磁性磨粒光整加工中磁場發(fā)生裝置的設(shè)計與開發(fā)*

陳紅玲,李文輝,楊勝強,楊世春

(太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院,太原 030024)

0 引言

磁性磨粒光整加工是利用填充于加工間隙中的磁性磨粒,在具有一定大小磁感應(yīng)強度的磁場中所產(chǎn)生的作用力,以及工件和磁極間的相對運動,實現(xiàn)對工件表面光整加工的一種新工藝[1-4]。磁性磨粒光整加工設(shè)備的核心部件是磁場發(fā)生裝置,用于在加工域中產(chǎn)生特定大小的磁感應(yīng)強度,磁化磁性磨粒而形成作用力。

磁性磨粒達到其飽和磁感應(yīng)強度后,加工間隙的磁感應(yīng)強度不再隨磁場特性參數(shù)值的增加而增加,因此其飽和磁感應(yīng)強度是設(shè)計磁場發(fā)生裝置的依據(jù)。本文通過設(shè)計磁回路測量裝置確定磁性磨粒的飽和磁感應(yīng)強度,并進行了修正,最后設(shè)計開發(fā)了磁場發(fā)生裝置,同時為各種磁場發(fā)生裝置的設(shè)計和磁性磨粒的選用提供一定的參考。

1 飽和磁感應(yīng)強度的確定

(1)實驗裝置

圖 1為設(shè)計的飽和磁感應(yīng)強度測試裝置原理簡圖。將鐵芯 4置于空心線圈骨架 3中,安裝上下磁軛 1和上磁軛 5,再把 φ20×48的試樣盒裝滿磁性磨粒,試樣盒下部留出2mm的氣隙。在設(shè)計磁路時,將鐵芯截面邊長與氣隙寬度之比設(shè)計為10∶1,符合大于 8∶1的建立氣隙勻強磁場的經(jīng)驗做法[5]。圖 2為測試裝置照片。

(2)實驗分析

對圖 1中的磁路應(yīng)用安培磁路定理進行分段處理,可得：

式中,N為線圈匝數(shù);I為電流;Hc、Hy、Hf、Hg分別為鐵芯 、磁扼 、磁性磨粒、氣隙中的磁場強度(A/m);Lc、Ly、Lf、Lg分別為鐵芯、磁扼、磁性磨粒、氣隙的長度(m)。

在假定沒有磁泄露的情況下,可得磁感應(yīng)強度 B與作用于線圈中電流 I的關(guān)系為：

由此求得磁性磨粒的磁場強度為：

式中,Bc、By、Bf和 Bg分別為鐵芯、磁扼、磁性磨粒及氣隙中的磁感應(yīng)強度(T);μ0為真空磁導(dǎo)率;μr為純鐵的相對磁導(dǎo)率。

根據(jù)高斯磁場定律,磁感應(yīng)強度的法向分量連續(xù)穿過兩介質(zhì)邊界,可得：

簡化整理后可得磁性磨粒的磁場強度與磁感應(yīng)強度的關(guān)系式為：

式中,線圈匝數(shù) N,氣隙高度 Lg,真空磁導(dǎo)率 μ0,試樣盒高度Lf為已知值,只有通過線圈的電流I和氣隙的磁感應(yīng)強度 Bg為兩個變量。因此,當(dāng)線圈中通以可調(diào)直流電流時,將特斯拉儀探頭置于氣隙之中,即可測量出氣隙中各點的磁感應(yīng)強度 Bg,從而計算出對應(yīng)的 Hf值,建立磁性磨粒的磁場強度 H與磁感應(yīng)強度 B之間的B-H關(guān)系曲線,如圖 3所示。

圖 3 磁性磨粒的 B-H磁化曲線

由圖 3可以看出：①磁場強度很小時,磁感應(yīng)強度B隨磁場強度 H的增加而迅速增加,并在 400kA/m處出現(xiàn)拐點,而后基本保持穩(wěn)定不變,由此可以得到磁性磨粒的飽和磁感應(yīng)強度 Bsat,為磁場發(fā)生裝置的設(shè)計提供理論依據(jù)。②由于測試裝置存在氣隙,不可避免的會產(chǎn)生漏磁,以及特斯拉儀探頭結(jié)構(gòu)的限制,無法測量出中心處的磁感應(yīng)強度值,而此處的值為最大值,因此測量結(jié)果應(yīng)該進行修正。

總之,該測試方法容易使磁性磨粒的磁感應(yīng)強度達到飽和,實現(xiàn)快速檢測,為磁性磨粒的選用以及磁場發(fā)生裝置的設(shè)計提供依據(jù)。

(3)飽和磁感應(yīng)強度的確定

考慮磁阻和漏磁的影響,磁場發(fā)生裝置設(shè)計時的磁感應(yīng)強度應(yīng)有所增加,為：

式中,B為所設(shè)計的磁場發(fā)生裝置的磁感應(yīng)強度(T);kf為漏磁系數(shù),在不同的磁路結(jié)構(gòu)(不同的尺寸結(jié)構(gòu)、磁勢分布)中,差別很大,從 2到 20都可以,在磁性磨粒光整加工的磁路中可以做到較小,取 1.2～5[6];kr為磁阻系數(shù)(磁勢損失系數(shù),一般在 1.05至 1.45之間);Bsat為磁性磨粒的飽和磁感應(yīng)強度(T)。

綜上所述,在磁性磨粒光整加工工藝中,根據(jù)加工工件和加工要求的不同,磁場發(fā)生裝置所需的磁感應(yīng)強度一般取 0.6～1.4T左右。

2 磁場發(fā)生裝置的設(shè)計

磁場發(fā)生裝置,亦稱磁場源,是磁性磨粒光整加工設(shè)備的核心部件,可分為電磁源和永磁源。電磁源可以產(chǎn)生較大的磁感應(yīng)強度,磁感應(yīng)強度的大小也可通過調(diào)整輸入電流的大小進行調(diào)節(jié),當(dāng)加工大型工件需要旋轉(zhuǎn)磁場源時,還可通過脈沖電流來實現(xiàn)固定磁場源的旋轉(zhuǎn)。但其需要繞組線圈,不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大,而且渦流熱會使工件溫度升高,影響加工效果,也不適合與精密設(shè)備連接。永磁源結(jié)構(gòu)簡單、裝置輕便,但磁感應(yīng)強度較小,調(diào)節(jié)也不方便。

2.1 磁路設(shè)計

磁場發(fā)生裝置的設(shè)計主要包括磁路設(shè)計和磁極結(jié)構(gòu)設(shè)計,圖 4為電磁源結(jié)構(gòu)示意圖。電磁磁路設(shè)計的關(guān)鍵是勵磁線圈設(shè)計,即在最大磁感應(yīng)強度一定的條件下,計算線圈的匝數(shù)。

在忽略其它部分的磁阻時,磁路中的磁動勢 F由磁阻 Rm來決定。

式中,Φ為磁通(Wb),B為磁感應(yīng)強度(T),S為磁路的橫截面積(mm2)

圖 4 電磁源示意圖

為了使加工區(qū)域得到需要的磁感應(yīng)強度,磁路中的所有磁導(dǎo)體截面必須避免磁飽和,同時磁通應(yīng)流過沒有飽和的全部磁導(dǎo)體。磁路中的每個部分都會構(gòu)成磁通經(jīng)過的磁阻 Rm,計算時常采用磁阻的倒數(shù)磁導(dǎo)Λm。此時,式 (7)可寫成：

當(dāng)磁回路中電流為定值時,若將磁導(dǎo) Λm求出,線圈的匝數(shù)即可確定。

磁導(dǎo)的計算與加工間隙有關(guān)。對于磁性磨粒光整加工的磁路來說,最常見的加工間隙有長方形和環(huán)形,如圖 5所示。

圖 5 加工間隙的形狀與參數(shù)

長方形加工間隙的磁導(dǎo) Λt為：

式中,lt為磁極寬度(mm);bt為磁極高度(mm);gt為加工間隙(mm)。

環(huán)形加工間隙的磁導(dǎo) Λc為：

工程計算實例：磁性工件直徑d=30mm,長度L=45mm,磁極寬度 lcm=40mm,磁極高度 bcm=20mm,加工間隙 gcm=1～3mm,加工區(qū)域的磁感應(yīng)強度 B=1.4T,計算結(jié)果見表1。對于直徑d=15mm的非磁性工件,計算結(jié)果見表 2。

表 1 實例 1的計算結(jié)果

表 2 實例 2的計算結(jié)果

通過分析和計算,若在為加工磁性材料工件設(shè)計的磁場源上加工非磁性工件,為了達到相同的磁感應(yīng)強度,就必須增加約四倍的電流值。反之,若在為加工非磁性材料工件設(shè)計的磁場源上加工磁性工件,將會出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。

若取鐵芯與軛框為正方形斷面時,當(dāng)飽和磁感應(yīng)強度為 1.4T時,可計算出其單邊長度必須在 36mm以上,故可取鐵芯與磁軛的單邊尺寸為 40mm。

2.2 磁極結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁極頭的結(jié)構(gòu)形狀直接影響磁性磨粒對工件的作用力,其結(jié)構(gòu)設(shè)計與被加工工件的形狀、尺寸及其導(dǎo)磁性能等多種因素有關(guān)。

當(dāng)磁極與工件之間的加工間隙出現(xiàn)大小變化時,間隙大的部位磁場強度弱;間隙小的部位磁場強度強,構(gòu)成了非均勻磁場,更有利于改善加工效果,磁極表面一般均需開有溝槽。

對于回轉(zhuǎn)表面,磁極頭形狀和結(jié)構(gòu)一般為被加工零件形狀的偶件;對于復(fù)雜自由曲面,可由水平面、垂直面、傾斜面、內(nèi)外圓弧面及自由曲面等構(gòu)成,磁極頭則可設(shè)計成一些典型形狀,如圖 6所示。

圖 6 常見幾何體形狀的磁極頭

另外,用永磁鐵代替電磁鐵具有很多優(yōu)點,可將磁場源與磁極頭合二為一,開發(fā)簡單適用的永磁磁極頭。目前,我們已成功開發(fā)了多種實用的磁場發(fā)生裝置,圖7為兩種電磁場發(fā)生裝置;圖 8為兩種永磁場發(fā)生裝置。

3 結(jié)束語

通過設(shè)計磁回路測量裝置確定磁性磨粒的飽和磁感應(yīng)強度,并進行了修正;最后對磁路和磁極結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計,并開發(fā)了相應(yīng)的磁場發(fā)生裝置,同時為各種磁場發(fā)生裝置的設(shè)計和磁性磨粒的選用提供一定的參考。

[1]V K Jain,Prashant Kumar,P K Behera,etal.Effect ofworking gap and circum ferential speed on the performance ofmagnetic abrasive finishing process[J].Wear 2001(250)：384-390.

[2]楊世春,汪鳴錚,張銀喜.表面質(zhì)量與光整技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2000.

[3]Dhirendra K Singh,V K Jain,V Raghuram.Parametric study ofmagnetic abrasive finishing process[J].JournalofMaterials Processing Technology 2004(149)：22-29.

[4]陳紅玲,張銀喜.磁性研磨加工工藝參數(shù)的實驗研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2002,33(1)：16-18.

[5]張欣,陸申龍.用數(shù)字式毫特儀測量鐵磁材料的磁滯回線與磁化曲線[J].實驗室研究與探索,2001(5)：48-51.

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