋光光學玻璃材料去除率的影響，并提出了一種新模型：

rMR，d=Cpmcfpαdτβdvd（4）

式中，Cpmcf為與加工條件有關的系數；pd、τd分別為壓力和剪切應力；α、β分別為pd和τd的影響系數；vd為拋光液與工件之間的相對速度。

根據實際情況計算，剪切應力對工件材料去除率的影響遠大于壓力的影響，在上述的仿真中，動壓力與剪切應力的數值有著數量級的差異，因此可以忽略動壓力對材料去除率的影響。SHAO等［15］在使用剪切增稠流體進行拋光時，通過工件各點處速度和壓力乘積的均勻性，分析了不同拋光角度下工件凹面上材料去除的均勻性。將仿真得到的工件表面的剪切應力與速度相乘，結果如圖12所示。隨著拋光速度的增加，乘積值增大，而隨著磁感應強度的增加，乘積值有所減小。

3.6 無磁場與弱磁場仿真結果對比

圖13所示為MASTP與傳統STP（即磁感應強度為0時）的仿真結果對比，可以看出，MASTP相較于STP，剪切應力以及剪切應力與速度的乘積都有大幅度提高，可以推斷出MASTP能更快地進行材料去除，拋光效率得到了明顯提高。

4 拋光實驗

加工實驗在圖14所示的自制拋光裝置上進行。拋光槽的直徑為400 mm，最大轉速為300 r/min。工件為菱形的硬質合金YG6刀片，其邊長為11 mm，厚度為4 mm。工件距離底部15 mm、距離側壁20 mm，與仿真設置一樣。

硬質合金刀片的粗糙度由光學輪廓儀器測量，工件加工面的每個區域測量3次取平均值，表面形貌由超景深顯微鏡觀察。硬質合金刀片的原始粗糙度平均為（150±10）nm。加工過程中使用的拋光液為10%（質量分數）金剛石顆粒、4%羰基鐵粉的液體，通過改變磁鐵與拋光槽的間距來改變刀片附件磁感應強度的大小，具體加工工藝參數見表2。

5 結果和討論

5.1 工件表面粗糙度的分析

5.1.1 拋光速度對工件表面粗糙度的影響

圖15所示為磁感應強度為30 mT時，不同拋光速度下工件拋光15 min后表面各個區域的表面粗糙度Ra值以及表面粗糙度變化率ΔRa，其計算公式如下：

ΔRa=Ra1-Ra2Ra1（5）

式中，Ra1為初始表面粗糙度；Ra2為加工后的表面粗糙度。

實驗結果表明，隨著拋光速度的增加，拋光后工件表面粗糙度Ra值明顯下降。從圖15中不難看出，當工件豎直放置時，其表面粗糙度分布較為均勻，靠近圓弧刃處（區域D）的流體由于速度最快導致增稠效應最好，因此流體在此會受到阻礙進而形成大的團簇，又因區域D與拋光液的接觸面積較小，因此去除的材料不多，表面質量與其他幾個區域相比略差一些。其他區域由于流體接觸面積較大，形成的包含磨料的團簇能使材料去除較多，因此拋光效果略好。當拋光速度為60 r/min時，由于速度過低，拋光液對工件表面的剪切應力減小，因此也無法對工件表面進行很好的去除，其ΔRa值較小。當轉速為100 r/min時，

圓弧刃處可獲得33 nm的表面粗糙度，其余工件表面可獲得16 nm左右的表面粗糙度。隨著拋光速度的增加，工件表面質量趨于平緩，ΔRa趨近于90%。

5.1.2 磁感應強度對工件表面粗糙度的影響

刀片表面粗糙度隨磁感應強度的變化趨勢如圖16所示，可以看出，隨著磁感應強度的增加，拋光后工件表面粗糙度有一定的減小趨勢，其中圓弧刃處的表面粗糙度減小速度較大，而其余加工區域的表面粗糙度減小速度較小，最后趨于穩定。除區域D外，表面粗糙度分布均勻。在100 r/min的轉速下，磁感應強度90 mT時圓弧刃處可獲得39 nm的表面粗糙度，其余工件表面可獲得15 nm左右的表面粗糙度。隨著磁感應強度的增加，ΔRa在A、B和C區域變化不大，在D區域有所提高，這說明在100 r/min的轉速下，磁感應強度的變化對圓弧刃處表面粗糙度Ra的影響較大。

5.2 工件材料去除率的分析

5.2.1 拋光速度對材料去除率的影響

材料去除率（material removal rate，MRR）計算方法如下：

rMR=ΔmSρt（6）

式中，Δm為加工前后工件質量之差；S為加工區域面積；ρ為工件密度（14.8 g/cm3）；t為加工時間。

圖17所示為拋光速度對工件材料去除率的影響，可以看到，材料去除率隨著拋光速度的增加而顯著提高，從60 r/min時的1.9 μm/h增加到100 r/min時的11.1 μm/h。這是因為拋光速度的增加會使拋光液的黏度增加，協同增稠團簇把持磨料的能力增強，也增大了工件表面的剪切應力，由式（4）可知，同時提高了其材料去除率。當拋光速度由60 r/min增加至80 r/min，材料去除率相對提高很快，拋光速度繼續增加，可能是由于拋光液已經越過了剪切增稠的峰值區間，其黏度有所減小，從而導致80 r/min至100 r/min的材料去除率增速減小。

5.2.2 磁感應強度對材料去除率的影響

圖18所示為不同磁感應強度下材料去除率的變化，可以看出，當磁感應強度為30 mT時，其材料去除率最大，為11.1 μm/h，隨著磁感應強度的增加，材料去除率降低。這是由于磁場的增加抑制了增稠效果，導致拋光液黏度減小，進而剪切應力減小，拋光液中各顆粒間的作用力減少，導致了團簇把持磨料的能力降低，使得材料去除率下降。

5.3 工件不同放置對表面形貌的影響

圖19所示為在磁感應強度30 mT和拋光速度80 r/min的條件下兩種不同放置方式加工后的工件表面，可以明顯看出，與工件水平放置相比，當工件豎直放置時，其加工區域更為均勻，拋光區域面積更大。

圖20為加工前后工件表面的超景深圖像，可以看到，工件表面的磨痕在加工之后幾乎消失，也沒有凹坑、溝壑等缺陷產生。因此實驗研究結果表明，MASTP工藝可以降低工件圓弧刃處的表面缺陷，提高表面質量，并起到鈍化刃口的作用。

6 結論

（1）將多羥基聚合物（質量分數51%）與去離子水（質量分數49%）配制為拋光基液，采用基液（質量分數85%）、金剛石磨料（質量分數10%）、羰基鐵粉（質量分數4%）和添加劑（質量分數1%）的配比，在弱磁場（30 mT）作用下能得到最好的剪切增稠效果。

（2）磁場輔助剪切增稠拋光刀片過程中，相比工件水平放置方式，在工件豎直放置方式的條件下拋光能使材料去除作用更好，流體能均勻地沖刷工件表面，保證材料去除均勻。

（3）工件表面粗糙度Ra隨著拋光速度的增加而減小，但隨著磁感應強度增大，其變化幅度不大。區域D處由于接觸面積過小的原因，與其他區域相比，表面粗糙度略大。在100 r/min的拋光速度下，磁感應強度90 mT時，圓弧刃處可獲得39 nm的表面粗糙度，其余工件表面可獲得15 nm左右的表面粗糙度，ΔRa可達到90%。

（4）材料去除率與剪切應力和流體速度的乘積具有一定的正相關性，乘積越大，材料去除率也越高。

（5）實驗及研究結果表明，磁場輔助剪切增稠拋光可以將硬質合金刀片加工至納米級別的表面粗糙度，磁場輔助剪切增稠拋光方法相較于傳統的剪切增稠拋光方法有更高的材料去除率和拋光效率。

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（編輯 袁興玲）

作者簡介：

李鴻宇，男，1998年生，碩士研究生。研究方向為超精密加工。E-mail：Hongyu0220@outlook.com。

黃向明（通信作者），男，1971年生，教授、博士研究生導師。研究方向為精密加工技術與裝備研究、工程機械結構設計與CAE分析、智能生產系統設計與優化等。E-mail：h_xiangming@aliyun.com。