磁流变抛光技术发展

沙树静， 胡锦飞， 张和权

（长春工业大学 机械工程学院，长春 130000）

0 引言

近年来，由于超精密产品在利基工业上的应用，其需求大幅增加。先进的工业生产需要纳米级的表面粗糙度，而传统的精加工方法无法生产所需的表面特性，因为它们在加工过程中对应力控制是有限的，而且会在表面上留下细微的裂纹和残余应力[1]。磁流变液作为一种智能材料，具有优良的特性：磁场作用时瞬间固化，其剪切力发生数量级的变化；撤销磁场时瞬间成为流体。磁流变抛光（MRF）就是基于这种特性而发展起来的，它起初用于玻璃的抛光，但在其他材料上的应用也有报道[2]。磁流变抛光具有加工精度高、表面粗糙度小、表面损伤小、力可精确控等优点，因而成为超精密抛光技术，具有广阔的应用前景。

本文对与磁流变抛光相关的一些理论和实验进行了分析和总结，并对其未来发展做了预测。

1 磁流变抛光理论

磁流变液是一种由磁性粒子（羟基铁粉）和矿物油、水等非磁性液体组成的混合液，其流变性能随外加磁场而发生变化。在磁场作用下，液体中的磁性粒子磁化形成链状结构[3]，这种现象称为磁流变效应（MR effect），它能够可逆地在固体状态和液体状态之间发生转化[4]。由于这种转化，磁流变液的黏度和刚度等流体特性随外加磁场强度的增强而增强。用磁流变液体作为抛光介质，需要加入合适的磨粒，这些磨粒附着在磁性粒子上，如图1所示。

在磁流变抛光中，通过磁流变液流体流动产生的流体动力来实现材料的去除，如图2所示。与传统抛光相比，抛光力是通过可以精确控制的表面剪切应力提供的[5]。为了进一步与传统抛光进行比较，Kordonski等[6]提出了磁流变抛光材料去除的剪切模型，如图3所示，磁流变液被转动轮从右带到左，在抛光区域与工件表面接触。高剪切强度的薄层接近工件表面，这种强剪切力能够使非磁性磨粒抛光工件。流体的黏度、速度、磁场大小和工件位置决定了剪切应力的分布和大小，这些是可以高精度控制的。剪切力主要起微观切削的作用。

图1 磁性颗粒簇状构造的形成

Zafar Alam、Sunil Jha[1]建立了球头型磁流变抛光的二体磨损和三体磨损模型以及体心立方结构模型如图4所示，在此基础上分析单个磨粒上的法向力和剪切力，再通过力的模型建立材料去除模型和表面粗糙度模型。

图2 磁流变抛光原理示意图

图3 磁流体接触区

图4 磨损模型

2 主要抛光设备

专门研发用磁流变液抛光的设备主要有美国QED公司设计生产的一系列MRF Polishing Products，如Q-FLEX 100、Q-FLEX 300、Q22-750、Q22-950 等[7]，其部分主要性能介绍如下:

1)Q-FLEX 100系统提供MRF抛光的所有优良性能，拥有模块化和生产准备平台的灵活性和可重复性，可以更智能地进行制造，光栅和旋转抛光可加工的工件尺寸可达100 mm×100 mm（根据几何形状可加工更大尺寸的工件）。

2）Q-FLEX 300展现前所未有的制造能力，特别是对于难以加工的球体和自由曲面。基于MRF性能，Q-flex 300采用新一代制造技术，提高了灵活性和重复性。抛光光学元件尺寸可达300 mm。

3）Q22-750系列可配置满足加工的特定应用，机器可提供许多不同的平台选项，包括1~2个运动轮和5个运动轴。Q22-750P2将MRF测量能力扩展到大型平面光学器件，尺寸可达750 mm×1000 mm。

4）Q22-950的旋转轴上有一个370 mm直径的抛光轮，用于抛光平面球体和非球面以及自由曲面光学元件。一台机器可以抛光自由曲面光学元件尺寸可达1 m，并且精度高。

此外还有其他抛光设备，如清华大学的五轴磁流变抛光系统[8]，哈尔滨工业大学的三轴数控抛光设备[9]，国防科学技术大学对机床的改装设备[10]等。

3 磁流变抛光实验

国内外对基于磁流变抛光对不同材料都进行了抛光实验。J W Lee、K B Kim等[11]使用微MR流体喷射研磨系统研究了形状质量的分析方法和微金字塔模型的微毛刺去除。图5为其开发的MR流体喷射抛光系统；图6为微金字塔模型。他们测量出微金字塔模型的高度，用来研究毛刺产生和去毛刺效果，3 s后，黄铜的去毛刺过程完成了，而镍在5 s后就完成了。测得去毛刺处理后的微金字塔模型的高度：黄铜的为18.87 μm，镍的为19.21 μm。

由于氧化性原因羟基铁粉在磁流变液中遭到腐蚀，对抛光产生不利影响，J W Lee等[12]解决了这个问题。他们在磁流变液中加入甲基丙烯酸（PMMA）来保护羟基铁粉，并对BK7光学玻璃进行抛光，最后得到较好的表面质量,粗糙度到达Ra0.86 nm。

曼彻斯特大学的Chunlin Miao等[13]研究了抛光参数对硼硅酸盐玻璃材料去除的影响。他们发现剪切应力与纳米金刚石粉浓度，渗透深度，磁场强度和部件与旋转MR流体缎带之间的相对速度无关，而主要由材料的力学性能决定。体积去除率（VRR）随渗透深度增加而对磁场强度不敏感。正如Preston方程所预期的，VRR与缎带和工件之间的相对速度密切相关。

图5 MR流体喷射抛光系统

图6 微观切削的金字塔模型

印度的Mahendra Niranjan等[14]设计了采用球形磁流变抛光（MRF）工具使用双分散磁流变抛光液抛光获得纳米级工件表面和无缺陷表面的方案。在给定的加工条件下，对低碳钢抛光30 min，发现在最大屈服应力和黏度下，双分散磁流变抛光液抛光时的表面粗糙度降低的百分率比单分散磁流变抛光液抛光的要高。

K.Saraswathamma等[15]研究了用球头磁流变抛光硅的抛光液的流变特性。发现抛光液的性能主要取决于其成分的大小和形状、体积浓度、粒度分布和施加的磁场强度。场诱导屈服应力和黏度等流变性能是羟基铁粉颗粒尺寸和通量密度直接相关的函数。

Anant Kumar Singh等[16]设计和开发了用球头磁流变抛光三维表面的纳米级抛光工艺。抛光100 min，铁磁性工件（flat EN31）的表面粗糙度从Ra414.1 nm逐渐降到Ra70 nm，而对于非铁磁性沟槽（铜）表面粗糙度在抛光60 min后从Ra336.8 nm降到Ra102 nm。从而证明这种抛光工艺能够加工在铁磁性和非铁磁性平面和沟槽面加工出纳米级表面。

Manas Das、V.K.Jain等[17-18]分析了磁流变磨料流抛光工艺，如图7所示。提出了磁流变抛光液中磁性和磨料颗粒混合物的微观结构和在外加磁场下计算磨粒上的法向力，提出了材料去除和表面粗糙度的预测模型，表面粗糙度随电流和抛光循环次数的增加而降低，通过实验证明了理论结果和实验结果具有一致性。

R.Gheisari等[19]用磁流变抛光工艺研究了圆柱面铝的超精加工。粗糙度值随着抛光时间的增加而降低，到达临界值（实验中为90 min）之后再增加抛光时间对粗糙度值没有什么改变。

Jongwon Seok等[20]研究了使用磁流变抛光硅基微结构曲面的抛光方法。用响应面法（RSM）预测工件曲面的轮廓和表面粗糙度，并证明了当工件尺寸减小时边缘效应变得极为重要，这对用于制造毫米级结构的曲面有积极作用。

Ajay Sidpara和V.K.Jain[21]研究了磁流变液的流变特性以及它和抛光表面的关系。屈服应力和黏度随磁性粒子的百分比和磁场强度的增加而增加，其值越高，材料的去除率越高，甘油浓度对屈服应力和黏度的影响可以忽略。存在最优水平的屈服应力和黏度使表面粗糙度降低以获得镜面光洁度。在磨粒浓度为5、羟基铁粉浓度为40、甘油浓度为8和磁场为0.5 T的情况下对硅毛坯进行抛光，表面粗糙度从Ra1090 nm减到Ra=8 nm。

Dong-Woo Kim等[22]研究了用含金刚石磨粒的磁流变液对碳化硅陶瓷进行了超精密抛光。在抛光时间为10 min、电流为2 A、抛光轮转速为300 r/min的情况下，获得很好的表面粗糙度Ra1.012 nm。

彭小强[23]对磁流变液的配制以及抛光参数进行了研究。通过对磁流变液的组分进行研究，选择合适配比配置出水基磁流变抛光液，并研制抛光样机，最后对直径为60 mm的BK7工件进行了抛光实验，得到面型精度RMS 0.66 nm，经过面型修整使面型精度从8 μm减少到0.5 μm。白杨[24]研究了磁流变抛光液的研制及去除函数稳定性,研究了用于硅改性层抛光的磁流变抛光液，分析了加入抛光粉含量浓度对去除函数的影响，最后对硅改性后的表面进行了抛光得到面形精度RMS为λ/50（λ=632.8 nm）。

袁志刚等[25]研究了磁流变数控抛光技术，研究了抛光工艺软件、加工算法和抛光机床的运动，最后对大口径方形非球面元件进行抛光得到PV值为λ/3。张占立、张运瑞等[26]研究了氮化硅陶瓷滚子磁流变与超声波复合抛光技术。通过实验得出金刚石抛光粉对抛光实验效果较好，在超声复合抛光技术对陶瓷滚子抛光1 h后其表面粗糙度为Ra 0.025 μm。

陈伟等[27]研究了电火花线切割型腔模具的磁流变抛光。经过磁流变抛光后切割的型腔表面粗糙度值由Ra2.761 μm降低到Ra0.463μm。

刘志军等[28]研究了光学元件抛光亚表面损伤。通过磁流变抛光石英亚表面塑性划痕由初始的18 nm降到4 nm，从而证明磁流变抛光能够降低亚表面损伤的作用；谢超等[29]研究了机床定位精度对磁流变抛光的影响。他们分析了 KDMRF-1000抛光机床各轴的定位精度对抛光元件质量的影响，并通过实验经行验证，球面镜的面型精度RMS由0.086λ降到0.013λ。

陈智利等[30]设计出环带式磁流变抛光装置。用该装置抛光φ100 mm的K9玻璃，在加工40 min后，表面粗糙度降到Ra1 nm。杨建国等[31]研究了精密磁流变抛光装置的设计与应用。用经过优化的实验装置抛光φ83 mm的BK9平面玻璃得到为Ra 0.702 nm。

4 展望

随着磁流变抛光研究开发的深入，将来能加工工件的尺寸范围会逐渐变宽，从微型工件到大型工件皆能在一个抛光系统上进行，加工后的表面粗糙度、面型精度等会越来越高，以满足制造业对超精密元件的需求。对磁流变抛光进行软件控制，类似于数控铣床，通过精细的程序控制近似均匀的力而进行粗加工和精加工，从而生产出表面损伤低、精度高的元件，同时通过在线检测平台直接筛选出不合格元件，实现磁流变抛光的自动化、批量化的生产。

图7 磁流变磨料流抛光示意图