磁流变液在精密加工机床领域的应用研究进展.pdf

精密制造与 自动化 2 0 1 5年第 1期 。。o∈O e} 。 ∈ 。∈ o 。 。 o报道与评述 ◇ 。≥ ． 0o◇。。。 兮O ∈ O0 磁流变液在精密加工机床领域 的应用研究进展木 闰 占辉 长春工程学院 科技产业处长春 1 3 0 0 1 2 摘要介绍了磁流变液的组成、 流变特性和工作模式， 近年来磁流变复合精密加工技术的研究状况及最新进展， 对磁流变加 机理研究 、加 工工艺与机床 的开发等进行 了详细的综述与分析 。探讨 了磁 流变 复合加工中涉及的关 键技术与存在的主要问题，展望了今后的发展趋势。 关键词磁流变液精密加工智能材料进展 磁流变液 Ma g n e t o --r h e o l o g i c a l fl u i d s ，简称 MR F 是一种在外加磁场作用下其流变特性发生急 剧变化的新型智能材料 ，在无外加磁场时，它表现 为流动性 良好 的牛顿流体 ，但在外加磁场作用下， 它的流变特性发生巨大变化，其表观粘度可在 1 0 m 2 ／ s 内增加几个数量级，并呈现类似固体的力学性质，且 粘度变化是连续可逆的，即一旦去掉磁场后，又变 为流动性 良好 的牛顿流体。磁流变效应可逆 、迅速 和易于控制的特点使得磁流变液在机械制造和汽车 工业等领域具有十分广泛的应用前景，自 2 0世纪 4 0年代 R a b i n o w ．j i l l 首次发现了磁流变现象 以来 ， 许多研究人员对磁流变液及其应用进行了卓有成效 的研究，引起 了国内外学者的广泛关注。 1 磁流变液的组成及流变特性 磁流变液主要 由软磁性颗粒 、载液和稳定剂三 部分组成。磁性颗粒是微米级球形颗粒， 目前应用 最多的磁性颗粒是纯铁粉和羟基铁粉 ；载液是磁流 变液的主要成分，其作用是将磁性颗粒均匀地分散 在磁流变液 中，使其在无外加磁场时，磁流变液具 有牛顿流体的特性，载液一般应具有低粘度、高沸 点、低凝固点、温度稀化效应小、热稳定性和绝缘 性好、耐腐蚀性以及无毒、无异味等特点，一般可 用水、煤油、硅油或合成油等 ；稳定剂用来减缓或 吉林省教育厅 “ 十二五”科学技术研究资助项目 编号 吉教科合字 2 0 1 4第 3 2 0号 防止磁性颗粒 的沉降与聚集 ，使磁性颗粒 能在载液 中保持悬浮状态，提高磁流变液 的稳定性 、抗腐蚀 性 ，同时还具有润滑的作用 。磁流变液主要有流动 模式 、剪切模式和挤压模式三种工作模式。 磁流变效应的微观机理现在还无统一定论 ，通 常认为在基载液中分散 的磁性微粒在有外加磁场作 用 时发生极化反应，形成磁偶极矩。磁偶极子之间 的作用力形成一条条单链，可以实现能量最小化。 当增大磁性颗粒浓度 ，有外磁场作用时，单链结构 会发生进一步的聚集 ，形成团簇结构 。这种微观结 构的变化使磁流变液 的性质发生 了巨大的变化 。磁 流变效应如 图 1 所示。 区巫 图 1 磁流变效应示意图 2 磁流变液在精密加工中的应用原理 基于磁流变液流变特性的装置具有响应速度快、 结构简单以及 能耗低等优 良特性，因此在机械制造 领域中有着越来越广泛的应用 。 闫占辉磁流变液在精密加工机床领域的应用研究进展 切屑，进而提高工件 的加工精度和3 H a - 表面质量。 超声波磁流变振动钻削原理图，如图 4所示。 图 4 超声波磁流变振动钻削原理图 3 磁流变 E L I D复合加工 充分结合在线 电解修整 E L I D 磨削和磁流变 光整加工 M] R j F 技术 的优点对单晶硅反射镜进行 纳米级精度的复合加工， 高效率地得到了低于 1 n m I MS的表面粗糙度和 6 9 n ／ n P V形状精度 的工件 表面 。 4 磁流变离子束复合加工 利用基于低能离子溅射原理的离子束抛光技术 去除 l ① P 表面嵌入的铁粉。利用红外拉曼光谱和 白光干涉仪分别分析 了低能离子束抛光前后 KD P 晶体表面物质结构变化和表面粗糙度的变化 ；结果 显示 ，低能离子束溅射不改变 l ① P 晶体表面的组 成结构，并改善了 I ① P 晶体表面质量 ，因此离子 束抛光可用于 K DP 晶体的加工；利用飞行时间二 次离子质谱分析技术分别对单点金刚石车削、磁流 变抛光和低能离子束抛光后的 K DP 晶体表面进行 元素分析 ，结果显示低能离子束抛光可有效去除磁 流变抛光在 K D P晶体表面嵌入的铁粉n 。 5 磁流变液抑制切 削颤振 针对深孔镗削过程 中的颤振 问题，提出了一种 基于磁流变液的智能镗杆构件，并根据深孔镗削颤 振的特点建立 了磁流变智能镗杆切削系统的动力学 模型。为 了验证抑振机理，对磁流变智能镗杆系统 进行了切削颤振控制实验研究，结果表明，通过控 制切削系统的固有频率可以有效地抑制镗削过程中 颤振的发生 。将磁流变液智能材料应用于外圆车 削振动控制的研究中，建立了基于磁流变减振器的 车削系统动力学模型，利用有限元法对减振器的磁 路进行了优化 ，通过仿真验证 了减振效果 。 3 磁流变复合加工装备 将磁流变力矩伺服器作为研抛力控制系统的执 行元件 ，可 以独立、主动 、实时控制研抛过程中所 需的研抛力，从根本上解决研抛过程中的力一 位一 姿 耦合问题，实现力一 位一 姿解耦控制，从而显著提高 非球面研抛加工 的效率和精度 ，为磁流变液智能器 件在超精密加工领域的应用开辟 了一条新的途径 。 近年来 ，随着磁流变光整加工技术在超精密制 造领域的研究与应用不断深入 ，不断开发了新的磁 流变光学加工机及相关装置。 美 国 Q E D 公司已经成功研制 了各种规格的磁 流变机床 。O2 2 X、Q2 2 ． Y和 Q2 2 4 0 0 x MR F加工 机能精密加工 1 0 0 ～ 4 0 0 mi l l 间的球面、平面、 非球面、棱镜 、圆筒等形状的光学部件 ，也适用于 棱镜与圆筒件外形或角度的校正。其抛光面形精度 在 1 3 n l Y l 范围内。 另外， Q 2 2 ． 4 0 0 X机床具有 2 0 0IT I 1 T I 的倒置运动轮和隐形磁体技术 。该公司最新开发 出 来的磁流变光整加工机主要表现在 向光学制造的两 个极端化方 向 小型化、大型化发展 ，如 图 5所 示的小型机床 O2 2 一 X E为 Q E D公司的最新 MR F机 床，专用于加工直径小于 8 0mn l 的平面、球面、非 球面或者凹面半径 1 5 mm 以上的光学工件 ，其结构 紧 凑 ， 适 用 于 任 何 加 工 环 境 。 大 型 机 床 Q2 2 ． 7 5 0 P 2与 Q2 2 9 5 0 F能 分别 抛 光 7 5 0 mm 1 0 0 0 mm 与 9 5 0 mm1 2 5 0 r a m 的大 型 光 学零 件 。其 双 轮 平 台提 供 极好 的灵 活 性 3 7 0 mm 的运 动 轮具 有 较 高 的材 料去除率，5 0 ／ l l l T I 小轮能 进行微量加工 。机床上配有两个可 以互换的流体运 载系统和 4组远程监控装置 。 一一 图 5 Q 2 2 - 与 Q 2 2 7 5 0 P 2 机床 除了加工机外， Q E D公司也在不断地更新其配 件 ，如可增选 2 0 mm运动轮，防止突然断电的 自 带 UP S ；独特 的磁密封设计，新的磁刮板 ；C C D定 3 闰占辉磁流变液在精密加工机床领域 的应用研究进展 图 1 l 磁流变斜轴抛光平台 4 磁流变复合加工技术关键问题 1 磁流变加工新原理、新工艺研究。目前急需 以磁场辅助加工为基础，开发出效率高、可控性强 的小孔磁流变加工工艺与方法 ，以解决当前无法有 效地进行磁流变加工小孔难题 。 2 磁流变光整加工理论模型确立。目前 的研究 主要利用 P r e s t o n方程 ， 将工件所受的压力分为几个 部分，分别计算后叠加。在建立材料去除模型时简 化为二维，没有深入到三维。通过采用机械、流体 动力模型，建立普遍适用的材料去除模型。 3 磁流变液加工机理的深入研究。 当前只能通 过改变各种磁流变液成分与配 比来进行实验 ，对其 整体加工与物理性能、静态微观结构可 以检测与观 察，但是对于动态加工过程 中其微观结构、性能的 变化无法直接分析，因此对加工微机理只能定性 的 宏观分析 。有必要从磁流变液动态微结构方面来深 入研究，从而定量分析其加工机理 。 4 磁流变加工修正控制 。 在完全确定去除函数 与修正函数的基础上，如何控制加工轴的各种运动 来 实现确定量 的去除，必须考虑到去除函数与修正 函数的算法关系。采用合理 的材料去除率与驻留时 间的关系算法 ，利用正确的多轴控制加工模型，从 而实现磁流变 的加工与修正。 5 磁流变液开发。 如何开发出合理的磁流变液 也是加工中有效获得高质量表面、提高材料去除率 的关键 问题 。需要从磁流变效应、剪切能力、高饱 和磁化强度 、沉降稳定性和分散性等方面来配制合 适的磁流变液。 6 磁流变光整加工的在线检测 。对于 MR F加 工后的工件表面测量， 目前主要是对加工后 的工件 进行离线检测 ，这样在一定程度上会影响加工的效 率 、工件 的 自动补偿 精度及 工件 表面质量 。因此 MR F 在线检测与 自动补偿加工技术 的研究也是关 键 问题之一 。 5 结语 磁流变加工技术是未来最具前途的绿色及智能 化精密加工方法之一。 采用先进 的计算机数控技术 ， 以合理的成本 ，制造出高精密零件 ，提高加工效率 与产 品质量，最终获得可观 的利润 。磁流变加工正 向微型化 毫米 以下 和大型化 几米 以上 的零 件 制造方向发展，加工的形状精度与表面粗糙度要 求将会越来越高，而且将会加工更多不 同形状与材 料的精密件，成为超精密加工方法与技术的主流。 参考文献 [ 1 ] R AB I NO W J ．T h e Ma g n e t i c F l u i d C l u t c h[ J J ．AI E E T r a n s ，1 9 6 7 ， 1 3 8 1 3 0 8 1 3 0 8 ． [ 2 ] T A NI Y，K AWA T A K． De v e l o p me n t o f Hi g h E ffic i e n c y F i n e F i n i s h i n g P r o c e s s U s i n g Ma g n e t i c F l u i d [ J ] ． A n n a l s o f t h e C I R P ， 1 9 8 4 ， 3 3 3 2 1 7 2 2 1 ． [ 3 ] 程灏波， 王英伟 ． 纳米精度光学非球面研磨、 抛光技术 [ J ] 航空精密制造技术， 2 0 0 4 ， 4 1 6 ． [ 4 ] Y u Z h a o - 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