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
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。

3国内外磁流变抛光技术的研究现状与进展
自1948Rabinow年发现了磁流变效应后，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。

20世纪90年代初，Kordonski及其合作者发明了磁流变抛光技术（MRF）。

磁流变抛光研究现状与进展：1992年白俄罗斯的Kordonski W I等人最早将磁流变技术应用于光学加工。

1995年美国罗切斯特大学光学制造中心和Kordonski 合作，将磁流变抛光技术应用到光学加工中，使熔石英球面元件表面粗糙度降低到0.8nm(RMS)，面形误差0.09μ吗，BK7非球面光学元件表面粗糙度降低1nm( RMS) ，面形误差0.86μm。

1997 年，COM的研究人员对初始面形为30 nm左右的熔石英及其它6种玻璃材料光学元件进行试验，经过5~10min 的抛光，面形精度达到了1nm左右。

同时，他们又对磁流变抛光液成份进行了化学分析，通过以氧化铝或金刚石微粉等非磁性抛光粉代替原磁流变抛光液中的非磁性抛光粉氧化铈，较为成功地对一些红外材料进行了抛光。

通过配置不同成分的磁流变液，可以实现对软质材料(如氟化钙) 的加工。

将标准磁流变液中的氧化铈磨料换成纳米金刚石粉末，可以以1~10μm/min的去除率加工得到1nm 左右粗糙度的表面。

1999年，Rochester大学光学中心的研究人员确定了一系列不同硬度的非磁性抛光粉对不同硬度的光学玻璃的去除关系，分析了几种材料的抛光区特性。

该中心与QED公司合作，研制出Q22系列数控磁流变抛光机，并成功应用于光学非球面器件的抛光加工，实现了磁流变抛光技术的商业应用，该设备曾在美国柯达公司等单位应用[2]。

另外，白俄罗斯的Prokhorov研究了不同抛光参数对加工效率与表面质量的影响[3]。

德国、韩国、日本也有相关的学者在进行这方面的研究工作，取得了一定的进展。

我国从20世纪八十年中期开始对磁流变抛光技术进行研究，主要是长春光学精密机械研究所、哈尔滨工业大学和国防科技大学等单位对磁流变抛光理论进行了研究。

国防科技大学彭小强等人[ 4] 对磁流变抛光液在抛光区域的固态核分布进行了理论分析，根据加工工件表面材料去除率与压力参数p成正比的关系，建立了磁流变抛光的材料去除数学模型。

长春光学精密机械研究所张峰等人[11]建立了磁流变抛光的材料去除模型，对磁
流变进行了研究，研究表明，工件表面所受的压力P 主要是由流体动压力Pd和磁化压力P m两部分组成的。

阳志强等人[5]在自制的磁流变抛光装置中通过被加工零件和Bingham 凸起相对运动产生的剪切力来实现抛光。

采用不同加工时间进行不同磁场强度组合实验的方法，克服了在该磁流变抛光技术中，抛光效率和被加工零件表面质量无法进一步提高的难点。

实验表明，通过采用不同磁场强度组合加工，使初始表面粗糙度( Ra) 为400nm的K9玻璃材料的平面，磁流变抛光30min后，表面粗糙度值达到了0. 86nm，表明这种方法大大提高了磁流变抛光技术中的抛光效率和被加工零件的表面质量。

为磁流变抛光工艺研究提供了一种新的思路，并为以后对磁流变抛光装置的研究和完善提供了实验依据。

康桂文对磁流变抛光光学玻璃进行了初步研究，配置了适合于光学玻璃研抛的磁流变液，测定了不同加工参数对抛光效率、表面质量的影响。

研究表明，磁流变抛光中工件材料的去除率与抛光盘的转速成正比，并在一定范围内随着外加磁场强度的增强而增大，工件材料的去除量与抛光时间成正比。

用原子力显微镜对工件进行检测，抛光后的光学玻璃表面粗糙度可以达到1nm左右。

同时，还进行了MRF 应用于微晶玻璃抛光的可行性研究，抛光后的微晶玻璃表面粗糙度达到0.684nm。

石峰等人采用自行研制的磁流变抛光机床KDMRF-1000和水基磁流变抛光液KDMRW-2进行了磁流变抛光去除磨削亚表面损伤层的实验研究。

研究表明，直径为100mm的K9材料平面玻璃，经过156 min的磁流变粗抛，去除了50 m深度的亚表面损伤层，表面粗糙度R值进一步提升至0. 926nm，经过17. 5 min的磁流变精抛，去除了玻璃表面200 am厚的材料，并消除磁流变粗抛产生的抛光纹路，表面粗糙度R值提升至0.575nm。

由此表明，应用磁流变抛光可以高效消除磨削产生的亚表面损伤层，提出的新工艺流程可以实现近零亚表面损伤和纳米级精度抛光两个工艺目标。

尹韶辉等人[7] 设计了4种不同形状的抛光头，并使用自制的磁流变抛光液体在三轴数控铣床上对K9平面玻璃进行了磁流变抛光工艺试验。

结果表明：槽型平面抛光头的抛光效果最好。

同等条件下，在抛光头上开槽能有效地提高加工效率和加工质量。

基于螺旋扫描路径的光学镜面磁流变抛光的算法将去除函数矩阵转化成驻留时间解算的线性方程组的系数矩阵，并利用其为稀疏矩阵的特点来进行快速迭代计算，然后将求得的驻留时间分配到螺旋扫描路径上以求得整个路径上的速度变化，从而控制磁流变抛光机床直线轴
和转轴作插补运动。

然后利用该算法在自研的KDMRF-200 磁流变抛光机床上对K9 玻璃平面镜进行了2 次迭代加工，面形均方根误差由初始的0.128λ降低到0.022λ。

4磁流变抛光液的研究
4.1磁流变抛光液组分选取
磁流变抛光液由载液(如水、矿物油、硅油等)、离散的可极化的磁敏粒子、表面活性剂、抛光颗粒及具有其他功能的添加剂组成。

磁流变各组分选取的好坏直接影响磁流变液的流变性和稳定性，从而影响抛光效率和抛光表面质量。

下面将以提高磁流变液的流变性和稳定性为基本依据确定磁流变液的具体成分。

4.1.1载液的选取
载液和磁敏介质一起作为抛光粉的承载基体，它的选取除考虑高绝缘性和绝磁之外，还涉及到基液和弥散体的亲和力大小。

目前磁流变抛光液普遍使用的载液有两种，一种是以硅油为代表的油基磁流变液；另一种是以纯净水为代表的水基磁流变液。

从流变性考虑，实验证明了水基磁流变液在相同磁场下的剪切屈服应力是油基磁流变液的2～3倍，而且水对玻璃有水解作用，有利于提高抛光效率。

此外，水还具有良好的冷却、洗涤和润滑作用，并且有利于抛光粉的均匀分散，所以在试验中采用水基磁流变液。

4.1.2抛光粉的选取
抛光粉直接作用于光学玻璃的表面，其粒度和硬度对机械切削作用都有着重要影响。

抛光粉越硬，抛光效率就越高，粒度对抛光效率的影响比较复杂。

试验表明，并不是粒度越大，抛光效率越高，在一定范围内，抛光效率与粒度的大小成正比，但当粒度大到一定程度时抛光效率反而降低，粒度的选取应该根据实际情况而定。

目前通用的抛光粉有Al2O3、氧化铈、金刚石微粉，其硬度由大到小分别为金刚石微粉、氧化铈、Al2O3，金刚石微粉用来抛光效率最高，但考虑到金刚石微粉价格昂贵，在试验中选取氧化铈作为抛光粉。

4.1.3磁敏介质的选取
磁流变液在磁场下之所以能发生明显的流变效应并且具有很高的剪切屈服应力，就是因为有磁敏介质的存在。

为了使磁流变液有很好的流变性，磁敏介质
需要满足以下2个条件：(1)高磁导性：能在很小的磁场下得到很大的剪切屈服应力；(2)磁矫顽力小：不产生剩磁，在磁场消除时能迅速恢复液体状态。

此外，考虑到磁敏介质与工件表面直接接触，要求磁敏介质有一定的硬度，但不可太硬，以免划伤工件表面。

根据上述特点，选用微米尺寸的羰基铁粉作为磁敏介质。

要得到稳定性很好的磁流变液，除了上述3种主要成分外，磁流变液还需要加入少量的活性剂和添加剂。

活性剂有2个作用，一是防止沉淀分层；二是使成分均匀分散。

目前已得到广泛使用的活性剂有油酸、黄源胶、醚类等，它们的作用原理基本相同。

表面活性剂是一些长链的两亲分子，其分子链长度大约为几个到几十个nm，具有链段结构的高分子表面活性剂，一端吸附在固体颗粒的表面上，另一端在空间自由的摆动，摆动时，其末端的轨迹在理想情况下近似一个球面。

由于上述原因，表面活性剂分子尾部的摆动具有一定的动能，这将在固体颗粒周围形成一个保持距离的势垒，使具有范德华力的势能、磁场势能、偶极子对势能的颗粒，都很难越过这个能垒而发生接触，这就使得固体颗粒相互集聚的可能性显著降低[8]。

除此之外，加入少量的添加剂可以起到一定的辅助作用。

在配置磁流变液的过程中加入少量的添加剂使磁流变液呈弱碱性，这样有利于磁流变液的防锈，使磁流变液具有优良的化学稳定性。

4.2磁流变抛光液的配置
根据文献[9]所述并依据磁流变抛光液组分选取原则选定磁流变抛光液各组分，配置出了标准的磁流变抛光液。

其配方为(体积比) ：35 %的羰基铁，55 %的水，6 %的氧化铈，3.5 %的活性剂，0. 5 %的添加剂。

文献[9]中用其自行研制的磁流变仪：当磁场强度在600mT时，剪切屈服应力可以达到70kPa。

将所配磁流变液放置一周只有少量沉淀，通过轻微搅拌即可均匀分散，证明所配置的磁流变液具有良好的流变性和稳定性。

4.3磁流变液应用范围
目前，磁流变液已经开始应用于研磨（抛光）工艺、阀门和密封、家庭健身器、机械手的抓持机构、装配车间不规则形体的依托架、以及自动化仪表、机器人的传感器和采矿、印刷等行业。

在其众多应用领域当中，研究最多、发展最快的应用领域是汽车座位减振器、刹车器、主动驱动器以及土模机构减振器。

5当前磁流变抛光技术的研究热点
5.1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。

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[10]。

5.2 磁流变抛光去除模型的研究
磁流变抛光工艺是通过工件与“柔性抛光磨头”在抛光区形成一定的相对运动速度和压力，以去除工件表面多余材料。

Preston方程给出了光学元件加工的材料去除函数，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。

这表明，影响工件材料去除率的因素很多，不但与磁流变液对工件表面的压力有关，而且与载液轮和工件表面的相对运动速度、抛光驻留时问等有关[1]。

5.2.1压力对磁流变抛光效果的影响
磁流变抛光液对工件的压力P是一个比较复杂的参数，它主要由流体动压力和磁场产生的压力以及磁流变液的重力三部分组成。

磁场产生的压力包括磁化压力和磁致伸缩压力。

由于磁流变液是不可压缩的，因此它在磁场中由于体积变化而引起的磁致伸缩压力近似为零。

当只考虑磁化压力时，有
磁流变抛光不是单点进行加工，而是磁流变液与工件接触的部分都处于被加工状态。

在采用磁流变液加工工件表面上任一点时(指该点距离抛光轮位置最近)，工件表面与磁流变液接触区域内的所有点都处于被抛光状态，并且各点的磁场强度均不等。

因此与P有关的磁流变抛光工艺参数有磁场强度、抛光轮与工件的间隙、磁流变液成分等。

5.2.2速度对磁流变抛光效果的影响
根据Prsoetn方程相对速度越高，磁流变抛光去除效率越高。

但是，在其他实验条件固定的情况下，过高的相对速度不利于获得较好的表面粗糙度，根据实验数据分析可知，为了得到理想的工件粗糙度，相对速度应控制在一个适当的区域范围，因此，不同的抛光阶段，工件自转频率和抛光轮转速都应选取一个适当的数值。

5.2.3抛光驻留时间对抛光效果的影响
在磁流变抛光中，可以通过改变驻留时间来控制工件表面的去除量，因为材料的去除量与驻留时间近似呈线性关系。

工件加工过程中，机床y轴方向上由于存在进给速度，因此进给速度与抛光驻留时间成反比例关系。

为了提高抛光效率，结合工件抛光前后面形材料的去除量以及其他的工艺参数，在粗抛阶段，工件的进给速度需选取一个适当值。

5.3磁流变抛光设备的开发
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。

6.磁流变抛光技术的应用及未来的发展方向
6.1磁流变抛光及其在光学加工中的应用
美国Rochester大学的光学加工中心将电磁学、流体力学、分析化学的理论结合于光学加工，已经研制出了QED系列磁流变抛光机，可以对光学元件进行确定性加工MRF所使用的研磨材料是磁流变抛光液，该液体在磁场的作用下可以在抛光区范围内具有一定硬度，再配合一个转动的由计算机控制的工件轴，就
可以按照需要准确地进行光学镜片的精密加工。

它可以研磨的材料包括玻璃、石英、氟化钙及蓝宝石。

磁流变液应用于抛光技术的原理是：载液和均匀分散于其中的磁性介质微粒组成的均匀混合悬浮液，在外加磁场的作用下，磁流变液体的粘度会随着磁场的增强而增强，形成类固体的结构从而具有较高的屈服强度。

磁流变抛光就是在磁流变液中加入抛光粉，利用磁流变液固化现象来对工件表面进行抛光。

在强磁场的作用下，使磁流变液在加工区域形成一个有一定硬度和弹性，能承受较大剪切应力的可控的点状区域的抛光工具下面以加工凸球面为例简述磁流变抛光原理。

图2磁流变抛光光学加工原理图
如图2所示，被加工件位于抛光盘上方，并与抛光盘成一很小的固定不变的距离，于是被加工的工件与抛光盘之间形成了一个凹形空隙。

磁极置于工件和图3磁流变抛光原理图抛光盘的下方，在工件与抛光盘的所形成的狭小空隙附近形成一个高梯度磁场。

当抛光盘内的磁流变液随抛光盘一起运动到工件与抛光盘形成的小空隙附近时，高梯度场使之凝聚、变硬，形成一带状凸起缎带，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产生很大的剪切力，从而使工件的表面材料被去除，达到微量去除的目的。

工件被抛光的区域称为抛光区。

工件轴除了绕自身轴线作回转运动外，还可以作以轴上某点为中心，以工件曲率半径为半径的摆动。

于是工件表面的各个带区都可以经过抛光区，从而实现对工件整个表面的材料去除。

通过控制工件表面各个带区在抛光区内的停留时间，来控制各带区材料去除量，进而精修工件面形。

抛光区的大小和形状取决于很多因素，如磁流变液的成份，
被抛光工件表面的形状，工件浸入磁流变液的深度，抛光区磁场强度分布以及工件自身的机械性能等等。

在磁流变抛光过程中，应对这些因素加以控制，以便确保抛光过程的稳定性[11]。

6.2磁流变技术应用展望
磁流变技术有着广泛的应用前景，磁流变抛光这种新兴的光学加工方法以其加工速度快，效率较高，不产生下表面破坏层及易于实现微机数控等优点已渐为人们所接受。

磁流变抛光还有一个显著的优点：这种抛光方法利用磁流变抛光液在磁场作用下形成的柔性小“磨头”对工件表面各个环带区进行加工，因此特别适合非球面光学元件的制造。

但目前磁流变抛光还只局限于对中小口径(直径100mm以下)的光学元件的加工。

因此应对其进一步研究，使之也能对大中口径的光学元件的加工也行之有效。

那时，磁流变抛光这种先进的光学加工方法必将更受人们的青睐。

7结束语
磁流变抛光技术已经取得了相当大的进展，并广泛应用于精密超精密加工，其加工质量、加工效率高，可以有效去除亚表面损伤层。

因此，应该进一步加强磁流变抛光机理与加工模型的研究以及磁流变液的研究，加强与其它加工技术的研究，拓宽其加工范围，提高其加工质量和加工效率，朝着高度的自动化、柔性化、精密化、智能化和集成化方向发展，使之广泛用于光学元件的加工以及机械制造加工，成为一项真正的先进制造技术。

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