（机械制造及其自动化专业论文）磁流变效应微砂轮超精密研抛加工机理研究.pdf

摘要 磁流交液是一种功能型液体材料，它是由非胶体的磁性微粒分散于绝缘基载 液中形成的，随外加磁场变化可以控制其流交行为的稳定悬浮液。由于磁流变液 的优良特性，针对加工微构件的微小工具制作的技术难题，本研究提出了将混入 磨料的磁流变液在磁场作用下作为即效砂轮结合剂形成研抛工具的超精密加工 方法。利用磁流变液在磁场作用下粘变固化的磁流变效应将磨料微粒混入磁流变 液体之中，磁性微粒的成链状分布约束磨料微粒形成微砂轮，用于硬脆材料微构 件的精细加工。 本文首先在对磁流变液的组织成分、特性以及流变机理理论分析的基础上， 研制用于抛光的磁流变抛光液。根据磁流变微砂轮形成原理，研制了磁流变效应 微砂轮微细加工的原理性实验装置，实现了磁流变效应微砂轮的定点加工。通过 系统性实验分折了磁流变液参数( 磨料尺寸、种类、浓度等) 及外部过程参数( 加 工间隙、加工时间、工具转速等) 对抛光加工效果的影响规律，并改变控制动态 微砂轮的尺寸大小、刚度、磨粒相互结合强度以及外部加工参数以获得理想的加 工效果。实验后采用光学显微镜、扫描电子显微镜、t a y l o r h o b s o n 轮廓仪、分 析铁谱仪等测试仪器分析工件已加工表面特征。 研究结果表明，磁流变效应微砂轮精细加工玻璃等硬脆材料是可行和有效 的。在本实验平台，选择硅油作为基载液可以获得较好的加工表面；硬度大的磨 料( 如金刚石粉) 可以得到较高的材料去除率和较高的表面粗糙度；硬度小的磨 料( 如氧化铝) 可以得到较高的表面质量但去除率较低；磨料粒度与磁性微粒粒 度相当时材料去除率最高：金刚石粉含量在3 左右时可以达到理想加工效果； 在磁流变液中添加纤维可以增强磁流变效应微砂轮的去除能力。当外部加工参数 选用加工间隙6 0 j m 、9 0 腰，加工时间2 0 m i n ，工具转速2 0 0 0 r p m 、2 7 0 0 r p m 时 材料去除率较高。抛光加工区材料去除数学模型符合光学加工中为人们所普遍接 受的p r e s t o n 方程。通过对加工表面的微观结构和抛光后切屑形貌的分析，发现 研抛过程中工件材料去除模式：脆性断裂、塑性去除。 关键词：磁流变液；动态微砂轮；硬脆材料；研抛；塑性去除 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a sat y p eo fs m a r tm a t e r i a l ，m a g n e t o r h e o l o g i c a l ( m r ) f l u i d sa r es u s p e n s i o n so f m i c r o n - s i z e dm a g n e t i z a b l ep a r t i c l e sd i s p e r s e di nac a r r i e rm e d i u mw i t hs m a l l c o n c e n t r a t i o n so fs t a b i l i z e r s ，a n de x h i b i tt h ep e c u l i a rr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e st h a ta r e i n d u c e db yt h ee x t e r n a l l yc o n t r o l l a b l em a g n e t i cf i e l d t h em rp r o p e r t i e sc a nb e m a n i p u l a t e da n dc o n t r o l l e di nr e a lt i m eb yv a r y i n gt h es t r e n g t ho ft h ef i e l d i nt h e a b s e n c eo fm a g n e t i cf i e l d ，m rf l u i d se x h i b i tn e w t o n i a nb e h a v i o r , a n dt h e ya r e a b r u p t l yt r a n s f o r m e dw i t h i nm i l l i s e c o n d si n t oap l a s t i cl i k es o l i du n d e ra na p p l i e d m a g n e t i cf i e l d b a s e do nt h em re f f e c to fa b r a s i v es l u r r y ，a ni n n o v a t i v es u p e r f i n e p o l i s h i n gt e c h n i q u ei sp r e s e n t e dt or e s o l v ep r o b l e m sr e l a t e dt ot h ep o l i s h i n go f m i c r o - a p p a r a t u s e su s i n gt h em i c r o - t 0 0 1 i nt h i st e c h n i q u e ，t h ep a r t i c l e d i s p e r s e dm r f l u i di su s e da sas p e c i a li n s t a n t a n e o u sb o n dt oc o h e r ea b r a s i v ep a r t i c l e si nt h em r f l u i ds oa st of o r mad y n a m i c a lt i n yg r i n d i n gw h e e lt om a c h i n et h eb r i t t l em a t e r i a l s t h i sw o r ka n a l y z e d f i r s t l y t h ec o m p o n e n t ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dr h e o l o g i c a l m e c h a n i s mo fm rf l u i d ，a n dd e v e l o p e dam rf l u i df o r p o l i s h i n g t h e nt h e e x p e r i m e n t a ls e t u pw a sd e s i g n e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h ed y n a m i c a lt i n y g r i n d i n gw h e e lt o m a c h i n et h ew o r k p i e c eb yaf i x e d - p o i n tm a c h i n i n gm o d e f u r t h e r m o r e ，e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fd i f f e r e n t p a r a m e t e r so fm rf l u i d ( s u c ha sg r a i ns i z e s ，s p e c i e sa n dc o n c e n t r a t i o no fa b r a s i v e p a r t i c l e s ) a n dp r o c e s sp a r a m e t e r s ( s u c ha sm a c h i n i n gg a pb e t w e e nt h ew o r k p i e c ea n d t h er o t a t i o nt o o l ，m a c h i n i n gt i m ea n dr o t a t i o ns p e e do ft h et 0 0 1 ) o nt h em a c h i n i n g e f f e c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n e dw o r k p i e c es u r f a c e sa r ea n a l y z e db y m e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p e ，s e m ，t a l y s u r fr o u g h n e s st e s t e ra n df e r r o g r a p h e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：t h et i n yg r i n d i n g w h e e lb a s e d0 nt h em re f f e c to fa b r a s i v es l u r r yc a ne f f e c t i v e l yp o l i s hh a r db r i t t l e m a t e r i a l s ；ab e t t e rp o l i s h i n gs u r f a c ec a nb eo b t a i n e db yt h es i l i c o no i l - b a s e dm r f l u i d ；u s i n gh a r d e ra b r a s i v e s ( s u c ha sd i a m o n d ) c a na c h i e v eg r e a t e rm a t e r i a lr e m o v a l r a t ea n dr o u g h e rs u r f a c e ，w h e r e a ss m o o t h e rs u r f a c ec a nb eo b t a i n e db yu s i n gs o r e r a b r a s i v e s ( s u c ha sa 1 2 0 3 ) ；t h el a r g e s tm a t e r i a lr e m o v a lr a t ew i l lo b t a i nw h e nt h e g r a i ns i z eo fd i a m o n da b r a s i v e si sc l o s et ot h a to f c a r b o ni r o np a r t i c l e s ；a n dp e r f e c t p o l i s h i n gs u r f a c ec a nb eo b t a i n e di nt h ec a s eo ft h ec o n t e n to f3w t d i a m o n d p a r t i c l e s i na d d i t i o n ，t h em a t e r i a lr e m o v a lp e r f o r m a n c eo fd y n a m i c a lt i n yg r i n d i n g w h e e lw i l le n h a n c eb ya d d i n gs o m ef i b r e st om rf l u i d g r e a t e rm a t e r i a lr e m o v a lr a t e c a nb eo b t a i n e dw h e nm a c h i n i n gg a pi s6 0 朋& 9 0 z m ，m a c h i n i n gt i m ei s2 0 r a i na n d r o t a t i o n a ls p e e di s2 0 0 0 r p m & 2 7 0 0 r p m t h em a t e r i a lr e m o v a lo fd y n a m i c a lt i n y g r i n d i n gw h e e l b a s e d o nm re f f e c tc a nb ee x p l a i n e db yp r e s t o n 。se m p i r i c a le q u a t i o n ， a n dt h em a t e r i a lr e m o v a lm o d e so fp o i i s h i n gg l a s sa r et h ep l a s t i cr e m o v a lm o d ea n d t h eb r i t t l ef r a c t u r em o d eb ya n a l y z i n gm i c r o s t r u c t u r eo ft h ep o l i s h i n gs u r f a c ea n d c u t t i n gc h i p s k e yt t o r d $ ：m rf l u i d ，d y n a m i c a lt i n yg r i n d i n gw h e e l ，b r i t t l em a t e r i a l s ，p o l i s h i n g ， p l a s t i cr e m o v a lm o d e 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字：铋 o 0 7 年月二日 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 微机械技术( m i c r o m e c h a n i s m ) 是2 0 世纪8 0 年代后期兴起的一个前沿性、多 学科交叉的新兴研究领域，涉及微机械学、微电子学、微光学、微流体力学、微 热力学、材料学、物理学、化学、生物学以及微细加工、自动控制等多种学科和 技术，随之出现了微机电系统( m e m s m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) 。微 机械的主要特征是三维结构特征尺寸为微米级至纳米级“，对于微器件的加工制 作是制造技术的一次革命。微器件的微细加工技术在微机械的发展过程中占有主 导地位，起着关键作用。 随着m e m s 微机电系统相关技术的发展，机械零件尺寸微型化、表面形状复 杂化成为一个技术发展趋势，同时对零件表面质量要求越来越高，超精密加工的 精度目前正在从亚微米向纳米级尺度发展。用于m e m s 构件的玻璃、单晶硅、工 程陶瓷等硬脆材料微器件的应用随之日益增加，其所具有的复杂结构迫切需要研 究对微器件进行局部精细加工的技术【2 j 。作为m e m s 微器件材料的玻璃、单晶硅、 工程陶瓷等硬脆材料具有硬度高、脆性大、高熔点等特性，采用传统固结磨料研 磨工具由于砂轮直径小，有效磨粒少，砂轮会迅速失效；而普通研磨加工难以保 证游离磨料在加工部位的局部浓度效率很低；激光加工等会产生热损伤，目前采 用的蚀刻( e t c h i n g ) 方法加工效率低成本高。对于尺寸在毫米级的硬脆材料微 构件加工表面的精度和完整性对其性能有决定性影响。因此，需要在微型加工工 具制作和加工工艺方法方面寻求新的突破，研究高效率毫米亚毫米尺寸的精细加 工新工艺，以满足硬脆材料微器件加工的需要。 作为一种智能材料，磁流变液是由磁性颗粒、基液和稳定剂组成的悬浮液， 在磁场作用下能承受较大的剪切应力、具有良好的动力学稳定性和热稳定性。磁 流变液在不受磁场作用时是液态，而在磁场的作用下，其表观粘度系数发生急剧 的转变，成为类似固体的b i n g h a m 粘弹性体，流动性消失，而撤掉磁场作用时又 恢复其流动性。其流变特性可以通过外加磁场强弱的调节来控制。基于磁流变液 的这些优良特性，磁流交液也开始被用于超精密加工领域。 广东工业大学工学硕士学位论文 为了解决微器件亚毫米级三维结构加工中微小尺寸砂轮制作和寿命以及高 效率加工问题，本课题提出了利用磁流变液作为即效砂轮结合剂将混入磁流变液 中的磨料微粒约束固结、即效形成动态微砂轮研磨玻璃等硬脆材料的新工艺方 法，改变传统固定磨料加工方式所受的尺寸限制、弥补普通研磨抛光游离磨料无 法聚集的缺点，以实现微器件毫米亚毫米尺寸结构的高效率微细加工，开辟了超 精密微细加工工具制作的新途径。 1 2 国内外研究现状 通过对国内外文献的检索，尚未发现有使用磁流变液作为即效砂轮结合剂形 成旋转研抛工具进行超精密加工微构件的相关研究报道。本项目属于多学科交叉 性的研究课题，下面从三个大方面进行国内外研究现状分析； 1 2 1 国内外微构件加工技术的研究现状 国际上，美、日、欧在微机械加工技术方面占据领先地位。早在2 0 世纪6 0 年代美国就开始微机械的研究，并已经成功地利用硅片腐蚀方法制造了应用于医 学的脑电极阵列探针，至今在静电电极、机构的研究方面已经处于领先地位。日 本虽起步晚于美国，但由于政府、学术界和产业界的高度重视，在微细工具与微 细加工、微流量泵、微传感器、微继电器等方面的研究获得了较快的进展。德国 也已研制成功振动和加速度传感器等微型构件 4 】。 目前国外常用的制作微机械构件的加工技术方面主要以日本为代表的利用 传统机械加工手段，即大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。此 种加工方法可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微 型手术台等i ，】。如图i - 1 为日本f a n u c 公司生产的加工微型零件的r o r o n a n ou i 五轴联动加工中心，并且在这台加工中心上用微型单金刚石立铣刀加工处的人像 浮雕，加工后的表面粗糙度值为r z o 0 5 8 d 6 】。 2 第一章绪论 图1 - 1 微型机床及其加工产品【7 】 ( f i g 1 - 1m i c r oc u t t i n gm a c h i n ea n dm a c h i n e ds a m p l e ) 以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺对硅材料进行加工，形成硅基 m e m s 器件。以硅为基础的微机械加工工艺可以归纳为两大类，即表面微加工技 术( s u r f a c em i c r o m a c h i n g ) 和体微加工技术( b u l km i c r o m a c h i n g ) ，表面微加工 技术是把m e m s 的机械部分制作在沉积于硅晶体的表面膜上，然后使其局部与硅 体部分分离，呈现可运动的机构i s 。 以德国为代表的l i g a ( l i g a 是德文l i t h o g r a p i e ( 光刻) 、g a l v a n o f o r m u n g ( 电铸) 和a b f o r m u n g ( 塑铸) 三个词的缩写) 技术。l i g a 技术是由深度同步幅 射x 射线光刻，电铸成型，塑铸成型等技术组合而成的综合性技术。这种方法用 于制作各种微器件和微装置，材料主要为金属、陶瓷和玻璃等，可以制作出最大 高度1 0 0 0 四、槽宽0 5 2 四以上、高宽比 2 0 0 的立体微结构。刻出的图形侧壁 陡峭，表面光滑 9 1 。利用l i g a 技术已经开发和制造出了微齿轮、微马达、微加 速度计、微射流计等 9 ”】。 国内由于基础、资金等问题，起步较晚，m e m s 研究始于2 0 世纪9 0 年代， 在研究规模、技术水平方面与先进国家相比尚有一定的差距。但也在积极开展某 些研究工作。如上海交通大学、西北工业大学等一些单位也在直流电磁机的研制、 柔性微制动器、多晶硅齿轮等技术做了不少研究工作。国家自然科学基金、“8 6 3 ” 计划等对m e m s 研究都给予了充分的重视和资助 1 l , 1 2 。 1 2 2 国内外磁辅助超精密加工技术的研究现状 超精密加工技术的形成和发展开始于2 0 世纪6 0 年代，加工方法从传统的切 广东工业大学工学硕士学位论文 削加工、磨削加工发展到利用电能、磁能、声能、化学能等对材料进行加工，往 往是几种加工法的复合作用。磁辅助超精密加工就是将磁能应用于超精密加工而 发展起来的一种加工方法。 根据国内外研究报导，磁辅助超精密加工主要有磁粒研磨、磁流变抛光、磁 场电化学光整加工、磁粒喷射研磨等加工几种方法。结合本课题研究内容，下面 综述两种典型的磁辅助超精密加工方法： ( 1 ) 磁粒研磨加工 磁粒研磨加工( m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ) 是将磁场与传统的研磨技 术相结合，利用磁场产生的磁作用力作用到磁性磨粒上，使磁性磨粒对工件表面 产生正压力，随着磁性磨粒与工件表面的相对运动产生去除材料的加工方法【1 3 】。 磁粒研磨加工这一概念最早是由前苏联工程师k a r g o l o w 于1 9 3 8 年首先提出 【1 4 】。从2 0 世纪5 0 年代开始，前苏联有不少学者对磁粒研磨加工进行了大量的研究， 在磁性磨料的制备方法和制备工艺上散了很多工作。保加利亚从7 0 年代中期开始 一直在发展磁粒研磨加工技术，并举办了多次国际性专题学术会议。2 0 世纪8 0 年代，磁粒研磨在日本得到迅速发展。在磁粒研磨机理方面，t s h i n m u r a 等人做 了大量工作 13 - “m 】，研究了各种参数对抛光特性的影响、抛光原理及抛光可行性、 边缘抛光、各种粒度磁粉以及在磁粉中添加液体等对抛光的影响。t m o r i 等n 】 研究了磁刷的形成机理和磁性研磨机理。s h a o h u iy i n 等 1 9 】分析了三种振动模式 ( 水平振动、垂直振动、复合振动) 对平面磁粒研磨效果的影响。研究发现水平 方向振动能促进磁粒与加工表面间的相对运动，有助于均匀分配压力，从而获得 更光滑的表面。垂直方向的振动通过增加跳动压力能获得较好的抛光效率，但表 面粗糙度略有增加。复合振动( 水平、垂直方向的复合振动) 能同时地获得高的 抛光效率和较佳的表面粗糙度。t s h i n m u r a 在研制各种形式磁粒加工设备的同 时，对各种场合的加工工艺进行了较深入的理论分析和试验研究，如磁场强度、 加工间隙、磨料与工件的相对移动速度、磁性磨料的成分和粒度等因素对加工质 量和效率的影响以及它们之间的相互关系。 我国从上世纪8 0 年代中期开始磁性研磨加工的研究【1 2 】，开展该项技术研究最 早的是哈尔滨科技大学和大连理工大学 2 0 i ，随后哈尔滨工业大学】、上海交通大 学和太原工业大学 2 1 1 也进行了相关的研究，并都取得了一些有价值的研究结果。 4 第一章绪论 山东工程学院【2 2 ，：，一】近几年在复杂曲面磁粒光整加工工艺和设备的研究方面做了 不少工作，取得了较好的效果。 磁粒研磨加工外圆的加工原理如图1 - 2 所示，将磁性磨料放入磁场中，磁性 磨料在磁场中将沿着磁力线方向有序地排列成磁力刷。把圆柱形工件放入n s 磁 极中间，并使工件相对n 极和s 极保持一定的距离。放在间隙内的磁性磨料在磁 场力的作用下，颗粒就会沿磁力线方向产生一个压上工件的力，并对工件表面进 行挤压、刻划和微量切削而实现研磨加工。 睡疆 图1 - 2 磁粒研磨加工原理 f i g 1 - 2p r i n c i p l eo f m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g 磁粒研磨加工方法目前主要适用于钢、陶瓷等非磁性材料的加工，对玻璃等 脆性光学材料的加工易产生次表面破坏层和较粗糙的表面，还不能加工出精密的 光学元件。由于磁性磨料制作成本较高，工件的装夹与去磁问题尚未得到完全解 决，进行批量加工尚有一定的困难。 ( 2 ) 磁流变抛光 磁流变抛光( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf i n i s h i n g ，简称m r f ) 技术出现于2 0 世 纪9 0 年代初，w i k o r d o n s k i ，i v p r o k h o r o v 及合作者f 2 ，2 6 】将电磁学和流体动力 学理论结合并应用于光学加工中的一种新型光学加工方法。 图卜3 是磁流变抛光方法加工凸球面的原理示意图。被加工件位于抛光盘上 方，并与抛光盘成一很小的固定不变的距离，于是被加工的工件与抛光盘之间形 成了一个凹形空隙。磁极置于工件和抛光盘的下方，在工件与抛光盘的所形成的 广东工业大学工学硕士学位论文 狭小空隙附近形成一个高梯度磁场。当抛光盘内的磁流变液随抛光盘一起运动到 工件与抛光盘形成的小空隙附近时，高梯度场使之凝聚、变硬，形成一带状凸起 缎带，成为粘塑性的b i n g h a m 介质。这样具有较高运动速度的b i n g h a m 介质通过狭 小空隙时，对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件的表面材 料被去除，达到微量去除的目的。 图卜3 磁流变抛光加工原理 f i g 1 3p r i n c i p l eo fm a g n e t o r h e 0 1 0 9 i c a lf i n i s h i n g 1 9 9 5 年美国r o c h e s t e r 大学的光学加工中心利用m r f 方法对一批直径小于 5 0 m m 的球面和非球面光学元件进行了加工，2 l 】，结果材料为熔石英的球面元件表 面粗糙度降到0 8 n m ( r m s ) ，面形误差为0 0 9 厨；材料为b k 7 的非球面元件表面 粗糙度降到1 n m ( r m s ) ，面形误差为0 8 6 且历。1 9 9 6 年他们用流体动力学润滑理 论对磁流变抛光进行了初步的理论分析，建立了材料去除理论模型 2 9 】，并对m r f 中的剪切应力进行了理论推导。他们又对磁流变抛光液成分进行了化学分析，通 过以氧化铝或金刚石微粉等非磁性抛光粉代替原磁流变抛光液中的非磁性抛光 粉氧化铈，较为成功地对一些红外材料进行了抛光】。1 9 9 9 年r o c h e s t e r 大学加 工中心对磁流变抛光的机械和化学原理进行了研究，研制出q 2 2 型磁流变抛光机， 大大提高了抛光效率，使m r f 技术商业化】。 在国内，中国科学院长春光机所研制出了磁流交抛光实验样机。张峰等m ” 研究了磁流变抛光中几种主要工艺参数对抛光区大小、形状和材料去除率的影响 情况，并根据几个参数的定性研究，建立了磁流变抛光的数学模型。另外，清华 大学、哈尔滨工业大学、国防科学技术大学等也正在开展此方面的研究，并取得 6 第一章绪论 了一定的进展 3 】。 目前磁流变抛光技术只适用于加工凸面和曲率半径较大的凹面非球面，能加 工的光学非球面最小直径驴l o m m ，无法实现直径小于中l o m m 的非球面透镜模具 凹面的加工。 1 2 3 国内外磁流变液的研究现状 磁流变液是一种功能型材料，是由磁性颗粒，基载液和稳定剂组成的悬浮液。 磁流变效应是磁流变液在不加磁场时是可流动的液体，在强磁场的作用下发生急 剧的转变，表现为类似固体的性质，撤掉磁场时又恢复其流动特性现象。 1 9 4 8 年r a b i n o w l 3 5 1 最早发明了磁流变液及应用装置( 离合器) 。由于电流变液 的屈服应力较低，且存在高压安全性问题，之后大部分的研究则集中于电流变液。 自1 9 9 0 年以来磁流变液重新引起了研究者们的兴趣。尤其是近几年来，国际上 召开了3 届电流变液与磁流变液研讨会【，6 3 7 ”1 ，促进了磁流变液的研究与开发。 各主要工业国家都在竞相发展这项技术。美国t r w 公司的s h t a r k m a n 在1 9 9 1 年 就研制了磁流变液旋转式吸震器】，并将其应用于汽车悬架主动控制系统f 4 0 1 。美 国l o r d 公司的c a r l s o n 和w e i s s 等人自1 9 9 3 年以来在磁流变液及其应用研究方 面取得了突出成就4 2 。l o r d 公司已有多种商品化产品面市j 。美国n o t r e d a m e 大学的d y k e 和s p e n c e r 等人将磁流变阻尼器用于大型结构地震响应的控制也是 非常有趣的磁流变液的应用之一f 4 4 , 4 5 1 。美国福特汽车公司的g i n d e r 等人对磁流 变液屈服应力的有限元分析及性能的提高进行了研究1 4 6 。美国通用汽车公司 f o i s t e r 和g o p a l s w a m y 等人研制了磁流变液及磁流变离合器。美国加州州立大 学的z h u 和l i u 等人对磁流变液的流变学，特别是微观结构进行了较多研究1 4 7 。 白俄罗斯传热传质研究所k o r d o n s k i 等人在磁流变液的性能以及磁流变抛光、密 封等应用研究方面取得了重大进展。法国n i c e 大学的b o s s i s 和c u t i l l a s 等人 在磁流交液的机理研究，特别是在微观结构分析方面作了很多工作。德国b a s f a g 的k o r m a n n 等人已研制出了稳定的纳米级磁流变液【4 7 】。 我国对磁流变液的研究起步较晚，自1 9 9 6 年之后才有相关文献发表。中国科 学技术大学唐新鲁对磁流变液的机理及阻尼器的性能进行了研究】；金昀m 1 研制 了两套磁流变液屈服应力测试系统；陈祖耀等人l s o 】用新方法制备了超细磁性粉末 7 奎三兰奎耋三兰至圭兰垒篁兰 和磁流变液；复旦大学潘胜 s o l 等人研制了磁流变液及测量仪器。国内研究磁流变 液的单位还有电子科技大学j 、哈尔滨建筑大学【5 2 l 、西北工业大学m 】、重庆大学 5 4 1 、上海交通大学】、中国科学院长春光机所等。总体看来，我国目前在磁流变 液的研制与性能研究方面仍与国外有一定差距，应用产品尚属空宣。 由于磁流变液优良的物理特性、流变特性，近几年来，应用研究较晚的磁流 变液有较强劲的发展势头，主要应用于下面几个方面： ( 1 ) 磁流变液应用于阻尼元件 ( 2 ) 磁流变液应用于控制元件 ( 3 ) 磁流交液应用于精密加工和光学加工 ( 4 ) 磁流变液应用于机械密封 鉴于磁流变液的优良特性以及成熟的应用，针对微器件毫米亚毫米级三维结 构加工中微小尺寸砂轮制作和寿命以及高效率的加工技术难题，本研究提出了将 混入磨料的磁流变液作为即效砂轮结合剂形成旋转研抛工具的超精密研抛加工 方法，改交传统固定磨科加工方式所受的尺寸限箭、弥补普通研蘑糖光游离磨料 无法聚集的缺点，开辟超精密微细加工工具制作的新途径，以实现微器件毫米亚 毫米尺寸结构的高效率微细加工。 1 3 本课题的来源与主要研究内容 1 3 1 课题的来源 本课题源于广东省自然科学基金项目微光学非球面的磁流变液超精密研抛 加工机理研究( n o 0 4 0 0 9 4 9 0 ) 和国家自然科学基金项目微光学非球面电磁流 变液即效亚毫米微磨头研抛加工研究( n o 5 0 5 7 5 0 4 5 ) 。 1 3 2 课题的理论基础一一磁流变效应微砂轮形成 如图卜4 所示，在磁流变液中混入微细磨料，在磁性工具产生的磁场作用下， 磁流变抛光液中出现磁性微粒链状结构将微细磨料约束于这些链状结构之间，工 具头端部磁力线聚集呈辐射状形成约束磨料粒子的球团一一即效微砂轮。当工具 旋转时即效微砂轮随之转动形成微磨削作用，实现工件表面材料的去除，形成了 g 第一章绪论 微细加工过程。在磁场强度高的区域，磨粒被结合强度接近于固结状态，在磁场 强度较低的区域接近于半固结状态，加工特征介于圃着磨料与游离磨料加工之 间，加工过程中磨粒翻滚等位置移动产生的磨粒切削微刃自我更新将保持研抛工 具的性能稳定。 图l - 4 磁流变效应微砂轮示意图 f i g 1 - 4p r i n c i p l eo ft h em re f f e c t - b a s e dt i n yg r i n d i n gw h e e l l 一磁性工具2 一磁性微粒与磨料微粒3 一工件 1 3 3 课题研究的主要内容 本课题在对磁流变液及其流变效应机理分析的基础上，着重研究磁流变效应 微砂轮研抛玻璃等硬脆材料微器件时的材料去除机理和工件加工表面形成机理， 并通过实验研究了磁流变效应微砂轮对玻璃进行研抛时的加工特性，系统分析主 要工艺参数对抛光过程的影响规律。 ( 1 ) 研究磁流变液组织成份，寻求适合玻璃等硬脆材料加工的磁流变抛光液的 最佳配比。 ( 2 ) 研究磁流变抛光液参数( 配比、磨料微粒种类、尺寸、浓度等) 对磁流变 效应微砂轮性能的影响。 ( 3 ) 研究加工过程参数( 加工时间、工具转速、加工间隙、工件倾斜角度等) 对磁流变效应微砂轮性能的影响。 ( 4 ) 研究磁流变效应微砂轮研抛硬脆材料微器件复杂曲面时的材料去除机理 和工件加工表面的形成机理。 9 童三些奎耋三兰璧圭兰堡丝耋 第二章用于抛光的磁流变液研制 磁流变抛光液的研制是磁流变效应微砂轮研籀加工需要解决的关键技术之 一，它关系到磁流变效应微砂轮能否有效实现加工。磁流变抛光液是将一定量的 非磁性磨料微粒混入磁流变液中配制而成。本章首先对磁流变液性能进行分析， 作为磁流变抛光液组分设计的基础，接着展开对磁流变抛光液研制。 2 1 磁流变液及其流变机理分析 2 1 1 磁流变液组织成分分析 磁流变液( m rf l u i d ) 是由尺寸为微米级的磁性微粒悬浮于绝缘基载液中，并 加入少量的稳定剂，形成的非胶体悬浮液。因此，磁流变液主要由三部分组成： 分散相的磁性微粒、连续相的基载液和稳定剂。 ( 1 ) 磁性微粒 磁流变液的超顺磁特性归因于磁流变液中磁性微粒的软磁特性m l 。高剪切 屈服强度的磁流变液磁性微粒应该具有高饱和磁化强度和较大直径的特征，但磁 流变液的性能指标并不仅仅是剪切屈服强度一项，为了满足磁流变液的综合评价 指标，磁性微粒还应该具有如下的特征：( a ) 高磁导率，这可以使磁性微粒在较 小的磁场作用下，便可产生较大磁偶极矩，从而使磁流变液具有较高的剪切屈服 强度；( b ) 低磁矫顽力，即在零磁场作用下，微粒基本不存在剩磁，这是磁流变 液可以恢复零磁场流体状态的要求；( c ) 磁滞回线狭窄，内聚力小，这是磁流变 液流变低能耗的要求；( d ) 体积适当；磁性微粒在重力作用下的沉降速度的计算 公式f 5 7 1 ： 1 , - - - - 4 9 ( p - p o ) d ， ( 2 1 ) 1 f 3 p o c 式中d 一磁性微粒直径 口一磁性微粒密度 岛一基载液密度 1 0 第二章用于抛光的磁流变液研制 c 一磁性微粒所受流体阻力的阻力系数 式( 2 1 ) 表明，在同等条件下，微粒的体积越大，其沉降稳定性越差，但微 粒的体积越大，磁流变液所具有的理论剪切屈服强度越高，因此为了得到剪切强 度高、沉降稳定性好的磁流变液，必须恰当选择磁性微粒的尺寸，纳米级的胶体 磁性液体，虽然沉降稳定性很好，但其剪切屈服强度太低，不太适合用作磁流变 抛光液的磁性粒子。 ( 2 ) 基载液 作为磁性微粒的载体，直接影响磁流变液的稳定性和流变性w t , ”】。一般来说， 基载液应具有如下的特点：( a ) 高沸点，低凝固点，这可以确保磁流变液具有较 宽的工作温度范围；( b ) 适宜的粘度，磁流变液的零磁场条件下应具有较低的初 始粘度，但粘度越低，沉降稳定性就越差；而粘度较大时磁流变液比较稳定，流 动性变差，影响磁流变活性；此外，基载液还应该具有无污染、非易燃、低挥发、 耐腐蚀特点。 ( 3 ) 稳定剂 稳定剂是仅需很少量就可以大大改变溶剂( 或悬浮颗粒) 表面性质的物质， 它经常被用来降低不相容两相间的界面能，用来确保颗粒悬浮于液体中。与磁流 变液相关的稳定性有团聚稳定性和沉降稳定性，前者阻止颗粒粘结在一起，而后 者确保颗粒随时间推移不往下沉淀。稳定剂一般是亲油基和亲水基这两种不同结 构性质组成的低聚物，它必须具有特殊的分子结构：一端有一个对磁性微粒界面 产生高度亲和力的钉扎功能团；另一端还需有一个极易分散于某种基液中去的适 当长度的弹性基团，7 】。在磁流变液中加入适量的表面活性剂可以防止沉淀分 层，使成份均匀分散，增加磁流变液的耐用性，延长其使用寿命。 2 1 2 磁流变效应及其机理 在外加磁场的作用下，磁流变液的粘度会迅速发生显著变化，流动屈服应力 增大，从而改变其流变特性成为b i n g h a m 粘弹性体，当去掉外加磁场时，又恢复 到原来的流体状态，这种现象即为磁流变效应【，2 1 ，如图2 1 所示。其具体表现为： ( 1 ) 磁场作用下液体的表观粘度和剪切应力急剧增大；( 2 ) 变化的可逆性，即一旦 童三些查兰三兰至圭兰堡丝三 去掉磁场，磁流变液可恢复原状；( 3 ) 变化的连续性和可控性，它随磁场强度的 变化而连续变化；( 4 ) 响应时间短，其力学性能随磁场强度变化的时间为1 0 “s 量级。 图2 一l 磁流变效应 f i g 2 1s k e t c ho fm r e f f e c t a ) 磁流变液在平行磁场h = 0 时的示意图 b ) 磁流变液在平行磁场h 0 时的示意图 c ) 磁流变液在平行磁场作用下形成磁串实物图 ( 1 ) 磁流变效应的微观机理 关于磁流变效应的微观机理至今还没有十分统一的观点。但普遍认为，在外 加磁场的作用下分散在基载液中的磁性颗粒发生极化反应，产生磁偶极矩，通过 磁偶极子之间的相互作用，为了达到能量最小状态而形成一条条的单链。随着外 加磁场和磁性颗粒浓度的增大，这种单链结构迸一步发生聚集，从而形成复杂的 团簇结构。这种微观结构上变化直接导致了磁流变流变性质的剧烈变化 5 9 5 9 】。 当无外加磁场作用时，磁性颗粒悬浮于基载液中由于自身的热运动而呈现随 机分布状态。当施加外加磁场作用后，首先磁性颗粒发生极化而形成磁偶极子， 然后磁偶极子沿外加磁场方向集结排列。当外加磁场达到一定值时，磁偶极子之 阊的相互作用足以克服磁偶极子本身的热运动而形成稳定的链状结构，此时磁流 变液呈现固态特征并能提供一定的剪切应力。当外加磁场继续增加到一定程度 时，磁性颗粒达到磁饱和，此时磁流变液的力学性质便会随磁场的增加而基本稳 定。 ( 2 ) 磁流变液的宏观力学行为描述 磁流变液的宏观力学行为可以用b i n g h a m 粘塑性模型来描述。b i n g h a m 模型 的数学模型表述为 6 0 , 6 h ： 1 2 第二章用于抛光的磁流变液研制 f = t o c 日) s g n 口) + 叩y l f i f 。h ) ，= 0h o 。 比较( 2 2 ) 、( 2 3 ) 式，h e r s c h e l b u l k l e y 模型中的当量塑性粘度为： ，7 = 叫州 1 ( 2 4 ) 式( 2 3 ) 表明：当m l 时，当量塑性粘度玎随剪切应变速率，的增加而减小， 磁流变液出现剪切变稀现象；当m 1 剪切变 。 牛顿流体 多 ， ， m 9 7 5 1 0 4 0 8 0 0 l 表2 - 3 实验用羰基铁粉的磁性能指标 ( t a b l e 2 - 3m a g n e t i cp r o p e r t i e so f c a r b o n y li r o np o w d e r ) 磁性能 初始磁导率胁饱和磁感应强度风 矫顽力h ， 数值 3 0 02 1 5 t0 5 5 q ( 2 ) 基载液 根据基载液的性能特点，本实验采用的基载液为硅油和水。其主要性能指标 如表2 4 所示： 表2 4 实验用硅油的性能 ( t a b l e 2 4c h a r a c t e ro fs i l i c o no i l ) 甲基基液密度( ) 粘度( m 口2 j 8 ) 闪点( 。c )凝固点( 。c ) 硅油 1 6 0 1 9 01 5 0 1 8 09 1 0 5 06 5 一5 0 ( 3 ) 稳定剂 本实验选用油酸，其主要性能指标如表2 5 所示： 表2 - 5 实验用油酸的性质 ( t a b l e 2 5c h a r a c t e ro fo l e i ca c i d ) 稳定剂化学名称物理性质技术指标 油酸c 1 8 不饱淡黄或棕黄色透明油状 凝固点( 。c ) ：3 8 ，沸点( 。c ) ：2 8 6 0 ， 和脂肪酸液体，不挥发，不溶于水。 密度( g m 1 ) ：0 8 9 1 o 8 9 6 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 磨料 结合文献资料，本实验主要选用人造金刚石微粉，氧化铝微粉以及碳化硅微 粉作为抛光磨料。 2 2 3 磁流变抛光液的配方 借鉴r o c h e s t e r 大学所研制的标准磁流变液配方以及中国科学院长春光学精 密机械与物理研究所和复旦大学合作研制的磁流变液配方懈】，本研究课题所采用 的磁流变抛光液配方如表2 6 所示： 表2 - 6 磁流变效应微砂轮超精密研抛磁流变液配方 ( t a b l e 2 - 6c o m p o s i t i o no fm rf l u i d ) 抛光液组织成分磁流变液各组织部分的体积百分比 混入磨料 及其种类基载液磁性微粒稳