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Apr 25, 2023

Étude sur le mécanisme d'amélioration de l'efficacité des

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 7705 (2022) Citer cet article

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La méthode de polissage magnétorhéologique à petite bille à aimant permanent peut être utilisée pour polir la petite pièce à structure complexe. Cependant, le taux d'enlèvement de matière de cette méthode est faible, ce qui rend difficile l'amélioration du rendement et la réduction des coûts. Dans cette recherche, l'effet de la température du fluide magnétorhéologique sur le taux d'enlèvement de matière est théoriquement analysé en mesurant l'effet de la température sur les propriétés d'écoulement du fluide magnétorhéologique, en établissant le modèle hydrodynamique de la zone de polissage et en résolvant les paramètres d'enlèvement de matière. On constate qu'avec l'augmentation de la température du fluide magnétorhéologique, la vitesse relative de polissage augmente en conséquence, ce qui peut favoriser l'amélioration du taux d'enlèvement de matière. Mais la contrainte de cisaillement diminue en conséquence, ce qui inhibe l'amélioration du taux d'enlèvement de matière. Les résultats de l'expérience de vérification montrent que l'effet promoteur peut dépasser l'effet inhibiteur, de sorte que le taux d'enlèvement de matière augmente avec l'augmentation de la température du fluide magnétorhéologique. Lorsque la température du fluide magnétorhéologique augmente à 60 °C, le taux d'enlèvement de matière est amélioré de 108,4 % et la rugosité de surface polie Sa peut atteindre 14,9 nm. Par conséquent, l'augmentation de la température du fluide magnétorhéologique peut améliorer considérablement l'efficacité du polissage magnétorhéologique à aimant permanent et obtenir une surface polie de haute qualité.

La petite pièce à structure complexe joue un rôle important dans toutes sortes d'équipements de précision. Ces pièces sont principalement constituées de matériaux durs et cassants difficiles à traiter. La qualité de surface polie et la précision du profil de ces pièces sont hautement requises. La méthode de polissage magnétorhéologique (MR) présente les avantages d'une précision d'usinage élevée, de l'absence d'usure de l'outil et de l'absence de dommages sous la surface, et la rugosité de la surface polie peut atteindre l'échelle nanométrique1,2 ou même la dimension angström3. Ainsi, il convient au polissage de ces pièces. Cependant, la taille de la meule de polissage de l'équipement de polissage MR de type meule couramment utilisé est trop grande, ce qui ne permet pas de polir la surface de structure complexe de la petite pièce. Par conséquent, le petit outil de polissage MR doit être conçu et utilisé. Chen et al.4 ont conçu une petite tête de polissage sphérique à aimant permanent (diamètre 4 mm) et ont poli avec succès un composant complexe de petit alésage en forme de Ψ. Le rayon de courbure minimal du congé de transition des surfaces courbes du composant était inférieur à 3 mm. La précision de surface PV de la surface polie a atteint 0,332 μm et la rugosité de surface Ra a atteint 10,7 nm. Cependant, limité par la taille de la tête de polissage, le volume du matériau magnétique permanent de la tête de polissage est faible, ce qui conduit à une intensité d'induction magnétique relativement faible (pas plus de 0,44 T). Par ailleurs, la vitesse linéaire de la tête de polissage à vitesse de rotation élevée est faible, ce qui limite l'amélioration de la vitesse relative de polissage. Ces facteurs entraînent un faible taux d'enlèvement de matière lors du polissage. Le coût de traitement est élevé et le rendement est faible. Par conséquent, il est urgent d'améliorer l'efficacité du polissage MR des petites boules à aimants permanents.

Les vibrations ultrasonores5,6,7, les vibrations non résonnantes8 et l'action chimique9,10,11,12 sont introduites dans le processus de polissage MR, ce qui peut améliorer considérablement le taux d'enlèvement de matière et la qualité de la surface polie. Cependant, il existe peu d'études sur l'amélioration du taux d'enlèvement de matière en modifiant la température du fluide MR. Le fluide MR est un fluide non newtonien typique. Ses propriétés d'écoulement sont étroitement liées à la température13,14. Hemmatian et al.15 ont étudié la dépendance à la température des propriétés des fluides MR. Il a été constaté que l'effet de la température sur la viscosité et la contrainte de cisaillement du fluide MR diminuait avec l'augmentation du champ magnétique. Wang et al.16 et Sherman et al.17 ont étudié les propriétés matérielles dépendant de la température des composants des fluides MR. Il a été constaté que la viscosité du fluide MR dépendait de la viscosité du fluide porteur. La viscosité du fluide porteur diminuait à mesure que la température augmentait, et le fluide porteur avec une viscosité plus élevée était plus sensible à la variation de température. Chen et al.18 ont analysé l'influence de la température sur les propriétés rhéologiques du fluide MR. Il a été constaté qu'à moins de 100 ° C, la viscosité du fluide MR diminuait avec l'augmentation de la température. La contrainte de cisaillement du fluide MR était affectée par le changement de viscosité et diminuait avec l'augmentation de la température. Wang et al.19 ont utilisé un dispositif de test de contrainte de cisaillement à disque parallèle pour mesurer les propriétés mécaniques dépendant de la température des fluides MR. Il a été constaté qu'avec l'augmentation de la température du fluide MR, la réduction de la contrainte visqueuse était beaucoup plus évidente que celle de la limite d'élasticité. La composante de contrainte visqueuse a dominé le changement de contrainte totale dans une plage de température particulière. Bahiuddin et al.20 ont utilisé la méthode ELM (Extreme Learning Machine) pour développer un nouveau modèle constitutif de fluides MR avec un paramètre de prédiction dépendant de la température. Il a prédit avec précision les contraintes de cisaillement et d'écoulement des fluides MR sous une température, un taux de cisaillement et un champ magnétique spécifiques. En conclusion, la modification de la température du fluide MR peut influencer les propriétés d'écoulement et les propriétés mécaniques, de manière à affecter l'efficacité de l'élimination du polissage.

Visant la méthode de polissage à petite bille à aimant permanent, la loi d'influence de la température sur les propriétés d'écoulement du fluide MR et les paramètres d'enlèvement de matière sont étudiées, et l'expérience de vérification est réalisée dans cette recherche. Les résultats de l'expérience montrent que l'augmentation de la température du fluide MR peut grandement améliorer l'efficacité de l'élimination du polissage.

Dans cette recherche, les particules solides dans le fluide MR à base d'eau sont la poudre de fer carbonyle (CIP) et la particule abrasive d'oxyde de cérium. Lorsque la tête de polissage est stationnaire, le fluide MR s'écoulant dans la zone de polissage est affecté par le champ magnétique appliqué de la tête de polissage. Le fluide MR est adsorbé sur la surface de la tête de polissage pour former une "boule de fer" à l'état solide, comme illustré à la Fig. 1a. Pendant la rotation à grande vitesse de la tête de polissage, la bille de fer tourne de manière synchrone avec la tête de polissage pour générer une contrainte de cisaillement entre la bille de fer et la surface de la pièce. Lorsque la contrainte de cisaillement est supérieure à la limite d'élasticité du fluide MR, le fluide MR en contact avec la surface de la pièce passe de l'état solide à l'état fluide, formant un "film de fluide MR" fluide, comme illustré à la Fig. 1b. Dans le processus de polissage, du fluide MR frais est fourni en continu à la zone de polissage, ce qui peut former le flux continu de film de fluide MR entre la bille de fer et la surface de la pièce. Sous l'action du champ magnétique, les CIP dans le film de fluide MR sont répartis près de la surface de la tête de polissage, de manière à occuper l'espace des particules abrasives non ferromagnétiques et à pousser les particules abrasives vers la surface de la pièce loin de la tête de polissage . Cela rend non seulement les particules abrasives soumises à la force normale perpendiculaire à la surface de la pièce, mais améliore également considérablement la concentration de particules abrasives sur la surface de la pièce. Avec l'écoulement du film fluide MR et l'action de la force normale, ces particules abrasives cisaillent en continu la surface de la pièce à une certaine vitesse, de manière à réaliser l'enlèvement de matière. La bille de fer et le film de fluide MR sur la surface de la pièce ont été observés tout au long de l'expérience. La direction d'observation est illustrée sur les Fig. 1c, d, la bille de fer sur la surface de la pièce est illustrée sur la Fig. 1e et le film de fluide MR qui s'écoule est illustré sur la Fig. 1f.

Schéma de principe du mécanisme d'enlèvement de matière. (a) Zone de polissage lorsque la tête de polissage est à l'arrêt ; (b) Zone de polissage lorsque la tête de polissage est en rotation ; (c) Direction de la vue ; (d) Dos de la surface de la pièce à usiner ; (e) Boule de fer à l'état solide ; (f) film fluide MR.

Dans une certaine plage de températures, l'augmentation de la température du fluide MR peut réduire la viscosité initiale du fluide MR, ce qui peut réduire la résistance à l'écoulement du film de fluide MR. On suppose que cela peut augmenter la vitesse d'écoulement du film de fluide MR, ce qui peut augmenter la vitesse relative lorsque des particules abrasives cisaillent la surface de la pièce. De plus, le nombre de particules abrasives circulant à travers la surface de la pièce par unité de temps augmente également, ce qui peut améliorer la fréquence de cisaillement entre les particules abrasives et la surface de la pièce, de manière à améliorer l'efficacité d'élimination du polissage.

Le fluide MR est un fluide non newtonien et les propriétés d'écoulement du fluide MR dépendent principalement de la viscosité initiale et de la limite d'élasticité. Lorsqu'il est soumis à un champ magnétique appliqué, l'intensité de magnétisation du fluide MR affecte également les propriétés d'écoulement. Par conséquent, il est nécessaire d'étudier l'influence de la température sur la viscosité initiale, la limite d'élasticité et l'intensité de magnétisation du fluide MR. Dans le processus de polissage, le fluide MR chauffé transfère d'abord la chaleur à la bille de fer, puis la bille de fer transfère la chaleur à la tête de polissage. Cela augmente la température de la tête de polissage. Le matériau magnétique permanent de la tête de polissage est du NdFeB fritté. Lorsque la température augmente de 1 °C, l'intensité de l'induction magnétique du NdFeB diminue d'environ 0,11 à 0,12 %21. Lorsque la température dépasse 80 °C, le champ magnétique du NdFeB décline de manière irréversible voire disparaît. Sur la base de la température ambiante du laboratoire et des facteurs ci-dessus, 20 à 60 °C est sélectionné comme plage de température du fluide MR. Lorsque la température augmente de 20 à 60 °C, l'intensité d'induction magnétique maximale de la tête de polissage diminue de 0,439 à 0,418 T. Ainsi, il est également nécessaire de considérer l'influence de l'intensité d'induction magnétique modifiée de la tête de polissage sur le débit propriétés du fluide MR.

En l'absence de champ magnétique, la relation entre la viscosité initiale et la température peut être exprimée par Eq. (1)22. La courbe de variation de viscosité dans la plage de 20 à 60 ° C est illustrée à la Fig. 2.

où η0 est la viscosité initiale du fluide MR (Pa·s), t est la température du fluide MR (°C), ϕ est le pourcentage volumique de particules solides dans le fluide MR.

Courbe de variation viscosité-température du fluide MR.

Lorsque la température du fluide MR augmente de 20 à 30 °C, 40 °C, 50 °C et 60 °C respectivement, la viscosité initiale du fluide MR diminue respectivement de 40,4 %, 64,5 %, 78,9 % et 87,4 %. Les résultats indiquent que la viscosité initiale du fluide MR est très sensible aux variations de température. Avec l'augmentation de la température, la viscosité initiale du fluide MR diminue considérablement. La résistance à l'écoulement du film de fluide MR diminue, ce qui est propice à l'augmentation de la vitesse relative de polissage entre les particules abrasives et la surface de la pièce, de manière à améliorer le taux d'enlèvement de matière.

Une fois le flux de rendement généré, l'état d'écoulement du fluide MR peut être exprimé par le modèle de Bingham, comme indiqué dans l'équation. (2).

où τ est la contrainte de cisaillement (Pa), τ0 est la limite d'élasticité (Pa), η0 est la viscosité initiale (Pa s), \(\dot{\gamma }\) est le taux de cisaillement (s−1).

Le taux de cisaillement par rapport à la courbe de contrainte de cisaillement du fluide MR a été mesuré par le rhéomètre Anton Paar MCR301, et l'intensité de l'induction magnétique du champ magnétique appliqué dépendait du courant d'entrée du dispositif magnéto-rhéologique du rhéomètre. La courbe a été mesurée à plusieurs reprises en modifiant la température et le courant d'entrée. Un taux de cisaillement typique par rapport à la courbe de contrainte de cisaillement est illustré à la Fig. 3a (température du fluide MR 20 ° C, courant d'entrée 3A). Avec l'augmentation du taux de cisaillement, le fluide MR est transformé d'un état de non-rendement à un état d'écoulement de rendement. Le modèle de Bingham est utilisé pour ajuster linéairement les données de taux de cisaillement-contrainte de cisaillement après le rendement. L'interception longitudinale de la ligne d'ajustement est la limite d'élasticité du fluide MR, comme illustré à la Fig. 3a. La limite d'élasticité à différentes températures et différents courants d'entrée est illustrée à la Fig. 3b, et la relation entre l'intensité d'induction magnétique du champ magnétique appliqué et le courant d'entrée est illustrée à la Fig. 3c. La valeur moyenne de la limite d'élasticité mesurée sous chaque courant d'entrée est illustrée à la Fig. 3d.

Schémas de mesure et de calcul de la limite d'élasticité. (a) Le taux de cisaillement typique par rapport à la courbe de contrainte de cisaillement ; (b) La tendance de variation de la limite d'élasticité; (c) La relation entre le courant d'entrée et l'intensité de l'induction magnétique ; ( d ) La courbe du modèle d'ajustement de la limite d'élasticité.

On peut voir sur la figure 3b que la limite d'élasticité varie moins avec la température. Sous le même courant d'entrée, la plage de variation de la limite d'élasticité avec la température est de 1,4 à 4,5 kPa. Cependant, sous la même température, la plage de variation de la limite d'élasticité avec le courant d'entrée est de 59,4 à 64,3 kPa. Cela suggère que la limite d'élasticité est moins affectée par la variation de température et plus sensible à la variation de l'intensité de l'induction magnétique du champ magnétique appliqué, ce qui est cohérent avec les résultats de la recherche dans la référence15 et la référence19. Afin de simplifier le calcul, on considère que la limite d'élasticité est uniquement liée à l'intensité d'induction magnétique de la tête de polissage. Le modèle mathématique de la limite d'élasticité est obtenu par ajustement, comme indiqué dans l'équation. (3). La courbe du modèle mathématique est représentée sur la figure 3d.

où τ0 est la limite d'élasticité du fluide MR (kPa), B0 est l'intensité d'induction magnétique de la tête de polissage (mT).

Dans le processus de polissage, l'intensité de l'induction magnétique de la tête de polissage diminue avec l'augmentation de la température du fluide MR, ce qui entraîne une réduction de la limite d'élasticité. Selon l'éq. (2), sous la même viscosité initiale et le même taux de cisaillement, la contrainte de cisaillement diminue avec la diminution de la limite d'élasticité, ce qui n'est pas bénéfique pour améliorer le taux d'enlèvement de matière.

L'intensité de magnétisation du CIP est liée à la température. L'augmentation de la température peut modifier l'intensité de magnétisation du CIP, affectant ainsi les propriétés d'écoulement du fluide MR. Par conséquent, il est nécessaire d'étudier l'effet de la température sur l'intensité de magnétisation CIP. La courbe d'intensité de magnétisation du CIP dans la plage de 20 à 60 ° C est mesurée par le système de mesure des propriétés physiques (PPMS), comme illustré à la Fig. 4a.

Les courbes de propriétés d'aimantation du CIP. (a) Les courbes d'intensité de magnétisation à différentes températures; (b) Les courbes BH à différentes températures.

On peut voir sur la figure 4a que l'intensité de magnétisation du CIP augmente avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique appliqué. Dans la plage d'intensité de champ magnétique appliquée de 0 à 300 kA/m, l'intensité de magnétisation du CIP augmente fortement. Avec l'augmentation supplémentaire de l'intensité du champ magnétique appliqué, la tendance à la hausse de l'intensité de magnétisation ralentit progressivement jusqu'à ce qu'elle atteigne la valeur maximale dans la plage de test. Dans la plage de 20 à 60 ° C, les courbes d'intensité de magnétisation coïncident fortement. Sous la même intensité de champ magnétique appliquée, l'intensité de magnétisation diminue avec l'augmentation de la température, mais la diminution de l'intensité de magnétisation peut être ignorée. Par exemple, lorsque l'intensité du champ magnétique appliqué est de 795 kA/m, l'augmentation de la température de 20 à 60 °C réduit l'intensité de magnétisation de 5,4 kA/m. L'amplitude de réduction ne représente que 0,63 % de l'intensité d'aimantation minimale. Ceci suggère que l'intensité d'aimantation du CIP a une bonne stabilité dans cette plage de température. Dans le processus de polissage, il est peu probable qu'il affecte les propriétés d'écoulement en modifiant l'intensité de magnétisation.

De plus, le champ magnétique total dans la zone de polissage est constitué d'un champ magnétique appliqué de la tête de polissage et d'un champ magnétique induit généré par CIP. On peut le voir à partir de l'Eq. (4) que le changement d'intensité d'aimantation CIP avec la température peut affecter l'intensité d'induction magnétique totale dans la zone de polissage. Cela peut modifier la limite d'élasticité du fluide MR, affectant ainsi le taux d'enlèvement de matière.

où B est l'intensité d'induction magnétique totale (T), H est l'intensité du champ magnétique appliqué de la tête de polissage (A/m), M est l'intensité de magnétisation du CIP (A/m), μ0 est la perméabilité du vide (N/ A2).

Ainsi, il est également nécessaire d'étudier l'effet de l'intensité d'aimantation CIP sur l'intensité d'induction magnétique totale à différentes températures. Les courbes BH du CIP à différentes températures sont obtenues en résolvant l'Eq. (4), comme le montre la figure 4b. Sous la même intensité de champ magnétique appliquée, la variation de l'intensité d'induction magnétique totale avec la température est négligeable. On peut considérer que l'intensité du champ magnétique appliqué détermine l'intensité totale de l'induction magnétique. Cela montre que dans la plage de 20 à 60 ° C, le changement d'intensité d'induction magnétique totale causé par le changement d'intensité d'aimantation est faible, ce qui est peu susceptible d'avoir un impact significatif sur la limite d'élasticité. Ceci est cohérent avec le phénomène selon lequel la limite d'élasticité varie moins avec la température trouvée sur la figure 3b. Ce résultat suggère que le changement d'intensité d'aimantation CIP à différentes températures n'est pas la principale raison affectant le taux d'enlèvement de matière.

En conclusion, l'augmentation de la température du fluide MR peut réduire la viscosité initiale du fluide MR. La fluidité du film de fluide MR peut être améliorée, ce qui conduit à l'amélioration du taux d'enlèvement de matière. Le changement d'intensité d'aimantation CIP à différentes températures n'est pas la principale raison affectant le taux d'enlèvement de matière. L'intensité du champ magnétique de la tête de polissage diminue avec l'augmentation de la température. L'intensité d'induction magnétique totale dans la zone de polissage diminue également, ce qui entraîne la réduction de la limite d'élasticité. Cela peut réduire la contrainte de cisaillement du fluide MR, ce qui n'est pas propice à l'amélioration du taux d'enlèvement de matière. Par conséquent, la règle de changement du taux d'enlèvement de matière avec la température n'est toujours pas claire, ce qui nécessite une analyse quantitative plus approfondie.

Dorier23 a proposé un modèle de Bingham modifié, comme le montre l'Eq. (5). Dans ce modèle, le fluide sans rendement est considéré comme le fluide à écoulement lent avec une viscosité extrêmement élevée, ce qui fait que la limite de la zone de rendement et de la zone sans rendement transite de manière continue et fluide. Par conséquent, le modèle peut être directement utilisé pour calculer les paramètres d'écoulement du fluide MR dans la zone de polissage sans juger à l'avance de l'état de rendement du fluide MR.

où τ est la contrainte de cisaillement (Pa), η0 est la viscosité initiale (Pa s), \(\dot{\gamma }_{0}\) est le taux de cisaillement initial (s−1), \(\dot{ \gamma }\) est le taux de cisaillement (s−1), τ0 est la limite d'élasticité (Pa).

L'équation (5) peut être convertie en la définition de la viscosité apparente du fluide MR, comme indiqué dans l'équation. (6).

Combinez les éq. (1), (3) et (6) pour obtenir l'Eq. (7).

Le fluide MR dans la zone de polissage est divisé en plusieurs petites mailles tridimensionnelles. Les paramètres d'écoulement de chaque nœud des mailles sont solés par la méthode des différences finies, de manière à obtenir l'état d'écoulement de toute la zone de polissage. Afin de simplifier le calcul, un plan lisse et stationnaire est considéré comme la surface de la pièce. Le modèle d'analyse hydrodynamique et le système de coordonnées du fluide MR sont illustrés à la Fig. 5. L'axe Y passe par le centre sphérique de l'hémisphère de la tête de polissage et est perpendiculaire à la surface de la pièce. L'axe de rotation de la tête de polissage est perpendiculaire à l'axe X dans l'espace et coupe l'axe Z, et l'angle inclus est de 40°. Le centre de la zone de polissage est le point zéro des axes X, Y et Z sur la surface de la pièce. Dans le processus d'écoulement, la paroi supérieure du fluide MR est la surface de la tête de polissage et la paroi inférieure est la surface de la pièce. Les vitesses d'écoulement du fluide MR dans les directions X, Y et Z sont respectivement u, v et w.

Schéma de principe du modèle d'analyse hydrodynamique des fluides MR et du système de coordonnées.

Les hypothèses suivantes sont faites pour le fluide MR.

Le fluide MR est un fluide incompressible à densité constante ;

L'écoulement du fluide MR entre les parois supérieure et inférieure est un écoulement laminaire et répond à la condition de non-glissement, donc la vitesse d'écoulement du fluide MR à la frontière est égale à la vitesse de la surface solide ;

La gravité et la force d'inertie du fluide MR sont ignorées ;

Les dérivées partielles de la vitesse d'écoulement et de la contrainte dans les directions X et Z sont ignorées ;

La pression hydrodynamique à travers l'épaisseur du film reste constante.

Les conditions aux limites du fluide MR sont : y1 = 0, u1 = v1 = w1 = 0 ; y2 = d, u2 = U2, v2 = V2, w2 = W2. Les conditions aux limites sont substituées dans l'expression de la vitesse, l'expression de la pression dynamique du fluide et l'expression de la viscosité apparente du fluide MR pour obtenir les équations. (8–10)24.

Les paramètres d'écoulement du fluide MR sont calculés en résolvant itérativement les équations. (7–10) par la méthode des différences finies.

La taille moyenne des particules de CIP est de 7 à 8 μm et la taille moyenne des particules abrasives est de 8 à 10 μm. Par conséquent, on peut supposer que la vitesse d'écoulement du fluide MR et la contrainte de cisaillement à 8 μm au-dessus de la surface de la pièce sont la vitesse relative de polissage et la contrainte de cisaillement qui déterminent l'enlèvement de matière pendant le processus de polissage. Un ensemble de paramètres de traitement couramment utilisés dans le processus de polissage est le suivant : l'écart de polissage est de 0,1 mm et la vitesse de rotation de la tête de polissage est de 7 000 tr/min. En prenant ces paramètres de traitement comme exemple, la vitesse relative de polissage et la contrainte de cisaillement le long de l'axe X et de l'axe Z pendant le processus d'enlèvement de matière ont été calculées en résolvant les équations. (7–10), comme le montrent les Fig. 6 et 7 respectivement.

Polir les courbes de distribution de vitesse relative. (a) Le long de l'axe X ; (b) Le long de l'axe Z.

Courbes de répartition des contraintes de cisaillement. (a) Le long de l'axe X ; (b) Le long de l'axe Z.

On peut voir sur les Fig. 6 et 7 qu'avec l'augmentation de la température du fluide MR, la vitesse relative de polissage continue d'augmenter et la contrainte de cisaillement continue de diminuer. Lorsque la température du fluide MR augmente de 20 à 60 °C, la vitesse relative de polissage maximale est augmentée de 13,3 %, 35,9 %, 70,7 % et 122,5 % respectivement, et la contrainte de cisaillement maximale est diminuée de 19,7 %, 31,3 %, 38,2 % et 42,9 % respectivement. En effet, l'augmentation de la température réduit la viscosité du fluide porteur. La résistance visqueuse diminue lorsque le fluide MR s'écoule, ainsi la fluidité du fluide MR s'améliore. La vitesse relative de polissage entre les particules abrasives et la surface de la pièce est améliorée, ce qui est propice à l'amélioration du taux d'enlèvement de matière. La limite d'élasticité du fluide MR diminue avec la diminution de l'intensité d'induction magnétique totale dans la zone de polissage, entraînant la diminution de la contrainte de cisaillement. De plus, plus la viscosité du fluide porteur est faible, plus l'effet de lubrification sur les particules micrométriques dans le fluide porteur est important. Cela peut réduire la force d'interaction entre les particules dans le fluide MR, réduisant ainsi la contrainte de cisaillement.

Dans le processus de polissage MR, la contrainte de cisaillement joue un rôle majeur dans l'enlèvement de matière25,26. L'équation de Preston basée sur la contrainte de cisaillement peut être utilisée pour établir le modèle de taux d'enlèvement de matière du polissage MR, comme indiqué dans l'équation. (11).

où MRR est le taux d'enlèvement de matière (m3/s), K est le coefficient de correction (m2/kPa), τ est la contrainte de cisaillement (kPa), V est la vitesse relative de polissage (m/s).

En ignorant le coefficient de correction, le produit de la contrainte de cisaillement et de la vitesse relative de polissage peut refléter la zone de distribution du taux d'enlèvement de matière sur la surface polie. En prenant comme exemple la température du fluide MR à 20–60 ° C, le produit de la contrainte de cisaillement et de la vitesse relative de polissage sur la surface polie a été calculé respectivement, comme illustré à la Fig. 8.

Zone de distribution du produit de vitesse relative et de contrainte de cisaillement.

On peut voir sur la figure 8 qu'après avoir augmenté la température du fluide MR, la position du taux d'enlèvement de matière maximal est toujours au centre de la zone de distribution. Plus on se rapproche du bord de la zone de distribution, plus le taux d'enlèvement de matière est faible. Il est propice au maintien de la convergence de la précision de la forme de surface dans le processus d'enlèvement de matière. D'après l'éq. (11), l'augmentation de la vitesse relative de polissage a un effet favorisant sur l'amélioration du taux d'enlèvement de matière, mais la diminution de la contrainte de cisaillement a un effet inhibiteur. Par conséquent, l'amélioration du taux d'enlèvement de matière doit être vérifiée par des expériences.

L'équipement expérimental de polissage et le processus de circulation du fluide MR sont illustrés à la Fig. 9a. Le tuyau utilisé pour transporter le fluide MR est enroulé en boucles et placé dans une bouilloire à bain-marie. Un thermomètre à sonde est utilisé pour mesurer la température du fluide MR à la sortie. La température du fluide MR est ajustée à la température cible de l'expérience en ajustant la température de consigne de la bouilloire du bain-marie. Afin de vérifier l'effet de la température du fluide MR sur la position du taux d'enlèvement de matière maximal, l'expérience de polissage à point fixe a été réalisée sur une pièce en verre plane, comme illustré à la Fig. 9b. Les piqûres en forme de larme obtenues par polissage sont illustrées à la Fig. 9c. Afin de mesurer le volume d'enlèvement de matière de la fosse polie de manière pratique et précise, l'expérience de polissage à point fixe a été réalisée sur une tige de verre K9 d'une longueur de 50 mm et d'un diamètre de 6 mm, comme illustré à la Fig. 9d. Les piqûres annulaires polies sur la surface de la tige de verre sont représentées sur la figure 9e.

Schéma de principe de l'expérience de polissage. (a) processus de circulation de fluide MR et équipement expérimental ; (b) Expérience de polissage du verre plan ; (c) Cuvettes polies en forme de larme ; (d) Expérience de polissage de tiges de verre; (e) Cuvettes annulaires polies ; (f) Surface lisse polie.

Les paramètres de traitement sont les suivants : la température du fluide MR est de 20 à 60 °C, la vitesse de rotation de la tête de polissage est de 7 000 tr/min, l'écart de polissage est de 0,1 mm. Lors du polissage de la pièce en verre plat, le temps de polissage de chaque fosse est de 5 min. Lors du polissage de la pièce en tige de verre, la vitesse de rotation de la pièce est de 120 tr/min et le temps de polissage de chaque fosse est de 20 min. Dans le processus de polissage, l'eau du fluide MR est réapprovisionnée toutes les 10 min pour maintenir le rapport de mélange du fluide MR stable. Un interféromètre à lumière blanche Zygo NewView 8200 a été utilisé pour mesurer la forme tridimensionnelle et le contour de section de la fosse polie. La forme des piqûres polies en forme de larme à différentes températures de fluide MR est illustrée à la Fig. 10.

La forme de fosses polies en forme de larme. (a) 20 °C; (b) 30 °C; (c) 40 °C; (d) 50 °C; (e) 60 °C.

Avec l'augmentation de la température du fluide MR de 20 à 60 °C, la profondeur d'élimination maximale des piqûres polies en forme de larme augmente de 13 à 54 μm. Sous différentes températures de fluide MR, la forme des piqûres polies est similaire à la forme de la zone de distribution du taux d'enlèvement de matière de la Fig. 8. La position du taux d'enlèvement de matière maximal est située au centre des piqûres polies, ce qui est cohérent avec la le calcul théorique donne "Zone de répartition du taux d'enlèvement de matière". Cela prouve qu'après l'augmentation de la température du fluide MR, la convergence de la précision de la forme de surface dans le processus d'enlèvement de matière peut être bien maintenue. Le contour de la section de la fosse polie annulaire et le taux d'enlèvement de matière de chaque fosse polie annulaire sont illustrés à la Fig. 11.

Les résultats de l'expérience de vérification. (a) Le contour de la section de la fosse polie ; (b) La courbe de variation du taux d'enlèvement de matière.

On peut voir sur la figure 11a que la position du taux d'enlèvement de matière maximal est toujours au centre de chaque fosse polie. Cela suggère que la convergence de la précision de la forme de surface pendant le polissage peut encore être bien maintenue. Comme le montre la figure 11b, avec l'augmentation de la température du fluide MR, le taux d'enlèvement de matière continue d'augmenter. Le taux d'enlèvement de matière peut être amélioré de 108,4 % en augmentant la température du fluide MR de 20 à 60 °C. Les résultats expérimentaux suggèrent que l'effet promoteur de l'augmentation de la vitesse relative de polissage sur le taux d'enlèvement de matière dépasse l'effet inhibiteur de la diminution de la contrainte de cisaillement, améliorant ainsi le taux d'enlèvement de matière. En outre, en ajustant la courbe de variation du taux d'enlèvement de matière, on constate qu'il existe une relation linéaire approximative entre le taux d'enlèvement de matière et la température, comme indiqué dans l'équation. (12).

où MRR est le taux d'enlèvement de matière (mm3/min), t est la température du fluide MR (°C).

Le coefficient de détermination R2 de l'équation d'ajustement dépasse 0,99, montrant que l'équation est en bon accord avec la courbe d'évolution du taux d'enlèvement de matière. Dans les mêmes conditions de traitement, le taux d'enlèvement de matière à différentes températures de fluide MR peut être prédit par cette équation. En gardant les paramètres de processus inchangés, une section de surface lisse a été polie sur la surface rugueuse à la température du fluide MR de 60 ° C, comme indiqué sur la figure 9f. La rugosité de surface mesurée est illustrée à la Fig. 12.

Rugosité de surface. (a) Rugosité de la surface initiale ; (b) Rugosité de la surface polie.

On peut voir sur la figure 12 que la rugosité de surface Sa diminue de 201,2 à 14,9 nm après polissage. Cela montre que dans des conditions où la température du fluide MR est de 60 °C, il peut non seulement maintenir le taux d'enlèvement de matière élevé, mais également obtenir la surface polie lisse de haute qualité.

Grâce à une analyse théorique et à une vérification expérimentale, il a été constaté que l'augmentation de la température du fluide MR peut améliorer l'efficacité du polissage MR à petite bille à aimant permanent. Les résultats de la recherche sont résumés comme suit.

Dans la plage de 20 à 60 ° C, la viscosité initiale diminue avec l'augmentation de la température du fluide MR, ce qui peut améliorer la fluidité du film de fluide MR. L'intensité de magnétisation du CIP est très stable et n'affecte guère le taux d'enlèvement de matière. L'intensité du champ magnétique de la tête de polissage diminue avec l'augmentation de la température, ce qui entraîne une diminution de la limite d'élasticité du fluide MR.

L'augmentation de la température du fluide MR peut augmenter la vitesse relative de polissage, mais également réduire la contrainte de cisaillement. L'augmentation de la vitesse relative de polissage a un effet favorisant sur l'amélioration du taux d'enlèvement de matière, mais la diminution de la contrainte de cisaillement a un effet inhibiteur. Les résultats des expériences montrent que l'effet promoteur peut dépasser l'effet inhibiteur, de manière à améliorer le taux d'enlèvement de matière.

Le taux d'enlèvement de matière continue d'augmenter avec l'augmentation de la température du fluide MR, et la convergence de la précision de la forme de surface dans le processus d'enlèvement de matière peut être bien maintenue à différentes températures. Lorsque la température du fluide MR est de 60 °C, l'efficacité d'élimination du polissage est améliorée de 108,4 % et la rugosité de la surface polie Sa peut atteindre 14,9 nm.

En conclusion, l'efficacité de l'élimination du polissage peut être améliorée en augmentant la température du fluide MR. Cette méthode peut être appliquée à la production pratique pour raccourcir le temps de traitement et augmenter la production.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par le programme national clé de recherche et de développement de Chine (n° 2018YFB1107600) et le programme de développement des technologies industrielles de défense (n° JCKY2018207B203).

Cet article a été financé par le National Key Research and Development Program of China (Grant no. 2018YFB1107600), Defense Industrial Technology Development Program (Grant no. JCKY2018207B203).

Centre d'ingénierie de précision, Harbin Institute of Technology, PO Box 413, Harbin, 150001, Heilongjiang, République populaire de Chine

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

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Tous les auteurs ont contribué à la conception et à la conception de l'étude. La préparation du matériel, la réalisation des expériences, la collecte et l'analyse des données ont été effectuées par JT, HL et BQ La validation a été effectuée par HL Le projet a été administré par MC et YS La première ébauche du manuscrit a été rédigée par JC et HL. Tous les auteurs ont commenté les versions précédentes du manuscrit. Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit final.

Correspondance au Henan Liu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Tian, ​​J., Chen, M., Liu, H. et al. Étude sur le mécanisme d'amélioration de l'efficacité du polissage magnétorhéologique à billes à aimants permanents en augmentant la température du fluide magnétorhéologique. Sci Rep 12, 7705 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11937-8

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Reçu : 10 mars 2022

Accepté : 25 avril 2022

Publié: 11 mai 2022

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

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