张占立;孙涛;王恒迪;熊明照;王锋;万贺
【摘 要】针对氮化硅陶瓷滚子磁流变抛光的工艺技术，提出了所用油基磁流变抛光液的基本要求，确定了该磁流变抛光液的各组分及其最佳体积比，并研究了配制方法；利用陶瓷滚子抛光试验机研究了磁流变抛光液不同抛光磨料、不同粒径对氮化硅陶瓷滚子抛光质量和抛光效率的影响规律。结果表明：配制的磁流变抛光液具有良好的稳定性，能够满足氮化硅陶瓷滚子的抛光要求；抛光效果随着抛光磨料及其粒度大小的不同而不同，其中以氧化铝为磨料的磁流变抛光液对陶瓷滚子抛光的表面粗糙度值最小，以金刚石微粉 M1.5/3为磨料的磁流变抛光液对陶瓷滚子抛光的材料去除率最高。%The process technology of magnetorheologically polishing Si3 N4 ceramic rollers was studied. 【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》 【年(卷),期】2014(000)006 【总页数】4页(P60-63)
【关键词】陶瓷滚子;磁流变液;磨料;抛光 【作 者】张占立;孙涛;王恒迪;熊明照;王锋;万贺
【作者单位】河南科技大学 机电工程学院，洛阳 471003; 河南科技大学 机械装备先进制造河南省协同创新中心，洛阳 471003;河南科技大学 机电工程学院，洛阳 471003;河南科技大学 机电工程学院，洛阳 471003;河南科技大学 机电工程学院，洛阳 471003;河南科技大学 机电工程学院，洛阳 471003;河南科技大学 机电工程学院，洛阳 471003
【正文语种】中 文 【中图分类】TG74;TQ174
90年代初，W.I.Kordonski、I.V.Prokhorov等人将电磁学和流体动力学理论应用于光学零件加工技术中，提出了磁流变抛光技术(MRF)。磁流变抛光是指在磁流变液中混入一定量的抛光磨料后，实现对难加工材料的抛光加工，是一种新型的特种加工技术[1-2]。该技术具有加工效率高、加工表面粗糙度低、材料去除过程可控等特点，比较适合脆硬材料及复杂表面的加工，该技术也可用于陶瓷滚子的抛光加工。
磁流变抛光液是研究磁流变抛光技术的重要内容，其性能将直接影响到工件表面的抛光效果。磁流变抛光液不仅要有良好的流变效应，同时还要能承载抛光磨料，从而实现对工件表面精密高效地去除[3-4]。本研究根据陶瓷滚子抛光的特殊要求，提出了适用于陶瓷滚子抛光的磁流变抛光液的标准，并由此确定了各组分及其最佳体积比，进而配制出了性能优良的磁流变抛光液并利用其进行了一系列抛光试验。 1 氮化硅陶瓷滚子油基磁流变抛光液的配制 1.1 性能要求
综合考虑磁流变抛光液的特殊要求以及陶瓷材料的特点，对所配磁流变抛光液提出如下要求：
(1)良好的凝聚稳定性。为了保证抛光磨料能够与工件充分接触，从而提高工件的抛光效率，所配磁流变抛光液要具有良好的凝聚稳定性。
(2)磁敏微粒要求。①较小的磁各向异性常数。这是保证切削力稳定和均匀的前提。②合适的耐磨性和硬度。为了避免损伤磁敏微粒以及工件表面，应尽量选择耐磨性好、硬度较低的磁敏微粒[5]。
(3)基载液要求。在选择基载液时需考虑到其对陶瓷材料的化学作用，不能对工件造成腐蚀和损伤。 1.2 各组分的选取
磁流变抛光液主要包括基载液、磁敏微粒、表面活性剂、抛光磨料等组分，综合考虑各方面因素，各组分选取结果如表1所示。所使用的抛光磨料为氧化铝(Al2O3，HRC 7～8.5，密度1.87～2.43 g/cm3)，氧化铈(CeO2，HRC 6～8，密度6.7～7.3 g/cm3)和金刚石微粉(莫氏硬度10，密度3.52 g/cm3)。 1.3 油基磁流变抛光液的配制
根据各组分的性质，制定了磁流变抛光液的配制方法，具体操作步骤如下：(1)将油酸、硬脂酸、吐温各40 mL加入到600 mL的硅油中，在室温下搅拌1 h，得到悬浮液；(2)将6 mL聚乙烯醇加入到上述悬浮液中，在室温下搅拌0.5 h，得到悬浮液；(3)将480 mL羰基铁粉和12 mL抛光磨料加入到上述悬浮液中，搅拌均匀；(4)最后将上述混合物加入到球磨罐中，按1∶10质量比加入钢球，以450 r/min的速度球磨3 h，将钢球取出，得到磁流变抛光液，将其装入密封的塑料瓶中保存。
经观察，所配磁流变抛光液长时间静置后只产生少量沉淀，并无明显团聚、板结现象，且只需稍加搅拌即可重新均匀分散。因此，所配磁流变抛光液具有良好的稳定性。
采用上述方法，分别配制出抛光磨粒为金刚石微粉M0/0.5、M0.5/1.5和M1.5/3、氧化铝以及氧化铈等五种磁流变抛光液，并做以下抛光实验。 2 氮化硅陶瓷滚子抛光工艺实验
影响陶瓷滚子磁流变抛光效果的因素有很多，如磁场强度、浸入深度、磨料种类、抛光主轴转速等[6]。本实验主要探究抛光磨料种类和磨料粒度对陶瓷滚子抛光效果的影响。在自制的陶瓷滚子抛光试验机上进行抛光实验，抛光液的用量为1000
mL。
2.1 抛光磨料对陶瓷滚子抛光效果的影响
实验中采用的陶瓷滚子规格为φ10 mm×10 mm，调整磁场强度为0.3 T，工件与抛光主轴间隙为0.2 mm，抛光主轴转速为500 r/min，导辊转速和工作台移动速度均由系统控制，分别用抛光磨料为金刚石微粉M0/0.5、氧化铈和氧化铝的磁流变抛光液进行抛光实验。实验结果如图1、图2所示。
从图1中可以看出：磨料为M0/0.5金刚石微粉的磁流变抛光液对陶瓷滚子抛光的材料去除率最高，磨料为氧化铝的磁流变抛光液对陶瓷滚子抛光的材料去除率最低。从图2中可以看出：磨料为氧化铝的磁流变抛光液对陶瓷滚子抛光后的表面粗糙度值最小，磨料为M0/0.5金刚石微粉的磁流变抛光液对陶瓷滚子抛光后表面粗糙度值最大。
表1 抛光液各组分选取结果组分性能参数体积分数基载液硅油密度/(g/m2)黏度/(mm2/s)闪点/℃凝固点/℃160～190150～180300-65～-5049.0%磁敏微粒羰基铁粉平均粒度/μm矫顽力Hc/Oe相对品质因素有效磁导率
≤3.50.55≥1.76≥2.8441.5%表面活性剂油酸硬脂酸吐温物理性质参数指标淡黄或棕黄色透明的油状液体,不挥发,不溶于水凝固点/℃:3～8沸点/℃:2860密度/(g/mL):0.891～0.896白色或类白色有滑腻感的粉末或结晶性硬块,在乙醇中溶解,在水中几乎不溶凝固点/℃:52～57沸点/℃:232密度/(g/mL):0.940 8淡黄色至琥珀色油状液体或膏状物,溶于水、乙醇、油脂等闪点/℃:321, 沸点/℃:321密度/(g/mL):1.019.5%
图1 抛光磨料对陶瓷滚子抛光去除率的影响 图2 抛光磨料对陶瓷滚子抛光表面粗糙度的影响
由此可得出：抛光磨料硬度越高，磨粒对工件的击碎破裂作用就越强烈，材料去除率就越高。然而，抛光磨料硬度越高，在对工件表面进行击碎破裂作用的同时，对
工件表面产生的损伤和破坏作用也会越大，抛光后陶瓷滚子表面粗糙度值就越大。 因此，在陶瓷滚子抛光过程前阶段，应尽量采用硬度较高的抛光磨料进行抛光，以提高材料去除效率；在抛光过程后阶段，应尽量采用硬度较低的抛光磨料，以提高工件表面质量。
2.2 磨料粒度对陶瓷滚子抛光效果的影响
实验条件同上，在保持其他工艺参数不变的情况下，分别用抛光磨料为金刚石微粉M0/0.5、M0.5/1.5和M1.5/3的磁流变抛光液进行抛光实验。实验结果如图3、图4所示。
由图3可看出：磨料为M1.5/3金刚石微粉的磁流变抛光液对陶瓷滚子抛光的材料去除率最高，磨料为M0/0.5金刚石微粉的磁流变抛光液对陶瓷滚子抛光的材料去除率最低。由图4可看出：磨料为M0/0.5金刚石微粉的磁流变抛光液抛光后的工件表面粗糙度值最小，磨料为M1.5/3金刚石微粉的磁流变抛光液抛光后工件表面粗糙度值最高。
图3 磨料粒度对陶瓷滚子抛光去除率的影响
由此可以得出：磨料粒度越大，抛光时的切削深度和切削力就越大，工件表面材料的去除率就越高。然而，磨料粒度越大，磨料对工件表面的划痕和破坏作用也越大，抛光后陶瓷滚子的表面粗糙度值就越大。
因此，在抛光过程前一阶段应尽量采用粒度较大的抛光磨粒进行抛光，以提高材料去除效率；在抛光过程后一阶段应尽量采用粒度较小的抛光磨粒，以提高工件表面质量。
图4 磨料粒度对陶瓷滚子抛光表面粗糙度的影响 3 结论
(1)根据本实验的配方所配制的磁流变抛光液具有良好的稳定性。
(2)使用本实验配制的磁流变抛光液抛光后，工件表面粗糙度值降低到0.03 μm，
能够满足陶瓷滚子抛光要求。
(3)抛光磨料硬度越高，材料去除率就越高，抛光后得到的工件表面粗糙度值也就越大；抛光磨料粒度越大，材料去除率就越高，抛光后得到的工件表面粗糙度值也就越大。
(4)在抛光过程前一阶段应尽量采用硬度较高和粒度较大的磨料，以提高材料去除效率；在抛光过程后一阶段应尽量采用硬度较低和粒度较小的磨料，以提高工件表面质量。 参考文献：
【相关文献】
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