磁流变抛光发展历程
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磁流变抛光技术发展
properties, and its properties can be altered with the change of external magnetic field and temperature.
Magnetorheological finishing is mainly used in the processing of optical elements. Compared with the traditional
analyzes and summarizes the key technologies. Finally, the future development of magnetorheological finishing is
prospected.
Keywords: magnetorheological fluid; ultraprecision machining; magnetorheological finishing
。引言 近年来，由于超精密产品在利基工业上的应用，其需
求大幅增加。先进的工业生产需要纳米级的表面粗糙度， 而传统的精加工方法无法生产所需的表面特性，因为它 们在加工过程中对应力控制是有限的，而且会在表面上 留下细微的裂纹和残余应力 [1]。磁流变液作为一种智能材 料，具有优良的特性:磁场作用时瞬间固化，其剪切力发 生数量级的变化;撤销磁场时瞬间成为流体。磁流变抛光 (MRF) 就是基于这种特性而发展起来的，它起初用于玻 璃的抛光，但在其他材料上的应用也有报道问。磁流变抛 光具有加工精度高、表面粗糙度小、表面损伤小、力可精 确控等优点，因而成为超精密抛光技术，具有广阔的应用 前景。
小、表面损伤小、力可精确控等优点。主要介绍了关于磁流变抛光的最新研究成果，对其中的关键技术作了分析和总结，最
磁流变抛光技术研究进展
磁流变抛光技术研究进展
戴立达;张争艳;乔国朝
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】表面质量是精密零部件最重要的性能之一,零件的表面质量主要是由加工过程中不同的工艺参数和方法决定的。
传统的磨抛工艺由于作用在工件上的力很大、嵌入的磨料颗粒、对工艺的控制有限等原因很难使表面粗糙度降低到精密零部件的要求精度。
磁流变抛光(MRF)提供了一种新型高效的方法使工件加工质量达到预期的精度水平。
MRF对工艺控制具有更大的灵活性,并且可以在不破坏表面形貌的情况下完成加工。
综述了磁流变抛光液组分对加工效果的影响、材料去除模型的建立和发展、不同的MRF加工方式和未来磁流变抛光技术发展的新方向,最后总结了目前MRF技术存在的问题总结,并提出了MRF技术未来可能的发展方向。
【总页数】7页(P254-260)
【作者】戴立达;张争艳;乔国朝
【作者单位】河北工业大学机械工程学院;国家技术创新方法与实施工具工程技术
研究中心;中国电子科技集团公司第五十三研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TH161.14
【相关文献】
1.双抛光头磁流变抛光技术与装备研究进展
2.超精密磁流变复合抛光技术研究进展
3.基于磁流变抛光法的光学元件抛光专利技术综述
4.磁流变抛光技术的研究进展
5.磁流变抛光关键技术及工艺研究进展
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磁流变抛光发展历程
[1] Y.tian and K.Kawata, “development of High-Efficiency fine finishing process using magneitc fluid”,Annals of the CIRP,Vol.33,217-220(1984) [2]
张峰. 磁流变抛光技术的研究[D].中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所,博士学位论文,2000 彭小强. 确定性磁流变抛光的关键技术研究[D]. 国防科 技大学，博士学位论文,2004 康桂文，磁流变抛光硬脆材料去除特性及面形控制技 术研究[D]. 哈尔滨工业大学，博士论文，2005. 程灏波，冯敬之，王英伟.磁流变抛光超光滑光学表面 [J].哈尔滨工业大学学报，2005，37（4）：42-44 王伟.面接触式磁流变抛光方法的研究[D]. 西安工业大 学，硕士学位论文,2007 孙恒五. 液体磁性磨具光整加工技术研究[D].太原理工 大学，博士学位论文,2008
2.1.2磁场辅助精密抛光
磁场辅助精密抛光是八十年代初Kurobe等 人[4]提出来的，原理图如下:
柔性的橡胶垫将铜盘槽底部的磁性液体密 封，抛光液放在铜盘槽中橡胶垫的上方， 工件浸与抛光液中。在磁场作用下，磁性 液体受力并作用到橡胶垫抛光盘上，柔性 的橡胶垫抛光盘受力变形，其形状与工件 表面形状吻合来对工件进行抛光。抛光后 表面粗糙度由10μm（峰谷值）降到了几个 μm，1989年，Suzuki等人[5]用这种方法使表 面粗糙度从1500Å降低到了100Å，面形误差 从0.4μm降到了0.3μm。1993年， Suzuki等人 用这种方法对40mm直径的非球面玻璃抛光， 材料去除率达到了2-4 μm/h。
磁流变抛光发展历程
化学抛光
通过化学反应对工件表面 进行腐蚀和溶解，以达到 抛光效果。
电化学抛光
利用电化学原理，通过电 流作用对工件表面进行抛 光。
磁流变抛光技术的概念提
• 20世纪90年代，科学家们开始探索磁流变抛光技术，利用磁场控制抛光液的流变特性，实现对工件表面的高效抛光。
磁流变抛光技术的初步研究
初步研究主要集中在磁场控制、抛光液的制备和优化、以及磁流变抛光工艺等方面。
随着对磁流变现象的深入了解，科学家们逐 渐掌握了利用磁场控制流体行为的原理，为 磁流变抛光技术的诞生奠定了基础。
应用的扩展与深化
应用的领域扩展
磁流变抛光技术的应用领域不断 扩展，从光学玻璃、宝石等硬材 料抛光，逐渐拓展到金属、陶瓷、
塑料等材料的表面处理。
应用的深化
在应用过程中，磁流变抛光技术不 断被优化和改进，提高了加工精度、 效率和质量。
技术推广与应用
如何将磁流变抛光技术更 好地应用于实际生产中， 提高生产效率和产品质量。
技术的前沿与趋势
复合抛光技术
结合磁流变抛光与其他抛光技术，如化学机械抛光、超声波抛光等，以提高抛 光效果。
智能抛光系统
利用人工智能、机器学习等技术，实现抛光过程的自动控制和智能监测。
技术的前沿与趋势
• 高能束流抛光技术：利用激光、离子束等高能束流进行精 密抛光，实现超光滑表面加工。
期待建立磁流变抛光技术的标准 化体系，推动产业的规范化发展。
03
国际合作与交流
期待加强国际合作与交流，共同 推动磁流变抛光技术的进步与发 展。
05 结论
CHAPTER
磁流变抛光技术的贡献与影响
提高了抛光效率
降低表面粗糙度
磁流变抛光技术利用磁场控制抛光液的流 变特性，实现了高效、精准的抛光，提高 了加工效率。
磁流体抛光设备
磁流体抛光设备
磁流体抛光技术原理：
磁流体抛光技术是由前苏联传热传质研究所的Kordonski及作者
在20世纪90年代初将电磁学、流体力学和分析化学相结合而提出的一种新型的零件加工方法。
磁流体抛光技术是在一定磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒迅速凝聚，磁流变液粘度增大形成的一定硬度的“小磨头”代替传统抛光过程中的刚性抛光盘来加工零件表面的一种新技术。
原理如下图所示：
磁流变超精密磨床：美国QED公司的Q22系列磁流变抛光机床
国防科技大学研制的KDRMF-1000磁流变抛光设备，加直径为200mm，1;16的K9玻璃抛物面镜，其面形误差小于/100(rms)，粗糙度优于
0.5nm。
图。
★★★磁流变抛光技术
第7卷 第5期光学 精密工程Vol.7,No.5 1999年10月O PT I CS AND PR EC IS I ON EN G I N EER I N G O ctober,1999文章编号 10042924X(1999)0520001208磁流变抛光技术张 峰 余景池 张学军 王权陡(中国科学院长春光学精密机械研究所应用光学国家重点实验室 长春130022)摘 要 对磁介质辅助抛光技术20年来的发展作了简要的回顾,进而介绍了磁流变抛光技术的产生和发展背景、抛光机理及微观解释、数学模型,同时提出了这种抛光技术的关键所在,并对其发展未来进行了展望。
关键词 磁介质辅助抛光 磁流变抛光 磁流变抛光液 凸缎带 抛光区中图分类号 TQ171.684 文献标识码 A1 引 言 随着科学技术的进步,各个学科交叉发展,形成了许多新领域,产生了很多新技术。
对于光学加工技术,人们也不断地进行探索。
80年代初期,日本有人将磁场用于光学加工,形成了磁介质辅助抛光方法。
1984年,Y.T ain和K.Kaw ata[1]利用磁场辅助抛光对聚丙烯平片进行加工。
图1为这种加工方法的原理示意图。
他们将一些N、S极相间的长条形永久磁铁紧密相连排成一列形成非均匀磁场(磁通密度大约0.1T)。
将盛有非磁性抛光粉(碳化硅,直径4Λm,体积含量40%)和磁性液体(直径为10～15nm的四氧化三铁磁性微粒均匀地混合在二十烷基萘基液中)的均匀混合液的圆形容器放置在这个磁场中。
磁场梯度使抛光粉浮起来与浸在磁性液体中的工件相接触。
在加工过程中,工件与容器同时旋转来实现对材料的去除,其材料去除率为2Λm m in。
经过一小时的抛光工件表面粗糙度降低了10倍。
1987年,Y.Sati o等[2]人又在水基的磁性液体中对聚丙烯平片进行了抛光。
这种方法的缺点是抛光压力较小,不能对玻璃或其它较硬材料进行抛光,并且不能对工件面形进行较为有效的控制。
3国家自然科学基金资助项目(批准号69608006)收稿日期:1999-06-07修稿日期:1999-07-02F ig .1 Po lish ing of acrylic p lates w ith Si C abrasives in a m agnetic fluid compo sed of 15nm diam eterm agnetic particles .T he po le p ieces serve as the reference lapp ing surface fo r the w o rkp iece . 1989年,Suzuk i 等[3]人用柔性的橡胶垫和聚氨酯将铜盘槽内的磁性液体密封。
磁流体抛光技术
磁流体抛光技术
磁流体抛光技术是一种新型的表面抛光技术，其原理是利用磁流体在磁场作用下产生的磁流体流动来实现表面的抛光。
该技术具有高效、精度高、表面质量好等优点，已经被广泛应用于半导体、光学、精密机械等领域中。
磁流体抛光技术的工艺流程主要包括材料准备、磁流体制备、设备调试、抛光加工等步骤。
其中，磁流体制备是关键的环节，需要选择合适的磁流体材料，经过高能超声波处理、离心分离等工艺步骤，制备出具有一定流动性和稳定性的磁流体。
在抛光加工过程中，需要将待加工的工件放置在磁极之间，并通过调整磁场的强度和方向，使磁流体能够流经工件表面。
随着磁流体的流动，其中的磨料颗粒会不断地与工件表面摩擦，从而实现表面的抛光。
同时，磁流体还能够在加工过程中自动调整磨料颗粒的密度和分布，从而达到更好的加工效果。
总的来说，磁流体抛光技术是一种非常有前途的表面抛光技术，其应用前景十分广阔。
未来，随着磁流体材料的不断发展和加工设备的不断改进，相信该技术将会在更多领域中得到广泛应用。
- 1 -。
基于磁流变抛光法的光学元件抛光专利技术综述
2019年20期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application基于磁流变抛光法的光学元件抛光专利技术综述张欢（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北武汉430205）1概述目前对光学元件的加工要求越来越高，例如碳化硅（SIC ）作为第三代半导体材料的核心的光学晶片材料，是一种具有热导率高、电子饱和漂移速率大等特点，因而被用于制作高温、高频、抗辐射集成电子器件，碳化硅晶片的应用要求表面超光滑、无损伤，其加工质量和精度直接影响到其器件的性能，但碳化硅的硬度仅次于金刚石，其莫氏硬度为9.2，用传统的机械抛光法加工很难达到碳化硅晶片需要的精度[1]。
最早把磁流变效应应用于抛光的是前苏联传热传质研究所的W.I.Kordonski 、I.V.Prokhorov ，他们于上世纪90年代初将电磁学流体动力学和分析化学相结合而提出一种新型的光学零件加工方法，即磁流变抛光技术（Magnetorheologi 原cal Finishing ，简写MRF ），经过二十多年的发展，磁流变抛光技术已经成为碳化硅晶片等重要光学电子器件的主流抛光方法之一。
相比国外成熟的磁流变抛光技术，国内对磁流变抛光技术的研究目前尚在基础研究阶段[1]。
国外的在磁流变抛光领域的知名企业或科研机构包括：美国Rochester 大学的光学制造中心，曾发明了磁流变射流加工方式；QED 科技技术公司，研制出了QED 系列磁流变抛光机，大大提高了抛光效率。
国内的在磁流变抛光领域的知名企业或科研机构包括：中国科学院长春光学机械研究所，曾经申请了一种磁流变抛光装置；哈尔滨工业大学，研制了适合于磁流变抛光的水基磁流变液；清华大学，开发了五轴联动的磁流变抛光系统。
2磁流变抛光法技术分支及各分支演进路线基于磁流变抛光法的光学元件抛光技术分支如表1所示。
2.1磁流变液的成分及配比技术演进路线和关键技术介绍磁流变液的成分及配比这一技术分支，涉及磁流变液的抛光磨粒和磁性基体的种类，及各成分在抛光液中所占比例，这直接关系着光学元件实际抛光效果。
磁流变抛光技术及应用.
磁流变抛光技术的发展及应用摘要：阐述了磁流变抛光技术的原理，综述了磁流变抛光技术的国内外研究现状与研究进展，并详细介绍了磁流变液的性能评价标准，及依据这一标准选取磁流变液的各组分，配置出标准的光学用磁流变抛光液。
然后，介绍了磁流变抛光技术的研究方向。
最后对磁流变抛光技进行了前景展望。
关键词：磁流变抛光；磁流变液；光学加工The Development and Application of Magnetorheological Finishing (The Institute of Mechanical and Electrical Engineer, Xi'an Technological University,Xi’an710032,China)Abstract: This paper first introduces the principle of magnetorheological finishing, then its research status and progress at home and abroad are reviewed. A standard is also suggested for evaluation of fluid finishing of optical glass. The elements of MR fluid were chosen according to the standard and MR fluid was prepared for optical finishing. Finally, the prospect of the MFR technique is discussed.Key words:magnetorheological finishing; magnetorheological fluid;optical machining1引言：随着现代科学技术的发展，对应用于各种光学系统中的光学元件提出了越来越高的要求。
磁流变抛光技术发展趋势及抛光工具研究
我国从 20 世纪 80 年代中期就开始进行磁性研磨加工的 研究，清华大学研制了五轴联动磁流变数控抛光系统，哈尔滨 工业大学使用自行研制的磁流变抛光设备对光学玻璃和微晶 玻璃进行了加工实验，程灏波研究了电磁抛光装置的结构设 计及特性，程灏波、张峰、孙希威等人分别分析了磁流变抛光 中的磁场，建立了抛光的数学模型，并对驻留时间的算法进行 了研究。以上研究为磁流变抛光技术的实际应用奠定了理论 基础，推动了磁流变抛光技术的发展。
[4] T.Y. Hou, X.H. Wu. A multiscale finite element method for elliptic problems in composite materials and porous media, Journal of computational physics, 1997,13:169~189.
图 1 手持式磁流变抛光机内部结构 如图 1 和图 2 所示，绕有线圈的软磁体铁心构成了电磁 铁，随着线圈电压的变化，电磁铁的磁场发生变化。当工具端 部浸入磁流变液时，在工具端部的磁流变液的表观黏度也发 生变化，随着电磁铁的旋转发生旋转运动，对工件进行抛光作 业。工具端部为凹形结构，有保持磁流变抛光液的作用。工 具的旋转运动由直流电机提供。直流电机与电磁铁之间由连 轴器连接。对于旋转运动的电磁铁的供电，采用电刷供电的 方式。电磁铁线圈的两端连在电刷上，电刷与镶嵌于外壳中
知道了多尺度形函数 之后，则可以得到单元 K 的粗尺 理论基础。
度有限元矩阵
（27） 参考文献： （28） [1] X.Frank Xu. A multiscale stochastic finite element method源自则全局矩阵 H 和 F 分别为
on elliptic problems involving uncertainties,2007. [2] X.Frank Xu..A stochastic computational method for evaluation
[4] T.Y. Hou, X.H. Wu. A multiscale finite element method for elliptic problems in composite materials and porous media, Journal of computational physics, 1997,13:169~189.
图 1 手持式磁流变抛光机内部结构 如图 1 和图 2 所示，绕有线圈的软磁体铁心构成了电磁 铁，随着线圈电压的变化，电磁铁的磁场发生变化。当工具端 部浸入磁流变液时，在工具端部的磁流变液的表观黏度也发 生变化，随着电磁铁的旋转发生旋转运动，对工件进行抛光作 业。工具端部为凹形结构，有保持磁流变抛光液的作用。工 具的旋转运动由直流电机提供。直流电机与电磁铁之间由连 轴器连接。对于旋转运动的电磁铁的供电，采用电刷供电的 方式。电磁铁线圈的两端连在电刷上，电刷与镶嵌于外壳中
知道了多尺度形函数 之后，则可以得到单元 K 的粗尺 理论基础。
度有限元矩阵
（27） 参考文献： （28） [1] X.Frank Xu. A multiscale stochastic finite element method源自则全局矩阵 H 和 F 分别为
on elliptic problems involving uncertainties,2007. [2] X.Frank Xu..A stochastic computational method for evaluation
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2.1.2磁场辅助精密抛光
磁场辅助精密抛光是八十年代初Kurobe等 人[4]提出来的，原液体密 封，抛光液放在铜盘槽中橡胶垫的上方， 工件浸与抛光液中。在磁场作用下，磁性 液体受力并作用到橡胶垫抛光盘上，柔性 的橡胶垫抛光盘受力变形，其形状与工件 表面形状吻合来对工件进行抛光。抛光后 表面粗糙度由10μm（峰谷值）降到了几个 μm，1989年，Suzuki等人[5]用这种方法使表 面粗糙度从1500Å降低到了100Å，面形误差 从0.4μm降到了0.3μm。1993年， Suzuki等人 用这种方法对40mm直径的非球面玻璃抛光， 材料去除率达到了2-4 μm/h。
2.1.3磁力研抛法
磁力研抛法是T.Shinmura等人提出来的，原 理是：将被加工工件与很多磁性抛光粉接 触，在外磁场作用下，磁性抛光粉聚结在 一起形成磁粉刷，当工件与刷有相对运动 时，他们之间相互摩擦，从而实现对工件 的抛光。 以上磁场辅助抛光法要么效率低，要么不 易控制，要么产生大的下表面破坏层，总 之都存在一定的缺陷。
1999年，Rochester大学对抛光机理进行了深 入的研究，并分析了几种材料的抛光特性， 并将快速文本编辑程序引入研制了Q22系列 的计算机控制磁流变抛光机，使MRF商业 化。此后COM的研究者还研发了磁流变射 流加工方式，实验表面粗糙度为0.65nm rms。 但是，在美国商务部明确限制了磁流变抛 光设备对中国的出口。
[1] Y.tian and K.Kawata, “development of High-Efficiency fine finishing process using magneitc fluid”,Annals of the CIRP,Vol.33,217-220(1984) [2]
其材料去除率为2μm/min,经过一小时抛光 后，工件表面粗糙度降低了10倍。 1987年，Y.Satio 等人[2]又在水基的磁性液中 队聚丙烯平片进行了抛光，这种方法的缺 点是抛光压力较小，不能对较硬材料进行 抛光，而且不能对工件表面进行有效的控 制。为获得较大的抛光压力，Umehara等人 [3]在磁性液体中放入一个浮体与工件相接 触来进行抛光，使压力大大加强，收到了 良好的效果。
之后，白俄罗斯的Prokhorow，德国的 Deggendorf应用科技大学，韩国，日本的学 者也进行了这方面的研究工作，主要是在 该进抛光液方面。 3.我国磁流变液研究现状
我国在磁流变抛光技术的研究方面与美国 存在着相当大的差距。 2000年，张峰、余景池[9]首次将磁流变应用 于国内光整加工技术的研究，对加工工艺 和相关理论进行了初步研究。
2004年，彭小强、李圣怡等提出了确定性磁 流变抛光技术，并对平面玻璃镜进行了光 整加工。
2004年，孙桓五提出了液体磁性磨具光整加 工法，实现了对回转类曲面工件的加工。
2005 年，康佳文、张飞虎等针对硬脆材料 的磁流变抛光及其面形控制技术进行了研 究，并将该技术应用于光学玻璃平面的数 控加工及控制。
2.2磁流变抛光技术的提出与发展
为克服磁场辅助抛光的以上缺点，90年代初， W.I.Kordonski,I.V.Prokhorov及合作者[6]将电 磁学与流体动力学理论结合于光学加工中， 发明了磁流变抛光（MRF）技术，原理图 如下：
磁流变抛光液在高强度的磁场中变成具有 粘塑性的Bingham介质，并形成缎带凸起， 当介质流经工件与运动盘形成的微小间隙 时，对工件表面与之接触的区域产生很大 的剪切力，从而使材料去除。1994年，他们 在样机上初步进行了抛光实验。[7] 1995年 ，Rochester大学的光学加工中心利 用MRF加工直径小于50mm的非球面成功得 到表面粗糙度为1nm的表面。 1996-1998年，Kordonski等人建立了材料去 除理论模型。
磁流变抛光技术发展趋势
1.磁流变抛光的原理：在磁场中，发生流变的磁
流变抛光液流经工件与运动盘形成的小间隙时， 会对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力， 从而使工件表面材料被去除。
2.磁流变抛光方法的提出与发展
磁流变抛光并非最早将磁场应用于光学抛 光的方法。早在80年代初期，日本就有人将 磁场用于光学加工，形成了磁介质辅助抛 光法。 2.1磁介质辅助光学加工法 2.1.1磁性液体抛光 1984年，Y.Tian和K.Kawata,[1]利用磁场对浸 入磁性液体中的聚丙烯平片进行加工。原 理图如下所示：
张峰. 磁流变抛光技术的研究[D].中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所,博士学位论文,2000 彭小强. 确定性磁流变抛光的关键技术研究[D]. 国防科 技大学，博士学位论文,2004 康桂文，磁流变抛光硬脆材料去除特性及面形控制技 术研究[D]. 哈尔滨工业大学，博士论文，2005. 程灏波，冯敬之，王英伟.磁流变抛光超光滑光学表面 [J].哈尔滨工业大学学报，2005，37（4）：42-44 王伟.面接触式磁流变抛光方法的研究[D]. 西安工业大 学，硕士学位论文,2007 孙恒五. 液体磁性磨具光整加工技术研究[D].太原理工 大学，博士学位论文,2008
2005年，程灏波、冯敬之等人提出了一种特 殊的磁性轮式磁流变抛光技术，该方法对 光学平面加工的磁场多变性提供了参考方 案。 2007年，王伟、刘卫国等人提出了基于“面 接触”式抛光思想的磁流变抛光技术，初 步设计了试验台对平面玻璃工件进行了加 工。表面粗糙度值从300nm左右降到了1nm 左右。