磁流變拋光技術研究進展

戴立達，張爭艷，喬國朝

（1.河北工業大學機械工程學院，天津 300130；2.國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心，天津 300130；3.中國電子科技集團公司第五十三研究所，天津 300308）

1 引言

隨著跨學科技術的興起與研究，越來越多的跨學科以及多學科融合的加工方法也隨之產生［1］。磁流變拋光（MRF）技術［2］是將電磁學、流體力學、化學、超聲學等多個學科交叉融合而形成的新的超精密制造技術。MRF的柔性加工特點使它具有與任意曲面吻合度高［3］、去除函數穩定可控、材料去除率高［4］、工件表面加工質量高、加工應力小、亞表面破壞層小、加工適用性強等優點，因此MRF更多地應用于加工精度要求很高的超精密領域內。

結合更高效、更高精度以及可控性的要求，綜述了磁流變拋光液組分的影響、材料去除模型的建立和發展、不同的MRF加工方式和未來磁流變拋光技術發展的新方向，最后總結了目前MRF技術存在的問題總結，并提出了MRF技術未來可能的發展方向。

2 磁流變拋光液

2.1 MRFF的流變特性

磁流變拋光液（MRFF）是由懸浮在非磁性介質中的微米大小的磁性顆粒和磨粒組成［2、5］。在零場情況下，該懸浮液與普通牛頓流體類似，表現為具有良好流動性的液體；施加磁場后，磁性顆粒發生偶極相互作用形成鏈狀結構［6］，該鏈狀結構可在極短時間內形成，從而使MRFF的表觀黏度提升數個數量級并具有一定的剪切屈服應力，而且這種流變特性的發生迅速而可逆［7-10］。MRFF的剪切屈服應力是其在磁場中能夠流動的最小應力值，取決于MRFF的成分、磁場強度和基載液種類、顆粒尺寸及分布［11］。剪應力是垂直作用在磁性鏈的應力，達到或超過工件材料的屈服應力時則會產生材料去除。

2.2 MRFF中不同組分的影響

MRFF 的組成成分以及配比很大程度上影響拋光過程中MRFF的屈服應力以及剪應力，并以此來保證拋光工件的表面質量和去除效率。文獻［12］陳述了磁性顆粒和磨粒濃度的變化將會導致MRFF磁流變特性和拋光性能的變化。對于磁性顆粒，由于羰基鐵粉（CIP）具有高磁導率、低剩磁的特點，CIP是目前MRFF中最常用的磁性顆粒材料。對于基載液，目前廣泛應用的水基載液和油基載液。文獻［13］分別配置了不同組分的油基和水基的MRFF，通過分析MRFF與工件發生的化學反應和流變特性解釋了水基MRFF要比油基MRFF的去除效率更高。文獻［14］通過實驗表明羰基鐵粉（CIP）的納米硬度在不含非磁性磨料的非水性磁流變拋光液的MRF去除實驗中起主導作用，但在水性磁流變拋光液或存在非磁性磨料的情況下影響并不大。在MRF中相較于呈球狀且較軟的CIP［14］，磨粒是材料去除的主要原因。在研究中，MRFF 中使用了各種類型的磨粒顆粒，例如金剛石［15］，Al2O3［16］，CeO2［16］，SiC［17］等。文獻［18-19］設計了新型MRF工具來拋光K9鏡面工件，論述并實驗證明了加入6%CeO2磨料的MRFF拋光的工件表面精度提高了三倍；在CeO2、Al2O3和金剛石三種磨料中加入金剛石磨料的MRFF去除材料效率最高；此外，他們還發現通過向加入了金剛石的MRFF中加入少量CeO2可以得到更高的表面質量。文獻［32］研究表明與具有尺寸相當的其他磨粒來說，體積分數為5%的0.05μm氧化鋁具有更好的工件拋光質量。不同種類的磨粒由于其物理機械性能的不同會導致其切削能力的強弱的不同。不同粒度和形狀的磨粒顆粒對工件的材料去除也具有很大影響［20］。文獻［6］解釋了不同粒度的磨粒對MRFF的強度的影響。在磁場的影響下，磨粒夾雜在排成鏈狀結構的CIP之間，而夾雜在CIP磁鏈中的磨粒粒徑越大，CIP磁鏈的變形越嚴重，結合強度越弱［20］，磁力相互作用越小。當CIP與磨料粒度差異較小時，力的相互作用越大，表面粗糙度的變化百分比越大［6］。在MRFF中，CIP結合成鏈對工件的力是工件表面的主要作用力［21］，磨粒是工件材料去除的主要原因［20］。隨著磨料濃度升高，由于CIP鏈攜帶的磨料數量過大使得CIP束縛磨料的力減小［22］，CIP磁鏈不能夾雜所有磨料［23］，導致磨料在工件表面的去除效果減弱，因此加工的表面粗糙度變化率將減小，并不能使工件表面質量持續增高。

不同研究人員使用的MRFF的組成都各不相同，拋光工件的材料也不盡相同。列舉了幾種不同MRF過程中使用的MRFF組成和拋光工件材料，如表1所示。CIP的體積分數在（20～40）%之間，基載液的體積分數在（48.5～66）%之間。大多數MRFF都加入甘油作為懸浮液的穩定劑，其體積分數在（1～8）%之間。

表1 MRFF的組成成分及體積比Tab.1 Various Composition of MRFF

根據以上分析，工件的材料去除效果與MRFF的組分和工件本身屬性有著密切聯系。磨料濃度的增加會提高工件的材料去除率，但當其濃度達到一定程度之后材料去除率將不會再隨之升高。MRFF中CIP濃度越大，CIP磁鏈能夠攜帶的磨料就越多，達到的磨料臨界濃度就越大，因此能夠有效提高材料去除率。對于同一種工件材料采用不同的磨料加工所得到的材料去除和表面質量會存在一定差異；同時，不同工件材料同一種磨料所表現出來的加工結果也不盡相同，因此在加工之前根據工件材料性質選取合適的磨料能夠很大程度上影響加工效率和加工質量。通常情況下拋光光學元件材料普遍采用CeO2磨料，拋光金屬等其他材料更多應用金剛石等其他的磨料。另外，拋光液的穩定性也是加工過程中的關鍵因素，進一步分析拋光液中各固體粒子之間的力學作用，提高拋光液的穩定性，這對拋光過程的穩定也是十分重要的。

3 MRF的材料去除模型

材料去除模型是指在某一固定點單位時間內的材料去除量的分布，能直觀地反映不同拋光方式的材料去除能力。將材料去除模型和工件的初始表面條件信息輸入計算機系統，計算機程序生成MRF的駐留時間安排［26］，實現工件加工后的表面形狀的可預測性，得到高精度、高表面質量的工件，實現工件的確定性拋光。

前蘇聯學者Kordonski團隊首次將MRFF應用于光學元件表面拋光［2］，并利用計算機控制和監測整個拋光過程和MRFF的循環系統，實現確定性磁流變拋光。作為磁流變拋光確定性和可控性的前提和基礎，建立準確的材料去除模型，成為了研究人員的重點研究方向。

國內外研究人員以Preston提出的磨削加工的經驗方程［27］為基礎，分別分析了作用力、磨料相對速度的變化、駐留時間等對MRF過程中材料去除的影響。

文獻［28］以Preston方程為依據建立了式（1）所示的材料去除模型，以凸面工件加工作為實例驗證了以Preston方程為基礎建立數學模型的可行性。

式中：MRR—材料去除率；K—該模型中的Preston系數；P—拋光區內MRFF對工件表面的壓力；V—拋光區內MRFF與工件表面的相對速度。

文獻［29］在張峰所研究內容的基礎上，結合了剛性流體潤滑的理論方法，求解工件表面壓力分布建立理論材料去除模型，將實際去除率和理論去除率兩組曲線作對比驗證，實際值與理論值之間誤差產生的主要原因是忽略了非剪切拋光液和工件之間的彈性變形所引起的。對比張峰團隊在求解流體動壓時采用Sommerfeld邊界條件［28］，而張云團隊則采用Reynolds邊界條件［29］，兩種條件的計算結果都驗證了數學模型的可行性。

文獻［28-29］主要分析了Preston方程中拋光區內工件表面壓力與材料去除之間的關系，但是并沒有對方程中其他參數的影響進行深入的分析；同時文獻［28］表明只有當剪切力大于屈服應力時才會產生材料去除，指出了剪切力對材料去除的重要作用，但是并沒有深入分析和研究剪切力與材料去除之間可能存在的數學關系和作用效果。因此，文獻［30］分析了速度對材料去除的影響，同時還提出駐留時間定義（見式（2））并分析了駐留時間對結果的影響，從而提出了時間駐留算法（見式（3））。

式中：MR（x）—材料去除量的函數；P（x，y）—拋光壓力；V（x）—加工點的合成速度；T（x）—駐留時間。

文獻［31］通過對三種不同類型的光學工件進行點拋光實驗證明流體動壓與材料去除并不具有很強的相關關系，而剪切應力和體積材料去除之間存在很強的相關性。基于這種相關性以及前人對材料機械去除的研究［32-36］，Miao提出了適用于MRF加工過程的改進Preston方程，如式（4）所示。

文獻［37］在分析MRF材料去除機理時也認為在磁流變拋光過程中起主導作用的是剪切力，而壓力起輔助作用，兩種力相輔相成共同作用。綜合考慮兩種力對材料去除的影響，提出了材料去除的影響因子并將去除率表述，如式（5）所示。

式中：K（x，z）—兩種力去除材料的影響因子。

文獻［37］中作者建立仿真模型時忽略了次要因素以及一些計算和系統誤差導致試驗和仿真結果之間存在一定誤差。

Preston方程中的常系數項K是由多種因素共同決定的，例如CIP以及磨料顆粒的濃度和粒度、MRFF的pH值等。文獻［38］綜合CIP以及磨料的濃度和粒度的影響修正了Preston方程的常系數項。文獻［39-40］都得出隨著pH值的增大工件的材料去除率隨之增加的結論，在pH=12左右時得到最優的材料去除率。由于拋光過程中加工條件復雜和不確定的影響因素，Preston 方程的常系數項大多數情況下都是通過實驗來確定的。

至此，Preston 方程中的Preston 系數、作用力、工件與MRFF的相對運動速度和駐留時間4個影響因素都已經進行了相關研究，該去除模型的建立主要通過理論分析推導、仿真模擬和試驗驗證完成的，能夠充分考慮分析拋光過程中磁場、流場、力學場，甚至是化學反應之間的相互耦合是建立精確去除模型的理論基礎。去除模型的精準建立將為MRF過程的精準可控性做出了貢獻，對于磁流變的精準拋光研究具有重要意義。不過目前研究人員所建立的去除模型大多基于一些理想化的假設前提下完成的，這就導致所建立的去除模型與實際情況存在偏差。而且，磁流變效應作為一種非常復雜的流體特性，研究人員需要對這種效應進行更加深入的研究，了解其流變機理才能提出更加貼近實際情況的假設或者猜想，以此為基礎對去除模型進一步分析，為實際生產加工提供足夠的技術支持。

4 MRF的加工方式

為滿足針對不同形狀工件時獲得更高加工效率、更高表面質量的要求，研究者們采用不同的MRF加工方式來達到目的。這里主要討論了輪式、拋光盤式和旋轉工具頭式三種最常用的磁流變拋光方式。

4.1 輪式MRF

在輪式MRF中，拋光輪是由勵磁裝置固定或者由磁性材料制成的。MRFF由噴嘴噴出并在磁場作用下附著在拋光輪表面，拋光輪旋轉帶動變硬的MRFF進入工件拋光區實現材料去除，完成拋光過程。輪式MRF加工原理圖［14］，如圖1所示。

圖1 輪式MRF加工原理圖Fig.1 Principle of Wheel Rotating

輪式MRF 最初且多應用于加工非球面的光學元件［19］。文獻［41］分析拋光頭結構加工的最小曲面曲率半徑的影響因素和計算方法，該方法為異形結構曲面加工設備提供了設計思路。文獻［42］基于公轉與自轉相結合的運動模式研發了雙旋轉式的磁流變拋光方法，該加工方法可以加工平面，非球面和3D形狀等不同形狀的工件，能有效地解決普通磁流變加工中產生的定向紋理問題。文獻［43］采用輪式拋光工藝試驗分析了不同型號MRFF對K9玻璃的拋光性能，并得到材料去除率的曲線規律以及單位時間內材料去除深度的空間形貌分布。

4.2 旋轉工具頭式MRF

在旋轉工具頭式MRF中，工具頭作為拋光系統中的勵磁裝置，MRFF在磁場下會附著在工具頭表面（或端面）形成一層柔性拋光膜。工具頭帶動柔性拋光膜旋轉并靠近工件，拋光膜中的磨料進入拋光區完成拋光過程。通過改變工具頭的形狀尺寸可以實現各種復雜形面的加工。旋轉工具頭式MRF加工原理圖［46］，如圖2所示。

圖2 旋轉工具頭式MRF加工原理Fig.2 Principle of Rotating Tool

文獻［16、44-46］采用永磁體旋轉拋光頭實現了小曲率半徑的半球諧振子元件的確定性精加工，利用自行研發的MRF機床對典型的小口徑復雜零件進行了拋光，研究加工參數對材料去除率的影響并建立了MRF的材料去除率模型，實現表面材料的確定性去除。為完成外圓柱表面的拋光工藝，文獻［25、47-48］設計了一種基于車削和旋轉工具頭式的MRF裝置，分別研究工具頭有無旋轉以及工具頭端面形狀對外圓表面的加工質量，發現旋轉的矩形端面工具頭加工得到的外圓表面質量更高。

4.3 拋光盤式MRF

在拋光盤式MRF 中，在不停旋轉的拋光盤中裝滿MRFF 并置于磁場中，工件浸沒在MRFF 中且與拋光盤之間留有一定間隙。MRFF隨拋光盤一起旋轉與工件產生相對運動完成工件的加工過程。拋光盤式MRF的加工原理圖，如圖3所示。

圖3 拋光盤式MRF加工原理［49］Fig.3 Principle of Rotating Disk

在該方法中，工件相對于拋光盤的運動形式是由拋光機本身決定的。文獻［49］設計加工過程使工件和拋光盤同時旋轉來實現工件與拋光盤之間的相對運動，同時還賦予拋光盤一個沿工件徑向的往復平移運動來減小磁場梯度不同所導致的材料去除不均勻，得到更高的表面質量。文獻［50］結合傳統V形槽和集群磁流變拋光技術拋光陶瓷球表面。上下兩個拋光盤相對轉動，硬化的MRFF與陶瓷球之間的摩擦力使陶瓷球在V型溝槽內旋轉，從而陶瓷球在拋光區實現連續的三點拋光得到高表面質量的成品陶瓷球。

分析每種加工方式的特點，不同的加工方式針對工件特性、磁場發生和加工效率等各種要求和特點具有不同的加工優勢，而且能夠根據工件形狀特征對加工方式進行適當的變形來完成零件的高效加工。例如，輪式MRF更便于加工平面和非球面的凸形面，加工大型工件可以通過適當改變拋光工具的尺寸使拋光效率最大化，但這種方式很難完成小口徑凹形面的加工；而旋轉工具頭式MRF可以根據加工工件形狀的不同來設計不同形狀的工具頭以滿足工件表面的加工要求且可以根據工件形狀優化拋光工具的運動軌跡等避免拋光工具與工件發生干涉損壞工件，但是工具頭的尺寸普遍較小，用于加工大型工件會大大降低加工效率。因此根據自身實際加工需求選取合適的加工方式是十分必要的。

5 磁流變拋光技術研究新思路

為滿足提高加工效率、獲得更好的表面質量等要求，各國研究人員基于磁流變加工和各類特種加工的特點提出了多種磁流變復合加工方法。介紹了幾種新型的磁流變加工方式的加工原理及實際加工后工件能夠達到的表面質量和加工效率等。

5.1 磁流變射流拋光技術

羅切斯特大學光學制造中心結合復雜形狀光學元件的加工特點和傳統流體射流拋光提出了磁流變射流拋光技術（MJP），其原理是MRFF從噴嘴中噴出并在噴嘴附近施加軸向磁場，在噴嘴附近施加梯度磁場能夠有效抑制射流噴出時的擾動，MRFF射流噴出時被磁化成硬長直的射流束，從而得到較穩定的拋光去除函數［51］。MJP加工表面的材料去除率和表面粗糙度都和射流束速度呈正比關系，因此根據需要的表面加工精度選取合適的射流速度是至關重要的。該中心研究人員用這種方法加工得到了表面粗糙度2nm，形面精度13nm的拋光表面［52］。

文獻［53］發現施加局部軸向磁場后CIP形成的鏈狀結構能夠有效抑制外界因素對射流束穩定性的破壞，有助于形成穩定匯聚的長距離射流束。文獻［54］實驗證明該技術的射流束束徑小，同時對拋光距離不敏感的特性有利于實現不同復雜形面加工的可控性。

磁流變射流技術結合了射流拋光和磁流變拋光特點，磁流變液的流變特性有助于克服射流拋光射流束受擾動分散，增強了射流束的穩定性，因此該技術能夠加工一些很難利用拋光工具來進行拋光的復雜形面同時保持拋光的穩定性。但是需要進一步研究不同入射角下的材料去除特性確定最優的入射角度。

5.2 超聲—磁流變復合拋光技術

哈工大張飛虎團隊針對小半徑凹形曲面和自由曲面的超精密加工，首次提出超聲—磁流變復合拋光技術（UMC），并自行研制了一臺五軸四聯動的復合拋光裝置，其原理圖［57］，如圖4所示。該團隊研究發現該復合拋光技術的材料去除率是普通磁流變拋光技術的3.1 倍，加工K9 玻璃能夠穩定獲得小于1nm的表面粗糙度［55-57］。

圖4 超聲—磁流變拋光裝置原理Fig.4 Principle of UMC

文獻［58］采用UMC 加工氧化鋯工件，在外加磁場作用下，MRFF中磨粒在超聲振動和磁場的雙重作用下完成拋光區域工件表面的材料去除，提高了拋光的材料去除率，分析多個單因素試驗的結果進行參數組合得到最優化的工藝參數，最終得到粗糙度為0.096μm和0.106μm的加工表面。

超聲—磁流變復合加工結合磁流變拋光和超聲加工特點使小加工范圍內材料分布更加集中，達到更高的加工效率；雖然超聲—磁流變復合加工提高了加工效率但是加工的表面質量并沒有明顯改善甚至還略有下降。

5.3 化學—磁流變復合拋光技術

文獻［59］結合化學機械拋光和MRF的優點開發了化學機械磁流變復合拋光技術（CMMRF）。CMMRF的加工原理圖，如圖5所示。復合拋光的化學反應主要是由氧化劑、催化劑組成的拋光液與晶片表面發生化學反應，形成一層可輕易通過機械去除的軟層。在拋光過程中，MRFF在外加磁場作用下形成包裹著磨粒的粘彈性拋光墊附著于拋光盤表面，這種柔性拋光墊讓作用在加工表面上不同尺寸的磨粒均勻地結合在一起，由于其粘彈性在加工表面產生較大的剪切力，并在拋光盤的帶動下磨粒不斷機械剝離上述軟層，從而完成工件的加工過程。

圖5 CMMRF加工原理圖［59］Fig.5 Principle of CMMRF

文獻［60］采用CMMRF拋光6H-SiC晶片60min后得到了沒有劃痕、尖峰等缺陷的表面，拋光前后的粗糙度從50.86nm 降至0.42nm。

文獻［61］發現CMMRF的材料去除主要是通過對磨粒的微切削進行機械去除，機械去除的材料遠多于化學作用。和MRF相似，CMMRF拋光液中組分的不同對材料去除的能力會有很重要的影響。隨后，文獻［62］推導了CIP 和磨粒在拋光墊中的受力方程，并建立了固相顆粒受力模型；根據受力模型建立了基于Preston方程的CMMRF材料去除模型，研究了單點磨頭拋光的SiC單晶片的材料去除特性。

化學—磁流變復合拋光技術有效的結合了磁流變拋光和化學機械拋光的加工特點，拋光液與工件表面產生一系列化學反應得到一層較軟的工件表面反應層后經過磁流變拋光加工工件表面較軟的反應層，能夠有效的提高加工效率。但是，對于相對惰性的材料工件來說，較好的化學穩定性導致很難配置出有利于拋光加工進行的拋光液，無法完成該工件的拋光加工。

綜上所述，目前的各類新型拋光技術都結合相關加工技術的優點得到更優的加工工藝，但同時這些工藝也存在一些不足之處，因此在研究新型磁流變拋光技術時需要統籌平衡各種影響因素對加工的影響，建立更加完整的加工體系和加工創新理論。

6 結論

綜上所述，MRF是融合了電磁學、流體力學、超聲學、化學等多門學科的拋光技術，是一種趨向于集成各種拋光方法優點的加工方式，拓寬了傳統機械加工的適用范圍，對現代先進制造業具有重要意義。目前，MRF還存在一些問題，也提出了超精密加工新的發展趨勢：

（1）材料去除率的研究是MRF拋光可控性的重要依據，能夠建立更加準確的去除率模型更有助于拋光前期的參數設置選取。目前關于MRF的材料去除率數學模型的研究已經較為完善，但建模過程中多用理想狀態假設，盡管通過假設建立的數學模型能夠有效的減少計算量和增加問題的可解性，但是得到的結果還是不夠精準。為得到更加精準的材料去除函數，還需要深入研究MRFF 的流變特性。通過一些現代輔助手段解決加工過程中MRFF組分變化的問題以便更加精準的實現MRFF拋光的穩定性和可控性。

（2）上述數學模型只是應用在宏觀尺寸上，作為納米尺寸下的加工去除機理與之有很大不同。目前已經廣泛應用于化學機械拋光等超精密加工當中的分子動力學模擬［63-64］可以提供更多的關于拋光力、應力分析、材料變形等方面信息，這些信息能為完善磁流變拋光的去除機理研究提供有力支撐。探索分子微觀層面的磁流變特性將會成為未來重點研究領域。

（3）MRF最初就是最為光學元件的加工方式被提出，目前也大多應用于光學元件的加工。隨著科技發展，航空航天、醫療、核反應堆、汽車等對使用的金屬材料和陶瓷材料的表面質量要求越來越高。近年來，雖然磁流變和相關工藝已經應用于其他材料的制造加工中，但大多停留在實驗室層面，很少有面向工業的實際解決方案。如何更快的面向工業解決實際生產以及探索MRF如何高效加工不同材料將會成為熱門方向。

（4）輔助磁流變拋光結合了不同拋光方法的優點，改進了傳統磁流變拋光的一些局限性。輔助磁流變拋光技術的出現為學者提供了未來的研究思路，如何改進現有加工工藝提高工件加工效率以及表面質量會是其中的重要方向。另外，如何使其他一種或多種特種加工方法與磁流變復合得到一種更加高效且高加工質量的復合加工技術也有待進一步研究。

（5）裝置結構復雜。根據目前文獻記載的MRF裝置十分復雜，MRFF循環系統、MRFF狀態監測、檢測系統等系統部件數量龐大，如何能夠開發一種便于操作和維護的小型MRF裝置是十分必要的。同時，在未來的小型MRF裝置上需要找到另一種保持MRFF穩定性以及保證設備執行精度的方法。