微槽的超聲振動輔助磁性復(fù)合流體拋光工藝研究

魏久翔， 姜 晨， 劉 劍

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

微槽結(jié)構(gòu)作為微型元器件中常見的結(jié)構(gòu)，在微電子、生物醫(yī)學(xué)及航空航天等領(lǐng)域得到廣泛使用[1]。對于微尺寸零件，由于表面粗糙度而產(chǎn)生的摩擦力影響更為顯著[2]。對于微流控元器件，表面粗糙度會直接影響流體的流動性[3]。微槽型通道反應(yīng)器是氫燃料電池制氫系統(tǒng)的核心元件之一[4]，微槽底部的表面質(zhì)量和精度影響了反應(yīng)器中流體的流動穩(wěn)定性。高質(zhì)量的微槽能夠有效地延長燃料電池壽命，提高電池輸出功率。然而，傳統(tǒng)的拋光方式存在加工效率低、加工過程不可控以及容易產(chǎn)生表面損傷等缺點(diǎn)。因此，迫切需要一種能夠針對提高微槽表面質(zhì)量的新型高效光整加工技術(shù)。

如今面向微結(jié)構(gòu)工件的拋光技術(shù)研究在不斷深入。Jang 等[5]利用激光微量拋光技術(shù)對316L 型不銹鋼的2 個(gè)不同形狀表面進(jìn)行拋光；對于傾斜或彎曲的表面，分別使得表面粗糙度降低了56.4%和57.3%。Tsai 等[6]利用磨料水射流拋光對SKD61型模具鋼微槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行拋光處理，使表面粗糙度Ra從0.24 μm 下降到0.06 μm。Guo 等[7]采用磁場輔助光整加工方法對微流控芯片中的鋁合金彎曲微結(jié)構(gòu)模具進(jìn)行拋光，表面粗糙度從0.37 μm 下降到0.11 μm。

MCF(magnetic compound fluid)拋光最早由Shimada 等[8]提出。MCF 結(jié)合了磁流變液(magnetorheological fluid，MRF) 和 磁 流 體(magnetic fluid，MF)的優(yōu)點(diǎn)[9]，具有拋光液粘度可保持連續(xù)、無級變化，加工過程高效可控，對元件表面和亞表面幾乎無損傷的優(yōu)勢[10]。由于MCF 拋光液粘度可控的特點(diǎn)，適合對微槽進(jìn)行光整加工。此外，通過引入超聲振動進(jìn)一步改善微槽底部的拋光效果。

超聲振動能夠提高加工性能，目前被廣泛應(yīng)用于輔助加工過程[11-12]。與其他拋光方式相比，UMCF(ultrasonic-vibration-assisted magnetic compound fluid)拋光作為一種較為新穎的超精密加工技術(shù)，具有切削力小、切削熱低、加工穩(wěn)定、加工效率高、能夠適應(yīng)各類復(fù)雜表面的特點(diǎn)[13]。作為一項(xiàng)新型光學(xué)精密加工技術(shù)，國內(nèi)對于UMCF拋光的研究較少。

本文根據(jù)表面接觸理論分析UMCF 拋光的改善作用，通過試驗(yàn)探究UMCF 拋光加工微槽底部的拋光效果；進(jìn)而研究不同參數(shù)下MCF 拋光和UMCF 拋光對微槽的表面形貌、去除率和表面粗糙度的變化規(guī)律，獲得最佳拋光參數(shù)。

1 超聲振動輔助磁性復(fù)合流體拋光原理

MCF 拋光過程中，帶有磨粒的拋光液在動態(tài)磁場作用下形成柔性拋光膜，隨著拋光輪的轉(zhuǎn)動對工件進(jìn)行微銑削去除[14]。試驗(yàn)中的拋光液成分包括微納米級羰基鐵粉、α-纖維素、氧化鋁拋光粉和去離子水。UMCF 拋光原理如圖1 所示。UMCF拋光加工示意圖如圖2 所示。

圖2 UMCF 拋光加工示意圖Fig. 2 Diagram of UMCF polishing

圖1 為UMCF 拋光基本原理。在外加磁場的作用下，MCF 中的磁性顆粒迅速從自由狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠卮帕€方向的鏈狀結(jié)構(gòu)，形成柔性拋光膜。氧化鋁拋光顆粒在纖維素的作用下懸浮在拋光膜最外層，隨著拋光輪轉(zhuǎn)動對表面形成切削作用。拋光顆粒在超聲振動的影響下動能增加，拋光均勻性得到顯著改善。

圖1 UMCF 拋光原理Fig. 1 Measurement method of UMCF polishing

根據(jù)表面接觸基礎(chǔ)理論的Cassie 模型，對UMCF 拋光過程進(jìn)行分析。如圖3(a)所示，Cassie模型指出，當(dāng)液體接觸固體表面時(shí)，固體表面的凹坑（微槽底部空隙）處會留下少許空氣，導(dǎo)致液體無法和固體表面充分貼合。

圖3 MCF 與微槽表面接觸示意圖Fig.3 Schematic diagram of surface contact of MCF and microgrooves

磁性復(fù)合流體與微槽工件接觸時(shí)，MCF 拋光膜與微槽底部之間形成一層氣膜。根據(jù)Young-Laplace 方程[15]：

式中：△p表示液面內(nèi)外壓力差；γ為表面張力；r1，r2為接觸兩表面的曲率。

如圖3(b)所示，微量的氣體相對于MCF 形成凸面相；此時(shí)凸面相為氣相，凹面相為液相，凸面相的壓力高于凹面相[16]。因此，產(chǎn)生壓力差△p，使得帶有拋光顆粒的柔性拋光膜不能很好地同工件表面貼合，從而影響MCF 中的拋光顆粒對微槽底部的作用效果。

通過超聲振動的作用，破壞了MCF 與微槽結(jié)構(gòu)之間的氣膜，使得拋光液中的拋光顆粒能夠?qū)Σ鄣走M(jìn)行更好的去除作用。此外，超聲振動的加入使得拋光顆粒獲得更大的動能，提高了拋光效率，進(jìn)一步提高了拋光均勻性。

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用316L 型不銹鋼微槽，微槽相關(guān)參數(shù)如圖4 所示。

圖4 微槽工件Fig. 4 Microgrooved workpiece

自行搭建的UMCF 拋光裝置如圖5 所示，超聲振子產(chǎn)生軸向超聲振動，拋光輪位于超聲振子上方，微槽工件利用石蠟與超聲振子固定。

圖5 UMCF 拋光試驗(yàn)裝置Fig. 5 UMCF polishing experimental setup

MCF 拋光液參數(shù)和試驗(yàn)參數(shù)如表1 和表2所示。

表1 MCF 拋光液參數(shù)Tab.1 Composition of MCF slurry

表2 拋光試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Parameters of polishing

3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 超聲振動對微槽底部拋光效果

由Young-Laplace 方程可知，微槽結(jié)構(gòu)會影響壓力差的作用。為了探究超聲振動對拋光微槽底部的影響，在槽寬為1 mm 的條件下，設(shè)定微槽寬深比k對不同結(jié)構(gòu)微槽進(jìn)行初步研究。式中：w表示微槽的槽寬；h為微槽的槽深。

圖6 表明，隨著寬深比的提高，UMCF 拋光后槽底表面粗糙度下降并趨于平緩。當(dāng)寬深比為4 時(shí)，UMCF 拋光后微槽底部表面粗糙度下降到0.403 μm。這表明超聲振動改善了MCF 拋光微溝槽底部的光整效果；此外，UMCF 拋光能夠顯著降低寬深比k=4，5 的溝槽底部表面粗糙度。由于寬深比越大，越接近平面，因此，選擇適合UMCF 拋光的最小寬深比k=4 的微槽工件進(jìn)行后續(xù)研究。

圖6 微槽底部表面粗糙度Fig. 6 Surface roughness of the bottom surface

3.2 微槽表面形貌

根據(jù)前面的試驗(yàn)結(jié)果，超聲振動加入后，微槽底部表面粗糙度有明顯降低。圖7 為MCF 和UMCF 拋光微槽表面的掃描電鏡圖像，通過對比SEM 圖像可以看出，超聲振動改善了MCF 拋光對微槽底部的光整效果，得到了較好的底部表面形貌。

圖7 MCF 和UMCF 拋光微槽掃描電鏡圖像Fig.7 Scanning electron microscope image of the microgrooves in MCF and UMCF

在金相顯微鏡(AOSVI，M230-21BLC)下觀察工件的表面形貌。在圖8 中，UMCF 拋光微槽底部的效果相對于MCF 拋光有顯著提高。在圖9中，UMCF 拋光后微槽頂部表面劃痕明顯減少。這表明在超聲振動作用下，拋光顆粒切向運(yùn)動，使得拋光顆粒對表面作用更加均勻。

圖8 MCF 和UMCF 拋光槽底表面形貌Fig.8 Surface topography of the bottom surface in MCF and UMCF

圖9 MCF 和UMCF 拋光槽頂表面形貌Fig. 9 Surface topography of the top surface in MCF and UMCF

圖10 采用超景深顯微鏡（基恩士VHK-500）拍攝微槽三維形貌。通過比較拋光前、后表面形貌，UMCF 拋光對微槽底部表面質(zhì)量有明顯提高，并且對微槽結(jié)構(gòu)沒有造成明顯破壞。

圖10 MCF 和UMCF 拋光微槽三維形貌Fig.10 3D topography microscope image of the microgrooves in MCF and UMCF

3.3 表面粗糙度

3.3.1 槽頂表面粗糙度

圖11 表明不同條件下MCF 拋光和UMCF 拋光后微槽頂部表面粗糙度Ra的變化。在圖11(a)中，當(dāng)拋光輪轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)，UMCF 拋光微槽頂部Ra達(dá)到最小值。在圖11(b)和11(c)中，微槽頂部Ra隨著拋光時(shí)間和拋光間隙的提高呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。UMCF 拋光3 min 后效果顯著提高，5 min 時(shí)微槽頂部Ra達(dá)到最小值。兩種拋光方式下，當(dāng)拋光間隙為2 mm 時(shí)，微槽頂部Ra最小，此時(shí)拋光效果最好。在圖11(d) 中，羰基鐵粉的粒徑超過20 μm 后，微槽頂部Ra下降趨勢減緩；當(dāng)羰基鐵粉粒徑為48 μm 時(shí)效果最佳。圖11(e)表明，隨著超聲振幅的提高，拋光液的損失加劇，微槽頂部Ra增加。

圖11 MCF 和UMCF 拋光槽頂表面粗糙度Fig.11 Surface roughness of the top surface in MCF and UMCF

在不同加工條件下，相比于MCF 拋光，UMCF拋光后微槽頂部表面粗糙度更低。由此表明UMCF拋光進(jìn)一步改善了微槽頂部的表面質(zhì)量。

3.3.2 槽底表面粗糙度

圖12 表明不同條件下MCF 拋光和UMCF 拋光后微槽底部表面粗糙度Ra的變化。在圖12(a)中，MCF 拋光后微槽底部Ra隨拋光輪轉(zhuǎn)速的增加而降低。UMCF 拋光后，微槽底部的表面粗糙度在拋光輪轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)達(dá)到最小值。圖12(b)中，UMCF 拋光5 min 后，微槽底部的表面粗糙度達(dá)到最小值并且變化趨于平緩。圖12(c)中，MCF拋光后微槽底部Ra隨著拋光間隙的增加而增加；當(dāng)拋光間隙為2.5 mm 時(shí)，微槽底部Ra為3.7 μm，這表明此時(shí)MCF 拋光幾乎沒有去除作用。而在UMCF 拋光中，當(dāng)拋光間隙為2 mm 時(shí)，微槽底部Ra達(dá)到最小值。在圖12(d)中的兩種拋光方式下，隨著羰基鐵粉的粒徑的增大，微槽底部Ra呈現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)羰基鐵粉粒徑為48 μm 時(shí)，UMCF拋光后微槽底部Ra為MCF 拋光后微槽底部Ra的1/4。圖12(e)表明，隨著超聲振幅的提高，拋光液的損失加劇，微槽底部Ra增加。

圖12 MCF 和UMCF 拋光槽底表面粗糙度Fig.12 Surface roughness of the bottom surface in MCF and UMCF

在不同加工條件下，UMCF 拋光后微槽底部表面粗糙度達(dá)到0.403 μm，而MCF 拋光后微槽底部表面粗糙度為1.219 μm。由此表明，MCF 拋光很難對微槽底部產(chǎn)生光整效果，而UMCF 拋光顯著改善了微槽底部表面質(zhì)量。

3.4 材料去除率

圖13 表明不同條件下兩種拋光方式對微槽的材料去除率MRR。在圖13(a) 中，UMCF 拋光下的MRR隨著拋光輪轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢，當(dāng)拋光輪轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)MRR最大。在圖13(b)和13(c)中，在兩種拋光方式下，MRR隨著拋光時(shí)間和拋光間隙的增加而減少。在圖13(d)中，在兩種拋光方式下，MRR均隨著羰基鐵粉粒徑的增大而增大。圖13(e)表明，超聲振幅超過15 μm 時(shí)，MRR下降。

圖13 MCF 和UMCF 拋光材料去除率Fig.13 Material removal rate in MCF and UMCF

UMCF 拋光微槽時(shí)，去除率高于MCF 拋光。由此表明，超聲振動的作用顯著提高了拋光加工效率。

4 結(jié) 論

針對微槽底部進(jìn)行MCF 和UMCF 拋光工藝研究。通過試驗(yàn)探究超聲振動對MCF 拋光微槽底部的改善效果，得到不同條件下的微槽表面形貌、微槽表面粗糙度和去除率。結(jié)果如下：

a.對于不同結(jié)構(gòu)的微槽，超聲振動對MCF 拋光微槽底部產(chǎn)生不同的影響：當(dāng)寬深比k=4 時(shí)，頻率為19 kHz，振幅為5 μm 的超聲振動對MCF拋光微槽底部的影響最顯著。

b.超聲振動改善了MCF 拋光不銹鋼微槽工件的表面質(zhì)量。在UMCF 拋光下，微槽底部表面粗糙度隨著拋光輪轉(zhuǎn)速和拋光時(shí)間的增加而降低并趨于平緩，隨著羰基鐵粉粒徑的增加而降低，當(dāng)羰基鐵粉粒徑為48 μm 時(shí)，表面粗糙度取得最小值。隨著超聲振幅的增大，表面質(zhì)量降低。當(dāng)拋光間隙為2 mm 時(shí)，表面粗糙度取得最小值，表面質(zhì)量較高。此外，超聲振動顯著提高了MCF 拋光微槽的材料去除率。

c.試驗(yàn)得到UMCF 拋光微槽的最優(yōu)參數(shù)：當(dāng)羰基鐵粉粒徑為48 μm，拋光時(shí)間為5 min，拋光輪轉(zhuǎn)速為500 r/min，拋光間隙為2 mm，振幅為5 μm時(shí)，UMCF 拋光后微槽頂部表面粗糙度Ra達(dá)到0.217 μm；槽底表面粗糙度為0.403 μm，去除率為4.74 mg/min。