浅谈智能材料- 磁流变液在智能制造中的应用

史宇

（重庆川仪自动化股份有限公司执行器分公司，重庆 401121)

1 概述

磁流变(Magneto-Rheological(MR))材料最早于1948 年被美国学者Robinow[1]发现，磁流变材料在没有增加磁场的情况下，载体液中磁性颗粒随机分布，流变特性表现为具有各向同性的类牛顿状态。而加入磁场后，其物理性质马上发生变化，在磁场的作用下产生了一个偶极矩，该偶极矩与铁粒子中的磁场对齐，并且使这些粒子形成了与之平行的线性链，其流变特性表现为半固体状态，且发生这种现象的时间在毫秒级别内。撤回磁场后，磁链结构会在极短的时间内崩塌，再次表现为类牛顿流状态。这里展现了磁流变材料的快速响应性能和可逆的性能。磁流变材料凭借优良的物理性质在冲击领域、缓冲领域、智能制造领[2-5,7]域有着广泛的运用。智能制造发展趋势呈现出自动化、集成化、信息化、绿色化[6]。自动化和智能化是智能制造的重要发展趋势，一方面表现在能根据用户的需求完成制造的过程自动化，并对制造对象和制造环境具有高度适应性，实现制造过程的优化。另一方面，环境友好与高效的资源利用率是智能制造应对资源、能源压力的内在要求。在智能制造过程中，智能材料-磁流变材料对于设备的可持续使用性、仪器仪表的灵活性能、产品的质量保证等都显现出身影，磁流变材料在智能制造中有着广泛的应用，如国防科技大学[7]通过磁流体抛光应用过程中工件的定位要求较高的实际需求，提出了工件自定位的测量方法。

2 磁流变材料在自动控制原件- 磁粉机中的应用

2.1 磁粉机介绍

磁粉机(如图1 所示)又称为磁粉制动器，是一种利用磁粉的磁场特性产生作用力，而磁场又是通过电流控制来实现，通过将磁粉的这种作用力转换为阻尼制动。具有输入电流与输出阻尼力基本成线性比例的特点，因此常用于制动控制系统或者阻尼力测试系统。

图1 磁粉机

2.2 磁粉机工作原理

磁粉机工作介质是具有较好导磁特性的铁粉或者镍粉，当线圈通入电流时，在磁路上形成闭合的磁场，铁粉或者镍粉在磁场的作用下形成一种磁粉链，旋转盘来剪切这种磁粉就形成了阻尼力。其结构主要包括：旋转轴及转盘、固定盘、线圈与工作介质。当线圈中的电流发生变化时，工作价值形成磁链的大小将发生改变，磁链将转盘和固定盘联系起来并随电流变化而改变，与转盘连接的旋转轴将这种变化传递给工件，即形成制动力或者阻尼力。当没有电流输入时，工作介质不作用，转盘与固定盘没有联系，转轴不输出制动力。

2.3 磁粉机的优缺点及应用研究

优点：运行平稳、在启动、运动、制动的状态下，冲击和振动均与运行速度相关，低速运行下表现良好。

缺点：由于工作介质在工作腔内很难保障均匀特性与受控制湿度影响巨大，因此输出阻尼力会出现顿挫、不均匀跳动甚至是结坨卡死转盘。对于磁粉制动器的研究开发，研究人员通过精确建模和改善工作介质等研究，研究者基于粒子群算法提出了改进的磁路模型，以及将工作介质粒径加大等方式来获得更高的制动力矩。同时，在影响加载质量与快速性上，研究人员采用底的磁滞效应的磁路材料来提升响应时间。针对磁粉制动器一阶惯性滞后的系统特点，各类算法都具有一定的局限性，其主要原因是被控制量与输入在时间上的不同步，导致系统超调量过大，需要整定调谐的时间过长，从而导致系统的稳定性明显变差，进而表现在系统的控制是算法设计上的难度大大增加。

2.4 解决缺点的方法

磁粉机核心的原理是利用电磁效应使得磁粉在磁力线作用下形成磁粉链，但是由于可能长时间静置、不使用或者运输过程中发生震动使得磁粉掉落一边导致卡死。或者是因为空气中的水分使得磁粉板结等，这些都要影响磁粉机的输出性能，导致不准确的验证发生。智能材料中的磁流体材料作为一种先进的智能材料，可以很好的解决这些问题。并且磁流体材料具有优良的稳定性、磁控特性和微秒级的可逆变化特性，是一种替代磁粉的最为有效的材料。同时，由于磁流变材料的沉降问题在如今已经得到了很好的解决，如重庆大学[8]研究出的磁流变胶泥经实验发现经过长达1 年的静置沉降发生现象也是不明显的，如图2 所示，且磁性颗粒分布均匀，故采用磁流变材料可以很好的解决磁粉机磁粉散落导致卡死情况。

图2 磁流变胶泥静置365 天后泥线目视观测结果

磁粉机在使用前一般要预热半个小时，显然效率是不够高的，而采用磁流变材料后可以大大提高效率，磁流变材料从液体到半固体的转换时间通常在毫秒级别，故采用磁流变材料可以提工作效率。

2.5 采用磁流变材料的磁粉机

如图3 所示，核心部分为磁流变阻尼体9，采用的材料为磁流变液体，经加载电流后，磁流变材料发生磁流变效应，在瞬间将类牛顿介质体转变为半固体，传递扭矩，经力扭矩传感器7 可以转矩值传递出去，连接法兰1 作为支撑，扭矩经联轴器6 将扭矩传递给连接轴2，连接轴2 就可将扭矩传递给与之连接，并且在传递扭矩过程中，由轴向支撑8 和导向支撑3 保证扭矩不会偏移导致整个工作台发生震动。

图3 制动器原理图

基于磁流变液的磁粉机工作原理：安装在法兰连接座1上的执行机构，通过中心轴花键槽2 将转矩传递到磁流变阻尼本体9 的中心转轴上，安装在中心转轴上的中间旋转导磁剪切盘在转矩的作用下剪切阻尼体内固定导磁盘与旋转导磁板之间填充的磁流变流。磁流体与固定导磁盘、旋转剪切盘、导磁筒、上下导磁盖板之间形成磁通路。通过控制箱控制绕置在隔磁筒上的励磁线圈中电流的大小，使得上述磁通路中磁场的大小发生改变。而在间歇内的磁流变液在磁场的作用下发生磁流变效应，使得剪切应力发生改变，从而使得剪切盘旋转阻尼力增大，进而将这种阻尼力转换成中心旋转轴输出制动转矩，通过设置在中心轴上的力矩传感器7 即可获得被测试执行机构的输出转矩、转速等。

3 磁流变材料在表面质量控制方面的应用

3.1 表面质量的重要性

表面质量是加工制造和设备正常运行的非常重要量，往往表面损坏即使一个设备出问题的开始，而经加工过后的表面都存在不同的粗糙度，这种粗糙度主要由波纹、裂纹及冷硬等缺陷构成。而就是这么极薄的一层，对零部件甚至整机的影响是非常重要的。随着精密化、高速化、多功能发展的需求加大，现代化的设备对工作温度、压力、速度、应力等要求提高，对于任何的表面缺陷都会加速零件的失效。因此，必须重视机械加工表而质量。

3.2 提高表面质量的方法

提高表面质量的方法有很多，比如说在加工时注意提高切削速度，这样可以有效防止积屑瘤的产生；减少刀具的进给量、主偏角以及提高刀具的前角等策略也可以合理的提高表面质量。不过最终的表面质量控制方法一般都是研磨，因为研磨可以使得工件获极高的表面质量。当前磁性磨具按照工作介质主要分为磁粉磨和磁流变胶基柔性磨。由于磁粉磨采用的是分散颗粒，使得设备的制作成本高，而且磁粉飞散导致重复利用率底。磁流变胶基柔性磨介质采用聚合物与铁磁颗粒混合制成柔性材料，具有一定的柔韧性和自适应性，使得工件表面光滑处理过程中具有教好的表面贴合，使得各种复杂曲面、异形面、沟槽等均能使用。

3.3 使用磁流变材料对智能研磨的优点

3.3.1 零件抛光后，被抛光表面获得高质量的光学特性。

3.3.2 有比较强的可控性，通过精确的控制电流和定位，可以处理较复杂的工艺表面。

3.3.3 拥有非常高的去除效率。

3.3.4 利用液体的流动性，使得传统的因控制不当造成的刀具损坏，或者加工过程中的堵塞造成的设备故障等问题得到解决。

3.3.5 独特的磁流变效应剪切抛光，使得抛光的速度、精度等均可以获得教好的控制，同时还可以完成诸如纳米级别厚度的精确抛光，而且可以零损伤的被抛光零件表面。

故磁流变材料对于提高智能制造过程中表面质量的效果是明显的，可以极大的提高效率和质量。

4 磁流变材料在智能传感器中的应用

4.1 智能传感器在智能制造中的作用

当我们提到智能制造，智能制造实施的关键步骤首先被提出：状态感知→实时分析→自动决策→精准执行[9]。其中第一步是基础、是关键、状态感知是通过智能传感器准确感知设备或系统的实时运行状态。智能传感器将“感知”和“认知”结合起来，可以感知系统各种现象，实现判断、推理功能，没有传感器，就没有采集信息、数据的功能，所有制造基础无从下手，智能制造的地基如同空中楼阁。故智能制造是由智能传感器作为基础的，其重要性不可言语。

4.2 基于磁流变材料的传感器

关静[10]等基于磁场变化引起磁流体折射率的变化的理论，提出了一种了基于磁流体的长周期光纤光栅(long period fiber grating, LPFG)光学电流传感器(如图4 所示)，根据可知LPFG 波长受到环境折射率的影响，通过LPFG的耦合模理论确定其波长。当磁场平行光波方向作用时，磁流体折射率与磁场大小存在特定递增关系，再由LPFG 的环境折射率敏感特性，利用磁场与电压之间的递增关系，达到电流电流传感的目的。该传感器具有体积小、无磁滞等特点，而且结构简单、灵敏度高、抗干扰性强，具有与电力监测高度契合特性。同时，对于在智能制造过程中对于电流敏感性较大的场合可应用。

图4 传感器实物图

胡国清[11]等提出磁流变新型微加速度传感器，如图5 所示。当对磁流体施加磁场时，磁流变材料发生磁流变效应，在毫秒级时间内由液体变为半固体，除了流变特性发生变化，磁流变流体的介电常数也发生改变，电容极板由两部分组成，分别是悬臂梁和质量快，且与两测固定板构成差分电容，当有加速度信号出现的时候，质量块受惯性力发生位移，电容间隙发生变化，同时差分电容也发生变化，进而可得到加速度的值。输入电压和加速度的关系由电流产生的磁场决定，极板的变形与电压的关系取决于加速度的大小，于是输入与输出就建立起了明确的联系。最终实验表面此传感器稳定耐用、动态范围广。

图5 微加速度计的结构示意图

5 结论

先进材料是衡量现代科技和高端制造业水平的重要标志，是制造业皇冠顶端的明珠。智能材料是21 世纪的尖端科技之一，作为一种智能控制载体及其应用将对工业安全产生重要的影响。面向机械传动领域的智能测试技术属于前沿交叉学科领域，直接决定了基础工业的发展水平，同时也反映了国家的科技、军事等综合竞争力。随着智能制造的快速发展，智能材料在其中的作用表现的非常出色，产品质量、自动化原件以及智能传感器需要智能仪器，智能仪器一方面需要拥有互联网，另一方面需要智能材料作为介质，这是制造趋智能化的重要物理介质。如何将智能材料和智能制造搭配更加优胜、如何提高智能制造的效率将是长期研究的问题。因此，加快基础行业测试共性关键技术的研究，着力推进工业发展质量，推动工业转型升级，加快制造强国建设，改善人民生活水平具有重要意义。