微溝槽周期結(jié)構(gòu)表面的磁性復(fù)合流體微納光整研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置應(yīng)用

姜 晨，張 瑞，郝 宇

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

微納加工是實(shí)現(xiàn)零件微、納米量級(jí)幾何特征成形的加工技術(shù)，加工對(duì)象包括毫米、微米和納米量級(jí)微小零件或零件的微、納米級(jí)幾何結(jié)構(gòu)[1-2]。作為前沿加工技術(shù)，微納加工在現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域占有舉足輕重的地位，因此，它也一直是高等工程教育中機(jī)械制造類(lèi)課程的重要教學(xué)內(nèi)容。由于大部分傳統(tǒng)微納加工設(shè)備作為高精密裝置，價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、對(duì)加工環(huán)境要求苛刻，如光刻機(jī)、離子束加工設(shè)備、原子力顯微鏡等，極大地限制了相關(guān)設(shè)備在微納加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。如何解決微納加工技術(shù)在“精密加工技術(shù)”等機(jī)械制造類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的設(shè)備應(yīng)用瓶頸問(wèn)題，是機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域和工程教育專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域共同關(guān)注的技術(shù)性難題。

磁性復(fù)合流體（magnetic compound fluid，MCF）是一種磁介質(zhì)，由磁性顆粒（微納米級(jí)鐵粉）、磨料、植物纖維素（增加黏稠度）及基液（水或煤油）組成[3-4]。在永磁場(chǎng)的作用下，MCF能夠形成具有黏稠性的Bing ham流體拋光頭。由于MCF拋光頭與工件之間形成的是軟接觸，即所謂的柔性拋光，代替?zhèn)鹘y(tǒng)拋光中的散粒磨粒，能實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面形貌自適應(yīng)的微納去除[5-6]。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)各類(lèi)超精密拋光方法，MCF具有實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)表面材料可控微去除的技術(shù)潛力。同時(shí)，MCF中各成分的材料價(jià)格適中，拋光工藝對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜度要求低，除了能夠作為一種經(jīng)濟(jì)的微納加工制造技術(shù)外，MCF拋光也極為適合應(yīng)用于面向微納加工的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示。該應(yīng)用將能夠增強(qiáng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)微納加工技術(shù)的直觀認(rèn)識(shí)，促進(jìn)其對(duì)機(jī)械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的理解[7]，使得機(jī)械制造類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程更加符合“工程教育”的培養(yǎng)目標(biāo)[8]，推動(dòng)機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)裝備技術(shù)發(fā)展，為“新工科”背景下高等工程教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)提供硬件升級(jí)[9-10]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)微納加工特點(diǎn)，需要把微小尺度范圍的零件形貌變化可控地展現(xiàn)在教學(xué)過(guò)程中，如微結(jié)構(gòu)表面；通過(guò)可控加工改變表面形貌特征，如微觀幾何形貌。首先根據(jù)MCF能夠利用磁性附著在拋光工具上的特點(diǎn)，以拋光輪驅(qū)動(dòng)MCF旋轉(zhuǎn)的不同幾何面區(qū)分，設(shè)計(jì)端面式和圓周面式兩種基本拋光方式。圖1和圖2分別為MCF拋光原理及拋光機(jī)構(gòu)。

圖1 MCF拋光原理Fig.1 MCF polishing principle

圖1（a）為端面式MCF拋光原理，永磁鐵以偏心距e固定于磁鐵盤(pán)下方，載液板固定于永磁鐵下δ處，用于附著MCF，轉(zhuǎn)速為nt。永磁鐵以轉(zhuǎn)速nc旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生繞主軸旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。圓周面式MCF拋光原理如圖1（b）所示，MCF拋光輪由左右兩片環(huán)形擋板和中間環(huán)形磁鐵構(gòu)成，環(huán)形磁鐵繞水平軸旋轉(zhuǎn)形成動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。當(dāng)一定質(zhì)量MCF引入拋光輪和工件的工作間隙Δ時(shí)，MCF磁化形成磁性簇，變成黏稠狀。兩種機(jī)構(gòu)的MCF在加工區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1（c）和1（d）所示，受磁力和重力的綜合作用，MCF中大部分非磁性磨料向下移動(dòng)聚集于MCF下表面。在動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的作用下，MCF中的磨料和工件表面之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)揮微切削作用，實(shí)現(xiàn)材料去除。

圖2（a）為設(shè)計(jì)的端面式MCF拋光裝置基本結(jié)構(gòu)，主軸1帶動(dòng)永磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸2通過(guò)皮帶帶動(dòng)套筒下的載液板相對(duì)永磁鐵逆方向轉(zhuǎn)動(dòng)，MCF受磁鐵磁力吸附在載液板下方，受旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)變成半凝固狀拋光頭。如圖2（b）所示，圓周面式拋光裝置的結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、主軸、拋光輪等。拋光輪中間是環(huán)形永磁鐵，加工時(shí)通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)拋光輪旋轉(zhuǎn)，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)MCF在加工區(qū)域流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)材料去除。

2 微納結(jié)構(gòu)表面光整加工實(shí)驗(yàn)

利用MCF實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)表面形貌自適應(yīng)的微結(jié)構(gòu)加工，從而驗(yàn)證MCF可以作為一種微納加工手段，改變微結(jié)構(gòu)表面微觀粗糙度，且不破壞微結(jié)構(gòu)本身幾何形狀。

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

選擇H26 黃銅工件（尺寸20 mm×20 mm×10 mm），采用二維橢圓超聲振動(dòng)與精密伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)給相結(jié)合的微結(jié)構(gòu)切削方法，在工件表面預(yù)先加工出周期為40 μm左右的微溝槽條紋[11-12]。

如圖3所示，MCF拋光流程包括：配比拋光液、拋光頭成形、拋光加工、試件清洗、試件測(cè)試。a.配比拋光液：利用高精度電子秤，將磁性顆粒、磨粒、水、α纖維素按照一定比例配置成拋光液，并用攪拌器充分?jǐn)嚢?，使磨粒分布均勻；b.拋光頭成形：主軸以低速帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，將攪拌均勻的拋光液加到載液區(qū)域，旋轉(zhuǎn)逐步使拋光頭成型；c.拋光加工：根據(jù)加工目標(biāo)設(shè)置拋光參數(shù)，包括拋光頭轉(zhuǎn)速、拋光工作間隙（拋光頭和試件表面距離）、拋光時(shí)間等；d.試件清洗：拋光后使用超聲波對(duì)試件進(jìn)行清洗，有效去除試件表面MCF殘留；e.試件測(cè)試，根據(jù)需要采用光學(xué)顯微鏡、輪廓儀等對(duì)試件加工表面進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Experiments flow

端面式拋光頭的MCF在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其表面各點(diǎn)線速度隨離軸心距離不同而變化，因此拋光頭表面材料去除率分布不均勻。而圓周面式MCF由拋光輪圓周面旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，加工區(qū)域線速度相對(duì)較一致，因此采用如圖4（a）所示圓周面式拋光頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖4（b）為拋光前的工件表面原始微溝槽條紋，條紋上存在大量微刮痕，方向與條紋方向垂直，這是微結(jié)構(gòu)切削過(guò)程中刀具刀尖附著物在工件表面留下的切痕。

圖4 拋光實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Polishing experiment results

采用表1所示實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分別沿微溝槽條紋平行和垂直方向旋轉(zhuǎn)拋光輪進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。圖4（c）為拋光輪沿微溝槽條紋垂直方向進(jìn)行拋光的工件表面，可以看到雖然拋光后的表面光潔度得到提高，但微溝槽條紋的表面材料去除量較大，微溝槽條紋結(jié)構(gòu)形貌被破壞。圖4（d）為拋光輪沿微溝槽條紋平行方向進(jìn)行拋光后的工件表面，微溝槽條紋表面的微切痕大部分被明顯去除，微觀表面光潔度顯著提高，并且微溝槽結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生加大變化。圖5為平行拋光前后通過(guò)共聚焦顯微鏡測(cè)量三維數(shù)據(jù)后截取的微溝槽條紋輪廓，X，Z為工件表面坐標(biāo)，可以看到拋光后微溝槽幾何結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有變化。沿條紋平行方向截取表面輪廓計(jì)算其表面粗糙度Ra從拋光前0.3 μm降低到0.04 μm。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

由于微溝槽結(jié)構(gòu)尺寸非常小，常規(guī)拋光的游離態(tài)拋光液會(huì)很快拋光去除整個(gè)微結(jié)構(gòu)表面。當(dāng)拋光方向垂直于微溝槽條紋時(shí)，流體難以充分覆蓋并流過(guò)微溝槽，材料去除由流體的宏觀流動(dòng)起主導(dǎo)作用，無(wú)法充分去除微結(jié)構(gòu)表面材料。而拋光方向順著微溝槽條紋方向時(shí)，MCF與微溝槽表面接觸充分，沿微溝槽方向流動(dòng)順暢。由于MCF具有黏稠性，擁有較好的材料微觀去除能力，因此，在合適的流體流動(dòng)控制與引導(dǎo)下，MCF具備可調(diào)節(jié)的微結(jié)構(gòu)表面流動(dòng)適應(yīng)性，可實(shí)現(xiàn)微溝槽條紋表面的微納光整加工，且不破壞表面微結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)比不同拋光方向下微溝槽條紋表面微觀照片，能夠直觀看到加工工藝對(duì)微納結(jié)構(gòu)拋光效果的影響；配合使用輪廓儀測(cè)量出微結(jié)構(gòu)表面二維輪廓曲線，可以從數(shù)值角度進(jìn)一步了解MCF對(duì)微結(jié)構(gòu)的光整效果。

3 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)有微納加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的技術(shù)困境，基于MCF性能優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)一種新型微納加工方法及實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。根據(jù)微溝槽條紋表面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用圓周面式MCF拋光頭沿平行于微溝槽條紋表面的拋光方法，實(shí)現(xiàn)不破壞微溝槽條紋表面結(jié)構(gòu)的可控微尺度拋光加工。MCF是具有一定黏度的流體，對(duì)微結(jié)構(gòu)表面具有良好的表面自適應(yīng)性，并且能夠通過(guò)調(diào)整MCF配比和磁場(chǎng)大小，改變黏稠度，從而使其適應(yīng)不同尺寸的微結(jié)構(gòu)表面拋光，因此具有良好的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和工程應(yīng)用潛力。該裝置中關(guān)鍵機(jī)構(gòu)“拋光頭主軸”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，MCF和永磁鐵等關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)耗材成本低，實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，微溝槽條紋工件可以通過(guò)普通車(chē)削加工獲得。因此，整個(gè)實(shí)驗(yàn)方法及裝置具有很好的普適性和推廣價(jià)值，適合作為標(biāo)準(zhǔn)微納加工教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行推廣和普及，為“精密加工技術(shù)”等機(jī)械專(zhuān)業(yè)制造類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了良好的硬件支持。