磁力研磨加工永磁極設(shè)計(jì)及仿真研究

陳春增　張桂香　趙玉剛　趙文聰

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

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磁力研磨加工永磁極設(shè)計(jì)及仿真研究

陳春增張桂香趙玉剛趙文聰

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

為進(jìn)一步提高磁力研磨加工的表面質(zhì)量和加工效率，基于平面磁力研磨裝置，采用端面中心材料去除且開矩形槽的強(qiáng)永磁材料作為磁極，進(jìn)行磁力研磨加工。利用ANSYS對磁極不同端面形狀、開槽尺寸的磁力線分布和磁場強(qiáng)度分布進(jìn)行模擬仿真，并通過磁力研磨加工試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)磁極實(shí)際加工效果。結(jié)果表明：去除中心材料的磁極磁力線分布更加密集且增大了磁極中心處的磁場強(qiáng)度，從而提高研磨效率；通過仿真對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁極中心去除材料半徑與底面半徑之比為1:3且開矩形槽深寬之比為1:1時研磨質(zhì)量最佳。

磁力研磨；磁極形狀；磁場強(qiáng)度梯度；仿真

磁力研磨(magnetic abrasive finishing，MAF)是一種先進(jìn)的精密光整加工工藝，它采用磁場產(chǎn)生的磁力吸引磁性磨粒形成柔性磁研磨刷，通過研磨刷與工件之間的相對運(yùn)動，對被加工材料進(jìn)行微量去除，實(shí)現(xiàn)對工件的精密光整加工[1]。影響磁力研磨質(zhì)量和研磨加工效率的因素很多，其中磁極產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度梯度至關(guān)重要[2]。現(xiàn)在常用電磁線圈產(chǎn)生磁場作為研磨磁極，這種方法的磁回路發(fā)生裝置較復(fù)雜、回路尺寸大，在研磨過程中容易聚集渦流熱，使加工區(qū)域溫度上升，灼傷工件表面降低表面質(zhì)量[3]。為了解決在磁力研磨加工中遇到的電磁極易導(dǎo)致工件表面質(zhì)量降低，難以滿足工件加工要求的問題，采用強(qiáng)永磁材料稀土銣鐵硼(NbFeB)設(shè)計(jì)制造高效永磁極。永磁極具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和方便更換安裝等優(yōu)點(diǎn)[4]，在磁力研磨加工中有較強(qiáng)的適應(yīng)性。利用ANSYS軟件對設(shè)計(jì)磁極的磁力線分布和磁場強(qiáng)度分布進(jìn)行仿真模擬[5]，得出優(yōu)化的磁極結(jié)構(gòu)，并通過磁力研磨試驗(yàn)對設(shè)計(jì)永磁極的加工效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　磁力研磨機(jī)理

磁力研磨就是利用磁場的作用，將被磁化的磁性磨料吸引到一起，沿磁力線方向形成一條條“磁串”，“磁串”受磁場力作用吸附在磁極端面，形成柔性磁研磨刷壓向工件表面，且在研磨刷和工件間施加相對運(yùn)動，研磨刷中的磁性磨粒將對工件表面產(chǎn)生滑動、滾動、切削等運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)磁性磨粒對工件表面的研磨加工。磁力研磨加工裝置如圖1所示，此過程包括磨粒的切削作用、磨粒的拋光與摩擦作用、化學(xué)與電化學(xué)等作用[6]。所有作用的共同影響，可以有效提高研磨加工效率，并且降低加工表面變質(zhì)層和表面微觀裂紋的形成，使加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[7]，提高了加工表面質(zhì)量。

2　磁力研磨加工永磁極設(shè)計(jì)理論

磁力研磨加工的表面質(zhì)量和加工效率，不僅同磨粒與加工面的相對速度、磨粒的粒度和成分、加工間隙的大小等因素有關(guān)，而且與磁極所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度及磁場強(qiáng)度梯度有重大關(guān)系[8]。磁場區(qū)域內(nèi)單個磨粒的受力情況如圖2中A點(diǎn)所示。磨粒同時受到沿磁力線方向的磁力Fx和沿等磁線方向的磁力Fy的作用，其中沿磁力線方向的磁力Fx將磨粒壓向工件表面，使磨粒對工件產(chǎn)生徑向切削力，而沿等磁線方向的磁力Fy則阻止磁性磨粒隨同工件一起運(yùn)動，防止磨粒飛離加工區(qū)域[9]，使磁力研磨刷在進(jìn)行光整加工時能夠保持其穩(wěn)定的形狀。經(jīng)查閱文獻(xiàn)[10]知：

(1)

式中：k為磁化系數(shù)；V為磁性磨粒的體積，m3；χ為磁性磨粒的磁化率；H為磁場強(qiáng)度，T；?H/?x、?H/?y分別是x、y方向上的磁場強(qiáng)度梯度。

從式(1)可以看出，磁性磨粒在磁場中受到的磁場力大小取決于磁性磨粒的成分和體積、磁場強(qiáng)度及磁場強(qiáng)度梯度。因此，在磨料確定的情況下，提高磁性磨粒在研磨加工區(qū)域內(nèi)受到的磁力，進(jìn)而提高磁力研磨加工的表面質(zhì)量和加工效率的關(guān)鍵是提供磁場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度梯度的磁極的設(shè)計(jì)。在強(qiáng)永磁材料稀土銣鐵硼(NbFeB)表面開矩形槽作為研磨磁極，如圖3所示，可以改變加工區(qū)域的磁場強(qiáng)度梯度分布，使間隙小的地方磁阻小，磁場強(qiáng)度就大；反之，間隙大的地方磁阻大，磁場強(qiáng)度就小，從而增加了磁場強(qiáng)度梯度[11]，進(jìn)而增大了磨削力。但是，磁極近中心范圍內(nèi)磁場強(qiáng)度較低，對磁性磨粒的吸附能力較弱，加之此處磨料流動性較差導(dǎo)致研磨刷剛性較強(qiáng)，研磨刷在隨主軸自轉(zhuǎn)的同時和隨機(jī)床工作臺做進(jìn)給運(yùn)動的工件保持研磨進(jìn)給運(yùn)動時，易導(dǎo)致研磨表面質(zhì)量急劇降低。如果去除磁極中心處的材料，可以增大磁極中心的磁場強(qiáng)度，同時能促進(jìn)磁性磨料的流動，在加工區(qū)域內(nèi)磨粒充分地與被研磨表面接觸，增加磁研磨刷的加工性能。

3　磁極結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算與仿真分析

本設(shè)計(jì)在計(jì)算磁極結(jié)構(gòu)參數(shù)時，依據(jù)包括磁通量連續(xù)原理和安培環(huán)路定理的磁路定律。磁極磁路包括永磁材料、空氣間隙、鐵磁材料?；诨鶢柣舴虻谝欢珊偷诙煽芍?/p>

BmSm=KfBqSq；HmLm=KrHqLq

(2)

式中：Bm、Sm、Hm、Lm分別是永磁體工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)、橫截面積(m2)、磁場強(qiáng)度(A/m)、長度(m)；Bq、Sq、Hq、Lq分別為氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)、橫截面積(m2)、磁場強(qiáng)度(A/m)、長度(m)；Kf、Kr分別為漏磁系數(shù)、磁阻系數(shù)。為獲取理想的磁力研磨效果，由文獻(xiàn)資料[12]經(jīng)驗(yàn)值可?。杭庸らg隙2 mm，Kr=1.5，Kf=1.3，Bq=1.0 T，由式(2)計(jì)算并結(jié)合實(shí)際加工需要確定永磁極的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖2中標(biāo)注所示，頭部尺寸為rt=13 mm，Lt=10 mm；柄部尺寸為rb=6 mm，Lb=20 mm。

磁極頭形狀影響空間的磁場分布，不同的磁極頭形狀對磁性磨料在磁場中的受力大小和方向也會產(chǎn)生不同的影響。本設(shè)計(jì)在仿真分析磁極頭結(jié)構(gòu)形狀對磁場強(qiáng)度分布的影響時，采用ANSYS軟件中具有耦合場的三維實(shí)體單元SOLID98進(jìn)行仿真計(jì)算[13]。

研磨區(qū)的磁路是由永磁體、空氣隙和加工工件(導(dǎo)磁材料或不導(dǎo)磁材料)組成，假定這是一個沒有漏磁的理想磁路，決定磁通密度和磁場強(qiáng)度的是永磁體和空氣隙。磁極材料為稀土銣鐵硼(NbFeB)永磁體，所以在定義材料特征屬性時，需定義(MURX)或B-H曲線，Hc(矯頑力矢量MGXX. MGYY)。永磁體的極化方向由矯頑力矢量和單元坐標(biāo)系共同控制[13]。SOLID98單元模型網(wǎng)格劃分的形狀特征為六面體，能夠更加準(zhǔn)確地模擬出磁極底面結(jié)構(gòu)形狀改變導(dǎo)致的磁場強(qiáng)度變化。模型劃分網(wǎng)格時選定二級智能網(wǎng)格劃分，可得到較為理想的結(jié)果，劃分網(wǎng)格后的磁極模型如圖4所示。磁極模型磁通量沿磁路通過，在磁極圓周外表面施加磁力線平行的邊界條件進(jìn)行運(yùn)算。

當(dāng)磁極底面為平面時，仿真的磁場強(qiáng)度分布如圖5a所示，磁場強(qiáng)度從磁極中心向周圍呈遞增分布，從圖中可以看到磁極近中心范圍內(nèi)的磁場強(qiáng)度值在0.35～0.4 T。研磨加工時，磁極中心部分線速度很小，此處磁場強(qiáng)度較低，則帶動磨粒進(jìn)行研磨加工的能力就低。同時，磁極中心處磨料流動性差，柔性磁研磨刷在此處的剛性較強(qiáng)，易導(dǎo)致研磨加工表面質(zhì)量急劇降低。如果去除磁極中心處材料，如圖5b所示，可以有效改善磁極中心部分的磁場強(qiáng)度分布，同時還能促進(jìn)磨料的流動，在加工區(qū)域內(nèi)磨粒能夠充分地與被研磨表面接觸，提高柔性磁研磨刷的切削性能。但是，去除材料的同時會導(dǎo)致磨料對工件表面的研磨壓力減小[14]，為確定磁極端面去除材料的參數(shù)，本文通過ANSYS軟件進(jìn)行了大量的仿真運(yùn)算，并對比分析仿真結(jié)果中磁場強(qiáng)度分布與磁場強(qiáng)度值的變化，選出最優(yōu)磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果，如圖5b所示：去除磁極端面中心部分材料半徑與端面半徑之比為1:3時，磁極近中心范圍內(nèi)的磁場強(qiáng)度值可達(dá)0.85～1.2 T，有效提高了磁極帶動磨粒進(jìn)行研磨加工的能力，保證了磁力研磨加工的表面質(zhì)量和加工效率。

在磁極端面開矩形槽，可以改變加工區(qū)域內(nèi)的磁場強(qiáng)度分布，增大磁力研磨加工時的磁場強(qiáng)度梯度，進(jìn)而增大了磨削力[14]。研究開槽結(jié)構(gòu)形狀對磁極的磁場分布影響問題時，考慮到為方便模型的建立及快捷運(yùn)算，可將磁極沿柱面展開轉(zhuǎn)化成二維磁場問題，能更直觀地研究磁極不同開槽情況下，磁力線分布與磁場強(qiáng)度的變化情況。由于磁極結(jié)構(gòu)對稱，所以建模時采用ANSYS軟件中的PLANE53單元進(jìn)行模型的建立，同時考慮磁極現(xiàn)場加工情況要模擬一個平面無邊界問題，采用遠(yuǎn)場邊界單元INFIN9模擬磁場的遠(yuǎn)場衰減。磁極在定義材料特征屬性時同三維仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行添加。二維單元在求解問題時使用的自由度是矢量位，故每個節(jié)點(diǎn)只有一個矢量位自由度-AZ(Z方向上的矢量位)。PLANE53單元在進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分時的形狀特征為四邊形，劃分網(wǎng)格的磁極模型如圖6所示。

通過對比分析仿真結(jié)果并結(jié)合磁場理論分析可知，磁極端面未開槽時磁力線分布和磁場強(qiáng)度分布，如圖7a、b所示，磁極端部的磁力線向周圍擴(kuò)散，靠近磁極中心部分磁力線分布較稀疏，磁場強(qiáng)度呈均勻變化分布，磁場強(qiáng)度梯度較小，不利于產(chǎn)生較大磁場力帶動磨料進(jìn)行光整加工。同時，磨料還受到極化工件的作用力影響，當(dāng)磁性磨料受到磁極的吸引力小于工件對磨料的吸引力時，磁性磨料不僅不會對工件進(jìn)行加工，磁極反而成為被加工對象[15]，加工后的工件表面質(zhì)量較差。當(dāng)磁極端面開矩形槽時，從圖7c～f可以看出，磁力線分布和磁場強(qiáng)度分布得到明顯改善。為了進(jìn)一步確定磁極開矩形槽的深寬之比的最優(yōu)值，通過參考文獻(xiàn)[8]和分析軟件仿真計(jì)算結(jié)果得出：磁極開矩形槽的槽深與槽寬之比為1:1時，如圖7e、f所示，磁力線在磁極形狀突變處十分密集，磁極的磁場強(qiáng)度分布得到很大改善，磁場強(qiáng)度值明顯提高，有利于獲得較高的磁場強(qiáng)度梯度，提高磁力研磨加工的表面質(zhì)量和加工效率。

4　磁力研磨試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

試驗(yàn)裝置為改裝數(shù)控銑床XK7136C；工件為718模具鋼；磁極為設(shè)計(jì)的N38釹鐵硼永磁極(φ26 mm)在2 mm的間隙內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度約1.0 T；研磨液為46#機(jī)械油(粘稠度為46)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為主軸轉(zhuǎn)速S=2 000 r/min、進(jìn)給速度f=30 mm/min、加工間隙δ=2 mm、磨料填充量t=2 g、研磨液添加量為1 mL。選用Al2O3系磨料，100～200目[16]，加工時間為10 min。

樣件原始表面粗糙度為Ra=0.415 μm，光整加工過程中用表面形貌儀測量并記錄下每分鐘加工后的工件表面粗糙度值，繪制出圖8。分析結(jié)果可知：開始加工的前2 min常規(guī)磁極比本文設(shè)計(jì)磁極粗糙度值減小趨勢快一些，主要是因?yàn)闃蛹急砻娲植诙戎递^大，常規(guī)磁極研磨壓力稍大，加快了工件表面粗糙度值的減小。研磨加工2 min以后，本文設(shè)計(jì)磁極比常規(guī)磁極的研磨粗糙度值減小趨勢變快，且最終可獲得較小的表面粗糙度值，原因是經(jīng)過一段時間的加工，原始工件表面粗糙度減小到較小值，新設(shè)計(jì)磁極能夠在保證研磨壓力的同時產(chǎn)生比常規(guī)磁極大的磁場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度梯度，提高了磁力研磨刷的研磨性能。

5　結(jié)語

(1)通過ANSYS軟件仿真分析得出，去除磁極中心半徑與底面半徑之比為1:3的材料，且開矩形槽深寬之比為1:1時，可以有效改善磁極的磁場強(qiáng)度分布，增強(qiáng)加工區(qū)域的磁場強(qiáng)度梯度，使磁性磨粒的受力得到增強(qiáng)，從而提高了磁力研磨加工的表面質(zhì)量和加工效率。

(2)通過研磨試驗(yàn)驗(yàn)證可知，本文設(shè)計(jì)磁極性能優(yōu)于常規(guī)磁極，新設(shè)計(jì)磁極經(jīng)過短時間的研磨加工后能獲得比常規(guī)磁極更快的表面粗糙度值減小趨勢和較小的表面粗糙度值。

[1]Zou Yanhua, Shinmura Takeo. Development of magnetic field assisted machining process using magnetic machining jig [J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part C, 2002(5):1575-1581.

[2]Jain V K, Prashant Kumar, Behera P K, et al. Effect of working gap and components by a magnetic field assisted finishing process[J]. Precision Engineering, 2004, 28:135-142.

[3]張萍萍, 張桂香. 平面磁力研磨裝置及磁極設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報,2011,25(6)：67-70.

[4]張桂香, 趙玉剛, 趙東標(biāo),等. 大壁厚內(nèi)圓槽磁力研磨裝置設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2012, 31(6): 861-864.

[5]孫巖, 陳燕, 蘭勇. 磁力研磨法應(yīng)用于不同材質(zhì)工件的光整加工[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2013(11): 88-91.

[6]Zhang Gui xiang, Zhao Yu gang, Zhao Dong biao. New iron-based SiC spherical composite magnetic abrasive for magnetic abrasive finishing[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2013, 26(2): 377-383.

[7]Jae-Seob Kwak. Enhanced magnetic abrasive polishing of non-ferrous metals utilizing a permanent magnet[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2009, 49 :613-616.

[8]趙玉剛, 江世成, 周錦進(jìn). 磁極開槽形狀和尺寸對磁場分布和磁力研磨能力影響的研究[J].中國機(jī)械工程, 1999, 10(6): 685-688.

[9]Yin S, Shinmura T, Wang D. Magnetic field-assisted polishing for ferromagnetic metallic materials [J]. Key Engineering Materials, 2006, 304: 320-324.

[10]尹韶輝. 磁場輔助超精密光整加工技術(shù)[M]. 長沙：湖南大學(xué)出版社, 2009:16-26.

[11]方建成，金洙吉，徐文驥,等. 磁粒光整加工基礎(chǔ)研究[J]. 中國機(jī)械工程，2002，13(18):1593-1596.

[12]劉文祎, 張桂香. 磁力研磨平面磁極頭設(shè)計(jì)及仿真[J].現(xiàn)代制造工程,2013,(7)：76-81.

[13]張紅松, 胡仁喜, 康士廷,等. ANSYS電磁學(xué)有限元分析[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2013:16-213.

[14]Vahdati M, Shokuhfar A. A trend toward abrasive nano finishing of plane surfaces with magnetic field energy[J].Material wissenschaft and Werkstofftechnik, 2008,39:167-170.

[15]馮寶富, 蓋全芳, 趙萬勝,等. 磁力研磨頭形狀對研磨效果的影響[J].中國工程機(jī)械學(xué)報, 2008, 6(1): 101-104.

[16]吳昊, 張桂香, 陳春增. 磁力研磨加工718模具鋼表面質(zhì)量和形貌試驗(yàn)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床, 2014 (6): 75-78.

(編輯李靜)

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Design and simulation research of permanent magnetic pole on magnetic abrasive finishing

CHEN Chunzeng, ZHANG Guixiang, ZHAO Yugang, ZHAO Wencong

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, CHN)

In order to further improve the surface quality and processing efficiency of the magnetic abrasive finishing, based on the planar magnetic abrasive finishing device, the magnetic pole material at the center of end face is removed and open rectangular groove. Magnetic field lines and magnetic field intensity distributions are simulated for the magnetic pole end shape and slotted size by ANSYS, and verify the actual processing results of the magnetic pole by magnetic grinding test. The experimental results show that magnetic pole removal center material could improve magnetic field lines distribution and increases the magnetic field intensity at the center then improving the grinding efficiency. By comparing the simulation find that when the ratio of the radius of removal material and bottom material is 1: 3 and the ratio of rectangular slot depth and width is 1: 1, the grinding quality is the best.

magnetic abrasive finishing; magnetic pole shape; magnetic field intensity gradient; simulation

TH16

A

陳春增，男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與裝備、特種加工與表面工程。

2015-06-15)

160109