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圆柱剪切增稠抛光过程中弹流特性对表面粗糙度影响的研究

一、作者及机构信息
本研究由绍兴大学机电工程学院的Weifeng Yao（第一作者）、浙江工业大学超精密加工中心的Binghai Lyu（通讯作者）、绍兴大学土木工程学院的Yuan Song等团队合作完成，发表于Elsevier旗下期刊《Wear》第530-531卷（2023年），文章编号205026。

二、学术背景
1. 科学领域：研究属于精密加工领域，聚焦非牛顿流体（剪切增稠流体，Shear Thickening Fluid, STF）在抛光工艺中的应用。
2. 研究动机：传统抛光浆料的牛顿流体特性导致剪切应力低，材料去除效率受限。而剪切增稠抛光（Shear Thickening Polishing, STP）技术通过STF的非牛顿特性（黏度随剪切速率呈幂律增长）可显著提升表面质量。
3. 研究目标：探究圆柱剪切增稠抛光（Cylindrical STP, CSTP）过程中弹流耦合作用对表面粗糙度的影响机制，建立理论模型并优化工艺参数。

三、研究流程与方法
1. 理论建模
- 弹流动力学模型：结合赫兹接触理论（Hertz Contact）与双平面库埃特流模型（Couette Flow），提出一种耦合弹性变形与流体动力学的数值解法。
- 关键假设：工件为刚性圆柱体，抛光垫为弹性平面；浆料为不可压缩的幂律流体；忽略惯性力和重力影响。
- 创新方法：通过坐标变换将“刚性圆柱-弹性平面”接触问题转化为“弹性圆柱-刚性平面”问题，简化计算（图4）。

1. 实验设计

   • 研究对象：AISI 52100轴承钢圆柱工件（直径22 mm，硬度873 HV），初始表面粗糙度Ra 96 nm。
     
   • 抛光系统：自主搭建的无心抛光机床（图11），含聚氨酯泡沫抛光垫、调节轮和剪切增稠浆料（α-Al₂O₃磨粒+玉米淀粉悬浮液）。
     
   • 正交试验：采用田口方法（Taguchi Method）设计L16(4⁵)正交阵列，考察载荷（10–40 N）、磨粒尺寸（0.5–46 μm）、磨粒浓度（5–20 wt%）、淀粉浓度（10–25 wt%）四因素对表面粗糙度的影响。
     

2. 数据采集与分析

   • 测量设备：白光干涉仪（SuperView W1）检测表面形貌，旋转黏度计（NDJ）测定浆料流变特性。
     
   • 仿真验证：基于MATLAB开发数值算法，求解弹流压力分布、单颗磨粒切削深度（dgc）与表面粗糙度演化模型。
     

四、主要结果
1. 弹流特性与表面粗糙度的关系
- 黏度主导效应：淀粉浓度对表面粗糙度贡献最大（46%），其增加会显著提高浆料黏度（图18），形成更厚的液膜（h₀）和更高的剪切应力（图19-20）。
- 最优工艺参数：载荷10 N、磨粒尺寸1 μm、磨粒浓度20 wt%、淀粉浓度25 wt%时，获得最低表面粗糙度Ra 9.689 nm（图17）。

1. 与传统抛光的差异

   • 压力分布特性：CSTP中切向应力（τzx）远超法向压力（图21），形成“柔性磨具”结构（图3c），通过“簇状相-分散相”动态转换实现高效峰谷去除。
     
   • 单颗磨粒切削机制：切削深度dgc与磨粒尺寸呈正相关，但受黏度调节（图22）。例如，5 μm磨粒在淀粉浓度25 wt%时dgc达34.1 nm，而1 μm磨粒仅21.91 nm（表2）。
     

2. 模型验证

   • 仿真与实验的Ra误差<10%（表2），证实模型可靠性。例如，Test 6的实测Ra 12.89 nm与模拟值12.68 nm吻合。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：首次揭示了CSTP中弹流耦合作用对表面粗糙度的调控机制，为非牛顿流体抛光提供了理论框架。
2. 应用价值：优化参数可直接用于轴承滚子等精密零件的工业化生产，提升加工效率。
3. 行业意义：解决了传统抛光中剪切应力不足的问题，为半导体、光学器件等领域的超精密加工提供新方案。

六、研究亮点
1. 方法创新：提出“弹性变形-流体动力学”耦合解法，攻克了非牛顿流体抛光建模难题。
2. 工艺突破：通过淀粉浓度调控剪切增稠行为，实现纳米级表面粗糙度（Ra<10 nm）。
3. 跨学科性：融合了材料科学（STF流变学）、力学（赫兹接触）与制造工艺（抛光动力学）。

七、其他发现
- 边缘效应抑制：弹性抛光垫的变形可自适应工件几何，避免传统抛光中的边缘材料过度去除（参考文献[19]）。
- 温度无关性：实验证实浆料黏度在20°C–40°C范围内变化%，工艺稳定性高。

该研究通过多尺度建模与实验验证，为精密制造领域提供了一种高效、可控的抛光技术，其理论框架亦可拓展至其他非牛顿流体加工场景。