姜 晨，張 瑞，郝 宇

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

微納加工是實現(xiàn)零件微、納米量級幾何特征成形的加工技術，加工對象包括毫米、微米和納米量級微小零件或零件的微、納米級幾何結構[1-2]。作為前沿加工技術，微納加工在現(xiàn)代先進制造技術領域占有舉足輕重的地位，因此，它也一直是高等工程教育中機械制造類課程的重要教學內容。由于大部分傳統(tǒng)微納加工設備作為高精密裝置，價格昂貴、操作復雜、對加工環(huán)境要求苛刻，如光刻機、離子束加工設備、原子力顯微鏡等，極大地限制了相關設備在微納加工實驗教學中的廣泛應用。如何解決微納加工技術在“精密加工技術”等機械制造類課程實驗教學中的設備應用瓶頸問題，是機械制造專業(yè)領域和工程教育專業(yè)領域共同關注的技術性難題。

磁性復合流體（magnetic compound fluid，MCF）是一種磁介質，由磁性顆粒（微納米級鐵粉）、磨料、植物纖維素（增加黏稠度）及基液（水或煤油）組成[3-4]。在永磁場的作用下，MCF能夠形成具有黏稠性的Bing ham流體拋光頭。由于MCF拋光頭與工件之間形成的是軟接觸，即所謂的柔性拋光，代替?zhèn)鹘y(tǒng)拋光中的散粒磨粒，能實現(xiàn)對工件表面形貌自適應的微納去除[5-6]。因此，相對于傳統(tǒng)各類超精密拋光方法，MCF具有實現(xiàn)微納結構表面材料可控微去除的技術潛力。同時，MCF中各成分的材料價格適中，拋光工藝對設備結構復雜度要求低，除了能夠作為一種經濟的微納加工制造技術外，MCF拋光也極為適合應用于面向微納加工的實驗教學演示。該應用將能夠增強相關專業(yè)學生對微納加工技術的直觀認識，促進其對機械制造領域復雜工程問題的理解[7]，使得機械制造類課程實驗教學過程更加符合“工程教育”的培養(yǎng)目標[8]，推動機械制造專業(yè)實驗裝備技術發(fā)展，為“新工科”背景下高等工程教育的實驗教學建設提供硬件升級[9-10]。

1 實驗裝置設計

根據微納加工特點，需要把微小尺度范圍的零件形貌變化可控地展現(xiàn)在教學過程中，如微結構表面；通過可控加工改變表面形貌特征，如微觀幾何形貌。首先根據MCF能夠利用磁性附著在拋光工具上的特點，以拋光輪驅動MCF旋轉的不同幾何面區(qū)分，設計端面式和圓周面式兩種基本拋光方式。圖1和圖2分別為MCF拋光原理及拋光機構。

圖1 MCF拋光原理Fig.1 MCF polishing principle

圖1（a）為端面式MCF拋光原理，永磁鐵以偏心距e固定于磁鐵盤下方，載液板固定于永磁鐵下δ處，用于附著MCF，轉速為nt。永磁鐵以轉速nc旋轉，產生繞主軸旋轉磁場。圓周面式MCF拋光原理如圖1（b）所示，MCF拋光輪由左右兩片環(huán)形擋板和中間環(huán)形磁鐵構成，環(huán)形磁鐵繞水平軸旋轉形成動態(tài)磁場。當一定質量MCF引入拋光輪和工件的工作間隙Δ時，MCF磁化形成磁性簇，變成黏稠狀。兩種機構的MCF在加工區(qū)域內部結構如圖1（c）和1（d）所示，受磁力和重力的綜合作用，MCF中大部分非磁性磨料向下移動聚集于MCF下表面。在動態(tài)磁場的作用下，MCF中的磨料和工件表面之間產生相對運動，從而發(fā)揮微切削作用，實現(xiàn)材料去除。

圖2（a）為設計的端面式MCF拋光裝置基本結構，主軸1帶動永磁鐵轉動，主軸2通過皮帶帶動套筒下的載液板相對永磁鐵逆方向轉動，MCF受磁鐵磁力吸附在載液板下方，受旋轉磁場驅動變成半凝固狀拋光頭。如圖2（b）所示，圓周面式拋光裝置的結構包括電機、主軸、拋光輪等。拋光輪中間是環(huán)形永磁鐵，加工時通過電機帶動拋光輪旋轉，從而形成旋轉磁場驅動MCF在加工區(qū)域流動，實現(xiàn)材料去除。

2 微納結構表面光整加工實驗

利用MCF實現(xiàn)微結構表面形貌自適應的微結構加工，從而驗證MCF可以作為一種微納加工手段，改變微結構表面微觀粗糙度，且不破壞微結構本身幾何形狀。

2.1 實驗流程

選擇H26 黃銅工件（尺寸20 mm×20 mm×10 mm），采用二維橢圓超聲振動與精密伺服驅動進給相結合的微結構切削方法，在工件表面預先加工出周期為40 μm左右的微溝槽條紋[11-12]。

如圖3所示，MCF拋光流程包括：配比拋光液、拋光頭成形、拋光加工、試件清洗、試件測試。a.配比拋光液：利用高精度電子秤，將磁性顆粒、磨粒、水、α纖維素按照一定比例配置成拋光液，并用攪拌器充分攪拌，使磨粒分布均勻；b.拋光頭成形：主軸以低速帶動磁鐵轉動，將攪拌均勻的拋光液加到載液區(qū)域，旋轉逐步使拋光頭成型；c.拋光加工：根據加工目標設置拋光參數(shù)，包括拋光頭轉速、拋光工作間隙（拋光頭和試件表面距離）、拋光時間等；d.試件清洗：拋光后使用超聲波對試件進行清洗，有效去除試件表面MCF殘留；e.試件測試，根據需要采用光學顯微鏡、輪廓儀等對試件加工表面進行檢測。

2.2 實驗結果

圖3 實驗流程Fig.3 Experiments flow

端面式拋光頭的MCF在旋轉時，其表面各點線速度隨離軸心距離不同而變化，因此拋光頭表面材料去除率分布不均勻。而圓周面式MCF由拋光輪圓周面旋轉驅動，加工區(qū)域線速度相對較一致，因此采用如圖4（a）所示圓周面式拋光頭進行實驗。圖4（b）為拋光前的工件表面原始微溝槽條紋，條紋上存在大量微刮痕，方向與條紋方向垂直，這是微結構切削過程中刀具刀尖附著物在工件表面留下的切痕。

圖4 拋光實驗結果Fig.4 Polishing experiment results

采用表1所示實驗參數(shù)，分別沿微溝槽條紋平行和垂直方向旋轉拋光輪進行拋光實驗。圖4（c）為拋光輪沿微溝槽條紋垂直方向進行拋光的工件表面，可以看到雖然拋光后的表面光潔度得到提高，但微溝槽條紋的表面材料去除量較大，微溝槽條紋結構形貌被破壞。圖4（d）為拋光輪沿微溝槽條紋平行方向進行拋光后的工件表面，微溝槽條紋表面的微切痕大部分被明顯去除，微觀表面光潔度顯著提高，并且微溝槽結構沒有發(fā)生加大變化。圖5為平行拋光前后通過共聚焦顯微鏡測量三維數(shù)據后截取的微溝槽條紋輪廓，X，Z為工件表面坐標，可以看到拋光后微溝槽幾何結構基本沒有變化。沿條紋平行方向截取表面輪廓計算其表面粗糙度Ra從拋光前0.3 μm降低到0.04 μm。

表1 實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

2.3 實驗分析

由于微溝槽結構尺寸非常小，常規(guī)拋光的游離態(tài)拋光液會很快拋光去除整個微結構表面。當拋光方向垂直于微溝槽條紋時，流體難以充分覆蓋并流過微溝槽，材料去除由流體的宏觀流動起主導作用，無法充分去除微結構表面材料。而拋光方向順著微溝槽條紋方向時，MCF與微溝槽表面接觸充分，沿微溝槽方向流動順暢。由于MCF具有黏稠性，擁有較好的材料微觀去除能力，因此，在合適的流體流動控制與引導下，MCF具備可調節(jié)的微結構表面流動適應性，可實現(xiàn)微溝槽條紋表面的微納光整加工，且不破壞表面微結構。實驗教學過程中，通過對比不同拋光方向下微溝槽條紋表面微觀照片，能夠直觀看到加工工藝對微納結構拋光效果的影響；配合使用輪廓儀測量出微結構表面二維輪廓曲線，可以從數(shù)值角度進一步了解MCF對微結構的光整效果。

3 結 論

針對現(xiàn)有微納加工實驗教學設備的技術困境，基于MCF性能優(yōu)勢設計一種新型微納加工方法及實驗教學裝置。根據微溝槽條紋表面的結構特點，采用圓周面式MCF拋光頭沿平行于微溝槽條紋表面的拋光方法，實現(xiàn)不破壞微溝槽條紋表面結構的可控微尺度拋光加工。MCF是具有一定黏度的流體，對微結構表面具有良好的表面自適應性，并且能夠通過調整MCF配比和磁場大小，改變黏稠度，從而使其適應不同尺寸的微結構表面拋光，因此具有良好的學術研究價值和工程應用潛力。該裝置中關鍵機構“拋光頭主軸”結構簡單，MCF和永磁鐵等關鍵實驗耗材成本低，實驗過程操作簡單，微溝槽條紋工件可以通過普通車削加工獲得。因此，整個實驗方法及裝置具有很好的普適性和推廣價值，適合作為標準微納加工教學實驗設備進行推廣和普及，為“精密加工技術”等機械專業(yè)制造類課程實驗教學提供了良好的硬件支持。