磁流变抛光技术发展趋势及抛光工具研究

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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。

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，在磁性磨料的制各方法和制各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Ro-chester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。

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、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

文献研究表明，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

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

由于现有抛光设各不能抛光复杂面型、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。

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。

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。

5、磁流变抛光技术发展趋势探讨

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。

(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捌料去除。

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。)

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 0n Magnetorheological Fluids.Proc 3rd Int Cone 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，磁流交抛光光学曲面的两级插补算法[J]光电工程，2006