磁流变抛光技术及应用

磁流变抛光技术的发展及应用

摘要：阐述了磁流变抛光技术的原理，综述了磁流变抛光技术的国内外研究现状与研究进展，并详细介绍了磁流变液的性能评价标准，及依据这一标准选取磁流变液的各组分，配置出标准的光学用磁流变抛光液。然后，介绍了磁流变抛光技术的研究方向。最后对磁流变抛光技进行了前景展望。

关键词：磁流变抛光；磁流变液；光学加工

The Development and Application of Magnetorheological Finishing (The Institute of Mechanical and Electrical Engineer, Xi'an Technological University,Xi’an710032,China)

Abstract: This paper first introduces the principle of magnetorheological finishing, then its research status and progress at home and abroad are reviewed. A standard is also suggested for evaluation of fluid finishing of optical glass. The elements of MR fluid were chosen according to the standard and MR fluid was prepared for optical finishing. Finally, the prospect of the MFR technique is discussed.

Key words:magnetorheological finishing; magnetorheological fluid;optical machining

1引言：

随着现代科学技术的发展，对应用于各种光学系统中的光学元件提出了越来越高的要求。通常情况下，要求最终生产的光学元件具有高的面形精度、好的表面质量及尽量减少亚表面破坏层。高的面形精度可以保证好的成像质量，平滑的表面可以减少散射，较低的亚表面破坏层可以避免在高能应用中的破坏。因而光学元件的性能在很大程度上取决于制造过程。已经研究出多种加工方法可以获得高精度的加工表面，其中典型的加工方法有塑性研磨、化学抛光、浮法抛光、弹性发射加工、粒子束抛光、射流抛光等等。这些加工方法或者抛光效率太低，或者产生较大的亚表面破坏层，或者抛光不易控制，各自存在一定的缺陷。磁流变抛光技术的应用解决了这一系列棘手问题，与传统的抛光技术相比，磁流变抛光具有抛光效率高、不产生亚表面破坏、适合复杂表面加工、磨头硬度可调及加工过程零磨损等优点。目前磁流变抛光技术是国内外学者研究的一个热点，研究领域从简单的平面抛光到自由曲面抛光，从硬脆材料抛光到难加工金属表面的抛光等领域，范围越来越广。可以说磁流变抛光技术将带给机械精加工行业一次新的

飞跃。

1磁流变抛光技术的定义、原理及其发展历程

1.1磁流变抛光的定义

磁流变抛光（英文名称：Magnetorheological finishing）是一种利用磁流变效应中形成的具有黏塑行为的柔性“小磨头”与工件之间快速相对运动而产生的作用于工件表面上的很大的剪切力，来去除工件表面材料的技术。磁流变抛光（MRF）是电磁理论、流体力学、分析化学等应用于光学表面加工而形成的一项综合技术。

1.2磁流变抛光的原理

1.2.1磁流变抛光液的组成与性能评价标准

敏微粒、表面活性剂以及其他一些添加剂按～定比例分散在基载液中形成的悬浮液。当存在磁场情况下磁敏微粒被磁化，成链状或纤维状排列，这种排列导致整个流体的粘度增大，流动性降低从而表现出类固体性质；当磁场消失时，磁敏微粒又恢复到原来的自由无序状态，从而恢复流体的性能，液——固相互转化的过程在毫秒就就能完成。

磁流变抛光液是磁流变也的一种具体的工程应用，即在磁流变液中加入适当的抛光磨粒，使磁流变液具有一定的研磨作用，抛光磨粒在抛光过程中对工件起到机械刮削和去除作用，根据被加工工件材质的不同，可选择材料和大小不同的抛光磨粒。

1.2.2磁流变抛光的基本原理

磁流变抛光是利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变效应的原理，使液体迅速变硬，进而形成Bingham流体，由其中的抛光磨粒通过机械的方式去除光学工件的表面材料。

如图1所示，工件位于抛光轮上方，并与抛光轮之间形成一个很小的并且固定不变的距离于是工件与抛光轮之间形成了一个空隙。磁极置于工件和抛光下方，在工件和抛光盘所形成的小空隙附近形成一个高梯度磁场。当抛光轮上的磁流变液随抛光轮一起运动到工件与抛光轮形成的小空隙附近时，高梯度磁场使之凝聚、变硬，形成一块凸起，成为粘塑性的Bingham介质。这样具有较高运动速度的Bingham介质通过狭小空隙时对工件表面与之接触的区域会产生很大的

剪切力，从而使工件的表面材料被去除，达到材料微纳米级去除的目的。[1]

2磁流变抛光实现的技术基础

从磁流变抛光的机理可以看出，这种抛光技术实现的关键是：

(1) 磁流变抛光液的研制。磁流变抛光液应具有在无外加磁场时流动性好，当有外磁场作用时流变性好，硬度能变得很大，且对磁场的响应速度快等特点。

(2) 应能通过磁场控制磁流变抛光液形成“小磨头”的大小、形状以及“小磨头”作用于工件上的压力，从而控制材料的去除量，获得稳定的抛光过程。在这两项关键技术上Rochester 大学的光学加工中心的研究人员做了大量的工作，并取得了一定的成果。他们自行研制了许多种类的磁流变抛光液，把各种条件下所形成的抛光区形状输入微机，初步对磁流变抛光过程实现了数控。这两项关键技术仍需进一步研究以便这种抛光技术更加完善。

我国从20世纪80年代中期就开始进行磁性研磨加工的研究，清华大学研制了五轴联动磁流变数控抛光系统，哈尔滨工业大学使用自行研制的磁流变抛光设备对光学玻璃和微晶玻璃进行了加工实验，程灏波研究了电磁抛光装置的结构设计及特性，程灏波、张峰、孙希威等人分别分析了磁流变抛光中的磁场，建立了抛光的数学模型，并对驻留时间的算法进行了研究。以上研究为磁流变抛光技