自由曲面結(jié)構(gòu)磁性拋光去除試驗研究*

林龍僑，王振忠，陳世平

（廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，廈門 361000）

自由曲面及3D打印微結(jié)構(gòu)零部件在航空航天、機械電子、光電成像、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。自由曲面的精密加工是衡量一個國家制造行業(yè)的重要指標(biāo)，隨著產(chǎn)品需求的不斷提高，大部分自由曲面元件要求達到納米級的表面粗糙度，亞微米級的形狀精度及較好的表面完整性[1]。隨著數(shù)控加工及3D打印等成形技術(shù)的日趨完善，已基本可以實現(xiàn)自由曲面的自動化加工[2-4]，但由于自由曲面的結(jié)構(gòu)特點，現(xiàn)有的數(shù)控小磨頭拋光[5]、磁流變拋光[6-7]、離子束拋光[8-9]等技術(shù)并不適應(yīng)自由曲面拋光需求，加工成形后元件的超精密研磨及拋光技術(shù)仍有待加強。作為一種新型的加工方式，磁場輔助拋光近年來受到高度重視，廣泛應(yīng)用于高精度高表面質(zhì)量零件的加工中。日本的Tain 等[10]研發(fā)的磁流體（Magnetic Fluid, MF）拋光技術(shù)磨料分散性好，但磁化強度小，去除效率低。而磁流變（Magnetorheological Fluid, MRF）拋光技術(shù)磁場作用力大，但磨料分散性差。Shimada等[11-12]結(jié)合了MF和MRF兩者的優(yōu)勢，提出了一種新的磁性拋光介質(zhì)——磁性復(fù)合流（Magnetic Compound Fluid, MCF），并在隨后的試驗中驗證了在微觀拋光生產(chǎn)中，相同濃度下的磁性復(fù)合液比磁流變液和磁性液體更有效[13]。大連理工大學(xué)的王續(xù)躍等[14]研究了磁性復(fù)合拋光體配制與檢測方法，并對不同配比的磁性復(fù)合拋光體的拋光性能進行了試驗研究。Guo等[15]用磁性混合流體對光學(xué)鏡頭模具的鎳-磷（Nickel Phosphorus, Ni-P）鍍層表面進行拋光，驗證了磁性混合流體拋光亦可用于較軟的磁性材料表面的納米級光整加工研究。磁性拋光技術(shù)應(yīng)用對象多樣，具有良好的應(yīng)用潛力。本研究在參考MCF的基礎(chǔ)上自行配制了磁性復(fù)合拋光體，由于拋光體為柔性體，與自由曲面工件表面的接觸吻合性好，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的去除且改善表面紋理。為探索磁性拋光技術(shù)的應(yīng)用，本研究中自行設(shè)計拋光工具頭并搭建試驗平臺，對不銹鋼平面做定點打斑試驗，并對不同曲率的不銹鋼工件、3D打印光敏樹脂表面微結(jié)構(gòu)進行試驗研究，初步驗證磁性拋光對自由曲面的材料具有去除能力。

1 磁性拋光技術(shù)的拋光原理

本研究采用的磁性拋光體是由羰基鐵粉、磁流變液、磁流變拋光粉及α-纖維素按一定的比例混合配制而成。拋光體常態(tài)下為懸浮液，而在磁鐵的吸附下為柔性的鏈狀磁性簇，如圖1所示。這是因為當(dāng)施加外磁場后，磁性微粒受磁場力作用，磁偶極矩方向逐漸與外磁場方向相同，所有磁性微粒形成的磁偶極子沿磁力線方向排列，使磁性微粒從無序狀態(tài)向定向的有序狀態(tài)變化，最終互相連接形成鏈狀結(jié)構(gòu)[16]。磁性拋光體的內(nèi)部作用力主要來源于磁鐵對鐵粉的吸附力，鐵粉像是夾具一樣夾住拋光粉和α-纖維素，并使其吸附在磁鐵上，α-纖維素增加了拋光體的粘稠度，同時起到了聯(lián)結(jié)各個磁性拋光體束的作用，而磁流變液就像膠水一樣，將鐵粉、磨粒、植物纖維素粘在一起[14]。

本研究依據(jù)的磁性拋光原理如圖2所示，上部分為自行設(shè)計的磁性拋光工具頭：一圓柱狀永磁體裝于專用的鋁合金容器里，避免拋光體與永磁體直接接觸，由4個M3螺釘將磁鐵容器與容器端蓋連接，容器端蓋內(nèi)螺紋孔通過M8螺釘與工具頭主軸體連接，工具頭主軸體由直徑10mm的細長桿通過刀柄與機床主軸連接。取定量的拋光體，將其吸附在裝有永磁體的工具頭下面，由于磁場力及重力的作用，非磁性拋光粉多聚集在磁性簇的末端，主軸旋轉(zhuǎn)帶動拋光體旋轉(zhuǎn)，工具頭下壓使柔性拋光體與工件接觸，且產(chǎn)生相對運動，實現(xiàn)材料的去除。

圖1 拋光體在有無磁場作用下的狀態(tài)Fig.1 Status of the polishing head in the presence or absence of a magnetic field

2 試驗裝置與試驗條件

由磁性拋光工具頭與自主研制的數(shù)控拋光機床組成的試驗裝置如圖3所示，吸附著拋光體的工具頭通過刀柄與機床主軸連接，工件表面和工具頭的距離（即加工間隙Δ）可以通過調(diào)節(jié)機床Z軸的上下移動來實現(xiàn)。

試驗中采用了一個Nd-Fe-B圓柱狀永磁體，直徑Φ20mm，厚度20mm，牌號N38，剩磁感應(yīng)強度1210mT，最大磁能面積310kJ/m3。拋光試驗對象分別是不銹鋼平面工件；慢走絲加工得到的不同曲率不銹鋼工件如圖4（a）所示，該工件長105mm，寬60mm，從左到右曲率分別為R20、R30、R40、R50、R60、R70、R80，每個曲率的長度15mm，其中R20、R40、R60、R80為凸的輪廓，其余3個為凹的輪廓。光敏樹脂3D打印得到的表面微結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，直徑60mm，高6.7mm，表面為沿直徑方向陣列的凸輪廓體圓環(huán)結(jié)構(gòu)，每個輪廓寬2mm，高0.7mm，圓環(huán)間距0.5mm。試驗用的拋光體由羰基鐵粉、磁流變液、磁流變拋光粉及α- 纖維素4種成分構(gòu)成，各部分配比如表1所示。試驗采用的各個拋光工藝參數(shù)如表2所示。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 對磁性拋光材料去除能力的驗證

圖2 自由曲面磁性拋光原理圖Fig.2 Principle of magnetic polishing for free-form surfaces

圖3 磁性拋光試驗裝置Fig.3 Experimental equipment of magnetic polishing

圖4 自由曲面工件Fig.4 Workpiece of free-form surface

表1 拋光體成分

表2 拋光工藝參數(shù)

采用表2所示的工藝參數(shù)對不銹鋼平面做定點拋光試驗，拋光時間分別為30min、60min、90min。將每次拋光完的工件清洗后，置于基恩士 VHX-2000系列超景深三維顯微系統(tǒng)下觀測工件表面紋理及同一點處的材料去除量，將結(jié)果分別與拋光前所觀測到的結(jié)果進行對比分析。慢走絲加工后的不銹鋼工件表面殘留許多凹坑，通過檢測同一個凹坑拋光前后的深度差值來作為評測材料去除量的指標(biāo)。

圖5所示為拋光前后工件表面紋理，經(jīng)過90min拋光后，工件表面殘留的切削痕已被消除，殘留凹坑的深度有變淺的現(xiàn)象，并且表面質(zhì)量有很明顯的改善。由圖6可見，隨著拋光時間的增加，材料去除量逐漸變大；拋光30min、60min、90min的去除效率分別為0.223μm/10min、0.245μ m /10min、0.231μ m /10min，驗證了磁性拋光方法具有材料去除能力。

3.2 空間曲面結(jié)構(gòu)磁性拋光的結(jié)果分析

采用工具頭水平移動式和工具頭等高線移動式兩種不同的拋光進給運動方式對不同曲率的不銹鋼工件拋光（圖7），水平移動式加工間隙隨進給過程產(chǎn)生變化，等高線移動式保持工具頭端面中心到工件的間隙不變，工藝參數(shù)見表2。圖8為采用工具頭水平移動式拋光方式，在顯微鏡放大200倍下觀測曲率R80中點處前后的表面紋理及凹坑的深度對比，可以看出，相對于拋光前，拋光后工件表面有明顯的去除痕跡，且相同的凹坑深度也有變淺的跡象。對同一個凹坑的深度進行測量，由拋光前的2.96μm降低到拋光后的1.6μm。用同樣的方法可以分別得到兩種進給拋光方式下各個曲率中點位置拋光前后的表面紋理及材料去除量，如表3和圖9所示。

兩種進給拋光方式對不銹鋼工件每個曲率的輪廓均有去除能力，去除量在0.14～1.33μm之間（見表3）。圖9可以看出：兩種拋光方式下凸輪廓曲率的材料去除率均比凹輪廓的大，這是由于凸輪廓的加工間隙較小，工件表面受到的壓力較大，故材料去除率較大：采用工具頭水平移動式拋光對凸輪廓的去除效率相對較大，而工具頭等高線移動式更適合對凹輪廓的拋光。此外，由于工具頭尺寸大，試驗時從輪廓低處往高處進給過程中，拋光體外圍的磁性簇出現(xiàn)被壓平的現(xiàn)象，導(dǎo)致拋光體外圍未參與拋光，從而影響了拋光時間。初步驗證了磁性拋光方法能夠應(yīng)用于空間曲面結(jié)構(gòu)拋光，且材料去除率與拋光進給方式和工具頭尺寸息息相關(guān)。

圖5 VHX-2000 觀測到的不銹鋼工件表面紋理Fig.5 Surface texture of the stainless steel workpiece observed by VHX-2000

圖6 材料去除量與拋光時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between material removal and polishing time

圖7 拋光路徑示意圖Fig.7 Polishing path diagram

圖8 200倍顯微鏡觀測拋光前后R80中點處的表面紋理及去除深度Fig.8 Surface texture and removal depth of the R80 mid-point before and after polishing at the 200 magnification

表3 各個曲率中點處在兩種進給運動方式拋光前后凹坑深度 μm

3.3 微結(jié)構(gòu)自由曲面磁性拋光的結(jié)果分析

用表2所示的工藝參數(shù)對光敏樹脂表面微結(jié)構(gòu)工件定點拋光試驗，拋光前調(diào)整主軸使得工具頭中心軸線與工件的中心軸線重合。在超景深三維顯微系統(tǒng)放大500倍下觀測工件表面微結(jié)構(gòu)拋光前后的輪廓以及各輪廓高度值（圖10），從左往右的輪廓最高點與微結(jié)構(gòu)圓心的距離分別為 1.5mm、4mm、6.5mm、9mm、11.5mm（由于分段拼接，圖10僅展示前3個輪廓）。將拋光前后輪廓高度的差值作為評測材料去除量的指標(biāo)，各輪廓的去除量如圖11所示。

圖9 兩種進給拋光方式拋光后各曲率中點位置的材料去除量Fig.9 Material removal at the midpoint of each curvature after polishing with two feed polishing modes

圖10 500倍顯微鏡下觀測表面微結(jié)構(gòu)拋光前后的輪廓以及各輪廓高度值Fig.10 Contour and height value of the surface microstructure before and after polishing at 500 magnification

圖11 拋光30min后距圓心r處輪廓的去除量Fig.11 Removal of the contour from the center of the circle r after polishing 30 minutes

圖10可見，拋光30min后工件表面輪廓的高度值均變小，且原工件各輪廓表面右邊有凹凸不平的條紋，經(jīng)過拋光后變得光滑、均勻。圖11可見，在整個拋光工具頭（半徑12mm）區(qū)域內(nèi)的工件各輪廓均有去除，去除效率在8.957～12.587μm/10min之間。

4 結(jié)論

（1）采用磁性拋光方法對不銹鋼平面工件定點拋光90min后，去除效率為0.231μm/10min，且表面質(zhì)量得到了很大的改善，從而驗證了磁性拋光方法的可行性，為自由曲面結(jié)構(gòu)磁性拋光提供了試驗依據(jù)。

（2）用工具頭水平移動式、工具頭等高線移動式兩種不同的拋光進給運動方式對不同曲率的不銹鋼工件拋光，由試驗結(jié)果可以看出：工件各曲率處均有去除，且拋光進給方式和拋光工具頭的尺寸均會影響到材料去除率。說明通過對拋光運動方式及工具頭尺寸的控制可以實現(xiàn)磁性拋光技術(shù)應(yīng)用于空間曲面結(jié)構(gòu)拋光。

（3）用磁性拋光方法對3D打印光敏樹脂微結(jié)構(gòu)自由曲面定點拋光30min，工件各輪廓表面均有去除，去除效率在8.957～12.587μm/10min之間，且原來不平整的輪廓變光滑、平整。驗證了磁性拋光技術(shù)能較好地適用于微結(jié)構(gòu)自由曲面拋光，為下一步進行復(fù)雜面型的確定性拋光研究打下基礎(chǔ)。

參 考 文 獻

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