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

1 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 2 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

3 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0.09吗，BK7非球面光学元件表面粗糙度降低1nm( RMS) ， 面形误差0.86m。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1~10m/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

4 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