磁流變拋光技術發展

沙樹靜， 胡錦飛， 張和權

（長春工業大學 機械工程學院，長春 130000）

0 引言

近年來，由于超精密產品在利基工業上的應用，其需求大幅增加。先進的工業生產需要納米級的表面粗糙度，而傳統的精加工方法無法生產所需的表面特性，因為它們在加工過程中對應力控制是有限的，而且會在表面上留下細微的裂紋和殘余應力[1]。磁流變液作為一種智能材料，具有優良的特性：磁場作用時瞬間固化，其剪切力發生數量級的變化；撤銷磁場時瞬間成為流體。磁流變拋光（MRF）就是基于這種特性而發展起來的，它起初用于玻璃的拋光，但在其他材料上的應用也有報道[2]。磁流變拋光具有加工精度高、表面粗糙度小、表面損傷小、力可精確控等優點，因而成為超精密拋光技術，具有廣闊的應用前景。

本文對與磁流變拋光相關的一些理論和實驗進行了分析和總結，并對其未來發展做了預測。

1 磁流變拋光理論

磁流變液是一種由磁性粒子（羥基鐵粉）和礦物油、水等非磁性液體組成的混合液，其流變性能隨外加磁場而發生變化。在磁場作用下，液體中的磁性粒子磁化形成鏈狀結構[3]，這種現象稱為磁流變效應（MR effect），它能夠可逆地在固體狀態和液體狀態之間發生轉化[4]。由于這種轉化，磁流變液的黏度和剛度等流體特性隨外加磁場強度的增強而增強。用磁流變液體作為拋光介質，需要加入合適的磨粒，這些磨粒附著在磁性粒子上，如圖1所示。

在磁流變拋光中，通過磁流變液流體流動產生的流體動力來實現材料的去除，如圖2所示。與傳統拋光相比，拋光力是通過可以精確控制的表面剪切應力提供的[5]。為了進一步與傳統拋光進行比較，Kordonski等[6]提出了磁流變拋光材料去除的剪切模型，如圖3所示，磁流變液被轉動輪從右帶到左，在拋光區域與工件表面接觸。高剪切強度的薄層接近工件表面，這種強剪切力能夠使非磁性磨粒拋光工件。流體的黏度、速度、磁場大小和工件位置決定了剪切應力的分布和大小，這些是可以高精度控制的。剪切力主要起微觀切削的作用。

圖1 磁性顆粒簇狀構造的形成

Zafar Alam、Sunil Jha[1]建立了球頭型磁流變拋光的二體磨損和三體磨損模型以及體心立方結構模型如圖4所示，在此基礎上分析單個磨粒上的法向力和剪切力，再通過力的模型建立材料去除模型和表面粗糙度模型。

圖2 磁流變拋光原理示意圖

圖3 磁流體接觸區

圖4 磨損模型

2 主要拋光設備

專門研發用磁流變液拋光的設備主要有美國QED公司設計生產的一系列MRF Polishing Products，如Q-FLEX 100、Q-FLEX 300、Q22-750、Q22-950 等[7]，其部分主要性能介紹如下:

1)Q-FLEX 100系統提供MRF拋光的所有優良性能，擁有模塊化和生產準備平臺的靈活性和可重復性，可以更智能地進行制造，光柵和旋轉拋光可加工的工件尺寸可達100 mm×100 mm（根據幾何形狀可加工更大尺寸的工件）。

2）Q-FLEX 300展現前所未有的制造能力，特別是對于難以加工的球體和自由曲面?；贛RF性能，Q-flex 300采用新一代制造技術，提高了靈活性和重復性。拋光光學元件尺寸可達300 mm。

3）Q22-750系列可配置滿足加工的特定應用，機器可提供許多不同的平臺選項，包括1~2個運動輪和5個運動軸。Q22-750P2將MRF測量能力擴展到大型平面光學器件，尺寸可達750 mm×1000 mm。

4）Q22-950的旋轉軸上有一個370 mm直徑的拋光輪，用于拋光平面球體和非球面以及自由曲面光學元件。一臺機器可以拋光自由曲面光學元件尺寸可達1 m，并且精度高。

此外還有其他拋光設備，如清華大學的五軸磁流變拋光系統[8]，哈爾濱工業大學的三軸數控拋光設備[9]，國防科學技術大學對機床的改裝設備[10]等。

3 磁流變拋光實驗

國內外對基于磁流變拋光對不同材料都進行了拋光實驗。J W Lee、K B Kim等[11]使用微MR流體噴射研磨系統研究了形狀質量的分析方法和微金字塔模型的微毛刺去除。圖5為其開發的MR流體噴射拋光系統；圖6為微金字塔模型。他們測量出微金字塔模型的高度，用來研究毛刺產生和去毛刺效果，3 s后，黃銅的去毛刺過程完成了，而鎳在5 s后就完成了。測得去毛刺處理后的微金字塔模型的高度：黃銅的為18.87 μm，鎳的為19.21 μm。

由于氧化性原因羥基鐵粉在磁流變液中遭到腐蝕，對拋光產生不利影響，J W Lee等[12]解決了這個問題。他們在磁流變液中加入甲基丙烯酸（PMMA）來保護羥基鐵粉，并對BK7光學玻璃進行拋光，最后得到較好的表面質量,粗糙度到達Ra0.86 nm。

曼徹斯特大學的Chunlin Miao等[13]研究了拋光參數對硼硅酸鹽玻璃材料去除的影響。他們發現剪切應力與納米金剛石粉濃度，滲透深度，磁場強度和部件與旋轉MR流體緞帶之間的相對速度無關，而主要由材料的力學性能決定。體積去除率（VRR）隨滲透深度增加而對磁場強度不敏感。正如Preston方程所預期的，VRR與緞帶和工件之間的相對速度密切相關。

圖5 MR流體噴射拋光系統

圖6 微觀切削的金字塔模型

印度的Mahendra Niranjan等[14]設計了采用球形磁流變拋光（MRF）工具使用雙分散磁流變拋光液拋光獲得納米級工件表面和無缺陷表面的方案。在給定的加工條件下，對低碳鋼拋光30 min，發現在最大屈服應力和黏度下，雙分散磁流變拋光液拋光時的表面粗糙度降低的百分率比單分散磁流變拋光液拋光的要高。

K.Saraswathamma等[15]研究了用球頭磁流變拋光硅的拋光液的流變特性。發現拋光液的性能主要取決于其成分的大小和形狀、體積濃度、粒度分布和施加的磁場強度。場誘導屈服應力和黏度等流變性能是羥基鐵粉顆粒尺寸和通量密度直接相關的函數。

Anant Kumar Singh等[16]設計和開發了用球頭磁流變拋光三維表面的納米級拋光工藝。拋光100 min，鐵磁性工件（flat EN31）的表面粗糙度從Ra414.1 nm逐漸降到Ra70 nm，而對于非鐵磁性溝槽（銅）表面粗糙度在拋光60 min后從Ra336.8 nm降到Ra102 nm。從而證明這種拋光工藝能夠加工在鐵磁性和非鐵磁性平面和溝槽面加工出納米級表面。

Manas Das、V.K.Jain等[17-18]分析了磁流變磨料流拋光工藝，如圖7所示。提出了磁流變拋光液中磁性和磨料顆?；旌衔锏奈⒂^結構和在外加磁場下計算磨粒上的法向力，提出了材料去除和表面粗糙度的預測模型，表面粗糙度隨電流和拋光循環次數的增加而降低，通過實驗證明了理論結果和實驗結果具有一致性。

R.Gheisari等[19]用磁流變拋光工藝研究了圓柱面鋁的超精加工。粗糙度值隨著拋光時間的增加而降低，到達臨界值（實驗中為90 min）之后再增加拋光時間對粗糙度值沒有什么改變。

Jongwon Seok等[20]研究了使用磁流變拋光硅基微結構曲面的拋光方法。用響應面法（RSM）預測工件曲面的輪廓和表面粗糙度，并證明了當工件尺寸減小時邊緣效應變得極為重要，這對用于制造毫米級結構的曲面有積極作用。

Ajay Sidpara和V.K.Jain[21]研究了磁流變液的流變特性以及它和拋光表面的關系。屈服應力和黏度隨磁性粒子的百分比和磁場強度的增加而增加，其值越高，材料的去除率越高，甘油濃度對屈服應力和黏度的影響可以忽略。存在最優水平的屈服應力和黏度使表面粗糙度降低以獲得鏡面光潔度。在磨粒濃度為5、羥基鐵粉濃度為40、甘油濃度為8和磁場為0.5 T的情況下對硅毛坯進行拋光，表面粗糙度從Ra1090 nm減到Ra=8 nm。

Dong-Woo Kim等[22]研究了用含金剛石磨粒的磁流變液對碳化硅陶瓷進行了超精密拋光。在拋光時間為10 min、電流為2 A、拋光輪轉速為300 r/min的情況下，獲得很好的表面粗糙度Ra1.012 nm。

彭小強[23]對磁流變液的配制以及拋光參數進行了研究。通過對磁流變液的組分進行研究，選擇合適配比配置出水基磁流變拋光液，并研制拋光樣機，最后對直徑為60 mm的BK7工件進行了拋光實驗，得到面型精度RMS 0.66 nm，經過面型修整使面型精度從8 μm減少到0.5 μm。白楊[24]研究了磁流變拋光液的研制及去除函數穩定性,研究了用于硅改性層拋光的磁流變拋光液，分析了加入拋光粉含量濃度對去除函數的影響，最后對硅改性后的表面進行了拋光得到面形精度RMS為λ/50（λ=632.8 nm）。

袁志剛等[25]研究了磁流變數控拋光技術，研究了拋光工藝軟件、加工算法和拋光機床的運動，最后對大口徑方形非球面元件進行拋光得到PV值為λ/3。張占立、張運瑞等[26]研究了氮化硅陶瓷滾子磁流變與超聲波復合拋光技術。通過實驗得出金剛石拋光粉對拋光實驗效果較好，在超聲復合拋光技術對陶瓷滾子拋光1 h后其表面粗糙度為Ra 0.025 μm。

陳偉等[27]研究了電火花線切割型腔模具的磁流變拋光。經過磁流變拋光后切割的型腔表面粗糙度值由Ra2.761 μm降低到Ra0.463μm。

劉志軍等[28]研究了光學元件拋光亞表面損傷。通過磁流變拋光石英亞表面塑性劃痕由初始的18 nm降到4 nm，從而證明磁流變拋光能夠降低亞表面損傷的作用；謝超等[29]研究了機床定位精度對磁流變拋光的影響。他們分析了 KDMRF-1000拋光機床各軸的定位精度對拋光元件質量的影響，并通過實驗經行驗證，球面鏡的面型精度RMS由0.086λ降到0.013λ。

陳智利等[30]設計出環帶式磁流變拋光裝置。用該裝置拋光φ100 mm的K9玻璃，在加工40 min后，表面粗糙度降到Ra1 nm。楊建國等[31]研究了精密磁流變拋光裝置的設計與應用。用經過優化的實驗裝置拋光φ83 mm的BK9平面玻璃得到為Ra 0.702 nm。

4 展望

隨著磁流變拋光研究開發的深入，將來能加工工件的尺寸范圍會逐漸變寬，從微型工件到大型工件皆能在一個拋光系統上進行，加工后的表面粗糙度、面型精度等會越來越高，以滿足制造業對超精密元件的需求。對磁流變拋光進行軟件控制，類似于數控銑床，通過精細的程序控制近似均勻的力而進行粗加工和精加工，從而生產出表面損傷低、精度高的元件，同時通過在線檢測平臺直接篩選出不合格元件，實現磁流變拋光的自動化、批量化的生產。

圖7 磁流變磨料流拋光示意圖