1 引言
磁流變材料是一種流變性能可由磁場大小控制的新型智能材料，是目前智能材料研究領域中比較活躍的一種。當外加磁場變化時，它的剛度會發生相應的變化，而且這種變化是可逆、可控、迅速(毫秒級)且連續的。近年來，這類智能材料的發展與應用得到了學者們的普遍關注，研究的磁流變材料比較熱門的有兩種—磁流變液(Magnetorheological Fluids，MRF)和磁流變彈性體(Magnetorheological Elastomer，MRE)。
磁流變液是磁流變材料中最早被發現的一種，其主要是由液態載體(硅油等)和分散在其中的鐵磁性顆粒(鐵、鈷等微米級顆粒)所組成。相比其它磁流變材料，磁流變液的應用最為廣泛，而且隨着科研人員的不斷努力，磁流變液的性能已經得到了很大程度的改善。目前全球已經有一萬多種磁流變產品，包括磁流變減振器、離合器、阻尼器等已經在實際工程中應用，據預測，在未來10 年內將會有超過100 萬個磁流變產品應用於實際工程中。我國對磁流變技術的研究開始於20 世紀90 年代，與國外的研究相比，我國對磁流變技術以及產品的研究與應用起步相對較晚，仍有一定差距。目前我國在磁流變流變機理、動力建模、控制策略、實用裝置開發及工程應用等方面取得了一定的進展，已有某大學、某科研院所等數十家科研單位從事磁流變技術的研究，有些研究成果已經應用於實際工程中，取得了良好的效果。
磁流變彈性體最初是由日本科研人員於1995 年發現的。磁流變彈性體是在磁流變液的基礎上發展起來的，在外加磁場的作用下能夠顯著的改變其彈性模量。它作為一種新型的磁流變材料，同時具有磁流變材料和彈性體的一些特點，不但具有可控性、可逆性、響應迅速(毫秒級)等高技術特徵，還具有穩定性好、結構簡單、其應用裝置無需密封、成本低、功耗小等獨特的優點。因此磁流變彈性體非常適用於對振動的控制，在機械加工、精密製造等振動的控制、降噪方面有着很好的應用前景，已經成為一個研究的熱點問題。
2 磁流變液在現代加工設備中的應用
2.1 磁流變液應用於車牀加工
在現代製造業中，車削加工一直是最主要的加工方法，而車削加工中的顫振現象則是制約其產品質量和加工效率的一個重要因素。近年來，隨着智能材料的快速發展，利用其獨特性能而研製出的減振裝置受到越來越多的科研人員的關注。其中，磁流變液減振裝置可作為一種半主動控制裝置，通過實時調控系統參數來抑制其振動，既有主動控制系統適應性強的特點，又具有被動控制系統可靠性高、能耗低的優勢。利用磁流變液進行了車牀加工振動控制系統的理論研究，搭建了含有磁流變液減振器的車削仿真系統，仿真結果表明該減振器能夠有效的抑制車削顫振並改善車削加工的穩定性。將磁流變阻尼器應用於車牀刀架，建立了車牀刀架系統的數學模型，並設計了車牀刀架減振系統的半主動控制模糊控制器，提出了基於修正的Bingham 磁流變阻尼器模型，為今後機牀減振控制系統的設計與實現提供了理論性指導。文獻為了抑制CA6140 車牀在車削加工軸類零件時刀具在振動敏感方向產生的振動，研製出了一種安裝在車牀中託板和牀鞍左側面的磁流變減振器。利用有限元方法對該減振器進行三維磁場仿真分析並在車牀上進行外圓車削減振試驗。試驗結果表明，該磁流變減振器可以有效地抑制車削外圓時所產生的振動。
2.2 磁流變液應用於鏜牀加工
由於鏜削系統的結構剛度比較低，在鏜削加工過程中極易出現顫振。這不僅會造成精密孔加工效率低、表面質量差，影響零件的使用性能，而且顫振還會加速刀具的磨損，產生強噪音使操作者的身心健康受到危害。對此，某大學研究人員首次將磁流變液材料應用於鏜杆動態特性的調節過程，提出了一種基於磁流變液的自抑振智能鏜杆的設計新思路，其具體結構。並對磁流變液自抑振智能鏜杆的靜動態性能進行測試與分析，獲得了固有頻率與勵磁電流之間的數學模型以及磁流變液材料處於不同狀態時智能鏜杆阻尼特性與剛度的變化規律。將非線性隨機最優半主動控制策略首次引入到鏜削顫振控制領域，不但提高了工作效率和加工質量，又有效地避免了顫振的發生。文獻研製出了基於磁流變液的鏜削振動控制系統，並在不同主軸轉速下進行了減振試驗，試驗結果表明在頻率大小為1Hz 的方波激勵電流下，減振效果最為明顯，工件表面的振紋消除，鏜杆端部振動加速度值下降。
2.3 磁流變液應用於拋光機精密加工
磁流變拋光(Magnetorheological Finishing，MRF)是一種利用電磁場輔助的流體動力拋光技術，具有易於控制、無刀具磨損現象、加工效率高、加工質量高等其他傳統拋光方法所沒有的優點，其工作原理，如圖3 所示。印度的研究人員提出了將磁流變磨料流應用於拋光，可以對複雜的內表面腔體進行精密加工，研究了材料去除率與表面質量的關係。某團隊首次提出了超聲波磁流變複合拋光技術(UMC)並建立了超聲波磁流變複合拋光實驗裝置。國外科研人員研究了磁流變液精加工過程中磁場變化對正應力、切應力的影響。我國科研人員研究了外加軸向磁場對磁流變液射流的穩定性。通過對磁流變拋光兩種不同結構的裝置進行比較，給出了磁流變拋光裝置關鍵部件的'設計方法。
2.4 磁流變液應用於柔性夾具
磁流變液柔性夾具是指利用磁流變液材料屈服強度大，在外加磁場的控制下能夠實現瞬間(毫秒級)相變的特點而開發的一種柔性夾具。將工件放在磁流變液材料中，當磁流變液材料在外加磁場的作用下變為固態時，工件就會被夾緊，其結構，如圖4所示。相對於組合夾具、可調整夾具等一般夾具，磁流變柔性夾具具有顯著的優勢。它不但可對形狀複雜的工件進行定位和夾緊，而且僅用一套磁流變柔性夾具就能將不同尺寸、不同形狀的工件定位並夾緊，大大提高了工作效率。文獻研製了一套磁流變液柔性夾緊裝置，通過外加磁場進行固化，磁流變液的抗剪屈服強度可以達到800kPa 以上，能夠滿足設計柔性夾具的夾緊力要求。文獻研究了用於薄壁件加工的磁流變柔性夾具，通過有限元分析，得出在使用磁流變液後，工件的最大應變由0.434×10-7m 變為0.59×10-8m，減小了將近1 個數量級。另外，文獻針對XK2120 龍門銑牀的結構，設計出了可用於該銑牀的導軌阻尼器和主軸阻尼器，並給出了阻尼器的結構參數和動力可調範圍。
3 磁流變彈性體在現代加工設備中的應用
磁流變彈性體應用於現代加工中僅僅處於研究階段，國內外很少對其進行報道。在國內將磁流變彈性體應用於現代加工中僅有某大學等少數科研單位。加工整體葉輪時高温合金中的奧氏體組織等因素會使合金的切削力遠大於普通鋼材的切削力，葉輪的葉片薄而懸臂長，流道窄，刀具切入切出非常困難，動態切削力容易引起切削過程的不穩定，使變化幅度更劇烈，更容易發生顫振。對此，文獻發明了離心式以及軸流式葉輪加工中的振動抑制裝置，並申請了專利。裝置結構簡單，響應迅速，容易控制，降低了葉輪的加工成本，且能夠實現對多個目標模態的顫振抑制，避免了被動控制式阻尼器的參數與機牀的工藝狀態相關性強的侷限。在磁流變拋光技術中，為了克服現有技術中的可靠性低、拋光去除率低、需要高壓、模型不可控制的缺點，文獻提出了一種基於磁流變彈性體的拋光方法，設計了基於磁流變彈性體的拋光裝置並申請了專利，該裝置可通過外加磁場調節去除率，適用於工件拋光的環境。
4 結束語
目前，相比於其它磁流變材料，磁流變液的應用最為廣泛，國內外科研人員圍繞磁流變液的機理、製備、測試、應用等方面已經取得了大量的研究成果。但作為一種懸浮液，磁流變液的長期穩定性差，沉降性問題無法徹底解決;工作時容易泄漏，難密封;磁流變液裝置的散熱效果差，傳遞的力和力矩較小且可調控範圍較小(剛性、模量等)。這些問題成為影響其發展的重要因素，導致迄今為止國內仍未實現對磁流變液產品的大規模商品化。
與磁流變液相比，磁流變彈性體中的載體由液態的硅油等被替換成了硅橡膠等固體，因而不必考慮材料的沉降性和穩定性的問題。它在外加磁場的作用下能顯著改變其彈性模量，且響應迅速(毫秒級)，具有更好的可控性和可逆性。正是由於其獨特的流變效應和優良的磁場可控性，得到了國內外科研人員的廣泛重視和研究。目前，已有許多國內外研究人員開展了磁流變彈性體減振裝置的研究工作，並取得了一定的成果，但還僅僅處於理論探索和實驗室研究階段，應用於現代加工設備中更是處於起始階段。隨着研究的不斷深入，磁流變彈性體將會在現代加工設備中得到廣泛的應用，尤其在需要進行剛度控制的振動系統(例如加工整體葉輪中產生的顫振)中具有非常廣闊的應用前景。