磁流变微结构动压平面抛光试验研究

董 敏， 路家斌， 潘继生， 阎秋生

(广东工业大学 机电工程学院， 广州 510006)

磁流变抛光是一种综合了电磁学、流体动力学等学科的高效率光学表面加工技术，它利用磁流变液在磁场中的流变特性，形成柔性韧带“斑点”对工件表面进行抛光，特别适合轴对称非球面光学元器件的超精密加工[1-3]。在加工过程中采用“斑点”对工件表面进行扫描式的加工方法，导致加工时间长、效率低，不太适合大面积平面的抛光加工[4-5]。阎秋生等[6]基于磁流变抛光和集群效应的作用机理，提出了集群磁流变平面抛光加工技术，实现了抛光垫与工件表面“面域接触”抛光，获得了原子级表面粗糙度[7-9]。由于抛光盘与工件表面之间平面间隙产生的流体动压作用较弱，材料去除率相对较低。

流体动力学原理[10]也可以用于光学零件的超光滑加工[11-15]。计时鸣等[16]对柱形和槽形抛光工具在加工中的流体动压力与材料去除进行了仿真及试验研究，研究表明：槽形抛光工具有助于增强加工过程中的流体动压力，并通过加工试验得到了粗糙度Ra为21 nm的加工表面。杨淑燕等[17]运用面接触的光干涉润滑膜厚度检测系统,研究了表面凹槽的形状与膜厚变化之间的规律，研究结果表明：表面沟槽样式对楔形区的油膜动压有非常重要的影响。ETSION等[18-19]针对端面密封、活塞环设计等问题，利用激光技术制造了多种表面织构，结果显示：部分表面织构能够十分有效地增加流体动压效应。PANG等[20]运用浮动抛光技术加工轴承的滚道，滚道的曲面误差和表面粗糙度显著降低，有效降低了轴承运转过程中的噪声。彭文强等[21-22]用流体动压超光滑加工方法加工石英玻璃，获得Ra为0.27 nm的超光滑表面。

为了进一步提高集群磁流变平面抛光效率，本研究基于流体动力学原理和磁流变原理，提出一种磁流变微结构动压平面抛光加工技术，即在抛光盘面加工出楔形微结构实现流体动压，再结合磁流变效应形成高效率的平面抛光。因此，设计了几种不同盘面微结构的抛光盘，进行了加工间隙和工件转速工艺试验及抛光力特性试验，研究抛光盘表面不同微结构及工艺参数对磁流变动压平面抛光效果的影响规律。

1 试验原理及装置

1.1 磁流变动压平面抛光原理

根据流体动力学理论[10]，形成流体动压的条件为：(1)抛光盘和工件之间必须形成收敛的楔形间隙；(2)抛光盘和工件之间必须有足够的相对滑动速度，其运动方向必须是流体由大口流进，从小口流出；(3)流体要有一定的黏度。磁流变动压平面抛光原理如图1所示。从图1可知：抛光盘下方分布有小尺寸集群磁铁，抛光盘表面沿圆周方向加工有微结构，抛光盘与工件之间分布有磁流变抛光液，形成抛光液循环系统等。抛光盘表面微结构有孔洞、V形槽、U形槽、矩形槽等形状。当抛光盘和工件旋转时，将产生流体动压力，磁流变液在磁流变效应和流体动压效应的双重作用下，对工件进行高效抛光加工。

图1 磁流变动压平面抛光原理图

1.2 抛光盘结构的设计

磁流变动压平面抛光孔洞结构抛光盘三维模型及4种凹槽微结构设计图如图2所示，并给出了4种微结构尺寸。试验用抛光盘直径198 mm,沿圆周径向均匀分布42条相同凹槽微结构。其中，孔洞结构是不连续的，每条微结构沿径向分布尺寸如图2b所示的8个孔洞(图2a)；V形槽、U形槽、矩形槽3种微结构是连续的，每条微结构沿径向连续分布的尺寸如图2c、图2d、图2e所示的凹槽。由对称性可知，实际抛光状态下盘面每条微结构起相同的作用，因此只需分析盘面下单条结构的情况便可获得磁流变动压平面抛光特性。

1.3 试验装置及条件

通过数控机床改造的磁流变微结构动压平面抛光试验装置如图3所示。为了测试抛光盘表面微结构对流体动压的影响，在机床的主轴上安装有Kislter 9171A旋转式三向测力检测仪，通过装夹盘将工件固定于三向测力检测仪的台面上。当工件靠近抛光盘表面形成微小间隙时，工件挤压磁流变动压效应抛光垫，由此产生对工件表面的抛光压力，由旋转式测力仪可以检测出x、y、z等3个方向的力信号Fx、Fy、Fz。抛光过程中，工件表面所受到的剪切力Ft和正压力Fn可以由式(1)和(2)计算：

(a)孔洞结构抛光盘三维模型

(b)孔洞结构抛光盘

(c)V形结构抛光盘

(d)矩形结构抛光盘

(e)U形结构抛光盘

(1)

Fn=|Fz|

(2)

图4为实际测量的三向(x、y、z)力图。由图4可知：工件刚接触抛光垫时会出现一个较大的峰值信号，随后达到稳定。取抛光力曲线稳定后的最大Fx、Fy、Fz值进行剪切力Ft和正压力Fn的计算。

图3 磁流变动压平面抛光装置

试验条件为：抛光材料为50.8 mm单晶硅片，表面原始粗糙度Ra约为450 nm；抛光盘转速90 r/min；工件转速分别为450 r/min、500 r/min、550 r/min、600 r/min；加工间隙分别为0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm；工件偏摆20 mm；磁流变抛光液组分：铁粉质量分数30%、3 μm的碳化硅磨料质量分数12%。抛光试样在试验前后用去离子水超声清洗干净并吹干，用测量精度0.1 mg 的GB204型精密电子天平称量试样抛光前后的质量,得到质量差值再除以抛光时间(以分钟计)，得到材料去除率。使用Mahr XT20 粗糙度仪测量硅片表面粗糙度，测量结果取5点平均值。由流体动压润滑理论可知[10]:当其他流体条件不变时，所加工工件表面流体动压力分布主要受工件抛光工具相对速度和工件与抛光工具之间间隙的影响，因此选取对磁流变动压平面抛光效果影响最大的加工间隙和工件转速进行抛光试验。

2 试验结果与分析

2.1 加工间隙的影响

在本试验条件下抛光60 min，不同结构抛光盘在不同加工间隙时抛光的材料去除率和表面粗糙度变化规律如图5所示。由图5可知：随着加工间隙增加，不同盘面结构的抛光盘的材料去除率均逐渐减小，工件表面粗糙度均先减小后增大，而不同盘面结构时两者均有差异。V型结构抛光盘材料去除率最高，比常规平面盘的材料去除率提高了25%以上，获得的表面粗糙度也较小；矩形结构抛光盘材料去除率最小，但能够获得最低的表面粗糙度；孔洞结构的抛光盘获得的表面粗糙度最大，但材料去除率较小。在材料去除率方面，各盘面结构的顺序为：V形盘>U形盘>平面盘>孔洞盘>矩形盘。在工件表面粗糙度方面，矩形盘面获得的粗糙度最低，其他盘从低到高顺序依次为V型盘、平面盘、U型盘，孔洞盘的表面粗糙度最高。不同结构盘获得最低表面粗糙度时对应的加工间隙不同，矩形盘、V型盘和平面盘均在间隙1.0 mm处，表面粗糙度分别为4.8 nm、5.1 nm、5.3 nm；而U型盘和孔洞盘在0.9 mm间隙时能得到最低的表面粗糙度6.0 nm和6.8 nm。

(a)材料去除率

(b)表面粗糙度

根据磁流变抛光原理，磁场强度在空间内呈指数级衰减[23]。当加工间隙变大时，工件表面的磁场强度迅速衰减，造成柔性抛光垫施加在工件表面的抛光作用力减小，对磨粒的把持作用减弱，使工件表面的机械去除能力降低，并且增大加工间隙也会使流体动压力减小。图6为不同结构抛光盘在上述试验条件下，不同加工间隙时由测力仪测得的抛光正压力Fn和剪切力Ft的关系图。

(a)正压力Fn

(b)剪切力Ft

综合图5和图6可以看出：当其他加工条件一定时，随着加工间隙的增大，抛光正压力Fn和剪切力Ft均逐渐减小，这和加工间隙对材料去除率的影响规律是一致的。其中，矩形结构抛光盘对应的正压力明显低于其他盘，而对应的剪切力也是所有盘中最小的，此时虽然材料去除率较低，但较小的抛光力不容易使工件表面刮伤，能获得较好的表面质量；V形结构抛光盘的正压力最大，剪切力也较大，这促使抛光机械作用增强，材料去除率升高；较大的剪切力使磨料被磁性离子夹持，对所加工工件的表面产生强制切削，借助于磨料在工件表面的刮擦作用，促使工件表面高低不平的原始痕迹逐渐变得平缓，因此获得的粗糙度也较低。在正压力方面，各盘从大到小的顺序为：V形盘>U形盘>平面盘>孔洞盘>矩形盘。在剪切力方面，U形结构抛光盘和V形结构抛光盘的剪切力明显较大，从大到小依次为U形盘>V形盘>孔洞盘>平盘>矩形盘。结合图5的实验结果，可以看出影响材料去除率的主要因素是抛光正压力。增大抛光压力，增强抛光过程机械作用，材料去除效率将会显著提高。然而，过大的抛光压力会使磨料嵌入到工件表面的深度增加，由此加深工件表面的切削纹路，最终使工件表面质量变差。综合考虑，如果对材料去除率和表面粗糙度都要求较高的话，选择V形结构抛光盘和0.9 mm的加工间隙为宜；如果需要获得最好的表面粗糙度，选择矩形结构抛光盘和1.0 mm的间隙较好；而U形结构抛光盘在间隙0.9 mm时能获得相对较高的材料去除率和相对较低的表面粗糙度；孔洞结构抛光盘和平面盘在间隙1.0 mm时效果较好。

2.2 工件转速的影响

在本试验条件下抛光60 min，不同结构抛光盘在不同工件转速下抛光所得到的材料去除率和表面粗糙度变化如图7所示。从图7a中可以得出：随工件转速不断增加，5种结构抛光盘对应的工件材料去除率均呈逐渐增加趋势。当工件转速在500 r/min至550 r/min之间时，材料去除率增加明显；当工件转速高于550 r/min时，工件材料去除率的变化趋于平稳。而图7b中，工件表面粗糙度则一直呈上升趋势。其中，V形结构抛光盘的材料去除率明显高于其他4种结构抛光盘，且相对应的表面粗糙度也是较低的；矩形结构抛光盘对应的材料去除率最低，但获得的表面粗糙度相对较大。总体上，在材料去除率方面从大到小依次为V形盘>U形盘>平面盘>孔洞盘>矩形盘，和加工间隙对所有结构抛光盘中去除率的影响程度是一致的(图5a)。对于表面粗糙度，其中孔洞结构抛光盘、矩形结构抛光盘、U形结构抛光盘获得的粗糙度值间差异不是很大，但在工件转速较低时的粗糙度明显要高于V形结构抛光盘和平面盘的粗糙度。在工件转速低于550 r/min时，V形结构抛光盘和平面盘的粗糙度升高幅度较小，此时V形结构抛光盘能获得所有其他结构盘中最小的粗糙度(4.6 nm)；当转速高于550 r/min时，2种结构抛光盘对应的表面粗糙度急剧升高，但Ra总体保持在8.0 nm以内，而平面盘能获得所有其他结构盘中最小的粗糙度，约为5.6 nm。总体上，V形结构抛光盘在低转速时(低于550 r/min)，能获得所有结构抛光盘中最高的材料去除效率和最好的表面质量。

(a)材料去除率

(b)表面粗糙度

图8为不同结构抛光盘在本试验条件下，不同工件转速下由测力仪测得的抛光正压力Fn和剪切力Ft的关系曲线。从图8可以看出：在其他加工条件不变的情况下，随着工件转速的提高，抛光正压力和剪切力均呈先增大后减小的变化趋势；平面抛光盘和矩形抛光盘的正压力的变化随工件转速的变化相对较平缓，V形结构抛光盘对应的正压力和剪切力均是最大的，而矩形结构抛光盘对应的抛光正压力和剪切力均最小。对于正压力，矩形结构盘的正压力显著小于其他结构的抛光盘，而孔洞结构抛光盘和U形结构抛光盘对应的正压力相对较大；对于剪切力，V形结构抛光盘和U形结构抛光盘最大，平面盘次之，而孔洞结构抛光盘和矩形结构抛光盘的剪切力最小。

随着工件转速增大，抛光盘与工件间的相对速度增大，造成磁流变抛光液流过抛光加工区域时的速度提高，在抛光加工区域，磁流变抛光液的剪切力变大，因而对所加工材料表面产生了较大的去除。根据Preston方程，材料去除率主要受抛光区压力和相对转速的影响。当工件转速高于550 r/min时，随着工件转速的提高，材料去除率趋于平稳，这是由于此时抛光正压力和剪切力下降，造成了材料去除率没有继续随着工件转速的升高而增大。从流体动力学原理方面考虑，磁流变抛光液速度的不断增加，造成抛光区域所受的流体动压力也随之增加，因此促进了工件材料的去除。随着转速的进一步增加(大于550 r/min)，理论上速度越高产生的流体动压力越大，但过高的速度容易使抛光液飞溅，使加工区域的抛光液量减少，造成加工区域内抛光液不足，材料去除率增加不明显；且过高的速度还会使磨料微粒对工件表面的划擦作用进一步增强，从而增加加工表面划伤的可能性，使加工表面粗糙度增大。综合考虑，对材料去除率和表面粗糙度都要求较高的话，应选V形结构抛光盘；如果要获得最高的材料去除率和相对较低的表面粗糙度，工件转速在550 r/min为宜。

(a)正压力Fn

(b)剪切力Ft

3 结论

(1)微沟槽的形状对工件材料去除率产生较大的影响。同等条件下，不同微结构抛光盘材料去除率从大到小的顺序为V形盘>U形盘>平面盘>孔洞盘>矩形盘；表面有V形、U形沟槽的抛光盘比平面盘材料去除率增大明显，其中V形盘提高了约25%；而矩形沟槽和阵列孔洞的抛光盘，在现有的实验条件下难以提高材料去除率。

(2)增加加工间隙，材料去除率逐渐减小，但表面粗糙度先减小后增大。在加工间隙为0.9～1.0 mm时，能获得较低的表面粗糙度(Ra约4.6 nm)和较大的材料去除率(0.956 mg/min)。

(3)提高工件转速，材料去除率先逐渐增加，当转速大于550 r/min时，材料去除率随着转速的提高趋于平稳，但粗糙度一直呈上升趋势。

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