基于雙磁場磁性復合流體的拋光性能

王有良，史小鋒，陳秀娟，張文娟，馮銘

基于雙磁場磁性復合流體的拋光性能

王有良1，史小鋒1，陳秀娟1，張文娟1，馮銘2

（1.蘭州理工大學，蘭州 730050；2.溫州大學，浙江 溫州 100083）

針對微結構拋光過程中形貌精度損傷的問題，開發一種環狀MCF（Magnetic Compound Fluid，MCF）拋光工具，探究在雙磁場作用下MCF工具的拋光性能。采用工業相機觀察不同條件下MCF拋光工具的成形特征，通過定量分析MCF拋光工具的成形參數，構建最優MCF拋光工具特征參數；通過分析雙磁場作用下工件表面的磁場強度，建立磁場矢量模型，探究磁場分布與MCF宏觀形貌的內在聯系；觀察磁簇微觀形貌，分析MCF拋光工具的內部特征；試驗研究MCF組分、磁鐵轉速m、載液板轉速c和加工間隙對工件表面粗糙度的影響規律，探究最優的拋光參數。當磁鐵偏心距=2 mm，MCF供應量=1.5 mL時，MCF拋光工具的成形特征相對最優，得到了MCF拋光工具的參數，=28.70 mm，=26.90 mm，1=1.58 mm，2=1.30 mm，0=48.60 mm，=7.20 mm，i= 26.50 mm；磁簇分布方向與磁場矢量方向一致，鐵粉沿著磁力線方向分布，磨粒分布在鐵粉外部，α–纖維穿插于磁簇內部或磁簇與磁簇之間；通過拋光試驗獲得了較低表面粗糙度的最佳工藝參數，最佳MCF組分配比（均以質量分數計）為羰基鐵粉40%、磨粒12%、α–纖維3%、水基磁流體45%，最佳載液板轉速c=300 r/min，最佳磁鐵轉速m=400 r/min，最佳加工間隙=1 mm。在拋光20 min后，工件的表面粗糙度由0.578 μm降至0.009 μm，下降率約為98.44%，證明在雙磁場作用下環狀MCF拋光工具具有穩定且高效的拋光能力。

磁性復合流體；雙磁場；拋光性能；表面粗糙度；磁場分布；成形特征

近年來，隨著制造業的高速發展，微結構元件憑借其尺寸小、質量輕、集成度高等優點，被廣泛應用于光電子、生物醫學、航空航天等領域[1]，其中以采用光學玻璃[2]、碳化硅[3]等硬脆材料制造光學模具和光學元器件最為突出。微結構元件利用微溝槽的導波效應，可以有效控制光的能量分布，提高光的利用率，是現代光學工程中最重要的光學元器件[4]。例如，將表面覆蓋有微溝槽薄膜或微結構薄膜的鏡片用來制造高分辨率相機[5]；三角形表面微溝槽有利于提高太陽光的使用效率和半導體激光的光學效率等[6]。

為了保證光學元器件的光學效率，工件需要具有超光滑的表面。光學元器件的制備一般通過模具注塑成型，因此制造高精度的光學模具成為關鍵技術。雖然采用單點金剛石車削和超精密磨削等方法能夠獲得較好的形狀精度，但加工后工件表面殘留的刀痕、亞表面損傷等使其達不到使用要求，因此必須對工件表面進行拋光處理。最初采用人工拋光方法，由于工人的經驗差異和制造水平的不同，因此造成拋光后工件的形狀質量和表面粗糙度不穩定[7]。通過開發計算機控制光學表面處理技術可以代替人工，使拋光路徑、刀具停留時間和壓力更為精確[8]。磁場輔助超精密拋光技術具有拋光精度高、可控性好和無亞表面損傷等優點，目前受到越來越多的關注。磁場輔助超精密拋光技術分為磁流體（Magnetic Fluid，MF）拋光、磁流變液（Magnetorheological Fluid，MRF）拋光和磁性復合流體（Magnetic Compound Fluid，MCF）拋光等[9]。MF拋光技術是在MF中混入磨料顆粒，雖然在拋光過程中表現出良好的顆粒分散性，但其拋光液的黏度較低，導致拋光效率較低[10]。MRF拋光技術是在MF基礎上添加了微小尺寸的鐵粉顆粒，這樣較好地解決了MF拋光液黏度低的問題，但顆粒的分散性較差。為了克服上述2種拋光方法的缺點，Shimada K[11]研制了一種MCF拋光液，該拋光液是將微米級尺寸的羰基鐵顆粒（Carbonyl Iron Powder，CIP）、磨料顆粒（Abrasive Particle，AP）、α–纖維素和含有納米級Fe3O4的MF機械混合而成。實驗表明，在磁場作用下，MCF具有良好的顆粒分散性和拋光黏度[12]。

目前，采用MCF技術，在磁場作用下已經對玻璃[13]、無氧銅[14]、不銹鋼[15]、鎳磷鍍層[16]和砷化鎵材料等進行了拋光，獲得了納米級的超光滑表面。經研究發現，傳統的MCF拋光工具在對微結構材料進行去除的過程中會出現微結構形貌惡化的現象，導致其拋光精度降低。為了解決該問題，擬開發一種基于微結構形狀的仿形環狀拋光工具。為了探究雙環形磁場作用下環狀MCF拋光工具的基礎性能，在實驗中先采用PC板，通過觀察環狀MCF拋光工具的成性特征，探究環形磁鐵偏心距和MCF供應量對MCF拋光形貌的影響規律；通過研究MCF組分、加工間隙、磁鐵轉速和載液盤轉速對工件表面粗糙度的影響，從而得到加工參數對MCF環狀拋光工具拋光性能的影響規律，獲得最優的拋光參數，擬為微結構拋光奠定研究基礎。

1 實驗

1.1 原理

在雙環形磁場作用下MCF拋光裝置的原理如圖1所示，該裝置將2個材料相同、尺寸相同的環形永磁鐵以N—S—N—S的順序疊加，并以一定的偏心距固定于由電機2驅動的磁鐵轉盤下方，在環形永磁鐵下方極小距離處固定1個非磁性MCF載液板，由電機1通過同步帶輪驅動，因此磁鐵轉盤和非磁性MCF載液板有各自的旋轉中心軸。一旦環形永磁鐵以轉速m旋轉，磁場強度不變，磁力線隨環形永磁鐵的旋轉而發生周期運動，隨即產生空間動態磁場。MCF拋光液由微米級的羰基鐵粉、磨料顆粒、α–纖維和含有納米級四氧化三鐵顆粒的水基磁流體機械混合而成[17]。當一定量的MCF拋光液置于載液板的下表面時，在環形磁場的作用下，磁性的鐵粉顆粒會沿著磁力線形成鏈狀結構，多條鏈狀結構形成了磁力簇，非磁性顆粒裹挾在鐵粉顆粒之間，并在磁懸浮力[18]和重力的共同作用下具有向工件表面躍遷的趨勢，α–纖維直接嵌入鏈狀結構，或者分布于鏈狀結構之間，增強了拋光工具的強度。隨著環形永磁鐵的旋轉，MCF拋光液內的鐵磁性顆粒會隨著磁力線的運動而更新，從而不斷有新的磨粒作用于工件表面。當磨料顆粒與工件表面軟接觸且發生了相對運動時，在磨料顆粒的微切削作用下實現了材料的去除，獲得了光滑表面[19]。

圖1 雙磁場MCF拋光裝置原理

1.2 實驗裝置

依據實驗原理搭建的MCF拋光裝置如圖2所示。該裝置被固定于三軸運動平臺（精度為0.01 mm）上，由2個步進電機、2個環狀永磁鐵（外徑38 mm×內徑29 mm×厚度10 mm）、磁鐵載盤、同步帶輪和鋁合金制的MCF載液板等組成。厚度為1 mm的MCF載液板被固定于環形永磁鐵下方=0.5 mm處。工件被固定于三軸運動平臺的軸上，通過軸的運動可調整載液板與工件之間的距離。

圖2 MCF 拋光裝置

1.3 實驗條件

為了探究在雙磁場作用下環狀磁性復合流體拋光工具的拋光性能，采用PC板（100 mm×100 mm× 2 mm）作為實驗用工件，采用2個磁場強度為0.45 T的釹鐵硼N35環狀永磁鐵提供外部磁場，實驗參數如表1所示。載液板轉速用c表示，磁鐵轉速用m表示，加工間隙用表示，MCF拋光液的供應量用表示，偏心距用表示。MCF拋光液由Al2O3磨粒（直徑約為1 μm）、α–纖維、羰基鐵粉（直徑約為7 μm）和含有Fe3O4（直徑約為10 nm）的水基MF等機械混合而成，配比如表2所示。在拋光后，采用工業相機觀察MCF拋光工具的成形狀態，采用高分辨掃描電子顯微鏡（6700F，日本電子）觀察MCF的微觀結構，采用觸針式表面粗糙度儀（SJ–410，日本三豐）測量MCF拋光前后工件的表面質量。

表1 實驗參數

Tab.1 Experimental parameters

表2 MCF組分

Tab.2 MCF components wt.%

2 結果與討論

2.1 MCF拋光形貌特征

在MCF拋光工具形成的過程中，磁鐵偏心距和MCF供應量對MCF成形特征的影響較大[18]。為了獲得優異的MCF拋光工具，通過探究磁鐵偏心距和MCF供應量對MCF成形特征的影響規律，確定最優的磁鐵偏心距和MCF供應量。根據先前的研究[18]，試驗中采用的MCF組分（均以質量分數計）為羰基鐵粉40%、磨粒12%、α–纖維3%、水基磁流體45%，磁鐵轉速m和MCF載液板轉速c分別為250、100 r/min。制備MCF拋光工具的流程如圖3所示。

1）將環形磁鐵以N—S—N—S的形式，并以一定的偏心距固定于磁鐵載盤的底部，然后將一定量的MCF拋光液通過噴嘴噴射到MCF載液板的下表面。

2）設定環狀磁鐵和MCF載液板以相反方向旋轉，為了將MCF拋光液攪拌均勻，通過觀察拋光過程中的MCF拋光工具，將轉動時間設定為3 min。

3）電機停止轉動，在MCF載液板下表面形成最終穩定的MCF拋光工具，通過攝像機對MCF拋光工具進行拍照，得到了MCF拋光工具的成形特征，如表3所示。

在不同偏心距和供應量下，MCF拋光成形特征的仰視圖和右視圖如表3所示。從表3可以看出，在不同的實驗條件下，MCF拋光工具的成形特征發生了明顯的變化。當環形磁鐵偏心距=0 mm時，無論MCF的供應量如何變化，雖然MCF拋光工具形成了規則的內圈，但是拋光工具的外圈形狀始終無法達到圓滑狀態，并且MCF未被攪拌不均勻，磁力簇聚集黏結，形成了粗大的塊狀結構，拋光工具的成形特征較差。隨著環形磁鐵偏心距的增加。當0＜≤4 mm時，MCF 拋光工具形成了規則的內圈和外圈，細小的針狀磁力簇均勻分布。當≥6 mm時，雖然MCF拋光工具具有良好形狀的內圈和外圈，但是環形拋光工具內部出現了局部缺失，難以形成完整的環形拋光工具。值得注意的是，MCF拋光工具的截面高度隨著MCF供應量的增加而增加，MCF供應量對MCF拋光工具成形特征的影響不大。

為了更深入探究環形磁鐵偏心距和MCF供應量對MCF成形特征的影響規律，對MCF拋光工具的形貌進行了定量分析。依據表3中MCF拋光工具的特征，即MCF拋光工具由圓形外圈和橢圓形內圈重合區域組成，構建其成形特征的示意圖（如圖4所示）。其中，0為MCF拋光工具的外圈直徑，和分別為MCF拋光工具內圈的長徑和短徑，i為MCF拋光區域的內圈直徑，1為MCF拋光工具外圈中心到MCF載液板中心的距離，2為MCF外圈中心到內圈中心的距離，為MCF工具的最大高度。

圖3 MCF拋光工具觀察流程示意圖

表3 MCF成形特征

Tab.3 MCF forming characteristics

圖4 MCF成形示意圖

在MCF拋光過程中，拋光工具成形特征的變化規律如圖5所示。MCF供應量為1、1.5、2 mL時，偏心距對拋光工具中、、0、值的影響規律如圖5a—c所示。值得注意的是，拋光工具中、、0、在不同MCF供應量下隨著偏心距的增大具有相似的變化趨勢。當環形磁鐵偏心距=0 mm時，拋光工具內圈長徑和短徑的數值相等，并且此時拋光工具的高度相對最大。這是由于當永磁鐵無偏心時，其磁場強度和磁力線方向均未發生變化，導致MCF內部磁性顆粒在磁場作用下無相對運動，始終保持初始狀態，即形成了分布不均勻、結構尺寸不一的團絮狀的同心圓拋光工具。隨著偏心距的增大，MCF工具的內圈長徑和短徑開始發生變化，同時拋光工具的高度隨著的增大而急劇減小。當≥2 mm時，無論如何變化，都會隨著的增大而增大，且與的差值在=2 mm、=1 mL時相對最小，為1 mm。結合表3中MCF拋光工具的形貌特征發現，當=2 mm時，內圈長徑和短徑存在差值，且較小，此時MCF易形成外觀規則、無缺失的拋光工具。隨著實驗參數的改變，0與呈現相反的趨勢。這是由于當MCF供應量恒定時，MCF拋光工具的體積一定，故MCF拋光工具的外圈直徑0減小，其高度增大。

在MCF供應量為1、1.5、2 mL時，MCF在不同偏心距下的偏心距對MCF拋光工具外圈中心到MCF載液板中心距離1和MCF外圈中心到內圈中心距離2的影響規律如圖5d—f所示。通過對比研究發現，無論MCF供應量如何變化，在=0 mm時，1=0 mm，2=0 mm；當≥2 mm時，1隨著的增加而增大。這是由于隨著偏心距的增大，永磁鐵的磁場邊界向外擴展，MCF拋光工具的外邊界隨之擴展，致使1增大。通過對比發現，1與2的差值變大，說明MCF環形拋光工具越來越不對稱，導致MCF拋光工具出現了缺失現象。隨著MCF供應量的增加，1、2隨之減小。這是由于永磁鐵的磁場邊緣已被限定，多余的MCF會向圓環拋光工具內外兩側遷移，緩慢升高。結合表3中的形貌特征，當為1、2 mL時形成MCF工具的磁簇分布不均勻，在= 1.5 mL時形成了一個形狀良好的 MCF拋光工具，所以在1與2的差值過大或過小時均不利于MCF拋光工具的成形。

圖5 偏心距r和供應量V對拋光工具形貌的影響

綜上所述，當=2 mm、=1.5 mL時，MCF拋光工具的成形特征相對最優，MCF工具的參數：=28.70 mm、=26.90 mm、1=1.58 mm、2=1.30 mm、0=48.60 mm、=7.20 mm、i=26.50 mm。

2.2 磁場對磁簇的影響

在最優參數下，MCF拋光工具的成形特征如圖 6所示。從圖6可以發現，拋光環呈非對稱性，此時磁鐵位于拋光環右側的正下方。沿著–截面將拋光工具剖開，獲得了橫截面處MCF拋光工具的形貌。從MCF拋光工具–橫截面處發現，拋光環直徑為48.6 mm，左側磁簇的高度為3.7 mm，右側磁簇的高度為7.2 mm，位于磁鐵正下方的磁簇高度約為磁鐵遠端磁簇高度的2倍。從圖6可以看出，磁簇的高度不一，并且方向各異。為了探究拋光過程中磁場對磁簇強度和方向的影響規律，對拋光區域內的磁場進行了分析。

圖6 MCF拋光工具的形貌特征

為了更深入地探究永磁鐵的磁場分布對磁簇行為特征的影響，采用高斯計（SJ700，桂林森杰）對距磁鐵下端面2.5 mm處的磁場進行了測量。測量方式如圖7所示，將特斯拉計水平或垂直置于雙環形永磁鐵磁極下端面，測量時規定=0 mm的位置為磁鐵中心處，的方向為磁鐵直徑方向。此時沿方向移動，可測得環形磁鐵在垂直和水平方向上的分量。環形磁鐵在水平、垂直方向上的磁場強度分量r、z及總磁場強度分布如圖8所示，其關系見式（1）。

圖7 磁場測量示意圖

為了更好地表示永磁鐵的磁場分布與磁簇之間的關系，選擇磁場右半部分（如圖8所示）進行矢量分析，構建的磁場矢量和磁簇分布如圖9所示。其中，箭頭表示磁力線的矢量方向。由圖9a可見，位于載液板表面處的磁力線矢量方向在環形磁鐵上方的不同位置呈現角度變化。當=16.5 mm 時，磁力線相對于載液板表面的角度為89.234°，基本與載液板表面垂直，之后磁力線矢量方向與載液板表面之間的夾角不斷減小，直至=24 mm 時，角度相對最小。隨著磁力線矢量方向的不同，磁簇分布如圖9b所示，從MCF工具的內圈到工作區域的中部附近，磁簇的方向逐漸垂直于載液板表面，當=15.5 mm 時，磁簇相對于載液板表面的角度為90°，它與載液板表面垂直；之后，磁簇與載液板表面的夾角不斷減小，直至24.3 mm時，角度相對最小。經過對比分析后可知，磁簇的分布方向與磁場的矢量方向一致，鐵粉沿著磁力線方向分布，這為后續拋光微溝槽提供了理論基礎。

圖9 磁場矢量與磁簇分布

2.3 磨粒行為分析

使用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察了MCF磁簇內顆粒的分布狀態，如圖10所示。從圖10a可以觀察到，MCF內顆粒沿著一定方向分布，形成了許多簇狀結構，這些磁力簇由多股磁力鏈狀結構構成。從圖10b可見，磁簇表面分布著白色的磨粒和黑色的羰基鐵粉，且磨粒不僅分布于簇狀結構的外表面，在粗壯磁簇的端部也分布著大量的磨粒，并參與工件材料的去除。從圖10c可見，大量的磁力鏈狀結構沿著一定方向向頂端延伸，α–纖維穿插于磁簇內部或磁簇與磁簇之間，增強了MCF拋光工具的強度，提高了材料的去除效率。將圖10b中區域3放大后（如圖10d所示）可以清晰地觀察到鐵粉、磨粒的分布，在無鐵團簇的空間中觀察到少量的磨粒。上述結果表明，在雙磁場作用下，羰基鐵粉沿著磁力線方向形成了磁力鏈狀結構，α–纖維穿插于多股磁力鏈狀結構中，形成了粗壯的磁簇結構，非磁性磨粒分布在磁簇結構的外表面及端部，該結果驗證了在雙磁場作用下MCF的拋光原理。

圖10 A–A截面SEM圖

2.4 拋光試驗

為了探究雙磁場作用下MCF拋光工具的拋光性能，實驗在=2 mm、=1.5 mL條件下研究了不同參數（MCF組分、c、m、）對工件表面粗糙度的影響規律。每個工件的總拋光時間為20 min，每隔5 min測量工件表面的粗糙度，并更換MCF拋光液，以確保MCF拋光液的拋光性能。為了獲得較為均一的初始表面粗糙度，在拋光前采用型號為1000目的砂紙對工件進行打磨。工件經拋光后先用純凈水清洗工件表面殘留拋光液，隨后使用超聲波清洗，之后采用酒精擦拭，然后使用壓縮空氣吹干拋光表面，最后測量其表面粗糙度。為了降低初始粗糙度不均對拋光結果的影響，采用粗糙度下降率來表征拋光性能，其表達式見式（2）。

式中：i為工件初始表面粗糙度；p為每次拋光后的表面粗糙度。

2.4.1 MCF組分的影響

MCF組分是拋光過程中的重要參數，它會直接影響拋光質量。依據前期研究[7]發現，當MCF中磨粒的質量分數為12%、α–纖維的質量分數為3%時，拋光效果達到最優，故該實驗中將磨粒和α–纖維的組分保持一定。由于水基磁流體中水分的質量分數為98%，通過調整羰基鐵粉與水基磁流體的比例可獲得不同濃度的MCF拋光液，其濃度依次為MCF 1＜MCF 2＜MCF 3＜MCF 4。在試驗中，拋光條件設置為=2 mm，=1.5 mL，c=300 r/min，m=400 r/min，=1 mm。MCF組分對工件表面粗糙度和粗糙度下降率的影響規律如圖11所示。從圖11a中發現，采用任意組分的MCF拋光，會隨著加工時間的延長而下降。使用MCF 1、MCF 3和MCF 4對工件進行拋光時，在拋光前10 min內，工件的表面粗糙度從0.5 μm快速下降至0.2 μm，隨后下降趨勢變緩；使用MCF 2拋光時，在拋光前15 min內，工件的表面粗糙度下降得較快，隨后變緩。研究還發現，工件表面粗糙度經MCF 2拋光20 min后達到最優。從圖11b可以發現，采用MCF 1—MCF 4拋光20 min后，工件的粗糙度下降率分別為76.2%、98.4%、78.9%、67.1%。拋光結果表明，MCF拋光液的濃度過高或過低均不利于材料的去除，當羰基鐵粉和水基磁流體的質量分數分別為40%和45%時，工件的拋光性能較好。這是由于隨著羰基鐵粉濃度的降低，MCF工具在外加磁場下的磁化強度會逐漸降低，同時也削弱了磨粒的作用[18]，導致在拋光過程中的磁簇容易斷裂[20]，從而降低了剪切應力[17]。相反，高濃度的羰基鐵粉也會導致MCF工具的磁簇過硬，容易在工件表面留下新的刀痕[21]。由此得到了相對最佳的MCF組分配比（均以質量分數計）：羰基鐵粉40%、磨粒12%、α–纖維3%、水基磁流體45%。

2.4.2 載液板轉速的影響

在磁場輔助MCF拋光過程中，磨粒的運動速率及對工件表面的壓力會直接影響材料的去除。在磁鐵旋轉時磁力線發生了周期性變化，從而產生了動態磁場，磁簇會隨著磁力線的變化發生擺動，此時裹挾在磁力簇之間的磨粒與工件的相對運動極小。當MCF載液板旋轉時，載液板帶動磨粒與工件表面產生了相對運動，從而去除材料。由此可見，磨粒與工件之間的相對運動速率由MCF載液板的轉速c決定。通過探究c對MCF拋光后表面粗糙度的影響規律，揭示c與材料去除的內在聯系。當c超過300 r/min時，載液板與工件之間的MCF拋光液在離心作用下會飛濺出拋光區域，導致MCF拋光液的供應量減少，拋光效果減弱，因此在試驗中設計c的最高轉速為300 r/min。拋光液采用MCF 2，m=400 r/min，=1 mm，試驗結果如圖12所示。從圖12a可以發現，工件的表面粗糙度隨著拋光時間的增加而降低。當c＜250 r/min時，表面粗糙度的下降趨勢基本相同，說明當載液板在低速作用下對材料表面粗糙度的影響不大；當c=250 r/min時，雖然工件的表面粗糙度的下降速度較快，但在拋光20 min時獲得的表面粗糙度與在c≤250 r/min時獲得的表面粗糙度的差距不明顯。隨著c的增大，表面粗糙度在前15 min內的下降速率繼續增大。如圖12b所示，當c≤250 r/min時，工件的表面粗糙度下降率的變化趨勢區別不大，當c=300 r/min，表面粗糙度下降率變大。

圖11 MCF組分對粗糙度Ra和下降率R的影響

圖12 載液板轉速nc對粗糙度Ra和下降率R的影響

這是由于在MCF拋光過程中，工件表面的材料去除率遵循普林斯頓方程[22-23]，見式（3）。

式中：為系數；為MCF拋光工具作用于工件的壓力；為磨粒與工件之間的相對運動速度。

由式（3）可知，c越大，磨粒與工件之間的相對運動速度越大，則材料去除率越大，工件表面多余材料被去除得越快，工件表面越光滑。

2.4.3 磁鐵轉速的影響

旋轉永磁鐵在MCF拋光過程中提供了旋轉磁場，它會擾動MCF拋光液內部顆粒的位置，增強MCF拋光工具的自銳性。為了探究m對MCF拋光性能的影響，設置如下實驗參數：采用MCF2，c= 300 r/min，=1 mm。磁鐵轉速m對表面粗糙度和表面粗糙度下降率的影響規律如圖13所示。從圖13a可以看出，無論m如何變化，表面粗糙度隨著拋光時間的增長而下降。當m≤400 r/min時，隨著m的增加，工件表面更光滑。當m=400 r/min時，獲得了相對最優的表面粗糙度。當m=450 r/min時，工件的表面粗糙度反而上升，表面質量下降。圖13b表明，在不同m下，隨著拋光時間的增加，表面粗糙度下降率具有相似的變化趨勢。這是因為較高的m會使MCF拋光工具內部顆粒的運動速度加快，恢復至自身最佳形態的速度加快，保證了拋光質量。在m過高時會導致MCF拋光工具內部顆粒轉移得過快，使部分磨料顆粒與工件表面相互作用的時間縮短，從而降低了拋光質量。

2.4.4 加工間隙的影響

加工間隙是影響MCF拋光性能的重要參數，它對表面粗糙度和表面粗糙度下降率的影響規律如圖14所示。如圖14a所示，當加工間隙不同時，工件的拋光效果差異明顯；拋光后表面粗糙度隨著加工間隙的減小而降低。當=2.5 mm時，在拋光20 min后工件的表面粗糙度從0.482 μm降至0.367 μm；當=1 mm時，拋光20 min后表面粗糙度從0.578 μm降至0.009 μm。從圖14b可以看出，表面粗糙度下降率的斜率隨著加工間隙的降低而增大。這是由于在不同的加工間隙下，環形永磁鐵作用于工件表面處的磁場強度不同，導致磨粒對工件產生的壓力不同，所以產生了不同的拋光效果。采用模擬軟件和特斯拉計分別模擬和測量距離永磁鐵表面處的磁場強度，如圖15所示。經對比研究發現，環形磁鐵的磁場強度分布模擬和測量曲線具有相同的趨勢：從環形磁鐵外部開始，磁場強度緩慢上升，到環形磁鐵外圈邊緣時開始急劇上升，在中心部達到最大值（=0.5 T），然后開始緩慢下降，到環形磁鐵的內圈邊緣時急劇下降，在環形磁鐵的中心達到最小值（=0 T）。根據Sidpara等[24-25]的理論分析，磨料顆粒上的磁懸浮力由式（4）計算。

圖13 磁鐵轉速nm對表面粗糙度Ra和下降率R的影響

圖14 加工間隙Δ對表面粗糙度Ra和表面粗糙度下降率R的影響

式中：abr為磨粒體積；0為真空磁導率；f為MCF拋光液的磁化強度；?為與間隙相關的磁場梯度。

由圖15可知，環形磁鐵的磁場強度隨著與磁鐵表面的距離的增加而變小，可見加工間隙的不同會導致磁場強度的不同，進而導致拋光力的不同，體現在工件表面粗糙度下降幅度的不同。

圖15 距離磁鐵表面D處磁場強度的測量值和模擬值

2.5 拋光前后工件的表面粗糙度

采用上述實驗分析得到的最佳工藝參數（MCF配比：CIP 40%、AP 12%、α–纖維3%、MF 45%，c=300 r/min，m=400 r/min，=1 mm）對工件進行拋光處理。使用環形MCF工具拋光前后工件表面的對比如圖16所示，拋光前后工件表面的形貌輪廓如圖17所示，結果表明，拋光前工件的表面粗糙度i=0.578 μm，對工件拋光20 min后其表面粗糙度p=0.009 μm，與拋光前工件的表面粗糙度相比，下降率約為98.44%，拋光后的工件表面光滑，拋光效果顯著。

圖16 拋光前后的工件表面

圖17 拋光前后工件的表面形貌輪廓

3 結論

通過對比分析了不同參數下的MCF拋光工具，獲得了最優的MCF拋光工具，并對最優MCF工具外部磁簇及內部元素進行了觀察，分析驗證了在雙磁場作用下MCF的拋光原理。采用PC板進行了拋光試驗，研究了雙磁場作用下MCF工具的基礎拋光性能，最終確立了雙磁場拋光裝置的最優參數，得到如下結論。

1）當磁鐵偏心距=2 mm，MCF拋光液供應量=1.5 mL時，MCF拋光工具的成形特征相對最優，MCF工具的參數：=28.70 mm、=26.90 mm、1=1.58 mm、2=1.30 mm、0=48.60 mm、=7.20 mm、i=26.50 mm。

2）對雙環狀永磁鐵磁場矢量分布和MCF工具磁簇分布進行了對比分析，證實磁簇分布方向與磁場矢量方向一致，鐵粉沿著磁力線方向分布，為后續微溝槽拋光提供了理論基礎。

3）MCF內部羰基鐵粉沿著磁力線方向形成了磁力鏈狀結構，α–纖維穿插于多股磁力鏈狀結構，形成了粗壯的磁簇結構，非磁性磨粒分布在磁簇結構的外表面及端部，驗證了在雙磁場作用下MCF的拋光原理。

4）通過拋光試驗獲得了較低表面粗糙度的最佳工藝參數：最佳MCF組分配比（均以質量分數計）為羰基鐵粉40%、磨粒12%，α–纖維3%、水基磁流體45%；最佳載液板轉速c=300 r/min；最佳磁鐵轉速m=400 r/min；最佳加工間隙=1 mm。拋光后由0.578 μm降至0.009 μm，證明在雙磁場作用下環狀MCF拋光工具具有穩定且高效的拋光能力。

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Polishing Performance of Magnetic Compound Fluid Based on Double Magnetic Field

1,1,1,1,2

(1. Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. Wenzhou University, Zhejiang Wenzhou 100083, China)

Magnetic field assisted magnetic compound fluid (MCF) polishing method is a novel ultra-precision surface machining technology. The work aims to develop an annular MCF (Magnetic Compound Fluid) polishing tool under the external doublemagnetic field to avoidthe damage of morphology accuracy of microstructure caused by traditional MCF polishing tool in the polishing process and explorethe basic performances of the proposed annular MCF polishing tool under the given experimental conditions.In addition, the effectsof processing parameters on the surface roughness of workpiece were studied in detail.

The forming characteristics of MCF polishing tool under different given conditions were observed by industrial cameras. The characteristic parameters of the optimal MCF polishing tool were constructed by analyzing the forming parameters of MCF polishing tools quantitatively. When the magnet eccentricity=2 mm and the MCF supply=1.5 mL, the forming characteristics of MCF polishing tool were the best. The parameters of MCF tool were=28.70 mm,=26.90 mm,1=1.58 mm,2=1.30 mm,0=48.60 mm,=7.20 mm andi=26.50 mm. Afterwards, by analyzing the magnetic field intensity on the workpiece surface under the action of double magnetic field, a magnetic field vector model wasestablished. After drying the MCF polishing tool, the internal relationship between the magnetic field distribution and the macro morphology of the MCF polishing tool wasexplored. At the same time, the micro morphology of the magnetic cluster wasobserved with a metallographic microscope, and the internal characteristics of the MCF polishing tool wereanalyzed. The distribution direction of the magnetic cluster wasconsistent with the direction of the magnetic field vector. The iron powder wasdistributed along the direction of the magnetic force line, and the abrasive particles weredistributed outside the iron powder, α- Fibers wereinterspersed inside or between magnetic clusters, which also verifiedthe principle of MCF polishing. Finally, the polishing experiment was carried out with PC board, and the MCF components, the effectsof MCF components, revolution speed of the magnetm, revolution speed of the MCF carriercand working gapon the workpiece surface roughness were investigated to explore the optimal polishing parameters. The optimalprocess parameters with low surface roughness were obtained through polishing experiments. The best process parameters included the optimal MCF group distribution ratio of 40wt.% carbon iron powder, 12wt.% abrasive particle, 3wt.% α-cellulose and 45wt.% magnetic fluid (MF), the optimal revolution speed of the MCF carrierc=300 r/min, the optimal revolution speed of the magnetm=400 r/min, and the optimal work gap=1 mm.

Under the optimum process parameters, the surface roughness of workpiece after 20 min polishing decreases from 0.578 μm to 0.009 μm, which indicates the polished workpiece surface is smoother than that before polishing. In addition, the reduction rate of surface roughnessa is as high as 98.44%, which proves that the annular MCF polishing tool has stable and efficient polishing ability under the action of doublemagnetic field.

magnetic compound fluid; doublemagnetic field; polishing performance;surface roughness; magnetic field distribution; forming characteristic

TG580

A

1001-3660(2022)11-0360-13

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.034

2021?12?22；

2022?03?15

2021-12-22;

2022-03-15

甘肅省科技計劃（21JR7RA783）；蘭州理工大學紅柳優青項目（07/062004）；浙江省自然科學基金（LQ22E050008）

Science and Technology Project of Gansu Province (21JR7RA783); Hongliu Youth Project of Lanzhou University of Technology; Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LQ22E050008)

王有良（1986—），男，博士，副教授，主要研究方向為超精密表面技工技術。

WANG You-liang (1986-), Male, Dorctor, Associate professor, Research focus: ultra-precision surface engineering.

王有良, 史小鋒, 陳秀娟,等.基于雙磁場磁性復合流體的拋光性能[J]. 表面技術, 2022, 51(11): 360-372.

WANG You-liang, SHI Xiao-feng, CHEN Xiu-juan, et al. Polishing Performance of Magnetic Compound Fluid Based on Double Magnetic Field[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 360-372.

責任編輯：彭颋