磁流變拋光技術(shù)發(fā)展

沙樹(shù)靜， 胡錦飛， 張和權(quán)

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130000）

0 引言

近年來(lái)，由于超精密產(chǎn)品在利基工業(yè)上的應(yīng)用，其需求大幅增加。先進(jìn)的工業(yè)生產(chǎn)需要納米級(jí)的表面粗糙度，而傳統(tǒng)的精加工方法無(wú)法生產(chǎn)所需的表面特性，因?yàn)樗鼈冊(cè)诩庸み^(guò)程中對(duì)應(yīng)力控制是有限的，而且會(huì)在表面上留下細(xì)微的裂紋和殘余應(yīng)力[1]。磁流變液作為一種智能材料，具有優(yōu)良的特性：磁場(chǎng)作用時(shí)瞬間固化，其剪切力發(fā)生數(shù)量級(jí)的變化；撤銷(xiāo)磁場(chǎng)時(shí)瞬間成為流體。磁流變拋光（MRF）就是基于這種特性而發(fā)展起來(lái)的，它起初用于玻璃的拋光，但在其他材料上的應(yīng)用也有報(bào)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(yōu)點(diǎn)，因而成為超精密拋光技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文對(duì)與磁流變拋光相關(guān)的一些理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展做了預(yù)測(cè)。

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(chǎng)而發(fā)生變化。在磁場(chǎng)作用下，液體中的磁性粒子磁化形成鏈狀結(jié)構(gòu)[3]，這種現(xiàn)象稱為磁流變效應(yīng)（MR effect），它能夠可逆地在固體狀態(tài)和液體狀態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)化[4]。由于這種轉(zhuǎn)化，磁流變液的黏度和剛度等流體特性隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)。用磁流變液體作為拋光介質(zhì)，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(guò)磁流變液流體流動(dòng)產(chǎn)生的流體動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的去除，如圖2所示。與傳統(tǒng)拋光相比，拋光力是通過(guò)可以精確控制的表面剪切應(yīng)力提供的[5]。為了進(jìn)一步與傳統(tǒng)拋光進(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)輪從右?guī)У阶?，在拋光區(qū)域與工件表面接觸。高剪切強(qiáng)度的薄層接近工件表面，這種強(qiáng)剪切力能夠使非磁性磨粒拋光工件。流體的黏度、速度、磁場(chǎng)大小和工件位置決定了剪切應(yīng)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(gòu)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(jié)構(gòu)模型如圖4所示，在此基礎(chǔ)上分析單個(gè)磨粒上的法向力和剪切力，再通過(guò)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(qū)

圖4 磨損模型

2 主要拋光設(shè)備

專門(mén)研發(fā)用磁流變液拋光的設(shè)備主要有美國(guó)QED公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(tǒng)提供MRF拋光的所有優(yōu)良性能，擁有模塊化和生產(chǎn)準(zhǔn)備平臺(tái)的靈活性和可重復(fù)性，可以更智能地進(jìn)行制造，光柵和旋轉(zhuǎn)拋光可加工的工件尺寸可達(dá)100 mm×100 mm（根據(jù)幾何形狀可加工更大尺寸的工件）。

2）Q-FLEX 300展現(xiàn)前所未有的制造能力，特別是對(duì)于難以加工的球體和自由曲面。基于MRF性能，Q-flex 300采用新一代制造技術(shù)，提高了靈活性和重復(fù)性。拋光光學(xué)元件尺寸可達(dá)300 mm。

3）Q22-750系列可配置滿足加工的特定應(yīng)用，機(jī)器可提供許多不同的平臺(tái)選項(xiàng)，包括1~2個(gè)運(yùn)動(dòng)輪和5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。Q22-750P2將MRF測(cè)量能力擴(kuò)展到大型平面光學(xué)器件，尺寸可達(dá)750 mm×1000 mm。

4）Q22-950的旋轉(zhuǎn)軸上有一個(gè)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(xué)元件。一臺(tái)機(jī)器可以拋光自由曲面光學(xué)元件尺寸可達(dá)1 m，并且精度高。

此外還有其他拋光設(shè)備，如清華大學(xué)的五軸磁流變拋光系統(tǒng)[8]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的三軸數(shù)控拋光設(shè)備[9]，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)對(duì)機(jī)床的改裝設(shè)備[10]等。

3 磁流變拋光實(shí)驗(yàn)

國(guó)內(nèi)外對(duì)基于磁流變拋光對(duì)不同材料都進(jìn)行了拋光實(shí)驗(yàn)。J W Lee、K B Kim等[11]使用微MR流體噴射研磨系統(tǒng)研究了形狀質(zhì)量的分析方法和微金字塔模型的微毛刺去除。圖5為其開(kāi)發(fā)的MR流體噴射拋光系統(tǒng)；圖6為微金字塔模型。他們測(cè)量出微金字塔模型的高度，用來(lái)研究毛刺產(chǎn)生和去毛刺效果，3 s后，黃銅的去毛刺過(guò)程完成了，而鎳在5 s后就完成了。測(cè)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(duì)拋光產(chǎn)生不利影響，J W Lee等[12]解決了這個(gè)問(wèn)題。他們?cè)诖帕髯円褐屑尤爰谆┧幔≒MMA）來(lái)保護(hù)羥基鐵粉，并對(duì)BK7光學(xué)玻璃進(jìn)行拋光，最后得到較好的表面質(zhì)量,粗糙度到達(dá)Ra0.86 nm。

曼徹斯特大學(xué)的Chunlin Miao等[13]研究了拋光參數(shù)對(duì)硼硅酸鹽玻璃材料去除的影響。他們發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力與納米金剛石粉濃度，滲透深度，磁場(chǎng)強(qiáng)度和部件與旋轉(zhuǎn)MR流體緞帶之間的相對(duì)速度無(wú)關(guān)，而主要由材料的力學(xué)性能決定。體積去除率（VRR）隨滲透深度增加而對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度不敏感。正如Preston方程所預(yù)期的，VRR與緞帶和工件之間的相對(duì)速度密切相關(guān)。

圖5 MR流體噴射拋光系統(tǒng)

圖6 微觀切削的金字塔模型

印度的Mahendra Niranjan等[14]設(shè)計(jì)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(jí)工件表面和無(wú)缺陷表面的方案。在給定的加工條件下，對(duì)低碳鋼拋光30 min，發(fā)現(xiàn)在最大屈服應(yīng)力和黏度下，雙分散磁流變拋光液拋光時(shí)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(fā)現(xiàn)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(chǎng)強(qiáng)度。場(chǎng)誘導(dǎo)屈服應(yīng)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(guān)的函數(shù)。

Anant Kumar Singh等[16]設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了用球頭磁流變拋光三維表面的納米級(jí)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(duì)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(jí)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(jié)構(gòu)和在外加磁場(chǎng)下計(jì)算磨粒上的法向力，提出了材料去除和表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型，表面粗糙度隨電流和拋光循環(huán)次數(shù)的增加而降低，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間的增加而降低，到達(dá)臨界值（實(shí)驗(yàn)中為90 min）之后再增加拋光時(shí)間對(duì)粗糙度值沒(méi)有什么改變。

Jongwon Seok等[20]研究了使用磁流變拋光硅基微結(jié)構(gòu)曲面的拋光方法。用響應(yīng)面法（RSM）預(yù)測(cè)工件曲面的輪廓和表面粗糙度，并證明了當(dāng)工件尺寸減小時(shí)邊緣效應(yīng)變得極為重要，這對(duì)用于制造毫米級(jí)結(jié)構(gòu)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(guān)系。屈服應(yīng)力和黏度隨磁性粒子的百分比和磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，其值越高，材料的去除率越高，甘油濃度對(duì)屈服應(yīng)力和黏度的影響可以忽略。存在最優(yōu)水平的屈服應(yīng)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(chǎng)為0.5 T的情況下對(duì)硅毛坯進(jìn)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(duì)碳化硅陶瓷進(jìn)行了超精密拋光。在拋光時(shí)間為10 min、電流為2 A、拋光輪轉(zhuǎn)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(qiáng)[23]對(duì)磁流變液的配制以及拋光參數(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)磁流變液的組分進(jìn)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(jī)，最后對(duì)直徑為60 mm的BK7工件進(jìn)行了拋光實(shí)驗(yàn)，得到面型精度RMS 0.66 nm，經(jīng)過(guò)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(shù)穩(wěn)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(duì)去除函數(shù)的影響，最后對(duì)硅改性后的表面進(jìn)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(shù)控拋光技術(shù)，研究了拋光工藝軟件、加工算法和拋光機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，最后對(duì)大口徑方形非球面元件進(jìn)行拋光得到PV值為λ/3。張占立、張運(yùn)瑞等[26]研究了氮化硅陶瓷滾子磁流變與超聲波復(fù)合拋光技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出金剛石拋光粉對(duì)拋光實(shí)驗(yàn)效果較好，在超聲復(fù)合拋光技術(shù)對(duì)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(jīng)過(guò)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(xué)元件拋光亞表面損傷。通過(guò)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(jī)床定位精度對(duì)磁流變拋光的影響。他們分析了 KDMRF-1000拋光機(jī)床各軸的定位精度對(duì)拋光元件質(zhì)量的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)行驗(yàn)證，球面鏡的面型精度RMS由0.086λ降到0.013λ。

陳智利等[30]設(shè)計(jì)出環(huán)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(guó)等[31]研究了精密磁流變拋光裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)的深入，將來(lái)能加工工件的尺寸范圍會(huì)逐漸變寬，從微型工件到大型工件皆能在一個(gè)拋光系統(tǒng)上進(jìn)行，加工后的表面粗糙度、面型精度等會(huì)越來(lái)越高，以滿足制造業(yè)對(duì)超精密元件的需求。對(duì)磁流變拋光進(jìn)行軟件控制，類似于數(shù)控銑床，通過(guò)精細(xì)的程序控制近似均勻的力而進(jìn)行粗加工和精加工，從而生產(chǎn)出表面損傷低、精度高的元件，同時(shí)通過(guò)在線檢測(cè)平臺(tái)直接篩選出不合格元件，實(shí)現(xiàn)磁流變拋光的自動(dòng)化、批量化的生產(chǎn)。

圖7 磁流變磨料流拋光示意圖