磁流變光整加工技術(shù)研究進展

陳逢軍 尹韶輝 余劍武 徐志強

湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，長沙，410082

磁流變光整加工技術(shù)研究進展

陳逢軍 尹韶輝 余劍武 徐志強

湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，長沙，410082

介紹了近年來磁流變光整加工（MRF）技術(shù)的研究狀況及最新進展，對磁流變光整加工機理研究、加工機床與相關裝置的開發(fā)、加工工藝試驗研究、加工算法與模型研究、磁流變液流體開發(fā)與應用等五個方面進行了詳細的綜述與分析。最后探討了磁流變光整加工中的關鍵技術(shù)與存在的問題，并對其發(fā)展趨勢進行了展望。

磁流變光整加工（MRF）；磁流變液；光學制造；超精密加工

0 引言

磁流變液具有良好的力學性能，且易通過計算機進行控制，因而在航空航天、機電與汽車工程、土木工程、精密加工工程、醫(yī)療等領域得到廣泛應用［1－2］。20世紀90年代初，美國 Rochester大學光學加工中心結(jié)合電磁學、流體力學、分析化學等理論將磁流變液應用到機械精密加工過程，提出了磁流變光整加工（magnetorheological finishing，MRF）技術(shù)，從而開辟了光學零部件或超精密模芯加工的新途徑［3－6］。

與傳統(tǒng)光學拋光技術(shù)相比較，MRF加工具有切入量非常小，加工表面潔凈、無刮傷等特點，它是一種可控的、確定性的光整加工技術(shù)。由于光學零部件與超精密模具的需求量大，而采用MRF工藝能準確地加工出所需要的超精密部件，因而該技術(shù)的應用前景非常可觀。

本文綜述了近年來國內(nèi)外磁流變光整加工技術(shù)的研究狀況，探討了其中的關鍵問題，展望了未來發(fā)展方向。

1 磁流變光整加工機理

1.1 磁流變光整加工原理

典型的MRF加工原理如圖1所示。工件位于運動輪上方，并與運動輪有一個很小的固定安裝距離。位于運動輪下方（或兩側(cè)）的電磁鐵在運動輪與工件之間的狹小間隙產(chǎn)生一個梯度磁場。磁流變液經(jīng)過循環(huán)裝置后，噴射到運動輪上，被傳送到該匯集間隙附近時，高梯度磁場使之凝聚、變硬，這樣具有一定運動速度的黏塑性流體在與工件表面接觸的區(qū)域產(chǎn)生剪切力。調(diào)整工件的旋轉(zhuǎn)速度與角度，可使工件的表面材料被光滑地去除。當加工大型光學零件時，也可以將運動輪安裝在工件的上方進行加工。

圖1 傳統(tǒng)MRF加工原理

圖2 MRF公自轉(zhuǎn)拋光加工示意圖［7］

清華大學設計了如圖2所示的公自轉(zhuǎn)電磁拋光裝置［7］。圖2中，扇形磁鐵分布于隔磁板的兩側(cè)，一側(cè)磁鐵的N極位于外圓周，另一側(cè)磁鐵的S極位于外圓周。自轉(zhuǎn)軸、磁鐵和磁軛形成一個閉合磁路，進入梯度磁場的磁流變拋光液會發(fā)生流變形成柔性磨頭，對工件以公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的方式進行拋光。該拋光方法有利于降低工件的表面粗糙度，可在允許范圍內(nèi)加工任意形狀的工件。

路家斌等［8］研究了電磁流變效應微磨頭拋光技術(shù)。其拋光原理如圖3所示［9］。錐狀工具電極尖端和工件之間加入具有微細磨料的電磁流變液，在工具電極與工件之間施加中低壓電場，電力線一端將聚集于工具尖端而另一端終止于工件，由于工具尖端附近的電場強度最大，電磁流變液中的微細磨粒在工具尖端聚集形成一個由磨粒球團構(gòu)成的微小拋光刷，當工具旋轉(zhuǎn)時，磨粒隨之運動就會產(chǎn)生微磨削作用。

陽志強等［10］設計了一種環(huán)帶旋轉(zhuǎn)式磁流變拋光頭。如圖4所示，環(huán)帶線圈中間包含—個旋轉(zhuǎn)軸，作為電磁鐵的另一磁極，線圈與邊緣磁極保持固定不動，而中心磁極能夠旋轉(zhuǎn)。環(huán)帶磁極由一個外磁極和環(huán)形凸尖狀的磁極組成。環(huán)形磁極和外磁極同步旋轉(zhuǎn)，從而形成環(huán)帶狀的工作區(qū)域。線圈通電能夠形成環(huán)帶的賓漢姆（Bingham）磁流變體從而對工件進行拋光。

圖3 電磁流變微磨頭拋光［9］

圖4 環(huán)帶旋轉(zhuǎn)磁流變拋光［10］

尹韶輝等［11］開發(fā)出了微小磁性工具頭磁流變斜軸拋光工藝。如圖5所示，拋光頭與工件軸向成一定的角度，拋光工具頭外殼旋轉(zhuǎn)，固定軸裝有勵磁裝置。工具頭外殼較小，其前端區(qū)域一部分有磁場，另一部分無磁場或弱磁場，便于磁流變液更新。拋光工具頭外殼旋轉(zhuǎn)，磁流體在拋光工具頭與工件間隙處產(chǎn)生高剪切力，從而使材料微量去除。采用斜軸拋光，解決了對微小非球面光學零部件及其模具進行確定性超精密拋光加工時產(chǎn)生的干涉問題。

左巍等［12］提出了一種內(nèi)凹面磁流變槽路拋光方法，該方法在凸模上開設供磁流變液循環(huán)通過的槽路。隨著磁流變加工技術(shù)的應用，磁射流拋光技術(shù)也被提出，其原理如圖6所示［13］?；旌霞毼伖鈩╊w粒的磁流變液通過壓力系統(tǒng)吸入泵轉(zhuǎn)換成高壓液體，輸送給安裝在電磁鐵內(nèi)部的采用鐵磁材料制作的噴嘴形成高速射流，被局部軸向磁場穩(wěn)定硬化的磁流變液射流束噴射到一定距離處對工件表面進行拋光，使用過的拋光液經(jīng)過回收裝置過濾后重新回到容器中循環(huán)使用。

圖5 斜軸磁性復合流體拋光［11］

圖6 磁射流拋光［13］

1.2 磁流變液流變特性

在加工機理方面，國外研究人員認為磁流變光整加工時，在匯集間隙處產(chǎn)生的“內(nèi)核”會有效地減小匯集間隙的距離，從而增大剪切力，提高材料的去除率。同時他們也認為Preston系數(shù)與磁流變液的化學性質(zhì)、磨粒類型、工件類型等有關，并將摩擦因數(shù)從Preston系數(shù)中分離出來單獨考慮［14－15］。Jha等［16］在賓漢姆塑性流體、赫歇爾－巴爾克利流體和卡森流體三種模型的基礎上，通過擬合毛細管磁流變計的流變數(shù)據(jù)描述磁流變流體的流變行為：因為流體曲線的非線性，賓漢姆塑性流體不能很好地表征MRF流體，赫歇爾－巴爾克利和卡森流體模型更適合。Sidpara等［17］研究了MR流體流變性能，并利用賓漢姆塑性流體、赫歇爾－巴爾克利流體和卡森流體三種模型來表征磁流體流變行為：赫歇爾－巴爾克利模型更適合用于MR流體建模與分析。阮予明等［18］基于一套剪切工作模式的圓盤－平板結(jié)構(gòu)磁流變裝置，對磁流變液進行了流變性試驗，建立了描述磁流變液流變性的本構(gòu)方程。

Kuzhir等［19］研究了磁流變體經(jīng)過軸對稱孔時縱向和橫向的磁場效應?？v向上的磁場效應主要表現(xiàn)為壓力流量曲線的斜率顯著增大，但沒有出現(xiàn)明顯的屈服應力，橫向磁場不影響壓力下降。Kciuk等［20］分析了含有羰基鐵（CI）粒子的 MR在外部磁場控制下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流動性：在外部磁場作用下，磁流體的動力黏度可以迅速且可逆地變化。張紅輝等［21］研究了不同激勵電流和剪切速率條件下的磁流變體的軸對稱環(huán)狀間隙流動：當激勵電流增大時，磁流變體剛性流動區(qū)迅速擴大；剪切速度對剛性流動區(qū)的大小也有較大影響，而對磁流變體黏度的影響較弱。

溫度改變也會明顯影響磁流變液的物理結(jié)構(gòu)，從而影響其應力及黏度。德國的Andreas等［22］利用紅外線相機對磁流變加工單元的熱源進行分析發(fā)現(xiàn)：攪拌電機導致了流體調(diào)節(jié)器中磁流變液的升溫，從而影響加工質(zhì)量。

1.3 磁流變液粒子作用

美國學者Simon等［23］認為磁流變液是一種分散粒子系統(tǒng)，他們對在磁場中形成的簇狀結(jié)構(gòu)進行了建模與仿真（圖7）。Jang等［24］通過擴展一維模型及考慮多粒子相互作用，建立了一個新的三維模型：假定每個粒子周圍有26個鄰近的粒子，則總內(nèi)能可以通過計算顆粒之間的磁偶極子相互作用來估計。該模型考慮了粒子對粒子和鏈對鏈能量變化，如圖8所示。Bansevicius等［25］研究了有無磁場作用時，通過顯微鏡觀察機械振動對MR的干擾情況。磁性粒子在磁場作用下形成鏈狀伸長結(jié)構(gòu)。去掉磁場后，即使低振幅振動，這些結(jié)構(gòu)依然保持，需要在消磁作用下振動以達到初始狀態(tài)。

圖7 磁場中形成的簇狀結(jié)構(gòu)［23］

圖8 有無剪切變形下的理想的鏈鎖狀結(jié)構(gòu)［24］

國內(nèi)的李海濤等［26］基于磁偶極子理論，分析了兩個磁化顆粒處于不同位置時的受力特點及其相對運動趨勢，證明了鐵磁顆粒間的引力分量和斥力分量是導致顆粒聚集并呈多條并列鏈的主要原因。余淼等［27］基于磁性物理學理論，建立了磁流變流體中固體顆粒間的一種微觀力學模型，分析了磁流變流體剪切模量。彭小強等［28］利用標量磁位對磁流變加工中的磁場進行了分析，根據(jù)磁偶極子在磁場空間的受力模型，對磁性微粉顆粒的受力進行了推導，分析了磁流變液形成單一穩(wěn)定緞帶凸起的條件。司鵠等［29］探討了磁流變流體中固體顆粒間的相互作用機理，通過研究顆粒間的相互作用力建立了相應的微觀力學模型。

1.4 磁場磁路設計分析

張學成等［30］對磁射流拋光中的磁場進行了設計，分析了鐵磁噴嘴頭部形狀對磁場的影響，并通過ANSYS仿真了結(jié)構(gòu)形狀對磁場空間特性的影響。李蓓智等［31］根據(jù)磁流變拋光要求設計了電磁鐵磁路結(jié)構(gòu)，建立了磁路結(jié)構(gòu)和磁場強度分析模型，獲得了相應磁路結(jié)構(gòu)的磁場強度分布狀況。郭隱彪等［32］設計了 磁流變拋光系統(tǒng)，對磁流變拋光輪的結(jié)構(gòu)進行了設計。周虎等［33］討論了磁流變拋光裝置中的磁路設計，使拋光區(qū)產(chǎn)生足夠的磁場強度。

2 磁流變光整加工機床與設備

近年來，隨著磁流變光整加工技術(shù)在超精密制造領域的研究與應用不斷深入，新的磁流變大小型光學加工機及相關設備與裝置也在不斷被開發(fā)。

2.1 QED光整加工機

作為引領者，美國QED公司已經(jīng)成功研制了多臺多型號的磁流變機床［34］。其MRF加工機Q22－X、Q22－Y和Q22－400X，能對直徑為100～400mm之間的球面、平面、非球面、棱鏡、圓筒等形狀的光學部件進行精密加工，也適用于棱鏡與圓筒件外形或角度的校正。其拋光面形精度在（λ／4～λ／50）PV（λ為一個波長，λ＝632.8nm，PV為高差值）范圍內(nèi)。另外，Q22－400X機床具有200mm的倒置運動輪和隱形磁體技術(shù)。該公司最新開發(fā)出來的磁流變光整加工機主要表現(xiàn)在向光學制造的兩個極端化方向（小型化、大型化）發(fā)展：①如圖9所示，小型機床Q22－XE為QED公司的最新MRF機床，專用于加工直徑小于80mm的平面、球面、非球面或者凹面半徑在15mm以上的光學工件，其結(jié)構(gòu)緊湊，適用于任何加工環(huán)境。②大型機床Q22－750P2與Q22－950F能分別拋光750mm×1000mm與950mm×1250mm的大型光學零件。其雙輪平臺提供極好的靈活性：φ370mm的運動輪具有較高的材料去除率，φ50mm小輪能進行微量加工。機床上配有兩個可以互換的流體運載系統(tǒng)和4組遠程監(jiān)控裝置。

圖9 Q22－XE與Q22－750P2機床

除了加工機外，QED公司也在不斷地更新其配件，如可增選20mm運動輪，防止突然斷電的自帶UPS；獨特的磁密封設計，新的磁刮板；CCD定位探針和定位系統(tǒng)，可以減少操作者的主觀性，且能提供拋光帶檢測，實時反饋拋光帶相對運動輪的位置。

圖10所示為德國菲博士MSF拋光機，其功率為150k W，可以加工各種形狀的工件［35］。韓國仁荷大學的 Kim等［36］研制了如圖11所示的MRF拋光平臺，并對BK7玻璃進行了大量的基礎實驗，獲得了表面粗糙度Ra為3.8nm的光滑表面。

圖10 德國MSF拋光機［35］

圖11 韓國拋光平臺［36］

2.2 國內(nèi)磁流變拋光設備

國內(nèi)各研究機構(gòu)也對磁流變光整加工的試驗設備與裝置進行了研究與開發(fā)。清華大學研制了可以五軸控制的磁流變數(shù)控加工系統(tǒng)MRF110，該系統(tǒng)具有三個移動軸控制和一個轉(zhuǎn)臺控制，根據(jù)需要可以再附加一個轉(zhuǎn)動軸變?yōu)槲遢S控制，并將電刷供電方式應用于公自轉(zhuǎn)電磁拋光輪的新型結(jié)構(gòu)中。該機床在允許范圍內(nèi)能夠加工任意形狀的工件［7］。機床控制系統(tǒng)包含曲面造型軟件和自動編程軟件。哈爾濱工業(yè)大學研制了三軸聯(lián)動的數(shù)控磁流變光整加工機床，該機床由高精度變頻調(diào)速電機驅(qū)動拋光盤轉(zhuǎn)動，三軸的單獨與復合運動可實現(xiàn)對光學玻璃和光學晶體進行平面、球面、非球面光學工件的加工［37］。太原理工大學利用臺式鉆床改裝成磁流變光整加工裝置。如圖12所示，該裝置由工件回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動裝置、環(huán)形容器及其回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動裝置和磁場發(fā)生裝置三大部分組成。其中環(huán)形容器安裝在軸承座上，將軸承座固定在鉆床工作臺上，然后由減速驅(qū)動裝置通過主軸帶動環(huán)形容器及研磨液做低速運動［38］。

圖12 磁流變加工裝置［38］

圖13 KDP磁流變拋光裝置［39］

國防科學技術(shù)大學在對已有的機床進行改造與試驗的基礎上，研制了加工磷酸二氫鉀（KDP）晶體材料的磁流變拋光裝置。龍門式結(jié)構(gòu)的微小零件加工機床，包括X軸、Y軸、Z軸進給模塊，主軸以及機床床身。運動部件X、Y、Z軸以及主軸又通過數(shù)控系統(tǒng)進行聯(lián)動控制。磁流變拋光裝置安裝在X軸進給模塊的工作臺上，KDP材料通過夾具安裝在主軸上［39］。其后，謝超等［40］又試制出了可加工1m口徑的MRF設備KDMRF－1000磁流變拋光機床，并對機床進行了運動求解，分析了機床各軸定位精度對磁流變拋光加工的影響。北京工業(yè)大學研制了如圖14所示的用于拋光大口徑平面工件的磁流變裝置［41］，在立式機床結(jié)構(gòu)上采用了兩軸運動的拋光頭。

圖14 拋光平臺與兩軸運動的拋光頭［41］

陽志強等［10］設計了一種環(huán)帶旋轉(zhuǎn)式磁流變拋光頭，并采用有限元分析軟件ANSYS進行了仿真。唐恒寧等［11］為解決磁流變拋光較小曲率半徑（φ8mm以下）非球面光學零件困難和拋光效率不高等問題，開發(fā)出一種基于磁場輔助的磁流變斜軸拋光工藝（圖15），采用微小磁性工具頭斜軸拋光方式。國防科學技術(shù)大學研制了由x、y、z、v、u軸組成的五坐標確定性磁射流精整加工平臺。通過調(diào)整工件運動的位置以及噴嘴周圍磁場的方向和大小，可控制磁流變液的流變特性，實現(xiàn)光學零件的確定量精密加工［42］。

圖15 磁流變斜軸拋光平臺［11］。

3 磁流變光整加工工藝試驗

磁流變光整加工時，在正式加工之前要檢測磁流變液的材料去除能力，同時需向系統(tǒng)軟件提供工件的初始表面誤差。系統(tǒng)控制軟件對輸入信息進行處理并生成一套機床加工指令，控制機床移動工件與運動輪。磁流變液的性能、材料去除能力、加工工藝對于工件表面質(zhì)量都有很大的影響。

3.1 試驗研究

國內(nèi)外對不同材料的磁流變光整加工試驗進行了比較深入的研究。對于K9光學玻璃材料，程灝波等［42］用初始黏度為0.5Pa·s的磁流變液，結(jié)合公自轉(zhuǎn)組合運動永磁拋光輪對工件進行了加工試驗，分析了加工過程中加工間隙、運動速度、氧化鈰濃度和拋光時間對材料去除特性的影響。對K9玻璃加工23min后工件表面粗糙度Ra降低至0.6739nm。直徑為60mm的大口徑K9玻璃，加工10min后由初始的Ra＝3.8nm變到Ra＝1.2nm［41］。彭小強等［43］通過實驗得出準Preston系數(shù)的平均值為K＝1.35×10－11m2／N，通過對K9玻璃進行磁流變加工試驗，得到最大去除率為0.4m／min。石峰等［44］采用磁流變拋光機床KDMRF－1000拋光直徑為100 mm的K9材料平面玻璃進行磁流變光整加工。經(jīng)過156min的磁流變粗拋后再進行17.5 min磁流變精拋，消除磁流變粗拋產(chǎn)生的拋光紋路，表面粗糙度Ra值可達0.575nm。清華大學加工出了表面粗糙度為Rq＝0.76nm的K9光學元件，其高頻表面粗糙度達到Rq＝0.471nm，滿足了一定短波段光學研究的要求［45］。尹韶輝等［46］利用4種不同形狀的拋光頭，對K9平面玻璃進行了磁流變拋光工藝試驗。分析了不同的磁場強度、磁極轉(zhuǎn)速、加工間隙等多種情況。試驗結(jié)果表明：槽型平面拋光頭的拋光效果最好。郭忠達等［47］研究了磁流變拋光的可塑性問題，利用工藝試驗研究彗尾疵病現(xiàn)象的消除方法，在自主設計的磁流變拋光裝置上，使K9玻璃表面粗糙度值Rq達到0.49nm。

對于BK7玻璃材料，Kim等［36］進行了大量的基礎實驗，獲得了表面粗糙度Ra＝3.8nm的表面。Kim等［48］利用磁流變液體與金剛石磨粒對Si3N4陶瓷進行了超精密拋光，在10min內(nèi)表面粗糙度Ra達到1.012nm。李耀明等［49］利用自行配制的水基磁流變拋光液和拋光樣機，對直徑12mm的BK7玻璃零件進行加工，拋光后得到理想的表面粗糙度Rq為0.61nm的玻璃工件。周虎等［50］確立了大尺寸光學元件磁流變拋光工藝。

對于其他材料，Zuegel等［51］利用MRF工藝對大口徑Nd：YLF激光棒傳送波陣面的修正進行了加工試驗，并獲得了較好的效果。Kozhinova等［52］通過改變磁流變液中氧化鋁磨粒與軟羰基鐵的成分，對采用化學蒸汽沉積法（CVD）制備的ZnS材料進行加工后，其表面粗糙度Rq改善為2nm，形狀精度PV低于20nm。戴一帆等［53］采用磁流變拋光方法對熱壓多晶氟化鎂材料進行拋光，在較短時間內(nèi)便可獲得Rq＝1.597nm的光滑表面。王貴林等［54］分別采用金剛砂、Al2O3、金剛石拋光粉對K9玻璃、硬鋁和SiC試件進行拋光加工，發(fā)現(xiàn)磁流變加工非金屬時表面質(zhì)量比較理想，而在長時間的加工中磁流變液會對金屬表面產(chǎn)生腐蝕作用，從而降低表面粗糙度。李唯東等［55］則提出MRF加工導磁性材料表面的方法，例如利用旋轉(zhuǎn)磁場加工直徑為30mm的鐵棒，在10min內(nèi)表面粗糙度值下降為原來的65%。張鵬程等［56］對玻璃工件進行微溝槽加工試驗，發(fā)現(xiàn)基礎液的種類、黏度、含量對磁流變效應微砂輪的加工效果具有決定性的影響。Singh等［57］用球頭型磁流變拋光頭對磁性材料EN－31平面拋光100min，其表面粗糙度Ra由414.1nm降低到70nm。對于非磁性材料銅溝槽面，拋光60min后表面粗糙度Ra由336.8nm降低到102nm。德國的Markus等［58］則對磁流變加工液的使用壽命進行了研究，他們利用掃描電鏡對磁流變液進行分析，發(fā)現(xiàn)材料去除率呈下降趨勢，在利用新的流體調(diào)節(jié)器后，磁流變液可以比原來多使用2周以上。

3.2 組合加工

考慮到磁流變光整加工量小、去除精度較高，而ELID磨削能達到良好的形狀精度與表面粗糙度［59］，因此可以將ELID磨削和磁流變光整加工這兩種技術(shù)相結(jié)合的組合工藝對CVD法制備的SiC材料進行鏡面磨削與拋光實驗［60］，加工后獲得了表面粗糙度Rq為2.4nm的表面，MRF加工后其形狀精度PV由41.3nm提高到21.2nm。兩者相結(jié)合可顯著地提高加工效率。利用該組合工藝同樣可以對單晶硅反射鏡進行加工，從而獲得良好的效果［61］。Das等［62］提出了如圖16所示的磨料流加工（AFM）和磁流變拋光（MRF）相結(jié)合的磁磨料流加工（MRAFF）工藝，提出了相應的材料去除和表面粗糙度預測模型，并對不銹鋼材料進行了拋光，在5A電流條件下，在365次循環(huán)拋光后獲得了表面粗糙度Ra為0.24μm的表面。王慧軍等［63］提出了一種超聲波磁流變復合加工工藝，圖17所示的拋光工具頭在超聲振動的同時沿自身軸線旋轉(zhuǎn)，拋光頭與工件之間有一可控的間隙用于施加含有一定濃度拋光磨粒的磁流變液，工件自身旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向與拋光工具頭相反，在超聲波磁流變拋光過程中，在拋光區(qū)域產(chǎn)生剪應力，從而實現(xiàn)材料去除。

圖16 磁磨料流加工原理［62］

圖17 超聲波磁流變拋光［63］

4 磁流變加工算法與模型的研究

磁流變光整加工采用計算機控制光學表面成形技術(shù)，能對任意形式的自由曲面進行加工。它依靠對自由曲面型面的反復檢驗并根據(jù)誤差值進行修正，形成一個反復加工與修正的過程。磁流變光整加工過程中，通過復雜的算法對MRF刀具的去除函數(shù)和工件初始表面的誤差函數(shù)進行卷積或去卷積運算，同時計算機軟件對如何修正這些誤差進行內(nèi)部處理，并提供一系列的CNC控制指令，從而實現(xiàn)材料的確定性去除，且同步獲得高質(zhì)量的形狀精度與表面粗糙度。

4.1 誤差修正方法

為提高自由曲面型面加工精度，可以采用分級的方法對曲面進行誤差修正。而誤差修正的輸入控制量算法對反復加工過程的迭代效率及加工出的成品精度影響甚大，國外學者改從卷積的特性出發(fā)，在頻率域求解輸入控制量［64］。吳鴻鐘等［65］認為自由曲面透鏡型面誤差修正本質(zhì)上屬于“解卷積”問題，并通過比較傅里葉變換算法、維納濾波算法和直接算法，得出采用維納濾波算法可獲良好效果的結(jié)論。程灝波等［66，67］則基于有限傅里葉系數(shù)算法構(gòu)建光學制造中輸入?yún)⒘康那蠼饽Ｐ停馆斎霐?shù)據(jù)更適于實際加工需要，有效提高了參量求解精度并保證了加工過程的連續(xù)穩(wěn)定。他們也提出磁流變加工非球面表面波像差的相移評價算法，通過規(guī)劃表面殘余誤差與工藝參數(shù)之間的關系，確定有效消除表面殘余誤差的磁流變加工工藝規(guī)范，并通過試驗使非球面曲面的面形精度達到Rq＝20nm。王飛等［68］為避免在數(shù)控拋光中因采用規(guī)則運動路徑產(chǎn)生的規(guī)律性高頻誤差，提出基于Kohonen自組織網(wǎng)絡算法，將小磨頭加工等同于一個與加工區(qū)域尺度相當?shù)奶摂M磨頭在低頻段對材料進行去除加工，有效地防止了高頻誤差的產(chǎn)生。閻秋生等［69］實驗研究了磁感應強度、研拋壓力、加工速度及加工時間等幾個加工參數(shù)對集群磁流變效應微磨頭平面研拋加工效果的影響，提出了集群磁流變效應微磨頭平面研拋加工的材料去除模型。

4.2 駐留時間算法

孫希威等［70］提出了磁流變加工駐留時間的算法，定 義 為v1（x）、v2為工件自轉(zhuǎn)速度與運動輪速度，并將該算法用于球形工件的仿真加工。之后他們又研究了磁流變加工光學曲面粗、精兩級插補算法。粗插補算法控制工件的面形，精插補算法采用同步并行轉(zhuǎn)換（PVT）模式，插補誤差小于0.45nm。利用該算法加工K9光學玻璃，獲得57.911nm PV的面形精度［71］。孫希威等［72］還對K9光學玻璃球面進行了磁流變拋光試驗，通過調(diào)整各拋光點的駐留時間，獲得了表面粗糙度Ra＝0.636nm的球形表面，面形精度PV值由拋光前的158.219nm 減小到52.14nm［72］。彭小強等［73］將駐留時間轉(zhuǎn)化為工件自轉(zhuǎn)的整數(shù)圈數(shù)，并且將拋光模對工件的材料去除效率體現(xiàn)到材料去除矩陣中進行計算，利用非負最小二乘法求解駐留時間向量。通過3次迭代加工試驗，工件面形精度從8μm 提高到0.5μm 以內(nèi)［73］。石峰等［74］提出了一種光學零件磁流變加工的駐留時間計算方法。該算法以矩陣運算為基礎，將磁流變拋光模對各控制節(jié)點的材料去除能力體現(xiàn)到去除矩陣中，求解駐留時間向量。經(jīng)過2次迭代加工后，有效口徑為145mm的球面鏡PV值達到40.5nm（約為λ／15），表面粗糙度 Ra 值達到0.57nm。胡皓等［75］將去除函數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化成駐留時間解算的線性方程組的系數(shù)矩陣，并利用其為稀疏矩陣的特點來進行快速迭代計算，駐留時間分配到螺旋掃描路徑上以求得整個路徑上的速度變化。張云飛等［76］將駐留時間反卷積運算變換成矩陣運算，利用最小二乘逼近和最佳一致逼近等方法對優(yōu)化模型進行數(shù)值求解。

4.3 去除模型與軟件

目前是以Preston方程為基礎，即根據(jù)被加工工件表面材料去除率與壓力參數(shù)p成正比的關系，建立基本的磁流變加工的材料去除數(shù)學模型。工件表面所受的壓力p主要是由流體動壓力、磁場產(chǎn)生的壓力、液體浮力或流體重力壓強三部分組 成，各 壓 力 的 模 型 均 能 簡 單 得 到［42，45，77］。陳逢軍等［78］在二維壓力與去除模型基礎上建立了拋光的三維方向的去除模型。QED公司擁有最新Q22加工控制軟件，該軟件不僅運行速度快，且增加了數(shù)據(jù)庫（保存與調(diào)用拋光參數(shù)與歷史）等功能，從而改善與提高了系統(tǒng)的加工穩(wěn)定與準確性，另外配置的桌面求解軟件，能進行多任務處理。

5 磁流變流體開發(fā)技術(shù)

5.1 磁流變液體配置

磁流變液一般由磁性羰基鐵（CI）顆粒、水或其他載體形成的基液、使磁性顆粒懸浮在基液中的穩(wěn)定劑及少量的拋光粉等四部分組成。日本的Wu等［79］則將磁性流體與磁流變液混合組成混合型磁性研磨液（MCP），其成分為Fe3O4、Al2O3、鐵粉、煤油等。試驗結(jié)果表明該混合液對改善工件的表面粗糙度有很好的效果。

國內(nèi)的尤偉偉等［80］利用配方（體積比，下同）為35%羰基鐵、55%水、6%氧化鈰、3.5%活性劑和0.5%添加劑配制了磁流變液，并用自行研制的磁流變儀測得該磁流變液在磁場為600m T，剪切率為110rad／s時的剪切屈服應力為70k Pa。

程灝波等［81］配制的標準油基磁流變液配方為33.84%羰基鐵、57.34%硅油、6%氧化鈰和2.82%穩(wěn)定劑，經(jīng)測量其黏度達到0.5Pa·s。仇中軍等［82］則配制了適合于光學玻璃加工用的磁流變液，它是由微米級羰基鐵粉、表面活性劑（纖維素鈉）、磨料（氧化鈰）、純凈水、無毒防銹劑和防腐添加劑等組成，其黏度為3.2Pa·s，屈服應力為0.42k Pa，密度為2.5g／cm3。張峰等［45］配制了成分為45%羰基鐵（平均直徑100nm）、49%水、3%金剛石微粉（平均直徑250nm）和3%穩(wěn)定劑的磁流變液，其黏度達到0.9Pa·s。張鵬程等［83］研究了磁流變工作液中添加磨料的種類、含量、粒度對磁流變效應微砂輪加工效果的影響。隨著添加磨料含量增加、粒度增大，磁流變效應均被削弱。當磨料含量為3%時溝槽的寬度、深度和材料去除率都達到最大；當磨料粒度為W7時，加工溝槽的深度和材料去除率最大。陳維清等［84］研究了流體中的表面活性劑的親水－疏水平衡值（HLB）對表面活性劑的影響。其中聚乙二醇的HLB值為20，有很強的親水性，油酸的HLB值為1，有很強的親油性。Sidpara等［17］通過優(yōu)化研究，配備的磁流變液（成分為38%羥基粒子、4%磨粒、52%去離子水，其余為穩(wěn)定劑和表面活性劑）在0.6T的磁場強度下可以獲得高壓應力與黏度。

5.2 磁流變液體性能分析

姚金光等［85］采用球磨機球磨分散的方法制備磁流變液。隨著球磨時間的延長，磁流變液的黏度表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。魏齊龍等［86］采用共溶膠－凝膠法制備了具有高穩(wěn)定性的水基磁流變液，用于硅酸鹽玻璃的磁流變拋光，獲得的復合羰基鐵粉具有核－殼復合結(jié)構(gòu)和親水性表面基團，抗氧化性能顯著提高?？讈喣械龋?7］以改進的磁流變液制備工藝，以羰基鐵粉為軟磁性顆粒，以專用減振液為母液，并對其零場黏度、懸浮穩(wěn)定性和剪切屈服強度進行了測試和分析。另外，為了改善與提高磁流變流體的性能，現(xiàn)在已逐漸開始研究納米磁流變液。李長江等［88］采用共沉淀法制備平均粒徑10nm的Fe3O4磁性粒子，它可以增強磁流變液中羰基鐵粒子在載液中的分散效果，從而改善磁流變液的沉降穩(wěn)定性。

5.3 磁流變液體工業(yè)應用

磁流變液被認為是未來最具有前途的智能材料之一，具有良好的力學性能，易控制，應用廣泛。利用磁流變效應開發(fā)的磁流變液裝置的工作模式可分為流動模式、剪切模式和擠壓模式。利用磁流變液可以開發(fā)液壓閥、阻尼器、驅(qū)動器、離合器、制動器和夾緊裝置等。而阻尼器可用于汽車懸置系統(tǒng)、高層建筑的半主動控制和柔性夾緊裝置等方面。Hong等［89］利用硅樹脂油基的壓縮磁流變液（CMR）制成自動懸浮壓桿，其彈力與阻尼力能被檢測并比較。Maganiti等［90］對磁流變液制動器系統(tǒng)進行了數(shù)學建模與預控，并對其在負載中的隔振行為進行了模擬。Adnrzej［91］利用磁流變制動器減少由于負載改變而引起的伺服驅(qū)動速度的跳躍變化。磁流變還可以用于傳動與控制、醫(yī)學等領域?？梢灶A測，在未來的幾十年中，磁流變技術(shù)必將引起工業(yè)技術(shù)上的巨大變革。

6 磁流變光整加工技術(shù)關鍵問題

與傳統(tǒng)的表面光整加工相比，磁流變光整加工法具有不可比擬的優(yōu)勢。由于磁流變液化磁場中具有流變性，故采用該方法可以加工具有復雜表面的工件，且形狀精度好，表面粗糙度也能得到改善。由于加工時工件不會承載過大的正壓力，工件表面潔凈、無損傷。我國磁流變光整加工技術(shù)的研究開發(fā)與國外相比還有一定差距，目前存在的關鍵問題為：

（1）磁流變光整加工新工藝新原理開發(fā)。目前急需以磁場輔助加工為基礎，針對小口徑（特別是5mm以下口徑）的曲面或者微型面形開發(fā)出效率高、可控性強的磁流變光整加工工藝與方法，以解決當前無法有效地對小口徑曲面進行磁流變光整加工的難題。

（2）磁流變光整加工確定性去除模型的建立。目前的研究都是從Preston方程出發(fā)，將工件所受的壓力分為幾個部分，分開計算后進行疊加。在建立材料去除模型時都簡單地從二維方向去考慮，沒有從三維方向深入考慮模型。有必要采用合理的磁流變流體動力模型，建立一個普遍的、統(tǒng)一的確定性去除模型系統(tǒng)。

（3）磁流變液加工的加工微機理的深入研究。當前只能通過改變各種磁流變液成分與配比來進行實驗，對其整體加工與物理性能、靜態(tài)微觀結(jié)構(gòu)可以檢測與觀察，但是對于動態(tài)加工過程中其微觀結(jié)構(gòu)、性能的變化無法直接分析，因此對加工微機理只能進行定性的宏觀分析。有必要從磁流變液動態(tài)微結(jié)構(gòu)方面來深入研究，從而定量分析其加工機理。

（4）磁流變光整加工修正控制。在完全確定去除函數(shù)與修正函數(shù)的基礎上，如何控制加工軸的各種運動來實現(xiàn)確定量的去除，必須考慮到去除函數(shù)與修正函數(shù)的算法關系。采用合理的材料去除率與駐留時間的關系算法，利用正確的多軸控制加工模型，從而實現(xiàn)磁流變的光整加工與修正。另外，對MRF加工的CAD／CAM軟件的開發(fā)目前還是空白。

（5）磁流變光整加工的磁流變液的開發(fā)。如何開發(fā)出合理的磁流變液也是光整加工中有效獲得高質(zhì)量表面、提高材料去除率的關鍵問題。需要從磁流變效應、剪切能力、高飽和磁化強度、沉降穩(wěn)定性和分散性等方面來配制合適的流變液。同時磁流變液在加工過程中的黏度自動控制技術(shù)也有待研究。

（6）磁流變光整加工的在線檢測。對于MRF加工后的工件表面測量，目前主要是對加工后的工件進行離線檢測，這樣在一定程度上會影響加工的效率、工件的自動補償精度及工件表面質(zhì)量。因此MRF在線檢測與自動補償加工技術(shù)的開發(fā)也是關鍵問題之一。

7 展望

磁流變光整加工技術(shù)是未來最具前途的光學精密加工方法之一，具有節(jié)能、環(huán)保、綠色及智能化等特點。光學產(chǎn)品制造商可以利用先進的計算機數(shù)控技術(shù)，以合理的成本，制造出高精密的球面及非球面的光學零件，從而提升加工效率與產(chǎn)品質(zhì)量，最終獲得可觀的利潤。磁流變光整加工正向微型化（幾毫米以下小口徑）和大型化（幾米以上口徑）的光學零件制造的方向發(fā)展，加工的形狀精度與表面粗糙度要求將會越來越高，而且將會加工更多不同形狀與材料的光學與超精密部件，甚至向加工具有導磁性的金屬材料發(fā)展。磁流變光整加工技術(shù)將來在提升超精密加工的準確度、加工效率，擴大與縮小光學組件加工口徑，以及磁流變液的研發(fā)過程中會不斷發(fā)展與完善，成為超精密加工方法與技術(shù)的主流。

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New Progresses on Magnetorheological Finishing（MRF）Technology

Chen Fengjun Yin Shaohui Yu Jianwu Xu Zhiqiang
National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding，Hunan University，Changsha，410082

The latest progresses on development and research of MRF in recent years were introduced.The machining mechanism，small and large processing machines and related equipment，machining technology and processing experiment，processing algorithm and model，development technology of magnetorheological fluid were summarized and analyzed in details.Some key technologies and the problems of MRF were discussed，and the future research direction was prospected.

magnetorheological finishing（MRF）；magnetorheological fluid；optics manufacture；ultra－precision machining

TG66；TG16

1004—132X（2011）19—2382—11

2010—12—01

國家科技重大專項（2010ZX04001－151）；國家自然科學基金資助項目（50975084）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目（531107040410）

（編輯 盧湘帆）

陳逢軍，男，1979年生。湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心微納制造研究所講師。研究方向為超精密車削／磨削／磁流變光整加工與控制。發(fā)表論文20篇。尹韶輝，男，1967年生。湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心教授、博士研究生導師。余劍武，男，1968年生。湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心教授。徐志強，男，1984年生。湖南大學國家高效磨削工程技術(shù)研究中心博士研究生。