陳逢軍 尹韶輝 余劍武 徐志強(qiáng)

湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙，410082

磁流變光整加工技術(shù)研究進(jìn)展

陳逢軍 尹韶輝 余劍武 徐志強(qiáng)

湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙，410082

介紹了近年來磁流變光整加工（MRF）技術(shù)的研究狀況及最新進(jìn)展，對(duì)磁流變光整加工機(jī)理研究、加工機(jī)床與相關(guān)裝置的開發(fā)、加工工藝試驗(yàn)研究、加工算法與模型研究、磁流變液流體開發(fā)與應(yīng)用等五個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的綜述與分析。最后探討了磁流變光整加工中的關(guān)鍵技術(shù)與存在的問題，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

磁流變光整加工（MRF）；磁流變液；光學(xué)制造；超精密加工

0 引言

磁流變液具有良好的力學(xué)性能，且易通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因而在航空航天、機(jī)電與汽車工程、土木工程、精密加工工程、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－2］。20世紀(jì)90年代初，美國 Rochester大學(xué)光學(xué)加工中心結(jié)合電磁學(xué)、流體力學(xué)、分析化學(xué)等理論將磁流變液應(yīng)用到機(jī)械精密加工過程，提出了磁流變光整加工（magnetorheological finishing，MRF）技術(shù)，從而開辟了光學(xué)零部件或超精密模芯加工的新途徑［3－6］。

與傳統(tǒng)光學(xué)拋光技術(shù)相比較，MRF加工具有切入量非常小，加工表面潔凈、無刮傷等特點(diǎn)，它是一種可控的、確定性的光整加工技術(shù)。由于光學(xué)零部件與超精密模具的需求量大，而采用MRF工藝能準(zhǔn)確地加工出所需要的超精密部件，因而該技術(shù)的應(yīng)用前景非?？捎^。

本文綜述了近年來國內(nèi)外磁流變光整加工技術(shù)的研究狀況，探討了其中的關(guān)鍵問題，展望了未來發(fā)展方向。

1 磁流變光整加工機(jī)理

1.1 磁流變光整加工原理

典型的MRF加工原理如圖1所示。工件位于運(yùn)動(dòng)輪上方，并與運(yùn)動(dòng)輪有一個(gè)很小的固定安裝距離。位于運(yùn)動(dòng)輪下方（或兩側(cè)）的電磁鐵在運(yùn)動(dòng)輪與工件之間的狹小間隙產(chǎn)生一個(gè)梯度磁場(chǎng)。磁流變液經(jīng)過循環(huán)裝置后，噴射到運(yùn)動(dòng)輪上，被傳送到該匯集間隙附近時(shí)，高梯度磁場(chǎng)使之凝聚、變硬，這樣具有一定運(yùn)動(dòng)速度的黏塑性流體在與工件表面接觸的區(qū)域產(chǎn)生剪切力。調(diào)整工件的旋轉(zhuǎn)速度與角度，可使工件的表面材料被光滑地去除。當(dāng)加工大型光學(xué)零件時(shí)，也可以將運(yùn)動(dòng)輪安裝在工件的上方進(jìn)行加工。

圖1 傳統(tǒng)MRF加工原理

圖2 MRF公自轉(zhuǎn)拋光加工示意圖［7］

清華大學(xué)設(shè)計(jì)了如圖2所示的公自轉(zhuǎn)電磁拋光裝置［7］。圖2中，扇形磁鐵分布于隔磁板的兩側(cè)，一側(cè)磁鐵的N極位于外圓周，另一側(cè)磁鐵的S極位于外圓周。自轉(zhuǎn)軸、磁鐵和磁軛形成一個(gè)閉合磁路，進(jìn)入梯度磁場(chǎng)的磁流變拋光液會(huì)發(fā)生流變形成柔性磨頭，對(duì)工件以公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行拋光。該拋光方法有利于降低工件的表面粗糙度，可在允許范圍內(nèi)加工任意形狀的工件。

路家斌等［8］研究了電磁流變效應(yīng)微磨頭拋光技術(shù)。其拋光原理如圖3所示［9］。錐狀工具電極尖端和工件之間加入具有微細(xì)磨料的電磁流變液，在工具電極與工件之間施加中低壓電場(chǎng)，電力線一端將聚集于工具尖端而另一端終止于工件，由于工具尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，電磁流變液中的微細(xì)磨粒在工具尖端聚集形成一個(gè)由磨粒球團(tuán)構(gòu)成的微小拋光刷，當(dāng)工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，磨粒隨之運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生微磨削作用。

陽志強(qiáng)等［10］設(shè)計(jì)了一種環(huán)帶旋轉(zhuǎn)式磁流變拋光頭。如圖4所示，環(huán)帶線圈中間包含—個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，作為電磁鐵的另一磁極，線圈與邊緣磁極保持固定不動(dòng)，而中心磁極能夠旋轉(zhuǎn)。環(huán)帶磁極由一個(gè)外磁極和環(huán)形凸尖狀的磁極組成。環(huán)形磁極和外磁極同步旋轉(zhuǎn)，從而形成環(huán)帶狀的工作區(qū)域。線圈通電能夠形成環(huán)帶的賓漢姆（Bingham）磁流變體從而對(duì)工件進(jìn)行拋光。

圖3 電磁流變微磨頭拋光［9］

圖4 環(huán)帶旋轉(zhuǎn)磁流變拋光［10］

尹韶輝等［11］開發(fā)出了微小磁性工具頭磁流變斜軸拋光工藝。如圖5所示，拋光頭與工件軸向成一定的角度，拋光工具頭外殼旋轉(zhuǎn)，固定軸裝有勵(lì)磁裝置。工具頭外殼較小，其前端區(qū)域一部分有磁場(chǎng)，另一部分無磁場(chǎng)或弱磁場(chǎng)，便于磁流變液更新。拋光工具頭外殼旋轉(zhuǎn)，磁流體在拋光工具頭與工件間隙處產(chǎn)生高剪切力，從而使材料微量去除。采用斜軸拋光，解決了對(duì)微小非球面光學(xué)零部件及其模具進(jìn)行確定性超精密拋光加工時(shí)產(chǎn)生的干涉問題。

左巍等［12］提出了一種內(nèi)凹面磁流變槽路拋光方法，該方法在凸模上開設(shè)供磁流變液循環(huán)通過的槽路。隨著磁流變加工技術(shù)的應(yīng)用，磁射流拋光技術(shù)也被提出，其原理如圖6所示［13］。混合細(xì)微拋光劑顆粒的磁流變液通過壓力系統(tǒng)吸入泵轉(zhuǎn)換成高壓液體，輸送給安裝在電磁鐵內(nèi)部的采用鐵磁材料制作的噴嘴形成高速射流，被局部軸向磁場(chǎng)穩(wěn)定硬化的磁流變液射流束噴射到一定距離處對(duì)工件表面進(jìn)行拋光，使用過的拋光液經(jīng)過回收裝置過濾后重新回到容器中循環(huán)使用。

圖5 斜軸磁性復(fù)合流體拋光［11］

圖6 磁射流拋光［13］

1.2 磁流變液流變特性

在加工機(jī)理方面，國外研究人員認(rèn)為磁流變光整加工時(shí)，在匯集間隙處產(chǎn)生的“內(nèi)核”會(huì)有效地減小匯集間隙的距離，從而增大剪切力，提高材料的去除率。同時(shí)他們也認(rèn)為Preston系數(shù)與磁流變液的化學(xué)性質(zhì)、磨粒類型、工件類型等有關(guān)，并將摩擦因數(shù)從Preston系數(shù)中分離出來單獨(dú)考慮［14－15］。Jha等［16］在賓漢姆塑性流體、赫歇爾－巴爾克利流體和卡森流體三種模型的基礎(chǔ)上，通過擬合毛細(xì)管磁流變計(jì)的流變數(shù)據(jù)描述磁流變流體的流變行為：因?yàn)榱黧w曲線的非線性，賓漢姆塑性流體不能很好地表征MRF流體，赫歇爾－巴爾克利和卡森流體模型更適合。Sidpara等［17］研究了MR流體流變性能，并利用賓漢姆塑性流體、赫歇爾－巴爾克利流體和卡森流體三種模型來表征磁流體流變行為：赫歇爾－巴爾克利模型更適合用于MR流體建模與分析。阮予明等［18］基于一套剪切工作模式的圓盤－平板結(jié)構(gòu)磁流變裝置，對(duì)磁流變液進(jìn)行了流變性試驗(yàn)，建立了描述磁流變液流變性的本構(gòu)方程。

Kuzhir等［19］研究了磁流變體經(jīng)過軸對(duì)稱孔時(shí)縱向和橫向的磁場(chǎng)效應(yīng)?？v向上的磁場(chǎng)效應(yīng)主要表現(xiàn)為壓力流量曲線的斜率顯著增大，但沒有出現(xiàn)明顯的屈服應(yīng)力，橫向磁場(chǎng)不影響壓力下降。Kciuk等［20］分析了含有羰基鐵（CI）粒子的 MR在外部磁場(chǎng)控制下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性：在外部磁場(chǎng)作用下，磁流體的動(dòng)力黏度可以迅速且可逆地變化。張紅輝等［21］研究了不同激勵(lì)電流和剪切速率條件下的磁流變體的軸對(duì)稱環(huán)狀間隙流動(dòng)：當(dāng)激勵(lì)電流增大時(shí)，磁流變體剛性流動(dòng)區(qū)迅速擴(kuò)大；剪切速度對(duì)剛性流動(dòng)區(qū)的大小也有較大影響，而對(duì)磁流變體黏度的影響較弱。

溫度改變也會(huì)明顯影響磁流變液的物理結(jié)構(gòu)，從而影響其應(yīng)力及黏度。德國的Andreas等［22］利用紅外線相機(jī)對(duì)磁流變加工單元的熱源進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：攪拌電機(jī)導(dǎo)致了流體調(diào)節(jié)器中磁流變液的升溫，從而影響加工質(zhì)量。

1.3 磁流變液粒子作用

美國學(xué)者Simon等［23］認(rèn)為磁流變液是一種分散粒子系統(tǒng)，他們對(duì)在磁場(chǎng)中形成的簇狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模與仿真（圖7）。Jang等［24］通過擴(kuò)展一維模型及考慮多粒子相互作用，建立了一個(gè)新的三維模型：假定每個(gè)粒子周圍有26個(gè)鄰近的粒子，則總內(nèi)能可以通過計(jì)算顆粒之間的磁偶極子相互作用來估計(jì)。該模型考慮了粒子對(duì)粒子和鏈對(duì)鏈能量變化，如圖8所示。Bansevicius等［25］研究了有無磁場(chǎng)作用時(shí)，通過顯微鏡觀察機(jī)械振動(dòng)對(duì)MR的干擾情況。磁性粒子在磁場(chǎng)作用下形成鏈狀伸長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。去掉磁場(chǎng)后，即使低振幅振動(dòng)，這些結(jié)構(gòu)依然保持，需要在消磁作用下振動(dòng)以達(dá)到初始狀態(tài)。

圖7 磁場(chǎng)中形成的簇狀結(jié)構(gòu)［23］

圖8 有無剪切變形下的理想的鏈鎖狀結(jié)構(gòu)［24］

國內(nèi)的李海濤等［26］基于磁偶極子理論，分析了兩個(gè)磁化顆粒處于不同位置時(shí)的受力特點(diǎn)及其相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，證明了鐵磁顆粒間的引力分量和斥力分量是導(dǎo)致顆粒聚集并呈多條并列鏈的主要原因。余淼等［27］基于磁性物理學(xué)理論，建立了磁流變流體中固體顆粒間的一種微觀力學(xué)模型，分析了磁流變流體剪切模量。彭小強(qiáng)等［28］利用標(biāo)量磁位對(duì)磁流變加工中的磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，根據(jù)磁偶極子在磁場(chǎng)空間的受力模型，對(duì)磁性微粉顆粒的受力進(jìn)行了推導(dǎo)，分析了磁流變液形成單一穩(wěn)定緞帶凸起的條件。司鵠等［29］探討了磁流變流體中固體顆粒間的相互作用機(jī)理，通過研究顆粒間的相互作用力建立了相應(yīng)的微觀力學(xué)模型。

1.4 磁場(chǎng)磁路設(shè)計(jì)分析

張學(xué)成等［30］對(duì)磁射流拋光中的磁場(chǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了鐵磁噴嘴頭部形狀對(duì)磁場(chǎng)的影響，并通過ANSYS仿真了結(jié)構(gòu)形狀對(duì)磁場(chǎng)空間特性的影響。李蓓智等［31］根據(jù)磁流變拋光要求設(shè)計(jì)了電磁鐵磁路結(jié)構(gòu)，建立了磁路結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)強(qiáng)度分析模型，獲得了相應(yīng)磁路結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況。郭隱彪等［32］設(shè)計(jì)了 磁流變拋光系統(tǒng)，對(duì)磁流變拋光輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。周虎等［33］討論了磁流變拋光裝置中的磁路設(shè)計(jì)，使拋光區(qū)產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2 磁流變光整加工機(jī)床與設(shè)備

近年來，隨著磁流變光整加工技術(shù)在超精密制造領(lǐng)域的研究與應(yīng)用不斷深入，新的磁流變大小型光學(xué)加工機(jī)及相關(guān)設(shè)備與裝置也在不斷被開發(fā)。

2.1 QED光整加工機(jī)

作為引領(lǐng)者，美國QED公司已經(jīng)成功研制了多臺(tái)多型號(hào)的磁流變機(jī)床［34］。其MRF加工機(jī)Q22－X、Q22－Y和Q22－400X，能對(duì)直徑為100～400mm之間的球面、平面、非球面、棱鏡、圓筒等形狀的光學(xué)部件進(jìn)行精密加工，也適用于棱鏡與圓筒件外形或角度的校正。其拋光面形精度在（λ／4～λ／50）PV（λ為一個(gè)波長(zhǎng)，λ＝632.8nm，PV為高差值）范圍內(nèi)。另外，Q22－400X機(jī)床具有200mm的倒置運(yùn)動(dòng)輪和隱形磁體技術(shù)。該公司最新開發(fā)出來的磁流變光整加工機(jī)主要表現(xiàn)在向光學(xué)制造的兩個(gè)極端化方向（小型化、大型化）發(fā)展：①如圖9所示，小型機(jī)床Q22－XE為QED公司的最新MRF機(jī)床，專用于加工直徑小于80mm的平面、球面、非球面或者凹面半徑在15mm以上的光學(xué)工件，其結(jié)構(gòu)緊湊，適用于任何加工環(huán)境。②大型機(jī)床Q22－750P2與Q22－950F能分別拋光750mm×1000mm與950mm×1250mm的大型光學(xué)零件。其雙輪平臺(tái)提供極好的靈活性：φ370mm的運(yùn)動(dòng)輪具有較高的材料去除率，φ50mm小輪能進(jìn)行微量加工。機(jī)床上配有兩個(gè)可以互換的流體運(yùn)載系統(tǒng)和4組遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置。

圖9 Q22－XE與Q22－750P2機(jī)床

除了加工機(jī)外，QED公司也在不斷地更新其配件，如可增選20mm運(yùn)動(dòng)輪，防止突然斷電的自帶UPS；獨(dú)特的磁密封設(shè)計(jì)，新的磁刮板；CCD定位探針和定位系統(tǒng)，可以減少操作者的主觀性，且能提供拋光帶檢測(cè)，實(shí)時(shí)反饋拋光帶相對(duì)運(yùn)動(dòng)輪的位置。

圖10所示為德國菲博士MSF拋光機(jī)，其功率為150k W，可以加工各種形狀的工件［35］。韓國仁荷大學(xué)的 Kim等［36］研制了如圖11所示的MRF拋光平臺(tái)，并對(duì)BK7玻璃進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，獲得了表面粗糙度Ra為3.8nm的光滑表面。

圖10 德國MSF拋光機(jī)［35］

圖11 韓國拋光平臺(tái)［36］

2.2 國內(nèi)磁流變拋光設(shè)備

國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)也對(duì)磁流變光整加工的試驗(yàn)設(shè)備與裝置進(jìn)行了研究與開發(fā)。清華大學(xué)研制了可以五軸控制的磁流變數(shù)控加工系統(tǒng)MRF110，該系統(tǒng)具有三個(gè)移動(dòng)軸控制和一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)控制，根據(jù)需要可以再附加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸變?yōu)槲遢S控制，并將電刷供電方式應(yīng)用于公自轉(zhuǎn)電磁拋光輪的新型結(jié)構(gòu)中。該機(jī)床在允許范圍內(nèi)能夠加工任意形狀的工件［7］。機(jī)床控制系統(tǒng)包含曲面造型軟件和自動(dòng)編程軟件。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控磁流變光整加工機(jī)床，該機(jī)床由高精度變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)，三軸的單獨(dú)與復(fù)合運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)玻璃和光學(xué)晶體進(jìn)行平面、球面、非球面光學(xué)工件的加工［37］。太原理工大學(xué)利用臺(tái)式鉆床改裝成磁流變光整加工裝置。如圖12所示，該裝置由工件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置、環(huán)形容器及其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置和磁場(chǎng)發(fā)生裝置三大部分組成。其中環(huán)形容器安裝在軸承座上，將軸承座固定在鉆床工作臺(tái)上，然后由減速驅(qū)動(dòng)裝置通過主軸帶動(dòng)環(huán)形容器及研磨液做低速運(yùn)動(dòng)［38］。

圖12 磁流變加工裝置［38］

圖13 KDP磁流變拋光裝置［39］

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)在對(duì)已有的機(jī)床進(jìn)行改造與試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制了加工磷酸二氫鉀（KDP）晶體材料的磁流變拋光裝置。龍門式結(jié)構(gòu)的微小零件加工機(jī)床，包括X軸、Y軸、Z軸進(jìn)給模塊，主軸以及機(jī)床床身。運(yùn)動(dòng)部件X、Y、Z軸以及主軸又通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。磁流變拋光裝置安裝在X軸進(jìn)給模塊的工作臺(tái)上，KDP材料通過夾具安裝在主軸上［39］。其后，謝超等［40］又試制出了可加工1m口徑的MRF設(shè)備KDMRF－1000磁流變拋光機(jī)床，并對(duì)機(jī)床進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)求解，分析了機(jī)床各軸定位精度對(duì)磁流變拋光加工的影響。北京工業(yè)大學(xué)研制了如圖14所示的用于拋光大口徑平面工件的磁流變裝置［41］，在立式機(jī)床結(jié)構(gòu)上采用了兩軸運(yùn)動(dòng)的拋光頭。

圖14 拋光平臺(tái)與兩軸運(yùn)動(dòng)的拋光頭［41］

陽志強(qiáng)等［10］設(shè)計(jì)了一種環(huán)帶旋轉(zhuǎn)式磁流變拋光頭，并采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了仿真。唐恒寧等［11］為解決磁流變拋光較小曲率半徑（φ8mm以下）非球面光學(xué)零件困難和拋光效率不高等問題，開發(fā)出一種基于磁場(chǎng)輔助的磁流變斜軸拋光工藝（圖15），采用微小磁性工具頭斜軸拋光方式。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制了由x、y、z、v、u軸組成的五坐標(biāo)確定性磁射流精整加工平臺(tái)。通過調(diào)整工件運(yùn)動(dòng)的位置以及噴嘴周圍磁場(chǎng)的方向和大小，可控制磁流變液的流變特性，實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件的確定量精密加工［42］。

圖15 磁流變斜軸拋光平臺(tái)［11］。

3 磁流變光整加工工藝試驗(yàn)

磁流變光整加工時(shí)，在正式加工之前要檢測(cè)磁流變液的材料去除能力，同時(shí)需向系統(tǒng)軟件提供工件的初始表面誤差。系統(tǒng)控制軟件對(duì)輸入信息進(jìn)行處理并生成一套機(jī)床加工指令，控制機(jī)床移動(dòng)工件與運(yùn)動(dòng)輪。磁流變液的性能、材料去除能力、加工工藝對(duì)于工件表面質(zhì)量都有很大的影響。

3.1 試驗(yàn)研究

國內(nèi)外對(duì)不同材料的磁流變光整加工試驗(yàn)進(jìn)行了比較深入的研究。對(duì)于K9光學(xué)玻璃材料，程灝波等［42］用初始黏度為0.5Pa·s的磁流變液，結(jié)合公自轉(zhuǎn)組合運(yùn)動(dòng)永磁拋光輪對(duì)工件進(jìn)行了加工試驗(yàn)，分析了加工過程中加工間隙、運(yùn)動(dòng)速度、氧化鈰濃度和拋光時(shí)間對(duì)材料去除特性的影響。對(duì)K9玻璃加工23min后工件表面粗糙度Ra降低至0.6739nm。直徑為60mm的大口徑K9玻璃，加工10min后由初始的Ra＝3.8nm變到Ra＝1.2nm［41］。彭小強(qiáng)等［43］通過實(shí)驗(yàn)得出準(zhǔn)Preston系數(shù)的平均值為K＝1.35×10－11m2／N，通過對(duì)K9玻璃進(jìn)行磁流變加工試驗(yàn)，得到最大去除率為0.4m／min。石峰等［44］采用磁流變拋光機(jī)床KDMRF－1000拋光直徑為100 mm的K9材料平面玻璃進(jìn)行磁流變光整加工。經(jīng)過156min的磁流變粗拋后再進(jìn)行17.5 min磁流變精拋，消除磁流變粗拋產(chǎn)生的拋光紋路，表面粗糙度Ra值可達(dá)0.575nm。清華大學(xué)加工出了表面粗糙度為Rq＝0.76nm的K9光學(xué)元件，其高頻表面粗糙度達(dá)到Rq＝0.471nm，滿足了一定短波段光學(xué)研究的要求［45］。尹韶輝等［46］利用4種不同形狀的拋光頭，對(duì)K9平面玻璃進(jìn)行了磁流變拋光工藝試驗(yàn)。分析了不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁極轉(zhuǎn)速、加工間隙等多種情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：槽型平面拋光頭的拋光效果最好。郭忠達(dá)等［47］研究了磁流變拋光的可塑性問題，利用工藝試驗(yàn)研究彗尾疵病現(xiàn)象的消除方法，在自主設(shè)計(jì)的磁流變拋光裝置上，使K9玻璃表面粗糙度值Rq達(dá)到0.49nm。

對(duì)于BK7玻璃材料，Kim等［36］進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，獲得了表面粗糙度Ra＝3.8nm的表面。Kim等［48］利用磁流變液體與金剛石磨粒對(duì)Si3N4陶瓷進(jìn)行了超精密拋光，在10min內(nèi)表面粗糙度Ra達(dá)到1.012nm。李耀明等［49］利用自行配制的水基磁流變拋光液和拋光樣機(jī)，對(duì)直徑12mm的BK7玻璃零件進(jìn)行加工，拋光后得到理想的表面粗糙度Rq為0.61nm的玻璃工件。周虎等［50］確立了大尺寸光學(xué)元件磁流變拋光工藝。

對(duì)于其他材料，Zuegel等［51］利用MRF工藝對(duì)大口徑Nd：YLF激光棒傳送波陣面的修正進(jìn)行了加工試驗(yàn)，并獲得了較好的效果。Kozhinova等［52］通過改變磁流變液中氧化鋁磨粒與軟羰基鐵的成分，對(duì)采用化學(xué)蒸汽沉積法（CVD）制備的ZnS材料進(jìn)行加工后，其表面粗糙度Rq改善為2nm，形狀精度PV低于20nm。戴一帆等［53］采用磁流變拋光方法對(duì)熱壓多晶氟化鎂材料進(jìn)行拋光，在較短時(shí)間內(nèi)便可獲得Rq＝1.597nm的光滑表面。王貴林等［54］分別采用金剛砂、Al2O3、金剛石拋光粉對(duì)K9玻璃、硬鋁和SiC試件進(jìn)行拋光加工，發(fā)現(xiàn)磁流變加工非金屬時(shí)表面質(zhì)量比較理想，而在長(zhǎng)時(shí)間的加工中磁流變液會(huì)對(duì)金屬表面產(chǎn)生腐蝕作用，從而降低表面粗糙度。李唯東等［55］則提出MRF加工導(dǎo)磁性材料表面的方法，例如利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)加工直徑為30mm的鐵棒，在10min內(nèi)表面粗糙度值下降為原來的65%。張鵬程等［56］對(duì)玻璃工件進(jìn)行微溝槽加工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)液的種類、黏度、含量對(duì)磁流變效應(yīng)微砂輪的加工效果具有決定性的影響。Singh等［57］用球頭型磁流變拋光頭對(duì)磁性材料EN－31平面拋光100min，其表面粗糙度Ra由414.1nm降低到70nm。對(duì)于非磁性材料銅溝槽面，拋光60min后表面粗糙度Ra由336.8nm降低到102nm。德國的Markus等［58］則對(duì)磁流變加工液的使用壽命進(jìn)行了研究，他們利用掃描電鏡對(duì)磁流變液進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)材料去除率呈下降趨勢(shì)，在利用新的流體調(diào)節(jié)器后，磁流變液可以比原來多使用2周以上。

3.2 組合加工

考慮到磁流變光整加工量小、去除精度較高，而ELID磨削能達(dá)到良好的形狀精度與表面粗糙度［59］，因此可以將ELID磨削和磁流變光整加工這兩種技術(shù)相結(jié)合的組合工藝對(duì)CVD法制備的SiC材料進(jìn)行鏡面磨削與拋光實(shí)驗(yàn)［60］，加工后獲得了表面粗糙度Rq為2.4nm的表面，MRF加工后其形狀精度PV由41.3nm提高到21.2nm。兩者相結(jié)合可顯著地提高加工效率。利用該組合工藝同樣可以對(duì)單晶硅反射鏡進(jìn)行加工，從而獲得良好的效果［61］。Das等［62］提出了如圖16所示的磨料流加工（AFM）和磁流變拋光（MRF）相結(jié)合的磁磨料流加工（MRAFF）工藝，提出了相應(yīng)的材料去除和表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，并對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行了拋光，在5A電流條件下，在365次循環(huán)拋光后獲得了表面粗糙度Ra為0.24μm的表面。王慧軍等［63］提出了一種超聲波磁流變復(fù)合加工工藝，圖17所示的拋光工具頭在超聲振動(dòng)的同時(shí)沿自身軸線旋轉(zhuǎn)，拋光頭與工件之間有一可控的間隙用于施加含有一定濃度拋光磨粒的磁流變液，工件自身旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向與拋光工具頭相反，在超聲波磁流變拋光過程中，在拋光區(qū)域產(chǎn)生剪應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)材料去除。

圖16 磁磨料流加工原理［62］

圖17 超聲波磁流變拋光［63］

4 磁流變加工算法與模型的研究

磁流變光整加工采用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)，能對(duì)任意形式的自由曲面進(jìn)行加工。它依靠對(duì)自由曲面型面的反復(fù)檢驗(yàn)并根據(jù)誤差值進(jìn)行修正，形成一個(gè)反復(fù)加工與修正的過程。磁流變光整加工過程中，通過復(fù)雜的算法對(duì)MRF刀具的去除函數(shù)和工件初始表面的誤差函數(shù)進(jìn)行卷積或去卷積運(yùn)算，同時(shí)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)如何修正這些誤差進(jìn)行內(nèi)部處理，并提供一系列的CNC控制指令，從而實(shí)現(xiàn)材料的確定性去除，且同步獲得高質(zhì)量的形狀精度與表面粗糙度。

4.1 誤差修正方法

為提高自由曲面型面加工精度，可以采用分級(jí)的方法對(duì)曲面進(jìn)行誤差修正。而誤差修正的輸入控制量算法對(duì)反復(fù)加工過程的迭代效率及加工出的成品精度影響甚大，國外學(xué)者改從卷積的特性出發(fā)，在頻率域求解輸入控制量［64］。吳鴻鐘等［65］認(rèn)為自由曲面透鏡型面誤差修正本質(zhì)上屬于“解卷積”問題，并通過比較傅里葉變換算法、維納濾波算法和直接算法，得出采用維納濾波算法可獲良好效果的結(jié)論。程灝波等［66，67］則基于有限傅里葉系數(shù)算法構(gòu)建光學(xué)制造中輸入?yún)⒘康那蠼饽Ｐ停馆斎霐?shù)據(jù)更適于實(shí)際加工需要，有效提高了參量求解精度并保證了加工過程的連續(xù)穩(wěn)定。他們也提出磁流變加工非球面表面波像差的相移評(píng)價(jià)算法，通過規(guī)劃表面殘余誤差與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，確定有效消除表面殘余誤差的磁流變加工工藝規(guī)范，并通過試驗(yàn)使非球面曲面的面形精度達(dá)到Rq＝20nm。王飛等［68］為避免在數(shù)控拋光中因采用規(guī)則運(yùn)動(dòng)路徑產(chǎn)生的規(guī)律性高頻誤差，提出基于Kohonen自組織網(wǎng)絡(luò)算法，將小磨頭加工等同于一個(gè)與加工區(qū)域尺度相當(dāng)?shù)奶摂M磨頭在低頻段對(duì)材料進(jìn)行去除加工，有效地防止了高頻誤差的產(chǎn)生。閻秋生等［69］實(shí)驗(yàn)研究了磁感應(yīng)強(qiáng)度、研拋壓力、加工速度及加工時(shí)間等幾個(gè)加工參數(shù)對(duì)集群磁流變效應(yīng)微磨頭平面研拋加工效果的影響，提出了集群磁流變效應(yīng)微磨頭平面研拋加工的材料去除模型。

4.2 駐留時(shí)間算法

孫希威等［70］提出了磁流變加工駐留時(shí)間的算法，定 義 為v1（x）、v2為工件自轉(zhuǎn)速度與運(yùn)動(dòng)輪速度，并將該算法用于球形工件的仿真加工。之后他們又研究了磁流變加工光學(xué)曲面粗、精兩級(jí)插補(bǔ)算法。粗插補(bǔ)算法控制工件的面形，精插補(bǔ)算法采用同步并行轉(zhuǎn)換（PVT）模式，插補(bǔ)誤差小于0.45nm。利用該算法加工K9光學(xué)玻璃，獲得57.911nm PV的面形精度［71］。孫希威等［72］還對(duì)K9光學(xué)玻璃球面進(jìn)行了磁流變拋光試驗(yàn)，通過調(diào)整各拋光點(diǎn)的駐留時(shí)間，獲得了表面粗糙度Ra＝0.636nm的球形表面，面形精度PV值由拋光前的158.219nm 減小到52.14nm［72］。彭小強(qiáng)等［73］將駐留時(shí)間轉(zhuǎn)化為工件自轉(zhuǎn)的整數(shù)圈數(shù)，并且將拋光模對(duì)工件的材料去除效率體現(xiàn)到材料去除矩陣中進(jìn)行計(jì)算，利用非負(fù)最小二乘法求解駐留時(shí)間向量。通過3次迭代加工試驗(yàn)，工件面形精度從8μm 提高到0.5μm 以內(nèi)［73］。石峰等［74］提出了一種光學(xué)零件磁流變加工的駐留時(shí)間計(jì)算方法。該算法以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，將磁流變拋光模對(duì)各控制節(jié)點(diǎn)的材料去除能力體現(xiàn)到去除矩陣中，求解駐留時(shí)間向量。經(jīng)過2次迭代加工后，有效口徑為145mm的球面鏡PV值達(dá)到40.5nm（約為λ／15），表面粗糙度 Ra 值達(dá)到0.57nm。胡皓等［75］將去除函數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化成駐留時(shí)間解算的線性方程組的系數(shù)矩陣，并利用其為稀疏矩陣的特點(diǎn)來進(jìn)行快速迭代計(jì)算，駐留時(shí)間分配到螺旋掃描路徑上以求得整個(gè)路徑上的速度變化。張?jiān)骑w等［76］將駐留時(shí)間反卷積運(yùn)算變換成矩陣運(yùn)算，利用最小二乘逼近和最佳一致逼近等方法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行數(shù)值求解。

4.3 去除模型與軟件

目前是以Preston方程為基礎(chǔ)，即根據(jù)被加工工件表面材料去除率與壓力參數(shù)p成正比的關(guān)系，建立基本的磁流變加工的材料去除數(shù)學(xué)模型。工件表面所受的壓力p主要是由流體動(dòng)壓力、磁場(chǎng)產(chǎn)生的壓力、液體浮力或流體重力壓強(qiáng)三部分組 成，各 壓 力 的 模 型 均 能 簡(jiǎn) 單 得 到［42，45，77］。陳逢軍等［78］在二維壓力與去除模型基礎(chǔ)上建立了拋光的三維方向的去除模型。QED公司擁有最新Q22加工控制軟件，該軟件不僅運(yùn)行速度快，且增加了數(shù)據(jù)庫（保存與調(diào)用拋光參數(shù)與歷史）等功能，從而改善與提高了系統(tǒng)的加工穩(wěn)定與準(zhǔn)確性，另外配置的桌面求解軟件，能進(jìn)行多任務(wù)處理。

5 磁流變流體開發(fā)技術(shù)

5.1 磁流變液體配置

磁流變液一般由磁性羰基鐵（CI）顆粒、水或其他載體形成的基液、使磁性顆粒懸浮在基液中的穩(wěn)定劑及少量的拋光粉等四部分組成。日本的Wu等［79］則將磁性流體與磁流變液混合組成混合型磁性研磨液（MCP），其成分為Fe3O4、Al2O3、鐵粉、煤油等。試驗(yàn)結(jié)果表明該混合液對(duì)改善工件的表面粗糙度有很好的效果。

國內(nèi)的尤偉偉等［80］利用配方（體積比，下同）為35%羰基鐵、55%水、6%氧化鈰、3.5%活性劑和0.5%添加劑配制了磁流變液，并用自行研制的磁流變儀測(cè)得該磁流變液在磁場(chǎng)為600m T，剪切率為110rad／s時(shí)的剪切屈服應(yīng)力為70k Pa。

程灝波等［81］配制的標(biāo)準(zhǔn)油基磁流變液配方為33.84%羰基鐵、57.34%硅油、6%氧化鈰和2.82%穩(wěn)定劑，經(jīng)測(cè)量其黏度達(dá)到0.5Pa·s。仇中軍等［82］則配制了適合于光學(xué)玻璃加工用的磁流變液，它是由微米級(jí)羰基鐵粉、表面活性劑（纖維素鈉）、磨料（氧化鈰）、純凈水、無毒防銹劑和防腐添加劑等組成，其黏度為3.2Pa·s，屈服應(yīng)力為0.42k Pa，密度為2.5g／cm3。張峰等［45］配制了成分為45%羰基鐵（平均直徑100nm）、49%水、3%金剛石微粉（平均直徑250nm）和3%穩(wěn)定劑的磁流變液，其黏度達(dá)到0.9Pa·s。張鵬程等［83］研究了磁流變工作液中添加磨料的種類、含量、粒度對(duì)磁流變效應(yīng)微砂輪加工效果的影響。隨著添加磨料含量增加、粒度增大，磁流變效應(yīng)均被削弱。當(dāng)磨料含量為3%時(shí)溝槽的寬度、深度和材料去除率都達(dá)到最大；當(dāng)磨料粒度為W7時(shí)，加工溝槽的深度和材料去除率最大。陳維清等［84］研究了流體中的表面活性劑的親水－疏水平衡值（HLB）對(duì)表面活性劑的影響。其中聚乙二醇的HLB值為20，有很強(qiáng)的親水性，油酸的HLB值為1，有很強(qiáng)的親油性。Sidpara等［17］通過優(yōu)化研究，配備的磁流變液（成分為38%羥基粒子、4%磨粒、52%去離子水，其余為穩(wěn)定劑和表面活性劑）在0.6T的磁場(chǎng)強(qiáng)度下可以獲得高壓應(yīng)力與黏度。

5.2 磁流變液體性能分析

姚金光等［85］采用球磨機(jī)球磨分散的方法制備磁流變液。隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，磁流變液的黏度表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。魏齊龍等［86］采用共溶膠－凝膠法制備了具有高穩(wěn)定性的水基磁流變液，用于硅酸鹽玻璃的磁流變拋光，獲得的復(fù)合羰基鐵粉具有核－殼復(fù)合結(jié)構(gòu)和親水性表面基團(tuán)，抗氧化性能顯著提高。孔亞男等［87］以改進(jìn)的磁流變液制備工藝，以羰基鐵粉為軟磁性顆粒，以專用減振液為母液，并對(duì)其零場(chǎng)黏度、懸浮穩(wěn)定性和剪切屈服強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試和分析。另外，為了改善與提高磁流變流體的性能，現(xiàn)在已逐漸開始研究納米磁流變液。李長(zhǎng)江等［88］采用共沉淀法制備平均粒徑10nm的Fe3O4磁性粒子，它可以增強(qiáng)磁流變液中羰基鐵粒子在載液中的分散效果，從而改善磁流變液的沉降穩(wěn)定性。

5.3 磁流變液體工業(yè)應(yīng)用

磁流變液被認(rèn)為是未來最具有前途的智能材料之一，具有良好的力學(xué)性能，易控制，應(yīng)用廣泛。利用磁流變效應(yīng)開發(fā)的磁流變液裝置的工作模式可分為流動(dòng)模式、剪切模式和擠壓模式。利用磁流變液可以開發(fā)液壓閥、阻尼器、驅(qū)動(dòng)器、離合器、制動(dòng)器和夾緊裝置等。而阻尼器可用于汽車懸置系統(tǒng)、高層建筑的半主動(dòng)控制和柔性夾緊裝置等方面。Hong等［89］利用硅樹脂油基的壓縮磁流變液（CMR）制成自動(dòng)懸浮壓桿，其彈力與阻尼力能被檢測(cè)并比較。Maganiti等［90］對(duì)磁流變液制動(dòng)器系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與預(yù)控，并對(duì)其在負(fù)載中的隔振行為進(jìn)行了模擬。Adnrzej［91］利用磁流變制動(dòng)器減少由于負(fù)載改變而引起的伺服驅(qū)動(dòng)速度的跳躍變化。磁流變還可以用于傳動(dòng)與控制、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?？梢灶A(yù)測(cè)，在未來的幾十年中，磁流變技術(shù)必將引起工業(yè)技術(shù)上的巨大變革。

6 磁流變光整加工技術(shù)關(guān)鍵問題

與傳統(tǒng)的表面光整加工相比，磁流變光整加工法具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于磁流變液化磁場(chǎng)中具有流變性，故采用該方法可以加工具有復(fù)雜表面的工件，且形狀精度好，表面粗糙度也能得到改善。由于加工時(shí)工件不會(huì)承載過大的正壓力，工件表面潔凈、無損傷。我國磁流變光整加工技術(shù)的研究開發(fā)與國外相比還有一定差距，目前存在的關(guān)鍵問題為：

（1）磁流變光整加工新工藝新原理開發(fā)。目前急需以磁場(chǎng)輔助加工為基礎(chǔ)，針對(duì)小口徑（特別是5mm以下口徑）的曲面或者微型面形開發(fā)出效率高、可控性強(qiáng)的磁流變光整加工工藝與方法，以解決當(dāng)前無法有效地對(duì)小口徑曲面進(jìn)行磁流變光整加工的難題。

（2）磁流變光整加工確定性去除模型的建立。目前的研究都是從Preston方程出發(fā)，將工件所受的壓力分為幾個(gè)部分，分開計(jì)算后進(jìn)行疊加。在建立材料去除模型時(shí)都簡(jiǎn)單地從二維方向去考慮，沒有從三維方向深入考慮模型。有必要采用合理的磁流變流體動(dòng)力模型，建立一個(gè)普遍的、統(tǒng)一的確定性去除模型系統(tǒng)。

（3）磁流變液加工的加工微機(jī)理的深入研究。當(dāng)前只能通過改變各種磁流變液成分與配比來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)其整體加工與物理性能、靜態(tài)微觀結(jié)構(gòu)可以檢測(cè)與觀察，但是對(duì)于動(dòng)態(tài)加工過程中其微觀結(jié)構(gòu)、性能的變化無法直接分析，因此對(duì)加工微機(jī)理只能進(jìn)行定性的宏觀分析。有必要從磁流變液動(dòng)態(tài)微結(jié)構(gòu)方面來深入研究，從而定量分析其加工機(jī)理。

（4）磁流變光整加工修正控制。在完全確定去除函數(shù)與修正函數(shù)的基礎(chǔ)上，如何控制加工軸的各種運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)確定量的去除，必須考慮到去除函數(shù)與修正函數(shù)的算法關(guān)系。采用合理的材料去除率與駐留時(shí)間的關(guān)系算法，利用正確的多軸控制加工模型，從而實(shí)現(xiàn)磁流變的光整加工與修正。另外，對(duì)MRF加工的CAD／CAM軟件的開發(fā)目前還是空白。

（5）磁流變光整加工的磁流變液的開發(fā)。如何開發(fā)出合理的磁流變液也是光整加工中有效獲得高質(zhì)量表面、提高材料去除率的關(guān)鍵問題。需要從磁流變效應(yīng)、剪切能力、高飽和磁化強(qiáng)度、沉降穩(wěn)定性和分散性等方面來配制合適的流變液。同時(shí)磁流變液在加工過程中的黏度自動(dòng)控制技術(shù)也有待研究。

（6）磁流變光整加工的在線檢測(cè)。對(duì)于MRF加工后的工件表面測(cè)量，目前主要是對(duì)加工后的工件進(jìn)行離線檢測(cè)，這樣在一定程度上會(huì)影響加工的效率、工件的自動(dòng)補(bǔ)償精度及工件表面質(zhì)量。因此MRF在線檢測(cè)與自動(dòng)補(bǔ)償加工技術(shù)的開發(fā)也是關(guān)鍵問題之一。

7 展望

磁流變光整加工技術(shù)是未來最具前途的光學(xué)精密加工方法之一，具有節(jié)能、環(huán)保、綠色及智能化等特點(diǎn)。光學(xué)產(chǎn)品制造商可以利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)，以合理的成本，制造出高精密的球面及非球面的光學(xué)零件，從而提升加工效率與產(chǎn)品質(zhì)量，最終獲得可觀的利潤(rùn)。磁流變光整加工正向微型化（幾毫米以下小口徑）和大型化（幾米以上口徑）的光學(xué)零件制造的方向發(fā)展，加工的形狀精度與表面粗糙度要求將會(huì)越來越高，而且將會(huì)加工更多不同形狀與材料的光學(xué)與超精密部件，甚至向加工具有導(dǎo)磁性的金屬材料發(fā)展。磁流變光整加工技術(shù)將來在提升超精密加工的準(zhǔn)確度、加工效率，擴(kuò)大與縮小光學(xué)組件加工口徑，以及磁流變液的研發(fā)過程中會(huì)不斷發(fā)展與完善，成為超精密加工方法與技術(shù)的主流。

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New Progresses on Magnetorheological Finishing（MRF）Technology

Chen Fengjun Yin Shaohui Yu Jianwu Xu Zhiqiang
National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding，Hunan University，Changsha，410082

The latest progresses on development and research of MRF in recent years were introduced.The machining mechanism，small and large processing machines and related equipment，machining technology and processing experiment，processing algorithm and model，development technology of magnetorheological fluid were summarized and analyzed in details.Some key technologies and the problems of MRF were discussed，and the future research direction was prospected.

magnetorheological finishing（MRF）；magnetorheological fluid；optics manufacture；ultra－precision machining

TG66；TG16

1004—132X（2011）19—2382—11

2010—12—01

國家科技重大專項(xiàng)（2010ZX04001－151）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50975084）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（531107040410）

（編輯 盧湘帆）

陳逢軍，男，1979年生。湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心微納制造研究所講師。研究方向?yàn)槌苘囅鳎ハ鳎帕髯児庹庸づc控制。發(fā)表論文20篇。尹韶輝，男，1967年生。湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心教授、博士研究生導(dǎo)師。余劍武，男，1968年生。湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心教授。徐志強(qiáng)，男，1984年生。湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心博士研究生。