磁流变抛光技术发展趋势及抛光工具研究
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由于现有抛光设备不能抛光复杂面型、微小工件以及工件 的微小区域，因此研制出一款小型的灵活的抛光设备便成了 一项有意义的工作。基于此，作者开发了一款手持式磁流变 抛光机，如图１所示。
的两铜环相连，铜环通过导线与电源相连。 抛光作业时，根据所要抛光的区域选择合适直径的抛光
头。调节旋钮使得电磁线路处于导通工作状态。根据抛光精 度要求手动调整抛光间隙，致使其达到最佳抛光效果。之后 注入磁流变抛光液，使磁流变液循环流动，稳定后调节旋钮， 即调节工具的转速，从而进行抛光作业。
（23）
（30）可简化成解耦方程序列
这里的次网格有限元矩阵 通过未知函数 在多项
（32）
式形函数 的局部空间上的投影得到的，即
其中
（33）
（24）wk.baidu.com
（34）
或
（25）
（35）
这里次网格坐标
，基于（21）或（22）的解，可以得到
通过多尺度形函数以及式（11），可以看到粗尺度解能够
多尺度形函数 的数值近似解，即
知道了多尺度形函数 之后，则可以得到单元 K 的粗尺 理论基础。
度有限元矩阵
（27） 参考文献： （28） [1] X.Frank Xu. A multiscale stochastic finite element method
则全局矩阵 H 和 F 分别为
on elliptic problems involving uncertainties,2007. [2] X.Frank Xu..A stochastic computational method for evaluation
（29）
of global and local behavior of random elastic media,2004.
通过 Galerkin 变分方法得到粗尺度有限元方程为
（30）
这里
（31）
其中 N 表示粗尺度节点总数。若引入 Lagrange 多项式，
[3] 杨梅. 复合材料液态成型工艺与性能的模拟及其计算方法 研究[D]. 博士论文，2007.
[4] T.Y. Hou, X.H. Wu. A multiscale finite element method for elliptic problems in composite materials and porous media, Journal of computational physics, 1997,13:169~189.
目前磁流变抛光技术正逐步实用化，不断有新型抛光设 备出现。美国 Rochester 大学推出的 Q22 型磁流变抛光装置。 哈尔滨工业大学开发了磁流变抛光实验设备。东莞市辉碟自 动化科技有限公司生产了菲博士数控磁流变抛光机，商品化 数控磁流变抛光机的诞生标志着磁流变抛光技术真正进入实 用阶段。 4 手持式磁流变抛光工具的开发
文献[4]研究表明，磁流变抛光对材料的去除服从 Preston 方程，材料去除量可表示为：R=KPVT
式中：K 为 Preston 系数；P 是磁流变抛光头对工件表面的 抛光压力；V 是柔性磨头与工件表面的相对运动速度；T 是抛 光时间。
在模型中，磁流变液对工件的抛光压力由流体动压力、磁场 产生的压力、磁流变液的浮力组成，其中磁流变液的浮力影响 较小，可以忽略不计。 3.3 磁流变抛光设备的开发
—— 科协论坛 · 2010 年第 9 期（下） ——
71
与 科研探索 知识创新
3 当前磁流变抛光技术研究重点 当前，磁流变抛光技术的研究热点主要集中在以下几个方面：
3.1 磁流变抛光机理及影响因素研究 影响磁流变抛光效果的因素很多，很多学者在此方面进
行了大量的研究工作。长春光学精密机械与物理研究所研究 了工件的曲率半径、工件浸入磁流变抛光液中的深度、工件轴 的摆角等因素对磁流变抛光的抛光区域大小和形状的影响情 况。在此基础上，阐明了抛光时间、运动盘的速度、工件与运 动盘形成的间隙大小、磁场强度等几种重要的工艺参数对磁 流变抛光材料去除率的影响规律。文献[3]研究了抛光驻留时 间，抛光头形状，磨料种类，粒度等因素对抛光效果的影响，这 些为今后实现磁流变抛光的各种工艺参数的最佳匹配，使该 技术更加趋于成熟有着重要的意义。 3.2 磁流变抛光去除模型的研究
72
—— 科协论坛 · 2010 年第 9 期（下） ——
与 科研探索 知识创新
磁流变抛光技术发展趋势及抛光工具研究
□ 张立锋 贺新升
（浙江师范大学工学院 浙江·金华 321000）
摘 要：针对磁流变抛光技术的研究现状，主要对磁流变抛光技术的原理及应用、产生与发展、当前磁流变抛光
研究的重点及其得到的成果等方面进行了归纳总结。介绍了自行开发的手持式磁流变抛光工具，并对磁流变抛
（3）构造可变磁场，以磁场的变化控制抛光头抛光压力的 分布，进而获得抛光区域内均匀的材料去除。
磁流变液是一种智能材料，它的流变效应是可控的，充分 利用其可控性，获得可控的抛光工具，使抛光作业纳入自动化 范畴，将使材料的超精加工更上一个新台阶。
（基金项目：浙江省新苗人才计划，浙江师范大学博士科 研启动基金。）
20 世纪 90 年代初，Kordonski 及其合作者发明了磁流变 抛光技术（MRF）。磁流变抛光技术是利用磁流变液在磁场中 的流变性进行抛光。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
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术的实际应用奠定了理论 基础，推动了磁流变抛光技术的发展。
该抛光工具小巧方便，可用于微小工件，大型工件的狭小 区域的抛光，可以弥补大型抛光设备的局限性，具有较好的应 用前景。
图 2 磁流变抛光机的内部供电机构 1-软磁体铁芯； 2-外壳； 3-线圈； 4-外壳； 5-直流电机； 6-电源系统； 7-旋钮 1； 8-旋钮 2； 9-手柄； 10-联轴器； 11-电源线； 12-电刷； 13-铜环； 14-工具端部（抛光头） 5 磁流变抛光技术发展趋势探讨
有效地捕捉细尺度信息。
（26） 5 小结
表示 p 或 l。由于各个单元多尺度形函数的构建是相互
多尺度随机有限元法是以多尺度随机变分方法和多尺度
独立的，细尺度上的构建过程特别适合并行计算。
形函数为基础的，本文主要介绍了随机变分法，多尺度形函数
4 粗尺度解
的构建以及粗尺度和细尺度解，为以后的进一步研究奠定了
加工行业一次新的飞跃。 2 磁流变抛光技术的发展历程
前苏联从 20 世纪 60 年代开始对磁性研磨加工进行大量 的研究，在磁性磨料的制备方法和制备工艺上做了很多工作。 80 年代在日本形成了磁介质辅助抛光方法。同期，美国 Rochester 大学推出了 Q22 型磁流变抛光装置，可以抛光中小口 径非球面元件。之后他们将流体动力学与磁流变抛光技术进 行了融合，提出了较为系统的磁流变抛光理论，建立了一套较 为完备的磁流变数控抛光系统。
光技术的发展趋势进行了分析与展望。
关键词：磁流变抛光 抛光工具 去除模型 Preston 方程
中图分类号：TH11
文献标识码：A
文章编号：1007-3973（2010）09-071-02
1 引言 磁流变液是一种智能材料，它是由高磁导率、低磁滞性的
微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。在一定 的磁场强度范围内，磁流变液的表观黏度与磁场强度有关，这 种现象称为磁流变效应。磁流变效应是 Rabinow 在 1948 年发 现的，经过诸多学者的不断努力，磁流变液的性能得到了很大 的提高，已经广泛应用于产品开发与应用。据不完全统计，目 前已有超过一万种磁流变产品上市，如磁流变阻尼器、减震器、 离合器等。
图 1 手持式磁流变抛光机内部结构 如图 1 和图 2 所示，绕有线圈的软磁体铁心构成了电磁 铁，随着线圈电压的变化，电磁铁的磁场发生变化。当工具端 部浸入磁流变液时，在工具端部的磁流变液的表观黏度也发 生变化，随着电磁铁的旋转发生旋转运动，对工件进行抛光作 业。工具端部为凹形结构，有保持磁流变抛光液的作用。工 具的旋转运动由直流电机提供。直流电机与电磁铁之间由连 轴器连接。对于旋转运动的电磁铁的供电，采用电刷供电的 方式。电磁铁线圈的两端连在电刷上，电刷与镶嵌于外壳中
磁流变抛光由于其能耗低，去除特性优异，磨料无磨损等 优点，具有极大的市场价值和广阔的应用前景。根据磁流变 液的特性，作者认为目前磁流变抛光技术的潜力尚未得到充 分的发掘，可以在以下方向做一些深入的研究:
（1）研究磁流变抛光的作用机理，明晰抛光液成分变化对 抛光效果的影响，建立定量的实验模型。
（2）建立抛光区域磁场分布模型，得到磁场变化与去除率 的关系模型。
参考文献： [1] 杨仕清，彭斌，等.复合智能材料磁流变液的制备及流变性
质研究[J].材料工程，2002,(9). [2] Kordonski Wm I. Adaptive Structures Based on Ma
gnetorheological Fluids. Proc 3rd Int Conf, Adaptive Struct, edWada, Natori and Breitbach, San Diego, CA,1992，13-17. [3] 孙希威，康桂文，等.磁流变液抛光去除模型及驻留时间算 法研究[J].机械加工工艺与装备，2006. [4] 孙希威，张飞虎，等.磁流变抛光光学曲面的两级插补算法 [J].光电工程，2006.
的两铜环相连，铜环通过导线与电源相连。 抛光作业时，根据所要抛光的区域选择合适直径的抛光
头。调节旋钮使得电磁线路处于导通工作状态。根据抛光精 度要求手动调整抛光间隙，致使其达到最佳抛光效果。之后 注入磁流变抛光液，使磁流变液循环流动，稳定后调节旋钮， 即调节工具的转速，从而进行抛光作业。
（23）
（30）可简化成解耦方程序列
这里的次网格有限元矩阵 通过未知函数 在多项
（32）
式形函数 的局部空间上的投影得到的，即
其中
（33）
（24）wk.baidu.com
（34）
或
（25）
（35）
这里次网格坐标
，基于（21）或（22）的解，可以得到
通过多尺度形函数以及式（11），可以看到粗尺度解能够
多尺度形函数 的数值近似解，即
知道了多尺度形函数 之后，则可以得到单元 K 的粗尺 理论基础。
度有限元矩阵
（27） 参考文献： （28） [1] X.Frank Xu. A multiscale stochastic finite element method
则全局矩阵 H 和 F 分别为
on elliptic problems involving uncertainties,2007. [2] X.Frank Xu..A stochastic computational method for evaluation
（29）
of global and local behavior of random elastic media,2004.
通过 Galerkin 变分方法得到粗尺度有限元方程为
（30）
这里
（31）
其中 N 表示粗尺度节点总数。若引入 Lagrange 多项式，
[3] 杨梅. 复合材料液态成型工艺与性能的模拟及其计算方法 研究[D]. 博士论文，2007.
[4] T.Y. Hou, X.H. Wu. A multiscale finite element method for elliptic problems in composite materials and porous media, Journal of computational physics, 1997,13:169~189.
目前磁流变抛光技术正逐步实用化，不断有新型抛光设 备出现。美国 Rochester 大学推出的 Q22 型磁流变抛光装置。 哈尔滨工业大学开发了磁流变抛光实验设备。东莞市辉碟自 动化科技有限公司生产了菲博士数控磁流变抛光机，商品化 数控磁流变抛光机的诞生标志着磁流变抛光技术真正进入实 用阶段。 4 手持式磁流变抛光工具的开发
文献[4]研究表明，磁流变抛光对材料的去除服从 Preston 方程，材料去除量可表示为：R=KPVT
式中：K 为 Preston 系数；P 是磁流变抛光头对工件表面的 抛光压力；V 是柔性磨头与工件表面的相对运动速度；T 是抛 光时间。
在模型中，磁流变液对工件的抛光压力由流体动压力、磁场 产生的压力、磁流变液的浮力组成，其中磁流变液的浮力影响 较小，可以忽略不计。 3.3 磁流变抛光设备的开发
—— 科协论坛 · 2010 年第 9 期（下） ——
71
与 科研探索 知识创新
3 当前磁流变抛光技术研究重点 当前，磁流变抛光技术的研究热点主要集中在以下几个方面：
3.1 磁流变抛光机理及影响因素研究 影响磁流变抛光效果的因素很多，很多学者在此方面进
行了大量的研究工作。长春光学精密机械与物理研究所研究 了工件的曲率半径、工件浸入磁流变抛光液中的深度、工件轴 的摆角等因素对磁流变抛光的抛光区域大小和形状的影响情 况。在此基础上，阐明了抛光时间、运动盘的速度、工件与运 动盘形成的间隙大小、磁场强度等几种重要的工艺参数对磁 流变抛光材料去除率的影响规律。文献[3]研究了抛光驻留时 间，抛光头形状，磨料种类，粒度等因素对抛光效果的影响，这 些为今后实现磁流变抛光的各种工艺参数的最佳匹配，使该 技术更加趋于成熟有着重要的意义。 3.2 磁流变抛光去除模型的研究
72
—— 科协论坛 · 2010 年第 9 期（下） ——
与 科研探索 知识创新
磁流变抛光技术发展趋势及抛光工具研究
□ 张立锋 贺新升
（浙江师范大学工学院 浙江·金华 321000）
摘 要：针对磁流变抛光技术的研究现状，主要对磁流变抛光技术的原理及应用、产生与发展、当前磁流变抛光
研究的重点及其得到的成果等方面进行了归纳总结。介绍了自行开发的手持式磁流变抛光工具，并对磁流变抛
（3）构造可变磁场，以磁场的变化控制抛光头抛光压力的 分布，进而获得抛光区域内均匀的材料去除。
磁流变液是一种智能材料，它的流变效应是可控的，充分 利用其可控性，获得可控的抛光工具，使抛光作业纳入自动化 范畴，将使材料的超精加工更上一个新台阶。
（基金项目：浙江省新苗人才计划，浙江师范大学博士科 研启动基金。）
20 世纪 90 年代初，Kordonski 及其合作者发明了磁流变 抛光技术（MRF）。磁流变抛光技术是利用磁流变液在磁场中 的流变性进行抛光。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
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术的实际应用奠定了理论 基础，推动了磁流变抛光技术的发展。
该抛光工具小巧方便，可用于微小工件，大型工件的狭小 区域的抛光，可以弥补大型抛光设备的局限性，具有较好的应 用前景。
图 2 磁流变抛光机的内部供电机构 1-软磁体铁芯； 2-外壳； 3-线圈； 4-外壳； 5-直流电机； 6-电源系统； 7-旋钮 1； 8-旋钮 2； 9-手柄； 10-联轴器； 11-电源线； 12-电刷； 13-铜环； 14-工具端部（抛光头） 5 磁流变抛光技术发展趋势探讨
有效地捕捉细尺度信息。
（26） 5 小结
表示 p 或 l。由于各个单元多尺度形函数的构建是相互
多尺度随机有限元法是以多尺度随机变分方法和多尺度
独立的，细尺度上的构建过程特别适合并行计算。
形函数为基础的，本文主要介绍了随机变分法，多尺度形函数
4 粗尺度解
的构建以及粗尺度和细尺度解，为以后的进一步研究奠定了
加工行业一次新的飞跃。 2 磁流变抛光技术的发展历程
前苏联从 20 世纪 60 年代开始对磁性研磨加工进行大量 的研究，在磁性磨料的制备方法和制备工艺上做了很多工作。 80 年代在日本形成了磁介质辅助抛光方法。同期，美国 Rochester 大学推出了 Q22 型磁流变抛光装置，可以抛光中小口 径非球面元件。之后他们将流体动力学与磁流变抛光技术进 行了融合，提出了较为系统的磁流变抛光理论，建立了一套较 为完备的磁流变数控抛光系统。
光技术的发展趋势进行了分析与展望。
关键词：磁流变抛光 抛光工具 去除模型 Preston 方程
中图分类号：TH11
文献标识码：A
文章编号：1007-3973（2010）09-071-02
1 引言 磁流变液是一种智能材料，它是由高磁导率、低磁滞性的
微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。在一定 的磁场强度范围内，磁流变液的表观黏度与磁场强度有关，这 种现象称为磁流变效应。磁流变效应是 Rabinow 在 1948 年发 现的，经过诸多学者的不断努力，磁流变液的性能得到了很大 的提高，已经广泛应用于产品开发与应用。据不完全统计，目 前已有超过一万种磁流变产品上市，如磁流变阻尼器、减震器、 离合器等。
图 1 手持式磁流变抛光机内部结构 如图 1 和图 2 所示，绕有线圈的软磁体铁心构成了电磁 铁，随着线圈电压的变化，电磁铁的磁场发生变化。当工具端 部浸入磁流变液时，在工具端部的磁流变液的表观黏度也发 生变化，随着电磁铁的旋转发生旋转运动，对工件进行抛光作 业。工具端部为凹形结构，有保持磁流变抛光液的作用。工 具的旋转运动由直流电机提供。直流电机与电磁铁之间由连 轴器连接。对于旋转运动的电磁铁的供电，采用电刷供电的 方式。电磁铁线圈的两端连在电刷上，电刷与镶嵌于外壳中
磁流变抛光由于其能耗低，去除特性优异，磨料无磨损等 优点，具有极大的市场价值和广阔的应用前景。根据磁流变 液的特性，作者认为目前磁流变抛光技术的潜力尚未得到充 分的发掘，可以在以下方向做一些深入的研究:
（1）研究磁流变抛光的作用机理，明晰抛光液成分变化对 抛光效果的影响，建立定量的实验模型。
（2）建立抛光区域磁场分布模型，得到磁场变化与去除率 的关系模型。
参考文献： [1] 杨仕清，彭斌，等.复合智能材料磁流变液的制备及流变性
质研究[J].材料工程，2002,(9). [2] Kordonski Wm I. Adaptive Structures Based on Ma
gnetorheological Fluids. Proc 3rd Int Conf, Adaptive Struct, edWada, Natori and Breitbach, San Diego, CA,1992，13-17. [3] 孙希威，康桂文，等.磁流变液抛光去除模型及驻留时间算 法研究[J].机械加工工艺与装备，2006. [4] 孙希威，张飞虎，等.磁流变抛光光学曲面的两级插补算法 [J].光电工程，2006.