磁流变液流变性能测试系统的研究

　　1 引言

　　磁流变抛光(Magnetorheological Finishing)技术是近年来新兴的一种光学精密加工技术，它利用磁流变液在磁场的作用下发生明显的磁流变效应来对工件实施精密的去除。磁流变效应是指在载液中加入一种高磁导率的磁敏粒子，没有磁场时，磁流变液为牛顿流体，当加入外部磁场时，流体的流变性能发生突变，迅速固化而失去流动性，这种转化在毫秒量级完成且过程可逆，当撤掉磁场，流体又恢复其流动性。磁流变液的这种流变效应又称为 Bingham 效应，通常用 Bingham 模型来描述：!yBingham 流动的特点是应值必须大于屈服值以后才开始流动，屈服应力的大小直接影响磁流变抛光的抛光效率和性能，是磁流变液的主要性能参数之一。然而现在国际上对磁流变液屈服应力的研究缺乏系统性，尤其是对磁流变液屈服应力的许多测量工作仍采用改装的普通粘度计进行，存在着很多的缺陷，特别是不适用于强磁场下的测量，难于得到准确的数据或者测量范围有限。

　　本文根据磁流变抛光的磁场分布，研制出可用于检测不同磁场方向下的磁流变液屈服应力的测试装置，用该装置对中国科技大学提供的商用磁流变液(KDC-1)进行了测量，测试结果与厂家提供的各项指标基本吻合，最后用该装置对自行研制的水基磁流变液进行了测量，结果表明该磁流变液具有很好的流变性能。

　　2 测试装置的结构设计及原理

　　2.1 测试装置的结构设计

　　所设计的磁流变抛光液流变性能测试装置的总体结构框图如图 1 所示，以普通数控机床为平台，将剪切机构放置于这个平台之上，驱动和转速控制通过数控机床来实现，扭矩通过静态扭矩传感器测量，磁场用普通的特斯拉计进行测量。剪切机构是整个测试系统最关键的部分，它是各待测数据的中枢，并且负责传递力矩。由于磁流变液是各向异性的，其剪切屈服应力依赖于磁场和剪切方向，因此在剪切机构的结构设计过程中必须考虑磁流变抛光的磁场分布，这一点有别于普通的流变仪。磁流变抛光区内主要的磁场方向有三个，如图 2 所示的 A 向、B 向和 C向，其中 C 向为磁流变抛光方式。为了适用于三个不同磁场方向下的屈服应力的测量，我们采用三套不同的剪切机构，如图 3 所示，对于 A 向磁场，采用盘状剪切机构，对于 B 向和 C 向磁场，采用环状剪切机构，用一柱状电磁铁提供磁场，通过测量，各个液槽内部磁场均匀分布且磁场强度大致相同。为了不影响磁场，液槽和剪切盘(环)的材料均用铝，只是在其底部粘上电工纯铁所制铁丝网，其作用是产生一定的磁场力和摩擦力以消除磁流变液在边界可能产生的滑移现象。