磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割中磁系研究

姚春燕，李賀杰，張 威，劉 坤，李礦偉，彭 偉

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割中磁系研究

姚春燕，李賀杰，張 威，劉 坤，李礦偉，彭 偉

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

根據(jù)磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了能在鋸絲周圍產(chǎn)生輔助勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁系.利用ANSYS有限元軟件，分別建立了磁系的磁軛、磁極接頭的有限元仿真模型，仿真確定了磁軛的截面尺寸和磁極接頭形狀.根據(jù)磁軛、磁極接頭仿真結(jié)果并依據(jù)磁路設(shè)計(jì)原理組建磁系，對(duì)置于磁系中的鋸絲周圍的高梯度磁場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的磁系產(chǎn)生了勻強(qiáng)磁場(chǎng)并具有一定的聚磁效果；鋸絲在所設(shè)計(jì)的磁系中能夠形成高梯度磁場(chǎng)并按規(guī)律分布.搭建磨粒吸附觀測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，觀測(cè)磁性磨粒在鋸絲表面的吸附，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：磁性磨粒吸附于鋸絲表面，所設(shè)計(jì)的磁系能夠產(chǎn)生良好的磨粒吸附效果.

線鋸切割；磁系；有限元仿真；高梯度磁場(chǎng)

游離磨粒線鋸切割技術(shù)通過鋸絲、磨粒和硅錠的三體磨粒磨損，磨粒作為第三體在鋸絲與工件兩體之間滾動(dòng)，在鋸絲的切向運(yùn)動(dòng)作用下，向前滾動(dòng)去除材料[1-3].目前，硅晶體切片主要采用游離磨粒線鋸切割技術(shù)[4-6].太陽(yáng)能作為重要的綠色能源，近年來得到了巨大的發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大[7].硅片作為制作太陽(yáng)能電池的重要材料，人們對(duì)于降低硅片切割成本、提高切割效率的要求越來越高[8-9].日本W(wǎng)atanabe等[10]研究發(fā)現(xiàn)：游離磨粒線鋸在切割大尺寸工件時(shí)，由于硅晶體尺寸大，切縫長(zhǎng)度和切縫深度相應(yīng)增加，線鋸切割過程中，磨粒難以進(jìn)入到長(zhǎng)而深的切縫，線鋸切割能力降低，同時(shí)由于切割時(shí)磨漿的分布不均勻，導(dǎo)致切片厚度不均勻.本研究依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目磁感應(yīng)游離磨粒線鋸切割新方法，通過在鋸絲外添加輔助勻強(qiáng)磁場(chǎng)，使磁性磨粒在磁場(chǎng)力的作用下更多的被鋸絲帶入到切割區(qū)域[11]，從而改善切割性能.

產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方式一般分為電磁和永磁兩種.在通過電磁的方式產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，通常利用亥姆霍茲線圈[12]來提供較均勻的局部磁場(chǎng).電磁場(chǎng)具有易于控制的優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)于永磁體形成相同強(qiáng)度的磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)具有體積大、能耗高和經(jīng)濟(jì)性差等缺點(diǎn).筆者所在團(tuán)隊(duì)前期利用永磁體在鋸絲周圍產(chǎn)生輔助勻強(qiáng)磁場(chǎng)[13]，但由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的限制和永磁體本身性能限制，依靠永磁體相對(duì)分布產(chǎn)生的磁場(chǎng)，難以提供足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度和較好的磁場(chǎng)均勻性.筆者針對(duì)單純依靠永磁體產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)的不足，基于磁路設(shè)計(jì)原理[14]，設(shè)計(jì)了利用永磁體與高導(dǎo)磁材料組成的磁系；通過有限元仿真，確定了磁系各部分結(jié)構(gòu)，分析了置于所設(shè)計(jì)磁系中的鋸絲的高梯度磁場(chǎng)特性；通過磁性磨粒吸附實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)磁系能夠產(chǎn)生良好的吸附效果.

1 磁系建立及仿真

根據(jù)高梯度磁場(chǎng)產(chǎn)生原理[15]，所設(shè)計(jì)磁系產(chǎn)生的磁場(chǎng)必須是勻強(qiáng)磁場(chǎng)并達(dá)到一定強(qiáng)度.根據(jù)切割機(jī)床實(shí)際結(jié)構(gòu)要求和磁路設(shè)計(jì)原理，采用永磁體與高導(dǎo)磁材料組合成磁系.通過對(duì)永磁材料和高導(dǎo)磁材料分析，選用釹鐵硼永磁鐵作為磁系中的磁場(chǎng)發(fā)生源，DT4工業(yè)純鐵作為磁系中的高導(dǎo)磁材料來制作磁系中的磁軛與磁極接頭.

1.1 磁軛設(shè)計(jì)與仿真

在磁系中永磁鐵間通過磁軛組成磁系，需選取合適的磁軛截面與永磁鐵配合，以減少磁系中漏磁.根據(jù)選取永磁鐵的橫截面20 mm×20 mm，設(shè)計(jì)磁軛的橫截面分別為截面Ⅰ=10 mm×10 mm，截面Ⅱ=20 mm×20 mm，截面Ⅲ=30 mm×30 mm，使其與永磁鐵配合，如圖1所示.

圖1 磁軛與永磁鐵配合圖Fig.1 Matching between Magnet yokes and permanent magnets

在ANSYS有限元軟件中對(duì)磁軛進(jìn)行靜態(tài)二維磁場(chǎng)分析.空氣區(qū)域和永磁鐵選擇PLANE13單元，磁場(chǎng)邊界采用INFIN9二維遠(yuǎn)場(chǎng)單元，則模型外邊界無需加邊界條件來說明磁場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)耗散問題；對(duì)于永磁鐵需要定義矯頑力、相對(duì)磁導(dǎo)率，其中矯頑力方向?yàn)槌浯欧较颍粚?duì)于磁軛需定義其相對(duì)磁導(dǎo)率.求解后分別在距磁軛頂部20 mm處和離磁軛頂部5 mm處取長(zhǎng)為10 mm的路徑L1，L2，路徑位置選取以磁軛截面20 mm×20 mm為例，如圖2所示，測(cè)其在路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx值.

圖2 路徑位置選取圖Fig.2 The location of selected path

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.3 Magnetic induction intensity contour

圖4 磁力線圖Fig.4 Magnetic lines

圖5 不同路徑上的Bx曲線圖Fig.5 Bx curves of different paths

由圖3和圖4可得：磁軛中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布與磁軛橫截面尺寸有關(guān).截面為10 mm×10 mm的磁軛中磁磁通最大，截面為30 mm×30 mm的磁軛中磁通最?。蝗N磁軛中的磁通均隨離永磁鐵距離的增加而減小.由圖4(a)中，一部分磁通從磁軛側(cè)面?zhèn)鬏斶M(jìn)入磁軛，導(dǎo)致靠近永磁鐵處的磁軛中磁通密度增加；相比于圖4(b)，在圖4(c)中一部分磁通從磁軛中傳出，導(dǎo)致通過磁軛中的磁通密度降低.因此，當(dāng)磁軛橫截面尺寸小于永磁鐵時(shí)，易使磁軛達(dá)到材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，降低磁軛磁導(dǎo)率；當(dāng)磁軛橫截面尺寸大于永磁鐵的截面尺寸時(shí)，磁軛中的磁通有一部分從磁軛中流向永磁鐵，降低了磁軛中的磁通密度，導(dǎo)致漏磁增加.

從圖5中得出：10 mm×10 mm截面的磁軛測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx值，在兩個(gè)路徑中均大于其余兩種磁軛，因此最易達(dá)到材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度.3種磁軛從路徑L1到路徑L2，測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx值均降低，10 mm×10 mm截面的磁軛中磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx值降低最大，20 mm×20 mm截面磁軛中磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx值降低最小.因此選用橫截面為20 mm×20 mm的磁軛組合磁系.

1.2 磁極接頭的設(shè)計(jì)與仿真

磁極接頭是磁系的重要組成部分，勻強(qiáng)磁場(chǎng)在磁極接頭間產(chǎn)生.磁極接頭的設(shè)計(jì)不僅要考慮其導(dǎo)磁性能，還需考慮其對(duì)磁系所產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)的影響.根據(jù)上述磁軛仿真結(jié)果、磁系氣隙與磁極接頭面寬度之比對(duì)磁系產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)的影響、漏磁等因素，設(shè)計(jì)如圖6所示4種磁極接頭形狀并進(jìn)行仿真分析.

圖6 磁極接頭形狀示意圖Fig.6 Shape of pole joint

仿真參數(shù)同磁軛仿真設(shè)置，求解后分別在距磁極接頭面5 mm處選取長(zhǎng)20 mm的路徑L3，測(cè)其在路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx值，路徑位置選取以直角矩形磁極接頭為例，如圖7所示.

圖7 路徑位置選取圖Fig.7 The location of selected path

圖8 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.8 Magnetic induction intensity contour

圖9 在路徑L3上的Bx曲線圖Fig.9 Bx curve of path L3

圖9中的a，b，c，d四條曲線分別對(duì)應(yīng)表圖8中的四種磁極接頭.由圖8和圖9可得，圓角梯形磁極接頭在路徑L3上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量值最大，直角梯形磁極接頭在路徑L3上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量值僅低于圓角梯形磁極接頭；直角梯形磁極接頭測(cè)得的Bx曲線最為平緩，表明產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)均勻性最優(yōu)，圓角梯形磁極接頭的Bx曲線平緩性最差.根據(jù)鋸絲高梯度磁場(chǎng)與外部勻強(qiáng)磁場(chǎng)的影響關(guān)系，因此選用直角梯形磁極接頭來組合磁系.

2 鋸絲周圍高梯度磁場(chǎng)的仿真分析

根據(jù)磁軛和磁極接頭有限元仿真分析、磁路設(shè)計(jì)原理、線鋸切割機(jī)床實(shí)際結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖10所示磁系結(jié)構(gòu).磁系由6塊永磁鐵、3塊磁軛和兩塊磁極接頭組成.6塊永磁鐵分兩側(cè)放置，磁系一側(cè)3塊永磁鐵N極圍繞磁極接頭相對(duì)放置，另一側(cè)3塊永磁鐵S極圍繞磁極接頭相對(duì)放置，永磁鐵間通過磁軛和磁極接頭形成磁路.磁系的磁通從磁系左側(cè)永磁鐵的N極出發(fā)，經(jīng)過磁軛、磁極接頭最后到達(dá)磁系右側(cè)的三塊永磁鐵中.這是一種聚磁磁路結(jié)構(gòu)，它使永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加，在磁極接頭間產(chǎn)生了較強(qiáng)的磁場(chǎng).

圖10 磁系結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure of magnetic system

對(duì)置于磁系中的鋸絲周圍高梯度磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，所用鋸絲直徑0.4 mm，相對(duì)磁導(dǎo)率11.4.仿真模型中有流體、鋸絲和磁系.對(duì)于流體區(qū)域，只需定義其相對(duì)磁導(dǎo)率，因空氣相對(duì)磁導(dǎo)率與流體的相對(duì)磁導(dǎo)率相差很小，故可用空氣的代替流體的，其值為1.為分析鋸絲形成的高梯度磁場(chǎng)，在鋸絲截面附近創(chuàng)建路徑A：(-4，-4)～(-4，4)，B：(-4，4)～(4,4)，C：(4，-4)～(4，4)，D：(-4，-4)～(4，-4)，如圖11所示.在ANSYS有限元軟件中通過后處理將磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx值映射到路徑A，B，C，D上.

圖11 鋸絲周圍路徑選取圖Fig.11 Paths selection around the wire

圖12 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.12 Magnetic induction intensity contour

從圖12中得出鋸絲周圍形成了高梯度磁場(chǎng)，且鋸絲周圍的高梯度磁場(chǎng)把鋸絲分成了四個(gè)區(qū)域，四個(gè)區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度兩兩分布相似.由圖13磁系磁力線的分布得出磁系形成了勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁系有聚磁效果.由于鐵磁性鋸絲對(duì)磁力線有低的磁阻路程，當(dāng)磁力線經(jīng)過鋸絲時(shí)，向鋸絲彎曲收縮，鋸絲內(nèi)部磁力線密度大于外部；磁力線在進(jìn)入鋸絲時(shí)，因鋸絲的導(dǎo)磁率明顯大于外部流體的導(dǎo)磁率，幾乎與鋸絲表面垂直；在背景場(chǎng)強(qiáng)方向距鋸絲一定距離后，磁力線恢復(fù)原狀[16].

在圖14中的四組Bx曲線圖中A，B，C，D四條曲線分別對(duì)應(yīng)圖11中的四條路徑，路徑A與路徑C上測(cè)得Bx曲線具有相似的曲線形狀，從路徑的的兩端向靠近鋸絲處磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；路徑B與路徑D上測(cè)得Bx曲線具有相似的曲線形狀，從路徑的兩端向靠近鋸絲處磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱；A，C路徑與B，D路徑測(cè)得Bx曲線形狀凸凹性相反.因此A，B，C，D四條路徑對(duì)應(yīng)的鋸絲周圍四個(gè)區(qū)域中：A，C路徑對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)轫槾艆^(qū)；B，D路徑對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)槟娲艆^(qū).

圖13 磁力線圖Fig.13 Magnetic lines

圖14 不同路徑上的Bx曲線圖Fig.14 Bx curves on different paths

3 磁性磨粒吸附實(shí)驗(yàn)

采用釹鐵硼永磁鐵和DT4工業(yè)純鐵制成的磁軛、磁極接頭組裝磁系.搭建磨粒吸附觀測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使鋸絲置于磁系磁場(chǎng)中，通過VW-6000/5000動(dòng)態(tài)分析三維顯微系統(tǒng)，觀測(cè)磁性磨粒在鋸絲表面的吸附情況，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖15所示.

無外部勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，鋸絲周圍基本無磨粒聚集，如圖16(a)所示.磨漿流向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，只在鋸絲朝向磨漿流向的一側(cè)有磨粒聚集如圖16(b)所示，可能是由于鋸絲梯度磁場(chǎng)的影響，這與Briss等[17]的研究結(jié)果一致；磨漿流向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，在鋸絲與磁場(chǎng)方向平行的兩側(cè)既順磁區(qū)有磨粒聚集，而另外兩側(cè)(逆磁區(qū))基本沒有磨粒聚集，如圖16(c)所示.在順磁區(qū)，磨粒受到吸力聚集在鋸絲兩側(cè)，在逆磁區(qū)磨粒受到斥力，因此基本無磨粒聚集現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明置于磁系所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的鋸絲形成了高梯度磁場(chǎng)，此高梯度磁場(chǎng)分成四個(gè)區(qū)域，有磁性磨粒聚集的區(qū)域(與磁場(chǎng)方向平行的鋸絲兩側(cè)區(qū)域)為順磁區(qū)，無磁性磨粒聚集的區(qū)域(與外部磁場(chǎng)垂直的鋸絲兩側(cè)區(qū)域)為逆磁區(qū)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符.

圖15 磁性磨粒觀測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.15 Schematic of the experimental platform for observations of magnetic abrasive grain

圖16 磁性磨粒吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果(放大率×200)Fig.16 Experimental results of magnetic abrasive grains adsorption (magnification×200)

4 結(jié) 論

通過對(duì)組成磁系的磁軛、磁極接頭有限元仿真分析，分析表明：磁軛橫截面尺寸與永磁鐵橫截面尺寸相同時(shí)，磁軛漏磁最少，不易達(dá)到飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；磁極接頭截面為直角梯形時(shí)，磁極間產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，磁場(chǎng)均勻性最優(yōu).選用與永磁鐵截面尺寸相同的磁軛，截面為直角梯形的磁極接頭，組裝磁系.建立了磁系與鋸絲組成的仿真模型，仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的磁系產(chǎn)生了勻強(qiáng)磁場(chǎng)并有聚磁效果；將鋸絲垂直置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，能夠產(chǎn)生高梯度磁場(chǎng)并在其截面位置呈現(xiàn)四個(gè)區(qū)域，分為兩個(gè)順磁區(qū)和兩個(gè)逆磁區(qū).在仿真研究的基礎(chǔ)上搭建了磨粒吸附觀測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)所設(shè)計(jì)的磁系進(jìn)行磨粒吸附實(shí)驗(yàn)，磨粒吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符，置于磁系中的鋸絲周圍產(chǎn)生了四分區(qū)的高梯度磁場(chǎng)，所設(shè)計(jì)的磁系能夠產(chǎn)生良好的磨粒吸附效果.

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(責(zé)任編輯：劉 巖)

Study of magnetic system in magnetic induction free abrasive wire sawing

YAO Chunyan, LI Hejie, ZHANG Wei, LIU Kun, LI Kuangwei, PENG Wei

(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Ministry of Education,Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

According to the technical requirements of magnetic induction free abrasive wire sawing, the magnetic system that can produce assisted uniform magnetic field around the saw was designed. The models of magnetic system’s magnetic yoke and pole joint were built with ANSYS finite element analysis software, the section size of the magnetic yoke and shape of magnetic pole joint were set by simulation. the magnetic system were built according to the simulation results of the magnetic yoke，pole joint and the magnetic loop design principle. The magnetic characteristics of the wire placed centrally in the magnetic system were simulated. It is found that the designed magnetic system can produce an uniform magnetic field with a certain effect of flux concentration. Furthermore the wire in the designed magnetic system can form a high gradient magnetic field, which distributes regularly. The results verify that the designed magnetic system can produce good abrasive particle adsorption effect, when the magnetic abrasive grains are absorbed to the surface of the wire.

wire sawing; magnetic system; finite element method; high gradient magnetic field

2016-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475427)

姚春燕(1971—)，女，浙江杭州人，副教授，研究方向?yàn)榫芗庸ぜ夹g(shù)和圖像處理技術(shù)，E-mail:ycy@zjut.edu.cn.

TN 305.1

A

1006-4303(2017)04-0376-05