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Nov 06, 2023

Studie über Mechanismen zur Verbesserung der Effizienz von Dauerbetrieben

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 7705 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Mit der magnetorheologischen Poliermethode mit kleinen Kugelköpfen und Permanentmagneten können kleine Teile mit komplexer Struktur poliert werden. Allerdings ist die Materialentfernungsrate dieser Methode gering, was es schwierig macht, die Leistung zu verbessern und die Kosten zu senken. In dieser Forschung wird der Einfluss der Temperatur der magnetorheologischen Flüssigkeit auf die Materialabtragsrate theoretisch analysiert, indem der Einfluss der Temperatur auf die Strömungseigenschaften der magnetorheologischen Flüssigkeit gemessen, das hydrodynamische Modell der Polierzone erstellt und die Materialabtragsparameter gelöst werden. Es wurde festgestellt, dass mit der Erhöhung der Temperatur der magnetorheologischen Flüssigkeit die relative Poliergeschwindigkeit entsprechend zunimmt, was die Verbesserung der Materialentfernungsrate fördern kann. Die Scherspannung nimmt jedoch entsprechend ab, was einer Verbesserung der Materialabtragsrate entgegensteht. Die Ergebnisse des Verifizierungsexperiments zeigen, dass die fördernde Wirkung die hemmende Wirkung übersteigen kann, sodass die Materialentfernungsrate mit der Erhöhung der Temperatur der magnetorheologischen Flüssigkeit zunimmt. Wenn die Temperatur der magnetorheologischen Flüssigkeit auf 60 °C steigt, verbessert sich die Materialabtragsrate um 108,4 % und die Rauheit der polierten Oberfläche Sa kann 14,9 nm erreichen. Daher kann eine Erhöhung der magnetorheologischen Flüssigkeitstemperatur die Effizienz des magnetorheologischen Polierens kleiner Kugelenden mit Permanentmagneten erheblich verbessern und eine qualitativ hochwertige polierte Oberfläche erzielen.

Kleine Teile mit komplexer Struktur spielen in allen Arten von Präzisionsgeräten eine wichtige Rolle. Diese Teile bestehen meist aus harten und spröden Materialien, die sich nur schwer bearbeiten lassen. Die Qualität der polierten Oberfläche und die Profilgenauigkeit dieser Teile sind hoch. Die magnetorheologische (MR) Poliermethode bietet die Vorteile einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit, keinem Werkzeugverschleiß und keiner Beschädigung der Oberfläche, und die Rauheit der polierten Oberfläche kann Nanoskalen1,2 oder sogar Angström-Dimensionen3 erreichen. Somit eignet es sich zum Polieren dieser Teile. Allerdings ist die Größe des Polierrads der üblicherweise verwendeten MR-Poliergeräte vom Radtyp zu groß, sodass die komplexe Strukturoberfläche des kleinen Teils nicht poliert werden kann. Daher muss das kleine MR-Polierwerkzeug entworfen und verwendet werden. Chen et al.4 entwickelten einen Permanentmagnet-Polierkopf mit kleinen Kugelköpfen (Durchmesser 4 mm) und polierten erfolgreich ein Ψ-förmiges, komplexes Bauteil mit kleiner Bohrung. Der minimale Übergangskrümmungsradius der gekrümmten Oberflächen des Bauteils betrug weniger als 3 mm. Die Oberflächengenauigkeit PV der polierten Oberfläche erreichte 0,332 μm und die Oberflächenrauheit Ra erreichte 10,7 nm. Aufgrund der Größe des Polierkopfs ist das Volumen des permanentmagnetischen Materials des Polierkopfs jedoch klein, was zu einer relativ geringen magnetischen Induktionsintensität führt (nicht mehr als 0,44 T). Außerdem ist die lineare Geschwindigkeit des Polierkopfes bei hoher Rotationsgeschwindigkeit niedrig, was die Verbesserung der relativen Poliergeschwindigkeit begrenzt. Diese Faktoren führen zu einem geringen Materialabtrag beim Polieren. Der Verarbeitungsaufwand ist hoch und die Leistung gering. Daher ist es dringend erforderlich, die Effizienz des Permanentmagnet-MR-Polierens mit kleinen Kugeln zu verbessern.

Ultraschallschwingungen5,6,7, nichtresonante Schwingungen8 und chemische Wirkung9,10,11,12 werden in den MR-Polierprozess eingeführt, was die Materialabtragsrate und die Qualität der polierten Oberfläche erheblich verbessern kann. Allerdings gibt es nur wenige Studien zur Verbesserung der Materialabtragsrate durch Änderung der MR-Flüssigkeitstemperatur. MR-Flüssigkeit ist eine typische nicht-Newtonsche Flüssigkeit. Seine Fließeigenschaften hängen eng mit der Temperatur zusammen13,14. Hemmatian et al.15 untersuchten die Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften von MR-Flüssigkeiten. Es wurde festgestellt, dass der Einfluss der Temperatur auf die Viskosität und Scherspannung der MR-Flüssigkeit mit zunehmendem Magnetfeld abnahm. Wang et al.16 und Sherman et al.17 untersuchten die temperaturabhängigen Materialeigenschaften der Komponenten von MR-Flüssigkeiten. Es wurde festgestellt, dass die Viskosität der MR-Flüssigkeit von der Viskosität der Trägerflüssigkeit abhängt. Die Viskosität der Trägerflüssigkeit nahm mit zunehmender Temperatur ab und die Trägerflüssigkeit mit einer höheren Viskosität reagierte empfindlicher auf Temperaturschwankungen. Chen et al.18 analysierten den Einfluss der Temperatur auf die rheologischen Eigenschaften von MR-Flüssigkeiten. Es wurde festgestellt, dass innerhalb von 100 °C die Viskosität der MR-Flüssigkeit mit steigender Temperatur abnahm. Die Scherspannung der MR-Flüssigkeit wurde durch die Änderung der Viskosität beeinflusst und nahm mit steigender Temperatur ab. Wang et al.19 verwendeten ein Parallelscheiben-Scherspannungsprüfgerät, um die temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften von MR-Flüssigkeiten zu messen. Es wurde festgestellt, dass mit der Erhöhung der MR-Flüssigkeitstemperatur die Verringerung der viskosen Spannung viel deutlicher war als die der Fließspannung. Die viskose Spannungskomponente dominierte die Änderung der Gesamtspannung in einem bestimmten Temperaturbereich. Bahiuddin et al.20 verwendeten die Methode der Extreme Learning Machine (ELM), um ein neues konstitutives Modell von MR-Flüssigkeiten mit temperaturabhängigen Vorhersageparametern zu entwickeln. Es hat die Scher- und Fließspannungen von MR-Flüssigkeiten unter bestimmten Temperaturen, Schergeschwindigkeiten und Magnetfeldern genau vorhergesagt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Änderung der MR-Flüssigkeitstemperatur die Fließeigenschaften und mechanischen Eigenschaften beeinflussen und so die Effizienz der Polierentfernung beeinflussen kann.

Mit dem Ziel der Permanentmagnet-Poliermethode für kleine Kugelenden wird das Einflussgesetz der Temperatur auf die Fließeigenschaften von MR-Flüssigkeiten und die Materialentfernungsparameter untersucht und im Rahmen dieser Forschung ein Verifizierungsexperiment durchgeführt. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung der MR-Flüssigkeitstemperatur die Effizienz der Polierentfernung erheblich verbessern kann.

In dieser Untersuchung handelt es sich bei den festen Partikeln in wasserbasierten MR-Flüssigkeiten um Carbonyleisenpulver (CIP) und Ceroxid-Schleifpartikel. Wenn der Polierkopf stationär ist, wird die in die Polierzone fließende MR-Flüssigkeit durch das angelegte Magnetfeld des Polierkopfs beeinflusst. Die MR-Flüssigkeit wird auf der Oberfläche des Polierkopfes adsorbiert und bildet eine „Eisenkugel“ mit feststoffähnlichem Zustand, wie in Abb. 1a dargestellt. Während der Hochgeschwindigkeitsrotation des Polierkopfes dreht sich die Eisenkugel synchron mit dem Polierkopf, um eine Scherspannung zwischen der Eisenkugel und der Werkstückoberfläche zu erzeugen. Wenn die Scherspannung größer ist als die Fließspannung der MR-Flüssigkeit, wechselt die MR-Flüssigkeit in Kontakt mit der Werkstückoberfläche vom festen Zustand in den fließenden Zustand und bildet einen fließenden „MR-Flüssigkeitsfilm“, wie in Abb. 1b dargestellt. Beim Poliervorgang wird der Polierzone kontinuierlich frische MR-Flüssigkeit zugeführt, wodurch ein kontinuierlicher Fluss eines MR-Flüssigkeitsfilms zwischen der Eisenkugel und der Werkstückoberfläche entstehen kann. Unter der Wirkung des Magnetfelds verteilen sich die CIPs im MR-Flüssigkeitsfilm nahe der Oberfläche des Polierkopfs, um den Raum der nichtferromagnetischen Schleifpartikel einzunehmen und die Schleifpartikel weit weg vom Polierkopf zur Werkstückoberfläche zu drücken . Dadurch unterliegen die Schleifpartikel nicht nur der Normalkraft senkrecht zur Werkstückoberfläche, sondern es wird auch die Konzentration der Schleifpartikel auf der Werkstückoberfläche erheblich verbessert. Durch den Fluss des MR-Flüssigkeitsfilms und die Einwirkung der Normalkraft scheren diese Schleifpartikel die Werkstückoberfläche kontinuierlich mit einer bestimmten Geschwindigkeit ab, um so einen Materialabtrag zu realisieren. Während des Experiments wurden die Eisenkugel und der MR-Flüssigkeitsfilm auf der Werkstückoberfläche beobachtet. Die Beobachtungsrichtung ist in Abb. 1c,d dargestellt, die Eisenkugel auf der Werkstückoberfläche ist in Abb. 1e dargestellt und der fließende MR-Fluidfilm ist in Abb. 1f dargestellt.

Schematische Darstellung des Materialentfernungsmechanismus. (a) Polierzone bei stillstehendem Polierkopf; (b) Polierzone, wenn der Polierkopf rotiert; (c) Blickrichtung; (d) Rückseite der Werkstückoberfläche; (e) Eisenkugel mit feststoffähnlichem Zustand; (f) MR-Flüssigkeitsfilm.

In einem bestimmten Temperaturbereich kann eine Erhöhung der MR-Flüssigkeitstemperatur die anfängliche Viskosität der MR-Flüssigkeit verringern, was den Strömungswiderstand des MR-Flüssigkeitsfilms verringern kann. Es wird spekuliert, dass dies die Strömungsgeschwindigkeit des MR-Fluidfilms erhöhen kann, was die relative Geschwindigkeit erhöhen kann, wenn abrasive Partikel die Werkstückoberfläche abscheren. Darüber hinaus erhöht sich auch die Anzahl der Schleifpartikel, die pro Zeiteinheit durch die Werkstückoberfläche fließen, was die Scherfrequenz zwischen Schleifpartikeln und der Werkstückoberfläche verbessern kann, um so die Effizienz des Polierabtrags zu verbessern.

MR-Flüssigkeit ist eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit und die Fließeigenschaften der MR-Flüssigkeit hängen hauptsächlich von der Anfangsviskosität und der Fließspannung ab. Wenn ein MR-Fluid einem angelegten Magnetfeld ausgesetzt wird, beeinflusst die Magnetisierungsintensität auch die Strömungseigenschaften. Daher ist es notwendig, den Einfluss der Temperatur auf die Anfangsviskosität, die Fließspannung und die Magnetisierungsintensität von MR-Flüssigkeiten zu untersuchen. Beim Poliervorgang überträgt die erhitzte MR-Flüssigkeit zunächst Wärme auf die Eisenkugel und anschließend überträgt die Eisenkugel Wärme auf den Polierkopf. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Polierkopfes. Das permanentmagnetische Material des Polierkopfes ist gesintertes NdFeB. Wenn die Temperatur um 1 °C steigt, verringert sich die magnetische Induktionsintensität von NdFeB um etwa 0,11–0,12 %21. Wenn die Temperatur 80 °C überschreitet, nimmt das Magnetfeld von NdFeB irreversibel ab oder verschwindet sogar. Basierend auf der Laborraumtemperatur und den oben genannten Faktoren wird als Temperaturbereich der MR-Flüssigkeit 20–60 °C ausgewählt. Bei einem Temperaturanstieg von 20 auf 60 °C sinkt die maximale magnetische Induktionsintensität des Polierkopfes von 0,439 auf 0,418 T. Daher muss auch der Einfluss der veränderten magnetischen Induktionsintensität des Polierkopfes auf die Strömung berücksichtigt werden Eigenschaften der MR-Flüssigkeit.

In Abwesenheit eines Magnetfelds kann die Beziehung zwischen der anfänglichen Viskosität und der Temperatur durch Gleichung ausgedrückt werden. (1)22. Die Viskositätsschwankungskurve im Bereich von 20–60 °C ist in Abb. 2 dargestellt.

Dabei ist η0 die Anfangsviskosität der MR-Flüssigkeit (Pa·s), t die Temperatur der MR-Flüssigkeit (°C) und ϕ der Volumenprozentsatz der Feststoffpartikel in der MR-Flüssigkeit.

Viskositäts-Temperatur-Schwankungskurve einer MR-Flüssigkeit.

Wenn die Temperatur der MR-Flüssigkeit von 20 auf 30 °C, 40 °C, 50 °C bzw. 60 °C steigt, sinkt die Anfangsviskosität der MR-Flüssigkeit um 40,4 %, 64,5 %, 78,9 % bzw. 87,4 %. Die Ergebnisse zeigen, dass die anfängliche Viskosität der MR-Flüssigkeit sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen reagiert. Mit steigender Temperatur nimmt die Anfangsviskosität der MR-Flüssigkeit deutlich ab. Der Strömungswiderstand des MR-Flüssigkeitsfilms nimmt ab, was zu einer Erhöhung der Polierrelativgeschwindigkeit zwischen Schleifpartikeln und Werkstückoberfläche und damit zu einer Verbesserung der Materialabtragsrate führt.

Nachdem die nachgebende Strömung erzeugt wurde, kann der Strömungszustand der MR-Flüssigkeit durch das Bingham-Modell ausgedrückt werden, wie in Gleichung (1) gezeigt. (2).

Dabei ist τ die Scherspannung (Pa), τ0 die Fließspannung (Pa), η0 die Anfangsviskosität (Pa s), \(\dot{\gamma }\) die Schergeschwindigkeit (s−1).

Die Kurve der Schergeschwindigkeit gegenüber der Scherspannung der MR-Flüssigkeit wurde mit dem Rheometer MCR301 von Anton Paar gemessen, und die magnetische Induktionsintensität des angelegten Magnetfelds hing vom Eingangsstrom des magnetorheologischen Geräts des Rheometers ab. Die Kurve wurde wiederholt gemessen, indem die Temperatur und der Eingangsstrom geändert wurden. Eine typische Schergeschwindigkeits-Scherspannungs-Kurve ist in Abb. 3a dargestellt (MR-Fluidtemperatur 20 °C, Eingangsstrom 3 A). Mit zunehmender Schergeschwindigkeit geht die MR-Flüssigkeit vom Nicht-Fließzustand in den Fließzustand über. Das Bingham-Modell wird verwendet, um die Schergeschwindigkeits-Scherspannungsdaten nach der Fließgrenze linear anzupassen. Der Längsschnittpunkt der Anpassungslinie ist die Fließspannung der MR-Flüssigkeit, wie in Abb. 3a dargestellt. Die Streckgrenze bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichem Eingangsstrom ist in Abb. 3b dargestellt, und die Beziehung zwischen der magnetischen Induktionsintensität des angelegten Magnetfelds und dem Eingangsstrom ist in Abb. 3c dargestellt. Der Mittelwert der gemessenen Streckgrenze bei jedem Eingangsstrom ist in Abb. 3d dargestellt.

Schematische Darstellung der Messung und Berechnung der Fließspannung. (a) Die typische Kurve der Scherrate gegenüber der Scherspannung; (b) Der Variationstrend der Fließgrenze; (c) Die Beziehung zwischen Eingangsstrom und magnetischer Induktionsintensität; (d) Die Kurve des Fließspannungsanpassungsmodells.

Aus Abb. 3b ist ersichtlich, dass die Fließspannung mit der Temperatur weniger variiert. Bei gleichem Eingangsstrom beträgt der Schwankungsbereich der Streckgrenze mit der Temperatur 1,4–4,5 kPa. Bei gleicher Temperatur beträgt der Schwankungsbereich der Streckgrenze je nach Eingangsstrom jedoch 59,4–64,3 kPa. Dies deutet darauf hin, dass die Streckgrenze weniger durch Temperaturschwankungen beeinflusst wird und empfindlicher auf die Schwankung der magnetischen Induktionsintensität des angelegten Magnetfelds reagiert, was mit den Forschungsergebnissen in Referenz 15 und Referenz 19 übereinstimmt. Um die Berechnung zu vereinfachen, wird davon ausgegangen, dass sich die Streckgrenze nur auf die magnetische Induktionsintensität des Polierkopfs bezieht. Das mathematische Modell der Fließspannung wird durch Anpassen erhalten, wie in Gleichung (1) gezeigt. (3). Die Kurve des mathematischen Modells ist in Abb. 3d dargestellt.

Dabei ist τ0 die Fließspannung der MR-Flüssigkeit (kPa) und B0 die magnetische Induktionsintensität des Polierkopfs (mT).

Beim Polierprozess nimmt die Intensität der magnetischen Induktion des Polierkopfs mit zunehmender Temperatur der MR-Flüssigkeit ab, was zu einer Verringerung der Fließspannung führt. Nach Gl. (2) Bei gleicher Anfangsviskosität und Scherrate nimmt die Scherspannung mit abnehmender Streckgrenze ab, was der Verbesserung der Materialabtragsrate nicht förderlich ist.

Die Magnetisierungsintensität von CIP hängt von der Temperatur ab. Eine Erhöhung der Temperatur kann die Magnetisierungsintensität von CIP verändern und somit die Fließeigenschaften von MR-Fluid beeinflussen. Daher ist es notwendig, den Einfluss der Temperatur auf die CIP-Magnetisierungsintensität zu untersuchen. Die Magnetisierungsintensitätskurve von CIP im Bereich von 20–60 °C wird mit dem Physical Property Measurement System (PPMS) gemessen, wie in Abb. 4a dargestellt.

Die Magnetisierungseigenschaftenkurven von CIP. (a) Die Magnetisierungsintensitätskurven bei verschiedenen Temperaturen; (b) Die BH-Kurven bei verschiedenen Temperaturen.

Aus Abb. 4a ist ersichtlich, dass die Magnetisierungsintensität von CIP mit zunehmender Intensität des angelegten Magnetfelds zunimmt. Im Bereich der angelegten Magnetfeldstärke von 0–300 kA/m steigt die Magnetisierungsintensität von CIP stark an. Mit der weiteren Erhöhung der angelegten Magnetfeldstärke verlangsamt sich der steigende Trend der Magnetisierungsintensität allmählich, bis er den Maximalwert innerhalb des Testbereichs erreicht. Im Bereich von 20–60 °C stimmen die Magnetisierungsintensitätskurven stark überein. Bei gleicher angelegter Magnetfeldstärke nimmt die Magnetisierungsintensität mit steigender Temperatur ab, die Abnahme der Magnetisierungsintensität kann jedoch vernachlässigt werden. Wenn beispielsweise die angelegte Magnetfeldstärke 795 kA/m beträgt, verringert die Temperaturerhöhung von 20 auf 60 °C die Magnetisierungsintensität um 5,4 kA/m. Die Reduktionsamplitude beträgt nur 0,63 % der minimalen Magnetisierungsintensität. Dies legt nahe, dass die Magnetisierungsintensität von CIP in diesem Temperaturbereich eine gute Stabilität aufweist. Beim Polierprozess ist es unwahrscheinlich, dass die Fließeigenschaften durch eine Änderung der Magnetisierungsintensität beeinflusst werden.

Darüber hinaus besteht das gesamte Magnetfeld in der Polierzone aus einem vom Polierkopf angelegten Magnetfeld und einem durch CIP erzeugten induzierten Magnetfeld. Es ist aus Gl. ersichtlich. (4) dass die Änderung der CIP-Magnetisierungsintensität mit der Temperatur die gesamte magnetische Induktionsintensität in der Polierzone beeinflussen kann. Dies kann die Fließspannung der MR-Flüssigkeit verändern und somit die Materialabtragsrate beeinflussen.

Dabei ist B die gesamte magnetische Induktionsintensität (T), H die angelegte Magnetfeldstärke des Polierkopfs (A/m), M die Magnetisierungsintensität von CIP (A/m), μ0 die Permeabilität des Vakuums (N/ A2).

Daher ist es auch notwendig, den Einfluss der CIP-Magnetisierungsintensität auf die gesamte magnetische Induktionsintensität bei verschiedenen Temperaturen zu untersuchen. Die BH-Kurven von CIP bei verschiedenen Temperaturen werden durch Lösen der Gleichung erhalten. (4), wie in Abb. 4b gezeigt. Bei gleicher angelegter Magnetfeldstärke ist die Änderung der gesamten magnetischen Induktionsintensität mit der Temperatur vernachlässigbar. Man kann davon ausgehen, dass die angelegte Magnetfeldstärke die gesamte magnetische Induktionsstärke bestimmt. Dies zeigt, dass im Bereich von 20–60 °C die durch die Änderung der Magnetisierungsintensität verursachte Änderung der gesamten magnetischen Induktionsintensität gering ist, was wahrscheinlich keinen signifikanten Einfluss auf die Fließgrenze hat. Dies steht im Einklang mit dem in Abb. 3b gezeigten Phänomen, dass die Streckgrenze weniger mit der Temperatur variiert. Dieses Ergebnis legt nahe, dass die Änderung der CIP-Magnetisierungsintensität bei unterschiedlichen Temperaturen nicht der Hauptgrund für die Beeinflussung der Materialabtragsrate ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Erhöhung der MR-Flüssigkeitstemperatur die anfängliche Viskosität der MR-Flüssigkeit verringern kann. Die Fließfähigkeit des MR-Fluidfilms kann verbessert werden, was zur Verbesserung der Materialabtragsrate beiträgt. Die Änderung der CIP-Magnetisierungsintensität bei unterschiedlichen Temperaturen ist nicht der Hauptgrund für die Auswirkung auf die Materialabtragsrate. Die magnetische Feldstärke des Polierkopfes nimmt mit steigender Temperatur ab. Die gesamte magnetische Induktionsintensität in der Polierzone nimmt ebenfalls ab, was zu einer Verringerung der Fließspannung führt. Dadurch kann die Scherspannung der MR-Flüssigkeit verringert werden, was der Verbesserung der Materialabtragsrate nicht förderlich ist. Daher ist die Änderungsregel der Materialabtragsrate mit der Temperatur noch unklar, was einer weiteren quantitativen Analyse bedarf.

Dorier23 schlug ein modifiziertes Bingham-Modell vor, wie in Gl. (5). In diesem Modell wird die Nicht-Nachgiebigkeitsflüssigkeit als die langsam fließende Flüssigkeit mit extrem hoher Viskosität betrachtet, die dafür sorgt, dass die Grenze der Nachgiebigkeitszone und der Nicht-Nachgiebigkeitszone kontinuierlich und reibungslos verläuft. Daher kann das Modell direkt zur Berechnung der Strömungsparameter der MR-Flüssigkeit in der Polierzone verwendet werden, ohne den Fließzustand der MR-Flüssigkeit im Voraus zu beurteilen.

Dabei ist τ die Scherspannung (Pa), η0 die Anfangsviskosität (Pa·s), \(\dot{\gamma }_{0}\) die Anfangsschergeschwindigkeit (s−1), \(\dot{ \gamma }\) ist die Schergeschwindigkeit (s−1), τ0 ist die Fließspannung (Pa).

Gleichung (5) kann in die Definition der scheinbaren Viskosität der MR-Flüssigkeit umgewandelt werden, wie in Gleichung (5) gezeigt. (6).

Kombinieren Sie die Gleichungen. (1), (3) und (6), um Gleichung zu erhalten. (7).

Die MR-Flüssigkeit in der Polierzone wird in viele kleine dreidimensionale Netze unterteilt. Die Strömungsparameter jedes Knotens der Maschen werden mit der Finite-Differenzen-Methode ermittelt, um den Strömungszustand der gesamten Polierzone zu erhalten. Um die Berechnung zu vereinfachen, wird als Werkstückoberfläche eine glatte und ruhende Ebene betrachtet. Das hydrodynamische Analysemodell und das Koordinatensystem der MR-Flüssigkeit sind in Abb. 5 dargestellt. Die Y-Achse verläuft durch die sphärische Mitte der Halbkugel des Polierkopfs und steht senkrecht zur Werkstückoberfläche. Die Rotationsachse des Polierkopfes steht senkrecht zur X-Achse im Raum und schneidet die Z-Achse. Der eingeschlossene Winkel beträgt 40°. Der Mittelpunkt der Polierzone ist der Nullpunkt der X-, Y- und Z-Achsen auf der Werkstückoberfläche. Im Fließprozess ist die obere Wand der MR-Flüssigkeit die Polierkopfoberfläche und die untere Wand die Werkstückoberfläche. Die Strömungsgeschwindigkeiten der MR-Flüssigkeit entlang der X-, Y- und Z-Richtung betragen u, v bzw. w.

Schematische Darstellung des hydrodynamischen Analysemodells und des Koordinatensystems der MR-Flüssigkeit.

Für die MR-Flüssigkeit werden folgende Annahmen getroffen.

Die MR-Flüssigkeit ist eine inkompressible Flüssigkeit mit konstanter Dichte;

Die Strömung der MR-Flüssigkeit zwischen der oberen und unteren Wand ist eine laminare Strömung und erfüllt die Bedingung des Nichtrutschens, daher ist die Strömungsgeschwindigkeit der MR-Flüssigkeit an der Grenze gleich der Geschwindigkeit der festen Oberfläche;

Die Schwerkraft und Trägheitskraft der MR-Flüssigkeit werden ignoriert;

Die partiellen Ableitungen von Strömungsgeschwindigkeit und Spannung in X- und Z-Richtung werden ignoriert;

Der hydrodynamische Druck bleibt über die Filmdicke konstant.

Die Randbedingungen der MR-Flüssigkeit sind: y1 = 0, u1 = v1 = w1 = 0; y2 = d, u2 = U2, v2 = V2, w2 = W2. Die Randbedingungen werden in den Geschwindigkeitsausdruck, den Fluiddynamikdruckausdruck und den scheinbaren Viskositätsausdruck der MR-Flüssigkeit eingesetzt, um die Gleichungen zu erhalten. (8–10)24.

Die Strömungsparameter der MR-Flüssigkeit werden durch iteratives Lösen der Gleichungen berechnet. (7–10) durch Finite-Differenzen-Methode.

Die durchschnittliche Partikelgröße von CIP beträgt 7–8 μm und die durchschnittliche Partikelgröße von Schleifpartikeln beträgt 8–10 μm. Daher kann davon ausgegangen werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit des MR-Fluids und die Scherspannung bei 8 μm über der Werkstückoberfläche die relative Poliergeschwindigkeit und die Scherspannung sind, die den Materialabtrag während des Poliervorgangs bestimmen. Eine Reihe von Verarbeitungsparametern, die üblicherweise im Polierprozess verwendet werden, sind wie folgt: Der Polierspalt beträgt 0,1 mm und die Rotationsgeschwindigkeit des Polierkopfs beträgt 7000 U/min. Am Beispiel dieser Bearbeitungsparameter wurden die relative Poliergeschwindigkeit und die Scherspannung entlang der X- und Z-Achse während des Materialentfernungsprozesses durch Lösen der Gleichungen berechnet. (7–10), wie in den Abbildungen gezeigt. 6 bzw. 7.

Polieren der Kurven der relativen Geschwindigkeitsverteilung. (a) Entlang der X-Achse; (b) Entlang der Z-Achse.

Schubspannungsverteilungskurven. (a) Entlang der X-Achse; (b) Entlang der Z-Achse.

Es ist aus den Abbildungen ersichtlich. Aus den 6 und 7 geht hervor, dass mit steigender Temperatur des MR-Fluids die relative Poliergeschwindigkeit weiter zunimmt und die Scherspannung weiter abnimmt. Wenn die Temperatur der MR-Flüssigkeit von 20 auf 60 °C steigt, erhöht sich die maximale relative Poliergeschwindigkeit um 13,3 %, 35,9 %, 70,7 % bzw. 122,5 % und die maximale Scherspannung verringert sich um 19,7 %, 31,3 % und 38,2 %. bzw. 42,9 %. Dies liegt daran, dass die Temperaturerhöhung die Viskosität der Trägerflüssigkeit verringert. Der viskose Widerstand verringert sich, wenn die MR-Flüssigkeit fließt, wodurch die Fließfähigkeit der MR-Flüssigkeit besser wird. Die Polierrelativgeschwindigkeit zwischen Schleifpartikeln und Werkstückoberfläche wird verbessert, was zu einer Verbesserung der Materialabtragsrate beiträgt. Die Fließspannung des MR-Fluids nimmt mit der Abnahme der gesamten magnetischen Induktionsintensität in der Polierzone ab, was zu einer Abnahme der Scherspannung führt. Darüber hinaus ist die Schmierwirkung auf die Mikropartikel in der Trägerflüssigkeit umso größer, je niedriger die Viskosität der Trägerflüssigkeit ist. Dies kann die Wechselwirkungskraft zwischen Partikeln in der MR-Flüssigkeit verringern und somit die Scherspannung verringern.

Beim MR-Polieren spielt die Scherspannung eine wichtige Rolle beim Materialabtrag25,26. Die auf Scherspannung basierende Preston-Gleichung kann verwendet werden, um das Materialabtragsratenmodell des MR-Polierens zu erstellen, wie in Gleichung (1) gezeigt. (11).

Dabei ist MRR die Materialabtragsrate (m3/s), K der Korrekturkoeffizient (m2/kPa), τ die Scherspannung (kPa) und V die relative Poliergeschwindigkeit (m/s).

Unter Vernachlässigung des Korrekturkoeffizienten kann das Produkt aus Scherspannung und relativer Poliergeschwindigkeit die Verteilungszone der Materialabtragsrate auf der polierten Oberfläche widerspiegeln. Am Beispiel der MR-Flüssigkeitstemperatur bei 20–60 °C wurde das Produkt aus Scherspannung und relativer Poliergeschwindigkeit auf der polierten Oberfläche berechnet, wie in Abb. 8 dargestellt.

Produktverteilungszone der Relativgeschwindigkeit und Scherspannung.

Aus Abb. 8 ist ersichtlich, dass nach Erhöhung der MR-Fluidtemperatur die Position der maximalen Materialabtragsrate immer noch in der Mitte der Verteilungszone liegt. Je näher am Rand der Verteilerzone, desto geringer ist die Materialabtragsleistung. Dies trägt dazu bei, die Konvergenz der Oberflächenformgenauigkeit beim Materialentfernungsprozess aufrechtzuerhalten. Nach der Gl. (11) hat die Erhöhung der relativen Poliergeschwindigkeit eine fördernde Wirkung auf die Verbesserung der Materialabtragsrate, die Verringerung der Scherspannung hat jedoch eine hemmende Wirkung. Daher muss die Verbesserung der Materialabtragsrate durch Experimente überprüft werden.

Die Polierversuchsausrüstung und der MR-Flüssigkeitszirkulationsprozess sind in Abb. 9a dargestellt. Der zur Förderung der MR-Flüssigkeit verwendete Schlauch wird in Schlaufen gewickelt und in einen Wasserbadkessel gelegt. Zur Messung der MR-Flüssigkeitstemperatur am Ausfluss wird ein Sondenthermometer verwendet. Die Temperatur der MR-Flüssigkeit wird an die Zieltemperatur des Experiments angepasst, indem die eingestellte Temperatur des Wasserbadkessels angepasst wird. Um den Einfluss der MR-Flüssigkeitstemperatur auf die Position der maximalen Materialabtragsrate zu überprüfen, wurde das Festpunkt-Polierexperiment an einem ebenen Glaswerkstück durchgeführt, wie in Abb. 9b dargestellt. Die durch Polieren entstandenen tropfenförmigen Vertiefungen sind in Abb. 9c dargestellt. Um das Materialentfernungsvolumen der polierten Vertiefung bequem und genau zu messen, wurde das Festpunkt-Polierexperiment an einem K9-Glasstab mit einer Länge von 50 mm und einem Durchmesser von 6 mm durchgeführt, wie in Abb. 9d dargestellt. Die ringförmigen polierten Vertiefungen auf der Oberfläche des Glasstabs sind in Abb. 9e dargestellt.

Schematische Darstellung des Polierversuchs. (a) MR-Fluidzirkulationsprozess und experimentelle Ausrüstung; (b) Experiment zum Polieren von Planglas; (c) tropfenförmige polierte Vertiefungen; (d) Experiment zum Polieren von Glasstäben; (e) Ringförmige polierte Vertiefungen; (f) Polierte glatte Oberfläche.

Die Verarbeitungsparameter sind wie folgt: Die Temperatur der MR-Flüssigkeit beträgt 20–60 °C, die Rotationsgeschwindigkeit des Polierkopfs beträgt 7000 U/min, der Polierspalt beträgt 0,1 mm. Beim Polieren des Planglaswerkstücks beträgt die Polierzeit jeder Vertiefung 5 Minuten. Beim Polieren des Glasstabwerkstücks beträgt die Werkstückrotationsgeschwindigkeit 120 U/min und die Polierzeit jeder Vertiefung beträgt 20 Minuten. Beim Poliervorgang wird das Wasser der MR-Flüssigkeit alle 10 Minuten nachgefüllt, um das Mischungsverhältnis der MR-Flüssigkeit stabil zu halten. Zur Messung der dreidimensionalen Form und der Schnittkontur der polierten Vertiefung wurde ein Zygo NewView 8200 Weißlichtinterferometer verwendet. Die Form tropfenförmiger polierter Vertiefungen bei unterschiedlichen Temperaturen der MR-Flüssigkeit ist in Abb. 10 dargestellt.

Die Form tropfenförmiger, polierter Vertiefungen. (a) 20 °C; (b) 30 °C; (c) 40 °C; (d) 50 °C; (e) 60 °C.

Wenn die Temperatur der MR-Flüssigkeit von 20 auf 60 °C steigt, erhöht sich die maximale Abtragstiefe tropfenförmiger polierter Grübchen von 13 auf 54 μm. Bei unterschiedlichen MR-Fluidtemperaturen ähnelt die Form der polierten Grübchen der Verteilungszonenform der Materialabtragsrate in Abb. 8. Die Position der maximalen Materialabtragsrate liegt in der Mitte der polierten Grübchen, was mit der übereinstimmt Die theoretische Berechnung ergibt „Verteilungszone der Materialabtragsleistung“. Dies beweist, dass nach einem Anstieg der MR-Fluidtemperatur die Konvergenz der Oberflächenformgenauigkeit beim Materialentfernungsprozess gut aufrechterhalten werden kann. Die Schnittkontur der ringförmigen polierten Vertiefung und die Materialabtragsrate jeder ringförmigen polierten Vertiefung sind in Abb. 11 dargestellt.

Die Ergebnisse des Verifizierungsexperiments. (a) Die Schnittkontur der polierten Grube; (b) Die Änderungskurve der Materialentfernungsrate.

Aus Abb. 11a ist ersichtlich, dass die Position des maximalen Materialabtrags immer noch in der Mitte jedes polierten Lochs liegt. Dies deutet darauf hin, dass die Konvergenz der Oberflächenformgenauigkeit beim Polieren immer noch gut aufrechterhalten werden kann. Wie in Abb. 11b dargestellt, nimmt die Materialabtragsrate mit steigender Temperatur der MR-Flüssigkeit weiter zu. Durch eine Erhöhung der MR-Flüssigkeitstemperatur von 20 auf 60 °C kann die Materialabtragsrate um 108,4 % verbessert werden. Experimentelle Ergebnisse legen nahe, dass der fördernde Effekt einer Erhöhung der relativen Poliergeschwindigkeit auf die Materialabtragsrate den hemmenden Effekt einer abnehmenden Scherspannung übersteigt und somit die Materialabtragsrate verbessert. Darüber hinaus wird durch Anpassen der Änderungskurve der Materialabtragsrate festgestellt, dass eine annähernd lineare Beziehung zwischen der Materialabtragsrate und der Temperatur besteht, wie in Gleichung (1) dargestellt. (12).

Dabei ist MRR die Materialabtragsrate (mm3/min) und t die MR-Flüssigkeitstemperatur (°C).

Das Bestimmtheitsmaß R2 der Anpassungsgleichung übersteigt 0,99, was zeigt, dass die Gleichung gut mit der Änderungskurve der Materialentfernungsrate übereinstimmt. Unter den gleichen Verarbeitungsbedingungen kann die Materialabtragsrate bei unterschiedlichen MR-Fluidtemperaturen mit dieser Gleichung vorhergesagt werden. Unter Beibehaltung der Prozessparameter wurde ein Abschnitt der glatten Oberfläche auf der rauen Oberfläche bei einer MR-Flüssigkeitstemperatur von 60 °C poliert, wie in Abb. 9f dargestellt. Die gemessene Oberflächenrauheit ist in Abb. 12 dargestellt.

Oberflächenrauheit. (a) Rauheit der Ausgangsoberfläche; (b) Rauheit der polierten Oberfläche.

Aus Abb. 12 ist ersichtlich, dass sich die Oberflächenrauheit Sa nach dem Polieren von 201,2 auf 14,9 nm verringert. Dies zeigt, dass bei einer Temperatur der MR-Flüssigkeit von 60 °C nicht nur die hohe Materialabtragsrate aufrechterhalten werden kann, sondern auch eine glatte, hochwertige polierte Oberfläche erhalten werden kann.

Durch theoretische Analyse und experimentelle Überprüfung wurde festgestellt, dass eine Erhöhung der MR-Flüssigkeitstemperatur die Effizienz des MR-Polierens kleiner Kugelenden mit Permanentmagneten verbessern kann. Die Forschungsergebnisse werden wie folgt zusammengefasst.

Im Bereich von 20–60 °C nimmt die anfängliche Viskosität mit steigender Temperatur der MR-Flüssigkeit ab, was die Fließfähigkeit des MR-Flüssigkeitsfilms verbessern kann. Die Magnetisierungsintensität von CIP ist sehr stabil und beeinflusst die Materialabtragsrate kaum. Die Magnetfeldstärke des Polierkopfes nimmt mit zunehmender Temperatur ab, was zu einer Verringerung der Fließspannung der MR-Flüssigkeit führt.

Eine Erhöhung der MR-Flüssigkeitstemperatur kann die relative Poliergeschwindigkeit erhöhen, aber auch die Scherspannung verringern. Die Erhöhung der relativen Poliergeschwindigkeit hat eine fördernde Wirkung auf die Verbesserung der Materialabtragsrate, die Verringerung der Scherspannung hat jedoch eine hemmende Wirkung. Versuchsergebnisse zeigen, dass die fördernde Wirkung die hemmende Wirkung übertreffen kann, um so die Materialabtragsrate zu verbessern.

Die Materialabtragsrate nimmt mit steigender Temperatur der MR-Flüssigkeit weiter zu, und die Konvergenz der Oberflächenformgenauigkeit beim Materialabtragungsprozess kann bei unterschiedlichen Temperaturen gut aufrechterhalten werden. Wenn die Temperatur der MR-Flüssigkeit 60 °C beträgt, verbessert sich die Polierentfernungseffizienz um 108,4 %, und die Rauheit der polierten Oberfläche Sa kann 14,9 nm erreichen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Polierentfernungseffizienz durch Erhöhen der MR-Flüssigkeitstemperatur verbessert werden kann. Diese Methode kann in der praktischen Produktion angewendet werden, um die Verarbeitungszeit zu verkürzen und die Produktion zu steigern.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde vom National Key Research and Development Program of China (Nr. 2018YFB1107600) und dem Defense Industrial Technology Development Program (Nr. JCKY2018207B203) unterstützt.

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Jinchuan Tian, ​​​​Mingjun Chen, Henan Liu, Biao Qin, Jian Cheng und Yazhou Sun

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. Materialvorbereitung, Durchführung von Experimenten, Datenerfassung und Analyse wurden von JT, HL und BQ durchgeführt. Die Validierung wurde von HL durchgeführt. Das Projekt wurde von MC und YS verwaltet. Der erste Entwurf des Manuskripts wurde von JC und HL verfasst. Alle Autoren kommentierten frühere Versionen des Manuskripts. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Henan Liu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Tian, ​​J., Chen, M., Liu, H. et al. Studie zum Mechanismus zur Verbesserung der Effizienz des magnetorheologischen Polierens kleiner Kugelenden mit Permanentmagneten durch Erhöhung der magnetorheologischen Flüssigkeitstemperatur. Sci Rep 12, 7705 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11937-8

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Eingegangen: 10. März 2022

Angenommen: 25. April 2022

Veröffentlicht: 11. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11937-8

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