隨著市場上對成像質(zhì)量以及器件小型化要求的不斷提高，高精度的光學(xué)非球面鏡逐漸在光學(xué)儀器、空間激光通信、航空航天等領(lǐng)域中得到重要應(yīng)用。作為新一代光學(xué)加工技術(shù)，磁流變拋光技術(shù)具有去除函數(shù)穩(wěn)定、材料去除效率高、加工過程可控、拋光后的面形精度高、適合復(fù)雜表面加工等特點，在非球面加工中有著很大的應(yīng)用前景。不過由于國外對磁流變拋光關(guān)鍵技術(shù)，特別是制磁流變拋光液的研制嚴格保密，使得我國磁流變拋光技術(shù)在實際工程的應(yīng)用中受到了限制。
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磁流體拋光技術(shù)原理
磁流變拋光實現(xiàn)精密加工的關(guān)鍵在于磁流變液。在無外加磁場時磁流變液呈流體狀態(tài)，鐵磁顆粒粒子隨機的分散于體系中，但當(dāng)施加一外磁場后，磁性微粒在磁場作用下會沿磁場方向發(fā)生流變而形成的具有粘塑特性的“柔性拋光?！?，拋光時，磁流變液形成的“柔性拋光?！痹谂c工件接觸的區(qū)域形成剪切力，通過調(diào)整工件的旋轉(zhuǎn)角度和速度即可實現(xiàn)工件表面材料各向均勻去除，得到光滑表面。
磁流變拋光原理（來源：參考文獻1）
磁流變拋光液的性能要求
作為磁流變拋光的關(guān)鍵耗材，磁流變拋光液既要具有傳統(tǒng)磁流變液的基本性能，同時具有一些能夠滿足精密拋光的性能要求，如零磁場粘度低、抗沉降穩(wěn)定性好、易于再分散、剪切屈服應(yīng)力高、動態(tài)響應(yīng)速度快、工作范圍寬、環(huán)保等，在配制磁流變拋光液過程中，所選擇的添加成分需要充分考慮到這些指標(biāo)，才能達到優(yōu)異的拋光效果。
磁流變拋光液除了包括連續(xù)相的基載液、分散相的鐵磁微粒和穩(wěn)定劑等典型磁流變液所包含的成分，還會加入拋光粉來提升拋光效率。
01
基載液
磁流變拋光液的基載液主要分為水基和油基兩大類。
水基磁流變拋光液通常采用去離子水作為基載液，光學(xué)玻璃利用其進行拋光，會發(fā)生水解反應(yīng)，有利于拋光的進行，提升拋光速率，且零磁場粘度較小，拋光后易清洗。但水基載液在拋光過程中易于蒸發(fā)，對磁流變液組成成分造成較大影響，需要定期加基載液來保證成分穩(wěn)定，同時水基磁流變拋光液還存在分散穩(wěn)定性差和抗氧化性差的缺點，容易引起磁流變器件工作效率明顯下降?甚至失效。
油基型磁流變液是針對KDP晶體等水溶性材料而研發(fā)的一類拋光液，通常采用硅油、礦物油、合成烴、甘油等作為基載液，其除了不會溶解可溶性晶體，相比水基型磁流變拋光液，還具有分散穩(wěn)定性好、防腐性好的優(yōu)點，不過由于零磁場粘度太大，會造成拋光后工件不容易清洗干凈會引起拋光后工件表面的污染。
02
磁性微粒
磁流變液所具有的流變效應(yīng)是由于磁性顆粒在磁場作用下，形成了磁偶極子，相互作用形成鏈狀或是柱狀結(jié)構(gòu)，從而變成了類固體狀態(tài)，因此，磁性顆粒的性能是影響磁流變前屈服應(yīng)力的主要因素之一。目前，羰基鐵粉因其一系列獨特特性，成為了磁流變拋光液最常用的磁性顆粒材料之一：
（1）羰基鐵粉的飽和磁感應(yīng)強度高達2.2T，可以保證磁流變液具有較高的剪切屈服應(yīng)力。
（2）磁矯頑力最小可達0.05奧斯特，可確保磁流變液可以在退去磁場后，液體粘度迅速恢復(fù)為零磁場粘度狀態(tài)，保障拋光過程中液體可穩(wěn)定循環(huán)回收。
（3）硬度適中，形狀呈洋蔥球?qū)訝瞠毺亟Y(jié)構(gòu)，在拋光時不會對光學(xué)零件表面造成損害。
（4）羰基鐵粉的磁化性能受溫度影響較小，磁流變液在不同溫度條件下都能保持穩(wěn)定的性能。
（5）羰基鐵粉具有較高的磁導(dǎo)率，使得磁流變液能夠在較弱的磁場下表現(xiàn)出良好的響應(yīng)性能。
（6）磁滯回線狹窄、內(nèi)聚力小，可以降低磁流變液流變的能耗損失；
羰基鐵粉（來源：網(wǎng)絡(luò)）
03
拋光粉
在磁流變拋光過程中，磁流變拋光液經(jīng)過拋光區(qū)域，在磁場作用下，磁流變液則形成柔性拋光磨頭，而拋光粉則從拋光液中滲出，直接作用于光學(xué)玻璃的表面，在柔性拋光磨頭旋轉(zhuǎn)形成的剪切力作用下，實現(xiàn)工件表面材料的去除。拋光粉的選擇對加工過程中的剪切作用有著重要影響。
拋光粉的硬度越大，拋光效率就越高，目前通用的拋光粉按硬度從大到小排序有：金剛石微粉、氧化鋁、氧化鈰等，金剛石微粉常用于拋光碳化硅等硬度較大的材料，氧化鋁成本相對較低，常用于大尺寸藍寶石單晶、激光晶體、光纖接口等光學(xué)晶體等領(lǐng)域，而氧化鈰能夠與與二氧化硅表面發(fā)生縮合反應(yīng)，提升拋光速率，是拋光玻璃材料最常用的拋光粉。
磁流變拋光區(qū)域示意圖（來源：參考文獻1）
除此之外，拋光粉粒徑對于拋光效果也存在一定影響。在磁場的影響下，磨粒夾雜在排成鏈狀結(jié)構(gòu)的羰基鐵粉（CIP）之間，當(dāng)夾雜在CIP磁鏈中的磨粒粒徑越大，CIP磁鏈的變形越嚴重，結(jié)合強度越弱，磁力相互作用越小。當(dāng)CIP與磨料粒度差異較小時，力的相互作用越大，拋光效率更高。
04
分散穩(wěn)定劑
由于磁流變液中鐵磁顆粒的密度遠大于基載液，隨著時間的推移，磁流變液極易發(fā)生沉降，通常這些顆粒沉降后凝結(jié)在一起會形成難以再分散的結(jié)塊，這將嚴重影響磁流變液的性能，甚至導(dǎo)致磁流變液失效，最終影響磁流變拋光效果。為了使磁流變拋光液保持穩(wěn)定，往往需要添加分散穩(wěn)定劑。
分散穩(wěn)定劑大致可分為陰離子型、陽離子型、兩性離子型、非離子型四種，其選擇取決于被分散物質(zhì)的特性、分散介質(zhì)的性質(zhì)等多種因素。比如含羰基鐵粉的磁流變液常采用含有-COOH基團的陰離子型分散劑，-COOH基團可以通過離子鍵、共價鍵、氫鍵及范德瓦爾斯力等相互作用，在固體顆粒表面上形成緊密的不可逆吸附，從而形成為穩(wěn)定的分散體系。
四種分散穩(wěn)定劑結(jié)構(gòu)
此外，分散劑分子量的大小也會對分散體系的粘度和分散特性造成較大的影響，分子量過小將無法為鐵粉粒子提供足夠大的空間排斥力不利于磁流變液體系的穩(wěn)定，分子量過大會造成疏水鏈間的纏繞發(fā)生絮凝，造成磁流變液的初始粘度過大，易發(fā)生絮凝，影響磁流變液的流變性。
05
其他添加劑
除了分散穩(wěn)定劑外，磁流變拋光液中往往還會根據(jù)情況添加潤濕劑，提高磁性顆粒在拋光液中的潤濕性；添加PH調(diào)節(jié)劑，保證分散穩(wěn)定劑發(fā)揮最佳的效果，并保證磁流變液的防銹能力.....
小結(jié)
磁流變拋光液是磁流變拋光的關(guān)鍵技術(shù)之一，磁流變拋光液性能的好壞決定磁流變拋光效率的高低和拋光后工件的表面質(zhì)量優(yōu)劣。目前我國在磁流變拋光液的配制技術(shù)上仍受制于人，需要進一步對磁流變拋光液分散機理的研究，并結(jié)合實際加工需求，合理搭配各組成成分，優(yōu)化磁流變拋光液的分散穩(wěn)定性、磁學(xué)性能、流變性能等。
參考文獻：
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