金屬磁流變光整加工中磁極平行布置的磁場(chǎng)研究＊

高佳宏，韓利國(guó)，武小宇

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710021）

磁流變光整加工（Magnetorheological Finishing，MRF）技術(shù)利用磁流變拋光液在梯度磁場(chǎng)中發(fā)生流變而形成的具有黏塑特性的柔性“小磨頭”與工件之間快速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使工件表面受到較大的剪切力，實(shí)現(xiàn)工件表面材料被去除，是一種融合了電磁學(xué)、流體力學(xué)、分析化學(xué)及機(jī)械光整加工理論的技術(shù)．在金屬材料磁流變光整加工中，磁場(chǎng)的強(qiáng)度、磁場(chǎng)分布的均勻程度、磁力線與試件表面的垂直程度等因素對(duì)加工效果有重要的影響，為了獲得更優(yōu)的加工表面粗糙度，研究人員從不同的角度提出了多種磁極布置方式．

楊勝?gòu)?qiáng)［1］等在液體磁性磨具光整加工技術(shù)中提出了平行磁極布置和垂直磁極布置兩種磁極布置方式，并從光整加工的角度對(duì)這兩種磁極布置方式的磁場(chǎng)特性進(jìn)行了研究；閻秋生［2］等提出了一種單點(diǎn)式磁極布置，研究了這種磁極布置對(duì)磁流變液的作用機(jī)理，并結(jié)合工藝試驗(yàn)對(duì)加工參數(shù)和磁極的形狀設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究；柴京富、閻秋生［3］在單點(diǎn)磁極布置的基礎(chǔ)上提出了集群式磁極布置，相對(duì)單點(diǎn)磁極布置可以顯著提高光整加工的效率，但是只能局限于平面的光整加工；郭忠達(dá)［4-5］等面對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)接觸式的磁極布置，提出了一種面接觸式的旋轉(zhuǎn)環(huán)帶式磁極布置，并基于這種磁極布置進(jìn)行了加工工藝試驗(yàn)和加工機(jī)理研究，這種磁極布置方式能夠使流變后形成的Bingham體更為均勻；Manas Das V．K．［6］等在對(duì)旋轉(zhuǎn)磁流變磨料流（R-MRAFF）加工技術(shù)研究中，通過(guò)對(duì)磁極布置方式的分析研究，提出了一種在圓環(huán)上兩對(duì)磁極N、S極交替均勻布置的磁極布置方式，能有效提高磁場(chǎng)分布的均勻性和磁感應(yīng)強(qiáng)度．

在磁流變光整加工裝置設(shè)計(jì)中，磁場(chǎng)發(fā)生模塊選用了永磁鐵．與線圈磁場(chǎng)相比，產(chǎn)生相同大小的磁場(chǎng)，永磁鐵具有成本低，所占空間小等優(yōu)點(diǎn)，但是所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的可控性較差．為此，文中在磁流變光整加工裝置設(shè)計(jì)中，提出了一種改進(jìn)的平行磁極布置，采用導(dǎo)磁性材料對(duì)平行布置的磁極進(jìn)行連接，利用ANSYS軟件對(duì)加工區(qū)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分布進(jìn)行分析，以期改善磁流變光整加工裝置對(duì)加工區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度可控性．

1 磁流變光整加工原理

磁流變光整加工原理如圖1所示，試件的被加工端浸沒(méi)在磁流變拋光液中，另一端在加持裝置下與機(jī)床主軸相連．加工過(guò)程中首先讓試件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，然后給磁流變拋光液加上平行磁場(chǎng)，使其發(fā)生流變．當(dāng)試件浸沒(méi)在發(fā)生流變的磁流變拋光液中，高速旋轉(zhuǎn)且做縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)突現(xiàn)了磨料對(duì)工件表面的光整加工．

圖1 磁流變光整加工原理Fig．1 The schematic diagram of the MR finishing

2 平行磁極布置的改進(jìn)

平行磁極布置方式如圖2（a）所示，兩塊磁極N、S極相對(duì)，平行布置在載液盒兩側(cè)．在設(shè)計(jì)磁路過(guò)程中，為了更好利用導(dǎo)磁材料對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布產(chǎn)生的影響，本文對(duì)平行磁極布置方式進(jìn)行了如下改進(jìn)：利用導(dǎo)磁材料（鑄鐵）將兩塊平行放置的永磁鐵（磁極）的非磁化方向面（與磁化方向平行的表面）連接，改進(jìn)后的磁極布置方式如圖2（b）所示．

圖2 平行磁極布置的改進(jìn)Fig．2 The improved parallel arrangement of magnetic pole

3 仿真分析

利用ANSYS電磁場(chǎng)分析模塊對(duì)這兩種布置方式進(jìn)行分析和比較，來(lái)研究改進(jìn)平行磁極布置方式的加工區(qū)域磁場(chǎng)的特點(diǎn)．

3．1 ANSYS模型的建立

由于磁極布置方式具有軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其簡(jiǎn)化為二維模型進(jìn)行分析，在ANSYS中分別對(duì)兩種磁極布置方式建立圖2的模型．模型中相關(guān)的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1．載液盒由不導(dǎo)磁的塑料制成，相對(duì)導(dǎo)磁率設(shè)置為1．磁流變拋光液的導(dǎo)磁率通過(guò)文獻(xiàn)［1］確定，永磁鐵的參數(shù)由制造商提供，通過(guò)查找資料鑄鐵的相對(duì)導(dǎo)磁選擇352．

3．2 結(jié)果與分析

3．2．1 兩種磁極布置方式下的磁力線分布

通過(guò)圖3磁力線分布對(duì)比圖可知，圖3（b）為改進(jìn)平行磁極布置方式，靠近鑄鐵導(dǎo)磁材料的部分磁力線分布密集，遠(yuǎn)離鑄鐵導(dǎo)磁材料的部分磁力線分布相對(duì)稀疏，鑄鐵導(dǎo)磁材料部分磁力線最為密集，而圖3（a）中磁力線總體呈現(xiàn)均勻?qū)ΨQ分布；兩種磁極布置方式，在加工區(qū)域（兩個(gè)永磁體中間的部分）形成的磁力線的方向沒(méi)有明顯的差異．

表1 ANSYS仿真分析中所用參數(shù)值Tab．1 The value of parameters used in ANASYS simulation

圖3 磁力線分布對(duì)比Fig．3 The comparison maps of magnetic flux distribution

根據(jù)金屬材料磁流變光整加工原理，磁力線方向可以盡可能的垂直于回轉(zhuǎn)體試件的表面，使磁場(chǎng)作用力更有效的作用于磨料，保證磨料與試件表面的擠壓力，從而保證加工效果［7］．

3．2．2 兩種磁極布置方式下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

加工區(qū)域磁場(chǎng)分布的均勻性主要指有效加工區(qū)域面積的相對(duì)大小［8］，圖4中加工區(qū)域A部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，難以實(shí)現(xiàn)有效的光整加工，有效的加工區(qū)域?yàn)锽部分．通過(guò)圖4磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖的對(duì)比，可以看出圖4（b）中加工區(qū)域的B部分所占比例減小，說(shuō)明圖4（b）中加工區(qū)域的有效加工面積縮小，且磁感應(yīng)強(qiáng)度存在較明顯的變化，沿圖中y方向（縱向）磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布出現(xiàn)了較明顯的區(qū)域差異，呈現(xiàn)出“小-大-小”變化趨勢(shì)，即磁場(chǎng)分布的均勻性變差．

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布對(duì)比Fig．4 The comparison cloud maps of magnetic flux density

3．2．3 加工區(qū)域中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度值的比較

針對(duì)實(shí)際加工中用到的三種磁極布置間距d分別為25mm、30mm、35mm．在ANSYS中分析兩種磁極布置方式下，加工區(qū)域中間位置（即載液盒的幾何中心）的磁感應(yīng)強(qiáng)度值．利用ANSYS后處理中路徑輸出功能輸出結(jié)果如圖5～7所示，所定義的路徑是以載液盒的中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，以z軸上距離坐標(biāo)原點(diǎn)5mm的位置為初始點(diǎn)，沿z軸負(fù)方向每隔1mm取一個(gè)點(diǎn)，共取11個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)與初始點(diǎn)距離以s表示）．

圖5 d＝25mm時(shí)中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度值Fig．5 The value of magnetic flux density in central place（d＝25mm）

圖6 d＝30mm時(shí)中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度值Fig．6 The value of magnetic flux density in central place（d＝30mm）

為了說(shuō)明改進(jìn)前后加工區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變，取加工區(qū)域中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)值作為標(biāo)準(zhǔn)，將圖5～7中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度值整理，見(jiàn)表2．從表2可知，同樣的磁極布置距離下，改進(jìn)的平行磁極布置所獲得的磁感應(yīng)強(qiáng)度值比平行磁極布置提高了約0．012T．對(duì)比改進(jìn)前的三種磁感應(yīng)強(qiáng)度水平相鄰間的差值（約0．03T），這樣的提高比較明顯．說(shuō)明用導(dǎo)磁材料將平行磁極連接，可以有效地提高加工區(qū)域的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度．

表2 中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度值的對(duì)比Tab．2 The comparison of magnetic flux density in central palce

4 加工區(qū)磁場(chǎng)的測(cè)量與分析

通過(guò)特斯拉計(jì)測(cè)量?jī)煞N磁極布置方式下，不同的磁極布置間距（d＝25mm，30mm，35mm時(shí)），加工區(qū)域中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3（測(cè)點(diǎn)位置位于載液盒的幾何中心）．

表3 加工區(qū)域中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果Tab．3 The measured results of magnetic flux density in the central place of manufacturing area

從表3可以看出，同樣的磁極布置距離下，改進(jìn)的平行磁極布置方式，其加工區(qū)域中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度比改進(jìn)前提高了約0．01T，通過(guò)比較ANSYS分析出的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，誤差小于5%．

5 結(jié) 論

1）平行磁極布置改進(jìn)后，靠近導(dǎo)磁材料區(qū)域磁力線分布密集，連接部位磁力線最為密集，遠(yuǎn)離導(dǎo)磁材料區(qū)域磁力線分布相對(duì)稀疏．

2）平行磁極布置改進(jìn)后，加工區(qū)磁力線的方向沒(méi)有發(fā)生改變，加工區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度較未改進(jìn)前平行磁極布置平均提高了0．01T．但是由于導(dǎo)磁材料的影響，加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性變差．

［1］ 楊勝?gòu)?qiáng)，李文輝，陳紅玲，等．表面光整加工理論與新技術(shù)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011．YANG Sheng-qiang，LI Wen-hui，CHEN Hong-ling，et al．The Theory and New Techniques of Surface Finishing［M］．Beijing：National Defense Industry Press，2011．（in Chinese）

［2］ 余娟，閻秋生，路家斌．磁流變即效微細(xì)砂輪精細(xì)加工研究［J］．金剛石與磨料工具工程，2007，157（1）：74．YU Juan，YAN Qiu-sheng，LU Jia-bin．Research on a New Superfine Machining Method Based on the Magnetorheological Fluids［J］．Diamond ＆ Abrasives Engineering，2007，157（1）：74．（in Chinese）

［3］ 柴京富．集群磁流變效應(yīng)研磨刷研拋工具加工機(jī)理研究 ［D］．廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011．CHAI Jing-fu．Study on Machining Mechanism of Polishing Tool with Grinding Brush Cluster Based on Magnetorheological Effect［D］．Guangzhou：Guangdong University of Technology，2011．（in Chinese）

［4］ 陽(yáng)志強(qiáng)，郭忠達(dá)，陳智利，等．環(huán)帶旋轉(zhuǎn)式磁流變拋光頭設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（10）：56．YANG Zhi-qiang，GUO Zhong-da，CHEN Zhi-li，et al．Design of Clitella Magnetorheological Finishing Tool Combined Rotation Movement［J］．Machinery Design ＆Manufacture，2009（10）：56．（in Chinese）

［5］ 郭忠達(dá)，杜書(shū)娟，劉衛(wèi)國(guó)，等．環(huán)帶磁場(chǎng)在磁流變拋光技術(shù)中的應(yīng)用［J］．西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（3）：212．GUO Zhong-da，DU Shu-juan，LIU Wei-guo，et al．The Application of Annulus Magnetic Field in Magnetorheological Finishing［J］．Journal of Xi’an Technological University，2007，27（3）：212．（in Chinese）

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