基于雙磁場(chǎng)磁性復(fù)合流體的拋光性能

王有良，史小鋒，陳秀娟，張文娟，馮銘

基于雙磁場(chǎng)磁性復(fù)合流體的拋光性能

王有良1，史小鋒1，陳秀娟1，張文娟1，馮銘2

（1.蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050；2.溫州大學(xué)，浙江 溫州 100083）

針對(duì)微結(jié)構(gòu)拋光過(guò)程中形貌精度損傷的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種環(huán)狀MCF（Magnetic Compound Fluid，MCF）拋光工具，探究在雙磁場(chǎng)作用下MCF工具的拋光性能。采用工業(yè)相機(jī)觀察不同條件下MCF拋光工具的成形特征，通過(guò)定量分析MCF拋光工具的成形參數(shù)，構(gòu)建最優(yōu)MCF拋光工具特征參數(shù)；通過(guò)分析雙磁場(chǎng)作用下工件表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度，建立磁場(chǎng)矢量模型，探究磁場(chǎng)分布與MCF宏觀形貌的內(nèi)在聯(lián)系；觀察磁簇微觀形貌，分析MCF拋光工具的內(nèi)部特征；試驗(yàn)研究MCF組分、磁鐵轉(zhuǎn)速m、載液板轉(zhuǎn)速c和加工間隙對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律，探究最優(yōu)的拋光參數(shù)。當(dāng)磁鐵偏心距=2 mm，MCF供應(yīng)量=1.5 mL時(shí)，MCF拋光工具的成形特征相對(duì)最優(yōu)，得到了MCF拋光工具的參數(shù)，=28.70 mm，=26.90 mm，1=1.58 mm，2=1.30 mm，0=48.60 mm，=7.20 mm，i= 26.50 mm；磁簇分布方向與磁場(chǎng)矢量方向一致，鐵粉沿著磁力線方向分布，磨粒分布在鐵粉外部，α–纖維穿插于磁簇內(nèi)部或磁簇與磁簇之間；通過(guò)拋光試驗(yàn)獲得了較低表面粗糙度的最佳工藝參數(shù)，最佳MCF組分配比（均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）為羰基鐵粉40%、磨粒12%、α–纖維3%、水基磁流體45%，最佳載液板轉(zhuǎn)速c=300 r/min，最佳磁鐵轉(zhuǎn)速m=400 r/min，最佳加工間隙=1 mm。在拋光20 min后，工件的表面粗糙度由0.578 μm降至0.009 μm，下降率約為98.44%，證明在雙磁場(chǎng)作用下環(huán)狀MCF拋光工具具有穩(wěn)定且高效的拋光能力。

磁性復(fù)合流體；雙磁場(chǎng)；拋光性能；表面粗糙度；磁場(chǎng)分布；成形特征

近年來(lái)，隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，微結(jié)構(gòu)元件憑借其尺寸小、質(zhì)量輕、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光電子、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域[1]，其中以采用光學(xué)玻璃[2]、碳化硅[3]等硬脆材料制造光學(xué)模具和光學(xué)元器件最為突出。微結(jié)構(gòu)元件利用微溝槽的導(dǎo)波效應(yīng)，可以有效控制光的能量分布，提高光的利用率，是現(xiàn)代光學(xué)工程中最重要的光學(xué)元器件[4]。例如，將表面覆蓋有微溝槽薄膜或微結(jié)構(gòu)薄膜的鏡片用來(lái)制造高分辨率相機(jī)[5]；三角形表面微溝槽有利于提高太陽(yáng)光的使用效率和半導(dǎo)體激光的光學(xué)效率等[6]。

為了保證光學(xué)元器件的光學(xué)效率，工件需要具有超光滑的表面。光學(xué)元器件的制備一般通過(guò)模具注塑成型，因此制造高精度的光學(xué)模具成為關(guān)鍵技術(shù)。雖然采用單點(diǎn)金剛石車(chē)削和超精密磨削等方法能夠獲得較好的形狀精度，但加工后工件表面殘留的刀痕、亞表面損傷等使其達(dá)不到使用要求，因此必須對(duì)工件表面進(jìn)行拋光處理。最初采用人工拋光方法，由于工人的經(jīng)驗(yàn)差異和制造水平的不同，因此造成拋光后工件的形狀質(zhì)量和表面粗糙度不穩(wěn)定[7]。通過(guò)開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面處理技術(shù)可以代替人工，使拋光路徑、刀具停留時(shí)間和壓力更為精確[8]。磁場(chǎng)輔助超精密拋光技術(shù)具有拋光精度高、可控性好和無(wú)亞表面損傷等優(yōu)點(diǎn)，目前受到越來(lái)越多的關(guān)注。磁場(chǎng)輔助超精密拋光技術(shù)分為磁流體（Magnetic Fluid，MF）拋光、磁流變液（Magnetorheological Fluid，MRF）拋光和磁性復(fù)合流體（Magnetic Compound Fluid，MCF）拋光等[9]。MF拋光技術(shù)是在MF中混入磨料顆粒，雖然在拋光過(guò)程中表現(xiàn)出良好的顆粒分散性，但其拋光液的黏度較低，導(dǎo)致拋光效率較低[10]。MRF拋光技術(shù)是在MF基礎(chǔ)上添加了微小尺寸的鐵粉顆粒，這樣較好地解決了MF拋光液黏度低的問(wèn)題，但顆粒的分散性較差。為了克服上述2種拋光方法的缺點(diǎn)，Shimada K[11]研制了一種MCF拋光液，該拋光液是將微米級(jí)尺寸的羰基鐵顆粒（Carbonyl Iron Powder，CIP）、磨料顆粒（Abrasive Particle，AP）、α–纖維素和含有納米級(jí)Fe3O4的MF機(jī)械混合而成。實(shí)驗(yàn)表明，在磁場(chǎng)作用下，MCF具有良好的顆粒分散性和拋光黏度[12]。

目前，采用MCF技術(shù)，在磁場(chǎng)作用下已經(jīng)對(duì)玻璃[13]、無(wú)氧銅[14]、不銹鋼[15]、鎳磷鍍層[16]和砷化鎵材料等進(jìn)行了拋光，獲得了納米級(jí)的超光滑表面。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的MCF拋光工具在對(duì)微結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行去除的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)微結(jié)構(gòu)形貌惡化的現(xiàn)象，導(dǎo)致其拋光精度降低。為了解決該問(wèn)題，擬開(kāi)發(fā)一種基于微結(jié)構(gòu)形狀的仿形環(huán)狀拋光工具。為了探究雙環(huán)形磁場(chǎng)作用下環(huán)狀MCF拋光工具的基礎(chǔ)性能，在實(shí)驗(yàn)中先采用PC板，通過(guò)觀察環(huán)狀MCF拋光工具的成性特征，探究環(huán)形磁鐵偏心距和MCF供應(yīng)量對(duì)MCF拋光形貌的影響規(guī)律；通過(guò)研究MCF組分、加工間隙、磁鐵轉(zhuǎn)速和載液盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)工件表面粗糙度的影響，從而得到加工參數(shù)對(duì)MCF環(huán)狀拋光工具拋光性能的影響規(guī)律，獲得最優(yōu)的拋光參數(shù)，擬為微結(jié)構(gòu)拋光奠定研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原理

在雙環(huán)形磁場(chǎng)作用下MCF拋光裝置的原理如圖1所示，該裝置將2個(gè)材料相同、尺寸相同的環(huán)形永磁鐵以N—S—N—S的順序疊加，并以一定的偏心距固定于由電機(jī)2驅(qū)動(dòng)的磁鐵轉(zhuǎn)盤(pán)下方，在環(huán)形永磁鐵下方極小距離處固定1個(gè)非磁性MCF載液板，由電機(jī)1通過(guò)同步帶輪驅(qū)動(dòng)，因此磁鐵轉(zhuǎn)盤(pán)和非磁性MCF載液板有各自的旋轉(zhuǎn)中心軸。一旦環(huán)形永磁鐵以轉(zhuǎn)速m旋轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度不變，磁力線隨環(huán)形永磁鐵的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生周期運(yùn)動(dòng)，隨即產(chǎn)生空間動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。MCF拋光液由微米級(jí)的羰基鐵粉、磨料顆粒、α–纖維和含有納米級(jí)四氧化三鐵顆粒的水基磁流體機(jī)械混合而成[17]。當(dāng)一定量的MCF拋光液置于載液板的下表面時(shí)，在環(huán)形磁場(chǎng)的作用下，磁性的鐵粉顆粒會(huì)沿著磁力線形成鏈狀結(jié)構(gòu)，多條鏈狀結(jié)構(gòu)形成了磁力簇，非磁性顆粒裹挾在鐵粉顆粒之間，并在磁懸浮力[18]和重力的共同作用下具有向工件表面躍遷的趨勢(shì)，α–纖維直接嵌入鏈狀結(jié)構(gòu)，或者分布于鏈狀結(jié)構(gòu)之間，增強(qiáng)了拋光工具的強(qiáng)度。隨著環(huán)形永磁鐵的旋轉(zhuǎn)，MCF拋光液內(nèi)的鐵磁性顆粒會(huì)隨著磁力線的運(yùn)動(dòng)而更新，從而不斷有新的磨粒作用于工件表面。當(dāng)磨料顆粒與工件表面軟接觸且發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在磨料顆粒的微切削作用下實(shí)現(xiàn)了材料的去除，獲得了光滑表面[19]。

圖1 雙磁場(chǎng)MCF拋光裝置原理

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理搭建的MCF拋光裝置如圖2所示。該裝置被固定于三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（精度為0.01 mm）上，由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)、2個(gè)環(huán)狀永磁鐵（外徑38 mm×內(nèi)徑29 mm×厚度10 mm）、磁鐵載盤(pán)、同步帶輪和鋁合金制的MCF載液板等組成。厚度為1 mm的MCF載液板被固定于環(huán)形永磁鐵下方=0.5 mm處。工件被固定于三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的軸上，通過(guò)軸的運(yùn)動(dòng)可調(diào)整載液板與工件之間的距離。

圖2 MCF 拋光裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

為了探究在雙磁場(chǎng)作用下環(huán)狀磁性復(fù)合流體拋光工具的拋光性能，采用PC板（100 mm×100 mm× 2 mm）作為實(shí)驗(yàn)用工件，采用2個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.45 T的釹鐵硼N35環(huán)狀永磁鐵提供外部磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。載液板轉(zhuǎn)速用c表示，磁鐵轉(zhuǎn)速用m表示，加工間隙用表示，MCF拋光液的供應(yīng)量用表示，偏心距用表示。MCF拋光液由Al2O3磨粒（直徑約為1 μm）、α–纖維、羰基鐵粉（直徑約為7 μm）和含有Fe3O4（直徑約為10 nm）的水基MF等機(jī)械混合而成，配比如表2所示。在拋光后，采用工業(yè)相機(jī)觀察MCF拋光工具的成形狀態(tài)，采用高分辨掃描電子顯微鏡（6700F，日本電子）觀察MCF的微觀結(jié)構(gòu)，采用觸針式表面粗糙度儀（SJ–410，日本三豐）測(cè)量MCF拋光前后工件的表面質(zhì)量。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Tab.1 Experimental parameters

表2 MCF組分

Tab.2 MCF components wt.%

2 結(jié)果與討論

2.1 MCF拋光形貌特征

在MCF拋光工具形成的過(guò)程中，磁鐵偏心距和MCF供應(yīng)量對(duì)MCF成形特征的影響較大[18]。為了獲得優(yōu)異的MCF拋光工具，通過(guò)探究磁鐵偏心距和MCF供應(yīng)量對(duì)MCF成形特征的影響規(guī)律，確定最優(yōu)的磁鐵偏心距和MCF供應(yīng)量。根據(jù)先前的研究[18]，試驗(yàn)中采用的MCF組分（均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）為羰基鐵粉40%、磨粒12%、α–纖維3%、水基磁流體45%，磁鐵轉(zhuǎn)速m和MCF載液板轉(zhuǎn)速c分別為250、100 r/min。制備MCF拋光工具的流程如圖3所示。

1）將環(huán)形磁鐵以N—S—N—S的形式，并以一定的偏心距固定于磁鐵載盤(pán)的底部，然后將一定量的MCF拋光液通過(guò)噴嘴噴射到MCF載液板的下表面。

2）設(shè)定環(huán)狀磁鐵和MCF載液板以相反方向旋轉(zhuǎn)，為了將MCF拋光液攪拌均勻，通過(guò)觀察拋光過(guò)程中的MCF拋光工具，將轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間設(shè)定為3 min。

3）電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，在MCF載液板下表面形成最終穩(wěn)定的MCF拋光工具，通過(guò)攝像機(jī)對(duì)MCF拋光工具進(jìn)行拍照，得到了MCF拋光工具的成形特征，如表3所示。

在不同偏心距和供應(yīng)量下，MCF拋光成形特征的仰視圖和右視圖如表3所示。從表3可以看出，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，MCF拋光工具的成形特征發(fā)生了明顯的變化。當(dāng)環(huán)形磁鐵偏心距=0 mm時(shí)，無(wú)論MCF的供應(yīng)量如何變化，雖然MCF拋光工具形成了規(guī)則的內(nèi)圈，但是拋光工具的外圈形狀始終無(wú)法達(dá)到圓滑狀態(tài)，并且MCF未被攪拌不均勻，磁力簇聚集黏結(jié)，形成了粗大的塊狀結(jié)構(gòu)，拋光工具的成形特征較差。隨著環(huán)形磁鐵偏心距的增加。當(dāng)0＜≤4 mm時(shí)，MCF 拋光工具形成了規(guī)則的內(nèi)圈和外圈，細(xì)小的針狀磁力簇均勻分布。當(dāng)≥6 mm時(shí)，雖然MCF拋光工具具有良好形狀的內(nèi)圈和外圈，但是環(huán)形拋光工具內(nèi)部出現(xiàn)了局部缺失，難以形成完整的環(huán)形拋光工具。值得注意的是，MCF拋光工具的截面高度隨著MCF供應(yīng)量的增加而增加，MCF供應(yīng)量對(duì)MCF拋光工具成形特征的影響不大。

為了更深入探究環(huán)形磁鐵偏心距和MCF供應(yīng)量對(duì)MCF成形特征的影響規(guī)律，對(duì)MCF拋光工具的形貌進(jìn)行了定量分析。依據(jù)表3中MCF拋光工具的特征，即MCF拋光工具由圓形外圈和橢圓形內(nèi)圈重合區(qū)域組成，構(gòu)建其成形特征的示意圖（如圖4所示）。其中，0為MCF拋光工具的外圈直徑，和分別為MCF拋光工具內(nèi)圈的長(zhǎng)徑和短徑，i為MCF拋光區(qū)域的內(nèi)圈直徑，1為MCF拋光工具外圈中心到MCF載液板中心的距離，2為MCF外圈中心到內(nèi)圈中心的距離，為MCF工具的最大高度。

圖3 MCF拋光工具觀察流程示意圖

表3 MCF成形特征

Tab.3 MCF forming characteristics

圖4 MCF成形示意圖

在MCF拋光過(guò)程中，拋光工具成形特征的變化規(guī)律如圖5所示。MCF供應(yīng)量為1、1.5、2 mL時(shí)，偏心距對(duì)拋光工具中、、0、值的影響規(guī)律如圖5a—c所示。值得注意的是，拋光工具中、、0、在不同MCF供應(yīng)量下隨著偏心距的增大具有相似的變化趨勢(shì)。當(dāng)環(huán)形磁鐵偏心距=0 mm時(shí)，拋光工具內(nèi)圈長(zhǎng)徑和短徑的數(shù)值相等，并且此時(shí)拋光工具的高度相對(duì)最大。這是由于當(dāng)永磁鐵無(wú)偏心時(shí)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁力線方向均未發(fā)生變化，導(dǎo)致MCF內(nèi)部磁性顆粒在磁場(chǎng)作用下無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，始終保持初始狀態(tài)，即形成了分布不均勻、結(jié)構(gòu)尺寸不一的團(tuán)絮狀的同心圓拋光工具。隨著偏心距的增大，MCF工具的內(nèi)圈長(zhǎng)徑和短徑開(kāi)始發(fā)生變化，同時(shí)拋光工具的高度隨著的增大而急劇減小。當(dāng)≥2 mm時(shí)，無(wú)論如何變化，都會(huì)隨著的增大而增大，且與的差值在=2 mm、=1 mL時(shí)相對(duì)最小，為1 mm。結(jié)合表3中MCF拋光工具的形貌特征發(fā)現(xiàn)，當(dāng)=2 mm時(shí)，內(nèi)圈長(zhǎng)徑和短徑存在差值，且較小，此時(shí)MCF易形成外觀規(guī)則、無(wú)缺失的拋光工具。隨著實(shí)驗(yàn)參數(shù)的改變，0與呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)MCF供應(yīng)量恒定時(shí)，MCF拋光工具的體積一定，故MCF拋光工具的外圈直徑0減小，其高度增大。

在MCF供應(yīng)量為1、1.5、2 mL時(shí)，MCF在不同偏心距下的偏心距對(duì)MCF拋光工具外圈中心到MCF載液板中心距離1和MCF外圈中心到內(nèi)圈中心距離2的影響規(guī)律如圖5d—f所示。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論MCF供應(yīng)量如何變化，在=0 mm時(shí)，1=0 mm，2=0 mm；當(dāng)≥2 mm時(shí)，1隨著的增加而增大。這是由于隨著偏心距的增大，永磁鐵的磁場(chǎng)邊界向外擴(kuò)展，MCF拋光工具的外邊界隨之?dāng)U展，致使1增大。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1與2的差值變大，說(shuō)明MCF環(huán)形拋光工具越來(lái)越不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致MCF拋光工具出現(xiàn)了缺失現(xiàn)象。隨著MCF供應(yīng)量的增加，1、2隨之減小。這是由于永磁鐵的磁場(chǎng)邊緣已被限定，多余的MCF會(huì)向圓環(huán)拋光工具內(nèi)外兩側(cè)遷移，緩慢升高。結(jié)合表3中的形貌特征，當(dāng)為1、2 mL時(shí)形成MCF工具的磁簇分布不均勻，在= 1.5 mL時(shí)形成了一個(gè)形狀良好的 MCF拋光工具，所以在1與2的差值過(guò)大或過(guò)小時(shí)均不利于MCF拋光工具的成形。

圖5 偏心距r和供應(yīng)量V對(duì)拋光工具形貌的影響

綜上所述，當(dāng)=2 mm、=1.5 mL時(shí)，MCF拋光工具的成形特征相對(duì)最優(yōu)，MCF工具的參數(shù)：=28.70 mm、=26.90 mm、1=1.58 mm、2=1.30 mm、0=48.60 mm、=7.20 mm、i=26.50 mm。

2.2 磁場(chǎng)對(duì)磁簇的影響

在最優(yōu)參數(shù)下，MCF拋光工具的成形特征如圖 6所示。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，拋光環(huán)呈非對(duì)稱(chēng)性，此時(shí)磁鐵位于拋光環(huán)右側(cè)的正下方。沿著–截面將拋光工具剖開(kāi)，獲得了橫截面處MCF拋光工具的形貌。從MCF拋光工具–橫截面處發(fā)現(xiàn)，拋光環(huán)直徑為48.6 mm，左側(cè)磁簇的高度為3.7 mm，右側(cè)磁簇的高度為7.2 mm，位于磁鐵正下方的磁簇高度約為磁鐵遠(yuǎn)端磁簇高度的2倍。從圖6可以看出，磁簇的高度不一，并且方向各異。為了探究拋光過(guò)程中磁場(chǎng)對(duì)磁簇強(qiáng)度和方向的影響規(guī)律，對(duì)拋光區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)進(jìn)行了分析。

圖6 MCF拋光工具的形貌特征

為了更深入地探究永磁鐵的磁場(chǎng)分布對(duì)磁簇行為特征的影響，采用高斯計(jì)（SJ700，桂林森杰）對(duì)距磁鐵下端面2.5 mm處的磁場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量方式如圖7所示，將特斯拉計(jì)水平或垂直置于雙環(huán)形永磁鐵磁極下端面，測(cè)量時(shí)規(guī)定=0 mm的位置為磁鐵中心處，的方向?yàn)榇盆F直徑方向。此時(shí)沿方向移動(dòng)，可測(cè)得環(huán)形磁鐵在垂直和水平方向上的分量。環(huán)形磁鐵在水平、垂直方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量r、z及總磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖8所示，其關(guān)系見(jiàn)式（1）。

圖7 磁場(chǎng)測(cè)量示意圖

為了更好地表示永磁鐵的磁場(chǎng)分布與磁簇之間的關(guān)系，選擇磁場(chǎng)右半部分（如圖8所示）進(jìn)行矢量分析，構(gòu)建的磁場(chǎng)矢量和磁簇分布如圖9所示。其中，箭頭表示磁力線的矢量方向。由圖9a可見(jiàn)，位于載液板表面處的磁力線矢量方向在環(huán)形磁鐵上方的不同位置呈現(xiàn)角度變化。當(dāng)=16.5 mm 時(shí)，磁力線相對(duì)于載液板表面的角度為89.234°，基本與載液板表面垂直，之后磁力線矢量方向與載液板表面之間的夾角不斷減小，直至=24 mm 時(shí)，角度相對(duì)最小。隨著磁力線矢量方向的不同，磁簇分布如圖9b所示，從MCF工具的內(nèi)圈到工作區(qū)域的中部附近，磁簇的方向逐漸垂直于載液板表面，當(dāng)=15.5 mm 時(shí)，磁簇相對(duì)于載液板表面的角度為90°，它與載液板表面垂直；之后，磁簇與載液板表面的夾角不斷減小，直至24.3 mm時(shí)，角度相對(duì)最小。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析后可知，磁簇的分布方向與磁場(chǎng)的矢量方向一致，鐵粉沿著磁力線方向分布，這為后續(xù)拋光微溝槽提供了理論基礎(chǔ)。

圖9 磁場(chǎng)矢量與磁簇分布

2.3 磨粒行為分析

使用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察了MCF磁簇內(nèi)顆粒的分布狀態(tài)，如圖10所示。從圖10a可以觀察到，MCF內(nèi)顆粒沿著一定方向分布，形成了許多簇狀結(jié)構(gòu)，這些磁力簇由多股磁力鏈狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。從圖10b可見(jiàn)，磁簇表面分布著白色的磨粒和黑色的羰基鐵粉，且磨粒不僅分布于簇狀結(jié)構(gòu)的外表面，在粗壯磁簇的端部也分布著大量的磨粒，并參與工件材料的去除。從圖10c可見(jiàn)，大量的磁力鏈狀結(jié)構(gòu)沿著一定方向向頂端延伸，α–纖維穿插于磁簇內(nèi)部或磁簇與磁簇之間，增強(qiáng)了MCF拋光工具的強(qiáng)度，提高了材料的去除效率。將圖10b中區(qū)域3放大后（如圖10d所示）可以清晰地觀察到鐵粉、磨粒的分布，在無(wú)鐵團(tuán)簇的空間中觀察到少量的磨粒。上述結(jié)果表明，在雙磁場(chǎng)作用下，羰基鐵粉沿著磁力線方向形成了磁力鏈狀結(jié)構(gòu)，α–纖維穿插于多股磁力鏈狀結(jié)構(gòu)中，形成了粗壯的磁簇結(jié)構(gòu)，非磁性磨粒分布在磁簇結(jié)構(gòu)的外表面及端部，該結(jié)果驗(yàn)證了在雙磁場(chǎng)作用下MCF的拋光原理。

圖10 A–A截面SEM圖

2.4 拋光試驗(yàn)

為了探究雙磁場(chǎng)作用下MCF拋光工具的拋光性能，實(shí)驗(yàn)在=2 mm、=1.5 mL條件下研究了不同參數(shù)（MCF組分、c、m、）對(duì)工件表面粗糙度的影響規(guī)律。每個(gè)工件的總拋光時(shí)間為20 min，每隔5 min測(cè)量工件表面的粗糙度，并更換MCF拋光液，以確保MCF拋光液的拋光性能。為了獲得較為均一的初始表面粗糙度，在拋光前采用型號(hào)為1000目的砂紙對(duì)工件進(jìn)行打磨。工件經(jīng)拋光后先用純凈水清洗工件表面殘留拋光液，隨后使用超聲波清洗，之后采用酒精擦拭，然后使用壓縮空氣吹干拋光表面，最后測(cè)量其表面粗糙度。為了降低初始粗糙度不均對(duì)拋光結(jié)果的影響，采用粗糙度下降率來(lái)表征拋光性能，其表達(dá)式見(jiàn)式（2）。

式中：i為工件初始表面粗糙度；p為每次拋光后的表面粗糙度。

2.4.1 MCF組分的影響

MCF組分是拋光過(guò)程中的重要參數(shù)，它會(huì)直接影響拋光質(zhì)量。依據(jù)前期研究[7]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MCF中磨粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%、α–纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，拋光效果達(dá)到最優(yōu)，故該實(shí)驗(yàn)中將磨粒和α–纖維的組分保持一定。由于水基磁流體中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%，通過(guò)調(diào)整羰基鐵粉與水基磁流體的比例可獲得不同濃度的MCF拋光液，其濃度依次為MCF 1＜MCF 2＜MCF 3＜MCF 4。在試驗(yàn)中，拋光條件設(shè)置為=2 mm，=1.5 mL，c=300 r/min，m=400 r/min，=1 mm。MCF組分對(duì)工件表面粗糙度和粗糙度下降率的影響規(guī)律如圖11所示。從圖11a中發(fā)現(xiàn)，采用任意組分的MCF拋光，會(huì)隨著加工時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。使用MCF 1、MCF 3和MCF 4對(duì)工件進(jìn)行拋光時(shí)，在拋光前10 min內(nèi)，工件的表面粗糙度從0.5 μm快速下降至0.2 μm，隨后下降趨勢(shì)變緩；使用MCF 2拋光時(shí)，在拋光前15 min內(nèi)，工件的表面粗糙度下降得較快，隨后變緩。研究還發(fā)現(xiàn)，工件表面粗糙度經(jīng)MCF 2拋光20 min后達(dá)到最優(yōu)。從圖11b可以發(fā)現(xiàn)，采用MCF 1—MCF 4拋光20 min后，工件的粗糙度下降率分別為76.2%、98.4%、78.9%、67.1%。拋光結(jié)果表明，MCF拋光液的濃度過(guò)高或過(guò)低均不利于材料的去除，當(dāng)羰基鐵粉和水基磁流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40%和45%時(shí)，工件的拋光性能較好。這是由于隨著羰基鐵粉濃度的降低，MCF工具在外加磁場(chǎng)下的磁化強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，同時(shí)也削弱了磨粒的作用[18]，導(dǎo)致在拋光過(guò)程中的磁簇容易斷裂[20]，從而降低了剪切應(yīng)力[17]。相反，高濃度的羰基鐵粉也會(huì)導(dǎo)致MCF工具的磁簇過(guò)硬，容易在工件表面留下新的刀痕[21]。由此得到了相對(duì)最佳的MCF組分配比（均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）：羰基鐵粉40%、磨粒12%、α–纖維3%、水基磁流體45%。

2.4.2 載液板轉(zhuǎn)速的影響

在磁場(chǎng)輔助MCF拋光過(guò)程中，磨粒的運(yùn)動(dòng)速率及對(duì)工件表面的壓力會(huì)直接影響材料的去除。在磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)磁力線發(fā)生了周期性變化，從而產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，磁簇會(huì)隨著磁力線的變化發(fā)生擺動(dòng)，此時(shí)裹挾在磁力簇之間的磨粒與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)極小。當(dāng)MCF載液板旋轉(zhuǎn)時(shí)，載液板帶動(dòng)磨粒與工件表面產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而去除材料。由此可見(jiàn)，磨粒與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率由MCF載液板的轉(zhuǎn)速c決定。通過(guò)探究c對(duì)MCF拋光后表面粗糙度的影響規(guī)律，揭示c與材料去除的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng)c超過(guò)300 r/min時(shí)，載液板與工件之間的MCF拋光液在離心作用下會(huì)飛濺出拋光區(qū)域，導(dǎo)致MCF拋光液的供應(yīng)量減少，拋光效果減弱，因此在試驗(yàn)中設(shè)計(jì)c的最高轉(zhuǎn)速為300 r/min。拋光液采用MCF 2，m=400 r/min，=1 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。從圖12a可以發(fā)現(xiàn)，工件的表面粗糙度隨著拋光時(shí)間的增加而降低。當(dāng)c＜250 r/min時(shí)，表面粗糙度的下降趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明當(dāng)載液板在低速作用下對(duì)材料表面粗糙度的影響不大；當(dāng)c=250 r/min時(shí)，雖然工件的表面粗糙度的下降速度較快，但在拋光20 min時(shí)獲得的表面粗糙度與在c≤250 r/min時(shí)獲得的表面粗糙度的差距不明顯。隨著c的增大，表面粗糙度在前15 min內(nèi)的下降速率繼續(xù)增大。如圖12b所示，當(dāng)c≤250 r/min時(shí)，工件的表面粗糙度下降率的變化趨勢(shì)區(qū)別不大，當(dāng)c=300 r/min，表面粗糙度下降率變大。

圖11 MCF組分對(duì)粗糙度Ra和下降率R的影響

圖12 載液板轉(zhuǎn)速nc對(duì)粗糙度Ra和下降率R的影響

這是由于在MCF拋光過(guò)程中，工件表面的材料去除率遵循普林斯頓方程[22-23]，見(jiàn)式（3）。

式中：為系數(shù)；為MCF拋光工具作用于工件的壓力；為磨粒與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

由式（3）可知，c越大，磨粒與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越大，則材料去除率越大，工件表面多余材料被去除得越快，工件表面越光滑。

2.4.3 磁鐵轉(zhuǎn)速的影響

旋轉(zhuǎn)永磁鐵在MCF拋光過(guò)程中提供了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它會(huì)擾動(dòng)MCF拋光液內(nèi)部顆粒的位置，增強(qiáng)MCF拋光工具的自銳性。為了探究m對(duì)MCF拋光性能的影響，設(shè)置如下實(shí)驗(yàn)參數(shù)：采用MCF2，c= 300 r/min，=1 mm。磁鐵轉(zhuǎn)速m對(duì)表面粗糙度和表面粗糙度下降率的影響規(guī)律如圖13所示。從圖13a可以看出，無(wú)論m如何變化，表面粗糙度隨著拋光時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。當(dāng)m≤400 r/min時(shí)，隨著m的增加，工件表面更光滑。當(dāng)m=400 r/min時(shí)，獲得了相對(duì)最優(yōu)的表面粗糙度。當(dāng)m=450 r/min時(shí)，工件的表面粗糙度反而上升，表面質(zhì)量下降。圖13b表明，在不同m下，隨著拋光時(shí)間的增加，表面粗糙度下降率具有相似的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)檩^高的m會(huì)使MCF拋光工具內(nèi)部顆粒的運(yùn)動(dòng)速度加快，恢復(fù)至自身最佳形態(tài)的速度加快，保證了拋光質(zhì)量。在m過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致MCF拋光工具內(nèi)部顆粒轉(zhuǎn)移得過(guò)快，使部分磨料顆粒與工件表面相互作用的時(shí)間縮短，從而降低了拋光質(zhì)量。

2.4.4 加工間隙的影響

加工間隙是影響MCF拋光性能的重要參數(shù)，它對(duì)表面粗糙度和表面粗糙度下降率的影響規(guī)律如圖14所示。如圖14a所示，當(dāng)加工間隙不同時(shí)，工件的拋光效果差異明顯；拋光后表面粗糙度隨著加工間隙的減小而降低。當(dāng)=2.5 mm時(shí)，在拋光20 min后工件的表面粗糙度從0.482 μm降至0.367 μm；當(dāng)=1 mm時(shí)，拋光20 min后表面粗糙度從0.578 μm降至0.009 μm。從圖14b可以看出，表面粗糙度下降率的斜率隨著加工間隙的降低而增大。這是由于在不同的加工間隙下，環(huán)形永磁鐵作用于工件表面處的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，導(dǎo)致磨粒對(duì)工件產(chǎn)生的壓力不同，所以產(chǎn)生了不同的拋光效果。采用模擬軟件和特斯拉計(jì)分別模擬和測(cè)量距離永磁鐵表面處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，如圖15所示。經(jīng)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)形磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布模擬和測(cè)量曲線具有相同的趨勢(shì)：從環(huán)形磁鐵外部開(kāi)始，磁場(chǎng)強(qiáng)度緩慢上升，到環(huán)形磁鐵外圈邊緣時(shí)開(kāi)始急劇上升，在中心部達(dá)到最大值（=0.5 T），然后開(kāi)始緩慢下降，到環(huán)形磁鐵的內(nèi)圈邊緣時(shí)急劇下降，在環(huán)形磁鐵的中心達(dá)到最小值（=0 T）。根據(jù)Sidpara等[24-25]的理論分析，磨料顆粒上的磁懸浮力由式（4）計(jì)算。

圖13 磁鐵轉(zhuǎn)速nm對(duì)表面粗糙度Ra和下降率R的影響

圖14 加工間隙Δ對(duì)表面粗糙度Ra和表面粗糙度下降率R的影響

式中：abr為磨粒體積；0為真空磁導(dǎo)率；f為MCF拋光液的磁化強(qiáng)度；?為與間隙相關(guān)的磁場(chǎng)梯度。

由圖15可知，環(huán)形磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著與磁鐵表面的距離的增加而變小，可見(jiàn)加工間隙的不同會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度的不同，進(jìn)而導(dǎo)致拋光力的不同，體現(xiàn)在工件表面粗糙度下降幅度的不同。

圖15 距離磁鐵表面D處磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量值和模擬值

2.5 拋光前后工件的表面粗糙度

采用上述實(shí)驗(yàn)分析得到的最佳工藝參數(shù)（MCF配比：CIP 40%、AP 12%、α–纖維3%、MF 45%，c=300 r/min，m=400 r/min，=1 mm）對(duì)工件進(jìn)行拋光處理。使用環(huán)形MCF工具拋光前后工件表面的對(duì)比如圖16所示，拋光前后工件表面的形貌輪廓如圖17所示，結(jié)果表明，拋光前工件的表面粗糙度i=0.578 μm，對(duì)工件拋光20 min后其表面粗糙度p=0.009 μm，與拋光前工件的表面粗糙度相比，下降率約為98.44%，拋光后的工件表面光滑，拋光效果顯著。

圖16 拋光前后的工件表面

圖17 拋光前后工件的表面形貌輪廓

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析了不同參數(shù)下的MCF拋光工具，獲得了最優(yōu)的MCF拋光工具，并對(duì)最優(yōu)MCF工具外部磁簇及內(nèi)部元素進(jìn)行了觀察，分析驗(yàn)證了在雙磁場(chǎng)作用下MCF的拋光原理。采用PC板進(jìn)行了拋光試驗(yàn)，研究了雙磁場(chǎng)作用下MCF工具的基礎(chǔ)拋光性能，最終確立了雙磁場(chǎng)拋光裝置的最優(yōu)參數(shù)，得到如下結(jié)論。

1）當(dāng)磁鐵偏心距=2 mm，MCF拋光液供應(yīng)量=1.5 mL時(shí)，MCF拋光工具的成形特征相對(duì)最優(yōu)，MCF工具的參數(shù)：=28.70 mm、=26.90 mm、1=1.58 mm、2=1.30 mm、0=48.60 mm、=7.20 mm、i=26.50 mm。

2）對(duì)雙環(huán)狀永磁鐵磁場(chǎng)矢量分布和MCF工具磁簇分布進(jìn)行了對(duì)比分析，證實(shí)磁簇分布方向與磁場(chǎng)矢量方向一致，鐵粉沿著磁力線方向分布，為后續(xù)微溝槽拋光提供了理論基礎(chǔ)。

3）MCF內(nèi)部羰基鐵粉沿著磁力線方向形成了磁力鏈狀結(jié)構(gòu)，α–纖維穿插于多股磁力鏈狀結(jié)構(gòu)，形成了粗壯的磁簇結(jié)構(gòu)，非磁性磨粒分布在磁簇結(jié)構(gòu)的外表面及端部，驗(yàn)證了在雙磁場(chǎng)作用下MCF的拋光原理。

4）通過(guò)拋光試驗(yàn)獲得了較低表面粗糙度的最佳工藝參數(shù)：最佳MCF組分配比（均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）為羰基鐵粉40%、磨粒12%，α–纖維3%、水基磁流體45%；最佳載液板轉(zhuǎn)速c=300 r/min；最佳磁鐵轉(zhuǎn)速m=400 r/min；最佳加工間隙=1 mm。拋光后由0.578 μm降至0.009 μm，證明在雙磁場(chǎng)作用下環(huán)狀MCF拋光工具具有穩(wěn)定且高效的拋光能力。

[1] 王承遇, 李松基, 陶瑛, 等. 超光滑超精密玻璃拋光新技術(shù)[J]. 玻璃, 2009, 36(10): 33-37.

WANG Cheng-yu, LI Song-ji, TAO Ying, et al. New Super-Smooth and Super-Precision Polishing Technology for Glass Surface[J]. Glass, 2009, 36(10): 33-37.

[2] 朱子俊, 劉順, 韓冰, 等. 超聲振動(dòng)復(fù)合研磨K9光學(xué)玻璃工藝研究[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(4): 74-80.

ZHU Zi-jun, LIU Shun, HAN Bing, et al. Study on Hybrid Technology of Ultrasonic Vibration Assisted Abrasive Lapping K9 Optical Glass[J]. Surface Technology, 2020, 49(4): 74-80.

[3] 王慶倉(cāng), 張曉東, 蘇建修, 等. SiC單晶片化學(xué)機(jī)械研磨試驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2015, 44(4): 137-140.

WANG Qing-cang, ZHANG Xiao-dong, SU Jian-xiu, et al. Experimental Study on Chemical Mechanical Lapping of Si C Single Crystal Wafer[J]. Surface Technology, 2015, 44(4): 137-140.

[4] CHEN Shao-wen, HSIEH J C, CHOU Cheng-tai, et al. Experimental Investigation and Visualization on Capillary and Boiling Limits of Micro-Grooves Made by Different Processes[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2007, 139(1-2): 78-87.

[5] LIU L, LOH N H, TAY B Y, et al. Preparation and Characterization of Micro Components Fabricated by Micro Powder Injection Molding[J]. Materials Characteri-zation, 2011, 62(6): 615-620.

[6] HAVA S, AUSLENDER M. Design and Analysis of Low-Reflection Grating Microstructures for a Solar Energy Absorber[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2000, 61(2): 143-151.

[7] FENG Ming, WU Yong-bo, WANG You-liang, et al. Investigation on the Polishing of Aspheric Surfaces with a Doughnut-Shaped Magnetic Compound Fluid (MCF) Tool Using an Industrial Robot[J]. Precision Engineering, 2020, 61: 182-193.

[8] ZHENG Wei-min, CAO Tian-ning, ZHANG Xiu-zhong. Applications of a Novel General Removal Function Model in the CCOS[C]//ProcSPIE4231, Advanced Optical Manufacturingand Testing Technology, 2000: 51-58.

[9] 姜晨, 時(shí)培兵, 李佳音, 等. 磁性復(fù)合流體分散性及其對(duì)BK7光學(xué)玻璃拋光性能的影響[J]. 光子學(xué)報(bào), 2019, 48(5): 30-39.

JIANG Chen, SHI Pei-bing, LI Jia-yin, et al. Dispersion of Magnetic Compound Fluid and Its Effect on Polishing Properties of BK7 Optical Glass[J]. Acta Photonica Sinica, 2019, 48(5): 30-39.

[10] YINShao-hui, XU Zhi-qiang, DUAN Hong-jie, et al. Effects of Magnetic Fluid on Machining Characteristics in Magnetic Field Assisted Polishing Process[J]. Advanced Materials Research, 2013, 797: 396-400.

[11] SHIMADA K. New Microscopic Polishing with Magnetic Compound Fluid (MCF)[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2002, 13(7/8): 405-408.

[12] 王嘉琪, 肖強(qiáng). 磁流變拋光技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2019, 48(10): 317-328.

WANG Jia-qi, XIAO Qiang. Research Progress of Magnetorheological Polishing Technology[J]. Surface Technology, 2019, 48(10): 317-328.

[13] 葉卉, 李曉峰, 段朋云, 等. 光學(xué)元件磁性復(fù)合流體拋光特性研究[J]. 上海理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 43(4): 342-348.

YE Hui, LI Xiao-feng, DUAN Peng-yun, et al. Magnetic Compound Fluid Polishing Characteristics of Optical Elements[J]. Journal of University of Shanghai for Science and Technology, 2021, 43(4): 342-348.

[14] WANG You-liang, WU Yong-bo, GUO Hui-ru, et al. A New Magnetic Compound Fluid Slurry and Its Perform-ance in Magnetic Field-Assisted Polishing of Oxygen- Free Copper[J]. Journal of Applied Physics, 2015, 117(17): 17D712.

[15] WANG You-liang, GAO Ji-bo, FENG Ming, et al. Experi-mental Study on the Polishing of Aspheric Surfaces on an S-136 Mould Steel Using Magnetic Compound Fluid Slurries[J]. International Journal of Abrasive Technology, 2020, 10(3): 155.

[16] 郭會(huì)茹, 吳勇波, 焦黎, 等. Ni-P鍍層的磁性混合流體拋光[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(17): 73-78.

GUO Hui-ru, WU Yong-bo, JIAO Li, et al. Ultrafine Polishing of Nickel Phosphorus Plating with Magnetic Compound Fluid Slurry[J]. Journal of Mechanical Engin-eering, 2013, 49(17): 73-78.

[17] SHIMADA K, WU Yong-bo, WONG Y C. Effect of Magnetic Cluster and Magnetic Field on Polishing Using Magnetic Compound Fluid (MCF)[J]. Journal of Magn-etism and Magnetic Materials, 2003, 262(2): 242-247.

[18] FENG Ming, WU Yong-bo, WANG You-liang, et al. Effect of the Components of Magnetic Compound Fluid (MCF) Slurry on Polishing Characteristics in Aspheric- Surface Finishing with the Doughnut-Shaped MCF Tool[J]. Precision Engineering, 2020, 65: 216-229.

[19] 李佳音, 姜晨, 王璐璐, 等. 十二烷基苯磺酸鈉對(duì)磁性復(fù)合流體分散性及拋光質(zhì)量的影響[J]. 表面技術(shù), 2021, 50(8): 389-395.

LI Jia-yin, JIANG Chen, WANG Lu-lu, et al. Effect of Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate on Dispersion and Polishing Quality of Magnetic Compound Fluid[J]. Surface Technology, 2021, 50(8): 389-395.

[20] 王道明, 侯友夫,田祖織, 等. 顆粒尺寸及溫度對(duì)羰基鐵粉磁化性能的影響[J]. 功能材料, 2014(19): 19006- 19009.

WANG Dao-ming, HOU You-fu, TIAN Zhu-zhi et al. Effect of Particle Size and Temperature on Magnetization Properties of Carbonyl Iron Powder[J]. Journal of Functi-onal Materials, 2014, 45(19): 19006-19009.

[21] GUO Hui-ru, WU Yong-bo, LU Dong, et al. Ultrafine Polishing of Electroless Nickel-Phosphorus-Plated Mold with Magnetic Compound Fluid Slurry[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2014, 29(11/12): 1502-1509.

[22] 張峰, 張斌智. 磁流體輔助拋光工件表面粗糙度研究[J]. 光學(xué)精密工程, 2005, 13(1): 34-39.

ZHANG Feng, ZHANG Bin-zhi. Surface Roughness of Optical Elements Fabricated by Magnetic Fluid-Assisted Polishing[J]. Optics and Precision Engineering, 2005, 13(1): 34-39.

[23] 計(jì)時(shí)鳴, 李琛, 譚大鵬, 等. 基于Preston方程的軟性磨粒流加工特性[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011, 47(17): 156-163.

JI Shi-ming, LI Chen, TAN Da-peng, et al. Study on Machinability of Softness Abrasive Flow Based on Preston Equation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(17): 156-163.

[24] SIDPARA A, JAIN V K. Analysis of Forces on the Freeform Surface in Magnetorheological Fluid Based Finishing Process[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2013, 69: 1-10.

[25] SIDPARA A, JAIN V K. Theoretical Analysis of Forces in Magnetorheological Fluid Based Finishing Process[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2012, 56(1): 50-59.

Polishing Performance of Magnetic Compound Fluid Based on Double Magnetic Field

1,1,1,1,2

(1. Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. Wenzhou University, Zhejiang Wenzhou 100083, China)

Magnetic field assisted magnetic compound fluid (MCF) polishing method is a novel ultra-precision surface machining technology. The work aims to develop an annular MCF (Magnetic Compound Fluid) polishing tool under the external doublemagnetic field to avoidthe damage of morphology accuracy of microstructure caused by traditional MCF polishing tool in the polishing process and explorethe basic performances of the proposed annular MCF polishing tool under the given experimental conditions.In addition, the effectsof processing parameters on the surface roughness of workpiece were studied in detail.

The forming characteristics of MCF polishing tool under different given conditions were observed by industrial cameras. The characteristic parameters of the optimal MCF polishing tool were constructed by analyzing the forming parameters of MCF polishing tools quantitatively. When the magnet eccentricity=2 mm and the MCF supply=1.5 mL, the forming characteristics of MCF polishing tool were the best. The parameters of MCF tool were=28.70 mm,=26.90 mm,1=1.58 mm,2=1.30 mm,0=48.60 mm,=7.20 mm andi=26.50 mm. Afterwards, by analyzing the magnetic field intensity on the workpiece surface under the action of double magnetic field, a magnetic field vector model wasestablished. After drying the MCF polishing tool, the internal relationship between the magnetic field distribution and the macro morphology of the MCF polishing tool wasexplored. At the same time, the micro morphology of the magnetic cluster wasobserved with a metallographic microscope, and the internal characteristics of the MCF polishing tool wereanalyzed. The distribution direction of the magnetic cluster wasconsistent with the direction of the magnetic field vector. The iron powder wasdistributed along the direction of the magnetic force line, and the abrasive particles weredistributed outside the iron powder, α- Fibers wereinterspersed inside or between magnetic clusters, which also verifiedthe principle of MCF polishing. Finally, the polishing experiment was carried out with PC board, and the MCF components, the effectsof MCF components, revolution speed of the magnetm, revolution speed of the MCF carriercand working gapon the workpiece surface roughness were investigated to explore the optimal polishing parameters. The optimalprocess parameters with low surface roughness were obtained through polishing experiments. The best process parameters included the optimal MCF group distribution ratio of 40wt.% carbon iron powder, 12wt.% abrasive particle, 3wt.% α-cellulose and 45wt.% magnetic fluid (MF), the optimal revolution speed of the MCF carrierc=300 r/min, the optimal revolution speed of the magnetm=400 r/min, and the optimal work gap=1 mm.

Under the optimum process parameters, the surface roughness of workpiece after 20 min polishing decreases from 0.578 μm to 0.009 μm, which indicates the polished workpiece surface is smoother than that before polishing. In addition, the reduction rate of surface roughnessa is as high as 98.44%, which proves that the annular MCF polishing tool has stable and efficient polishing ability under the action of doublemagnetic field.

magnetic compound fluid; doublemagnetic field; polishing performance;surface roughness; magnetic field distribution; forming characteristic

TG580

A

1001-3660(2022)11-0360-13

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.11.034

2021?12?22；

2022?03?15

2021-12-22;

2022-03-15

甘肅省科技計(jì)劃（21JR7RA783）；蘭州理工大學(xué)紅柳優(yōu)青項(xiàng)目（07/062004）；浙江省自然科學(xué)基金（LQ22E050008）

Science and Technology Project of Gansu Province (21JR7RA783); Hongliu Youth Project of Lanzhou University of Technology; Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LQ22E050008)

王有良（1986—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槌鼙砻婕脊ぜ夹g(shù)。

WANG You-liang (1986-), Male, Dorctor, Associate professor, Research focus: ultra-precision surface engineering.

王有良, 史小鋒, 陳秀娟,等.基于雙磁場(chǎng)磁性復(fù)合流體的拋光性能[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(11): 360-372.

WANG You-liang, SHI Xiao-feng, CHEN Xiu-juan, et al. Polishing Performance of Magnetic Compound Fluid Based on Double Magnetic Field[J]. Surface Technology, 2022, 51(11): 360-372.

責(zé)任編輯：彭颋