姜 晨，張 瑞，郝 宇

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

微納加工是實現(xiàn)零件微、納米量級幾何特征成形的加工技術(shù)，加工對象包括毫米、微米和納米量級微小零件或零件的微、納米級幾何結(jié)構(gòu)[1-2]。作為前沿加工技術(shù)，微納加工在現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域占有舉足輕重的地位，因此，它也一直是高等工程教育中機械制造類課程的重要教學(xué)內(nèi)容。由于大部分傳統(tǒng)微納加工設(shè)備作為高精密裝置，價格昂貴、操作復(fù)雜、對加工環(huán)境要求苛刻，如光刻機、離子束加工設(shè)備、原子力顯微鏡等，極大地限制了相關(guān)設(shè)備在微納加工實驗教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。如何解決微納加工技術(shù)在“精密加工技術(shù)”等機械制造類課程實驗教學(xué)中的設(shè)備應(yīng)用瓶頸問題，是機械制造專業(yè)領(lǐng)域和工程教育專業(yè)領(lǐng)域共同關(guān)注的技術(shù)性難題。

磁性復(fù)合流體（magnetic compound fluid，MCF）是一種磁介質(zhì)，由磁性顆粒（微納米級鐵粉）、磨料、植物纖維素（增加黏稠度）及基液（水或煤油）組成[3-4]。在永磁場的作用下，MCF能夠形成具有黏稠性的Bing ham流體拋光頭。由于MCF拋光頭與工件之間形成的是軟接觸，即所謂的柔性拋光，代替?zhèn)鹘y(tǒng)拋光中的散粒磨粒，能實現(xiàn)對工件表面形貌自適應(yīng)的微納去除[5-6]。因此，相對于傳統(tǒng)各類超精密拋光方法，MCF具有實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)表面材料可控微去除的技術(shù)潛力。同時，MCF中各成分的材料價格適中，拋光工藝對設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜度要求低，除了能夠作為一種經(jīng)濟的微納加工制造技術(shù)外，MCF拋光也極為適合應(yīng)用于面向微納加工的實驗教學(xué)演示。該應(yīng)用將能夠增強相關(guān)專業(yè)學(xué)生對微納加工技術(shù)的直觀認(rèn)識，促進(jìn)其對機械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的理解[7]，使得機械制造類課程實驗教學(xué)過程更加符合“工程教育”的培養(yǎng)目標(biāo)[8]，推動機械制造專業(yè)實驗裝備技術(shù)發(fā)展，為“新工科”背景下高等工程教育的實驗教學(xué)建設(shè)提供硬件升級[9-10]。

1 實驗裝置設(shè)計

根據(jù)微納加工特點，需要把微小尺度范圍的零件形貌變化可控地展現(xiàn)在教學(xué)過程中，如微結(jié)構(gòu)表面；通過可控加工改變表面形貌特征，如微觀幾何形貌。首先根據(jù)MCF能夠利用磁性附著在拋光工具上的特點，以拋光輪驅(qū)動MCF旋轉(zhuǎn)的不同幾何面區(qū)分，設(shè)計端面式和圓周面式兩種基本拋光方式。圖1和圖2分別為MCF拋光原理及拋光機構(gòu)。

圖1 MCF拋光原理Fig.1 MCF polishing principle

圖1（a）為端面式MCF拋光原理，永磁鐵以偏心距e固定于磁鐵盤下方，載液板固定于永磁鐵下δ處，用于附著MCF，轉(zhuǎn)速為nt。永磁鐵以轉(zhuǎn)速nc旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生繞主軸旋轉(zhuǎn)磁場。圓周面式MCF拋光原理如圖1（b）所示，MCF拋光輪由左右兩片環(huán)形擋板和中間環(huán)形磁鐵構(gòu)成，環(huán)形磁鐵繞水平軸旋轉(zhuǎn)形成動態(tài)磁場。當(dāng)一定質(zhì)量MCF引入拋光輪和工件的工作間隙Δ時，MCF磁化形成磁性簇，變成黏稠狀。兩種機構(gòu)的MCF在加工區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1（c）和1（d）所示，受磁力和重力的綜合作用，MCF中大部分非磁性磨料向下移動聚集于MCF下表面。在動態(tài)磁場的作用下，MCF中的磨料和工件表面之間產(chǎn)生相對運動，從而發(fā)揮微切削作用，實現(xiàn)材料去除。

圖2（a）為設(shè)計的端面式MCF拋光裝置基本結(jié)構(gòu)，主軸1帶動永磁鐵轉(zhuǎn)動，主軸2通過皮帶帶動套筒下的載液板相對永磁鐵逆方向轉(zhuǎn)動，MCF受磁鐵磁力吸附在載液板下方，受旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動變成半凝固狀拋光頭。如圖2（b）所示，圓周面式拋光裝置的結(jié)構(gòu)包括電機、主軸、拋光輪等。拋光輪中間是環(huán)形永磁鐵，加工時通過電機帶動拋光輪旋轉(zhuǎn)，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動MCF在加工區(qū)域流動，實現(xiàn)材料去除。

2 微納結(jié)構(gòu)表面光整加工實驗

利用MCF實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)表面形貌自適應(yīng)的微結(jié)構(gòu)加工，從而驗證MCF可以作為一種微納加工手段，改變微結(jié)構(gòu)表面微觀粗糙度，且不破壞微結(jié)構(gòu)本身幾何形狀。

2.1 實驗流程

選擇H26 黃銅工件（尺寸20 mm×20 mm×10 mm），采用二維橢圓超聲振動與精密伺服驅(qū)動進(jìn)給相結(jié)合的微結(jié)構(gòu)切削方法，在工件表面預(yù)先加工出周期為40 μm左右的微溝槽條紋[11-12]。

如圖3所示，MCF拋光流程包括：配比拋光液、拋光頭成形、拋光加工、試件清洗、試件測試。a.配比拋光液：利用高精度電子秤，將磁性顆粒、磨粒、水、α纖維素按照一定比例配置成拋光液，并用攪拌器充分?jǐn)嚢?，使磨粒分布均勻；b.拋光頭成形：主軸以低速帶動磁鐵轉(zhuǎn)動，將攪拌均勻的拋光液加到載液區(qū)域，旋轉(zhuǎn)逐步使拋光頭成型；c.拋光加工：根據(jù)加工目標(biāo)設(shè)置拋光參數(shù)，包括拋光頭轉(zhuǎn)速、拋光工作間隙（拋光頭和試件表面距離）、拋光時間等；d.試件清洗：拋光后使用超聲波對試件進(jìn)行清洗，有效去除試件表面MCF殘留；e.試件測試，根據(jù)需要采用光學(xué)顯微鏡、輪廓儀等對試件加工表面進(jìn)行檢測。

2.2 實驗結(jié)果

圖3 實驗流程Fig.3 Experiments flow

端面式拋光頭的MCF在旋轉(zhuǎn)時，其表面各點線速度隨離軸心距離不同而變化，因此拋光頭表面材料去除率分布不均勻。而圓周面式MCF由拋光輪圓周面旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，加工區(qū)域線速度相對較一致，因此采用如圖4（a）所示圓周面式拋光頭進(jìn)行實驗。圖4（b）為拋光前的工件表面原始微溝槽條紋，條紋上存在大量微刮痕，方向與條紋方向垂直，這是微結(jié)構(gòu)切削過程中刀具刀尖附著物在工件表面留下的切痕。

圖4 拋光實驗結(jié)果Fig.4 Polishing experiment results

采用表1所示實驗參數(shù)，分別沿微溝槽條紋平行和垂直方向旋轉(zhuǎn)拋光輪進(jìn)行拋光實驗。圖4（c）為拋光輪沿微溝槽條紋垂直方向進(jìn)行拋光的工件表面，可以看到雖然拋光后的表面光潔度得到提高，但微溝槽條紋的表面材料去除量較大，微溝槽條紋結(jié)構(gòu)形貌被破壞。圖4（d）為拋光輪沿微溝槽條紋平行方向進(jìn)行拋光后的工件表面，微溝槽條紋表面的微切痕大部分被明顯去除，微觀表面光潔度顯著提高，并且微溝槽結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生加大變化。圖5為平行拋光前后通過共聚焦顯微鏡測量三維數(shù)據(jù)后截取的微溝槽條紋輪廓，X，Z為工件表面坐標(biāo)，可以看到拋光后微溝槽幾何結(jié)構(gòu)基本沒有變化。沿條紋平行方向截取表面輪廓計算其表面粗糙度Ra從拋光前0.3 μm降低到0.04 μm。

表1 實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

2.3 實驗分析

由于微溝槽結(jié)構(gòu)尺寸非常小，常規(guī)拋光的游離態(tài)拋光液會很快拋光去除整個微結(jié)構(gòu)表面。當(dāng)拋光方向垂直于微溝槽條紋時，流體難以充分覆蓋并流過微溝槽，材料去除由流體的宏觀流動起主導(dǎo)作用，無法充分去除微結(jié)構(gòu)表面材料。而拋光方向順著微溝槽條紋方向時，MCF與微溝槽表面接觸充分，沿微溝槽方向流動順暢。由于MCF具有黏稠性，擁有較好的材料微觀去除能力，因此，在合適的流體流動控制與引導(dǎo)下，MCF具備可調(diào)節(jié)的微結(jié)構(gòu)表面流動適應(yīng)性，可實現(xiàn)微溝槽條紋表面的微納光整加工，且不破壞表面微結(jié)構(gòu)。實驗教學(xué)過程中，通過對比不同拋光方向下微溝槽條紋表面微觀照片，能夠直觀看到加工工藝對微納結(jié)構(gòu)拋光效果的影響；配合使用輪廓儀測量出微結(jié)構(gòu)表面二維輪廓曲線，可以從數(shù)值角度進(jìn)一步了解MCF對微結(jié)構(gòu)的光整效果。

3 結(jié) 論

針對現(xiàn)有微納加工實驗教學(xué)設(shè)備的技術(shù)困境，基于MCF性能優(yōu)勢設(shè)計一種新型微納加工方法及實驗教學(xué)裝置。根據(jù)微溝槽條紋表面的結(jié)構(gòu)特點，采用圓周面式MCF拋光頭沿平行于微溝槽條紋表面的拋光方法，實現(xiàn)不破壞微溝槽條紋表面結(jié)構(gòu)的可控微尺度拋光加工。MCF是具有一定黏度的流體，對微結(jié)構(gòu)表面具有良好的表面自適應(yīng)性，并且能夠通過調(diào)整MCF配比和磁場大小，改變黏稠度，從而使其適應(yīng)不同尺寸的微結(jié)構(gòu)表面拋光，因此具有良好的學(xué)術(shù)研究價值和工程應(yīng)用潛力。該裝置中關(guān)鍵機構(gòu)“拋光頭主軸”結(jié)構(gòu)簡單，MCF和永磁鐵等關(guān)鍵實驗耗材成本低，實驗過程操作簡單，微溝槽條紋工件可以通過普通車削加工獲得。因此，整個實驗方法及裝置具有很好的普適性和推廣價值，適合作為標(biāo)準(zhǔn)微納加工教學(xué)實驗設(shè)備進(jìn)行推廣和普及，為“精密加工技術(shù)”等機械專業(yè)制造類課程實驗教學(xué)提供了良好的硬件支持。