基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)研究

蒯雪嬌，周燕飛

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引 言

整體結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用使得現(xiàn)代飛機(jī)的重量大大減輕，機(jī)械性能也相應(yīng)大幅提升［1］。但是，航空整體結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀不規(guī)則，使得其在機(jī)械加工過程中的裝夾非常困難，而這將直接影響整體結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。針對整體結(jié)構(gòu)件裝夾困難的情況，本研究提出一種基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在磁力吸盤基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展。它是以導(dǎo)磁粉末作為力的傳遞介質(zhì)，在磁場的激勵下產(chǎn)生阻礙工件運(yùn)動的夾持力，從而達(dá)到對工件進(jìn)行夾持的目的。

本研究闡述該夾持系統(tǒng)的基本原理以及夾持力的產(chǎn)生機(jī)理，并將該夾持系統(tǒng)與磁力吸盤相比較，利用有限元軟件和實驗進(jìn)一步分析其夾持可行性。

1 基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)

現(xiàn)在磁力機(jī)械的發(fā)明越來越多，如磁力吸盤、磁力軸承、磁力齒輪等［2］。磁力機(jī)械就是利用磁能產(chǎn)生的力和力矩來驅(qū)動或者控制磁場中的構(gòu)件。磁力機(jī)械的種類很多，但其基本原理都是利用磁體同極性的排斥力或異極性的吸引力。

1.1 磁力吸盤

磁力吸盤就是一種典型的磁力機(jī)械，它是一種裝卸簡單、節(jié)約能源、易于實現(xiàn)自動化的高效能夾具［3］。它利用電磁線圈通電后吸盤產(chǎn)生的吸力來固定被加工工件，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于各類平面磨床、銑床、刨床的材料加工。傳統(tǒng)的電磁吸盤最初被應(yīng)用在磨床上以代替夾板和螺栓來固定被磨削工件，這樣的電磁吸盤也比較簡單，只能固定平板式的工件。傳統(tǒng)的電磁吸盤主要是由線圈、極芯、面板和盤體組成，其基本原理如圖1所示。但是由于制作上的原因，傳統(tǒng)電磁式磁力吸盤的吸力較小而且不均勻，工作時經(jīng)常會有夾持失敗的危險。

圖1 磁力吸盤基本工作原理

從圖1中可以看出，磁力線垂直于工作臺進(jìn)入工件。因此，磁力吸盤的磁力只能夠垂直作用在工件與磁盤接觸的表面。力的方向垂直于磁盤表面，作用點也局限在工件與磁盤的接觸面上，因此作用力相對較小。另外，利用磁力吸盤所加工的工件必須是磁性工件，因此磁力吸盤在加工時存在定位精度不高、適用范圍窄、生產(chǎn)效率低等缺點［4］。

1.2 基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)

本研究所提出的基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)是建立在導(dǎo)磁定位的基礎(chǔ)上，通過導(dǎo)磁元件傳遞磁力，使作用力的3個要素可以人為控制。它是利用導(dǎo)磁粉末來夾持工件，其基本原理是:在工件周圍填充導(dǎo)磁粉末，在磁場的作用下導(dǎo)磁粉末被磁化，使工件不僅受到激磁裝置的吸力還受到兩個互成直角的吸力［5］。當(dāng)工件在切削過程中有運(yùn)動趨勢時，粉末與工件以及工作臺之間就會產(chǎn)生摩擦力的作用，產(chǎn)生的摩擦力即為工件的夾持力，它將會阻礙工件的相對位移，從而可靠地夾持工件。其基本原理圖如圖2所示。

圖2 基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)基本工作原理

如圖2所示，整個磁性平臺是由銅和純鐵組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，銅的主要作用是支撐工件，純鐵的主要作用是引導(dǎo)磁力線穿過平臺進(jìn)入粉末填充區(qū)。該激磁裝置是通過電磁裝置的通、斷電來實現(xiàn)磁場的關(guān)閉和開啟，而且夾持力的大小也可以通過電磁裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。在夾持過程中，筆者首先將外加磁場關(guān)閉，把工件放置在平臺上，然后將導(dǎo)磁粉末按照一定的高度填充在工件周圍，然后通過控制系統(tǒng)開啟外加磁場，使得磁力線經(jīng)過導(dǎo)磁粉末、磁極和平臺，形成閉合回路。這時，工件就可以被可靠地夾持。

基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)也是一種磁力機(jī)械，它是以導(dǎo)磁粉末作為導(dǎo)磁元件，利用磁場對其中的導(dǎo)磁粉末和工件進(jìn)行磁化形成回路，實現(xiàn)對工件的夾持。該夾持系統(tǒng)與磁力吸盤相比，不僅夾持力的大小、方向和作用點可控，而且它還能夾持非磁性工件，應(yīng)用更加廣泛。

1.3 夾持力產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)夾持系統(tǒng)的基本工作原理可知，不同磁性的工件夾持力的產(chǎn)生機(jī)理并不相同?，F(xiàn)把工件簡單地分為磁性工件和非磁性工件，分別闡述這兩類工件的夾持力產(chǎn)生機(jī)理。

對于磁性工件而言，磁力線經(jīng)過導(dǎo)磁粉末和工件形成回路，磁力線分布如圖2所示。工件不僅受到激磁裝置垂直于工作臺表面上的吸引力，還受到水平方向上導(dǎo)磁粉末的吸引力。當(dāng)工件受到切削力的時候，工件產(chǎn)生相對于工作臺的運(yùn)動趨勢，由于工件兩側(cè)磁粉的相互吸引力，將會產(chǎn)生豎直方向上的摩擦力，而這些摩擦力將會阻礙工件豎直方向上的相對位移，從而能對工件進(jìn)行可靠地夾持。豎直方向上的夾持力方向和作用點無法改變，只能通過改變磁場強(qiáng)度來調(diào)節(jié)大小。但是卻可以通過改變導(dǎo)磁粉末填充參數(shù)來改變水平方向上夾持力的大小、方向和作用點。

圖3 非磁性工件的夾持原理

對于非磁性工件而言，磁力線經(jīng)過導(dǎo)磁粉末，避開工件形成回路，磁路如圖3所示。工件在豎直方向上不受到磁場的作用，但是水平方向上仍受到由于導(dǎo)磁粉末的吸引力產(chǎn)生的摩擦力，依靠這些摩擦力來夾持工件。研究者可以通過合理選擇導(dǎo)磁粉末以及改變導(dǎo)磁粉末的填充參數(shù)和磁場強(qiáng)度的大小來控制夾持力。

2 兩種夾持系統(tǒng)對比

由以上分析可知，磁力吸盤只能夠作用在工件與磁盤相接觸的表面上，作用點很低，在加工某些較高零件時是很危險的［6］。而基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)可以使磁力作用點上升，使得工件在加工時銑削力對工件作用力的力臂減小，傾覆力矩也相應(yīng)減小，應(yīng)用范圍也更加廣泛。為了能直觀了解該夾持系統(tǒng)與傳統(tǒng)磁力吸盤的不同，驗證該夾持系統(tǒng)的可行性，現(xiàn)筆者分別從軟件模擬和實驗的方法對比這兩種夾持方法的夾持效果。

2.1 有限元分析對比

本研究利用ANSYS 13.0軟件對這兩種夾持系統(tǒng)的磁場分布情況進(jìn)行定性地分析［7］。本研究以U形電磁裝置作為研究對象，各部分的參考參數(shù)設(shè)定為:磁極間距為30 mm，磁極厚度為20 mm，磁極高度為50 mm，空氣間隙為1 mm，工件的高度為30 mm，空氣間隙為1 mm，填充的導(dǎo)磁粉末選用80目鐵粉，填充高度為20 mm，線圈匝數(shù)為650匝，激磁線圈的電流強(qiáng)度為1 A。筆者在建立這兩種夾持系統(tǒng)的有限元模型的時候進(jìn)行了一定的假設(shè):①將三維的夾持系統(tǒng)簡化成二維平面問題來進(jìn)行研究；②本次有限元分析的目的主要是分析工件表面的磁場分布情況，是與時間沒有關(guān)系的特性，因此將磁場假定為靜磁場；③假定填充的導(dǎo)磁粉末為各向同性材料，采用平均化磁化曲線；④取無限遠(yuǎn)處的磁勢為參考磁勢［8］；⑤忽略了空氣中的漏磁。定義空氣、磁極、線圈、工件和導(dǎo)磁粉末的相對磁導(dǎo)率分別為1、1 000、1、1 000和2 000。本研究建立幾何模型，設(shè)置單元屬性，劃分網(wǎng)格，形成有限元模型，分析磁場分布的結(jié)果如圖4、圖5所示。

如圖4、圖5所示，磁力吸盤的磁力線都是垂直于工件與平臺的表面進(jìn)入工件，夾持力的作用方向始終是在豎直方向上的，作用點也是集中在工件與平臺的接觸表面，夾持并不十分可靠。而對于基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)，因為導(dǎo)磁粉末的關(guān)系，夾持力的作用點得以上移，并不只靠底面的吸附作用，相當(dāng)于增加了約束力偶，因此能夠較好地產(chǎn)生夾持作用。關(guān)鍵是在該夾持系統(tǒng)中夾持力的作用面積增大，工件受力更加均勻，產(chǎn)生的變形量也較小，能夠達(dá)到更高的精度，因此這種夾持系統(tǒng)還可以用來夾持薄壁類零件。

圖4 磁力吸盤的磁場分布圖

圖5 基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)磁場分布圖

2.2 實驗分析對比

本研究測量的是當(dāng)工件不產(chǎn)生位移時所能克服的最大外加作用力。測量垂直和水平夾持力如圖6、圖7所示［8-9］。

圖6 垂直夾持力測量裝置

圖7 水平夾持力測量裝置

在實驗中，筆者使用Q235工件12（直徑85 mm，高度20 mm）作為試驗件。激磁電流從0.4 A變化到0.9 A，導(dǎo)磁粉末的填充高度為10 mm。測量時，本研究對工件施加拉力，直到工件的狀態(tài)被破壞，記錄這一過程中的拉力最大值。通過依次變化激磁電流，可以得到這兩種夾持系統(tǒng)的不同垂直和水平夾持力值，如表1、表2所示。

表1 垂直夾持力的測量結(jié)果對比

表2 水平夾持力的測量結(jié)果對比

由表1、表2可以看出:①隨著激磁電流的增加，垂直和水平夾持力的數(shù)值也隨之增大；②在相同的激磁電流下，磁力吸盤的垂直和水平夾持力都比基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)的夾持力要小。

2.3 最大變形量分析對比

為進(jìn)一步分析該夾持系統(tǒng)對工件的夾持效果，現(xiàn)本研究對采用這兩種夾持方法的工件進(jìn)行最大變形量分析［10］。分析中激，磁強(qiáng)度為1 A，導(dǎo)磁粉末填充高度為15 mm，切削力F=129.491 N，本研究采用有限元軟件Patran建立模型，用Nastran進(jìn)行計算，其結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 工件在磁力吸盤下的變形量

圖9 工件在基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)下的變形量

由圖8、圖9可以看出，當(dāng)采用基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)夾持工件時，工件的最大變形量為4.61×10-7；而當(dāng)采用磁力吸盤夾持工件時，工件的最大變形量為6.08×10-7。雖然采用基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)，工件的最大變形量有所減少，但是并沒有顯著減少。經(jīng)分析，這是因為對于如上所述的試驗工件，工件是實體零件，并非薄壁件。對于這樣的實體零件，其最大變形量依然有較大程度地減少，相比于磁力吸盤，其性能更加優(yōu)越。

3 結(jié)束語

本研究介紹了一種基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)，該夾持系統(tǒng)是利用導(dǎo)磁粉末作為導(dǎo)磁元件，利用激磁裝置激發(fā)的磁場對工件進(jìn)行導(dǎo)磁定位。筆者利用AN?SYS有限元分析軟件對磁力吸盤和該夾持系統(tǒng)進(jìn)行磁場有限元分析，并對比分析了在相同激磁電流下這兩種夾持系統(tǒng)對工件的垂直和水平夾持力。最后，利用有限元分析軟件分析了工件在這兩種夾持系統(tǒng)下的最大變形量。研究結(jié)果表明，基于導(dǎo)磁粉末的夾持系統(tǒng)相比于磁力吸盤具有更加優(yōu)越的性能，能夠可靠地夾持工件，適用范圍更加廣泛，是一種高效、可靠的新型夾持系統(tǒng)。

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