磁場方向往復變化的磁力電解復合拋光頭的研制*

時立民，楊紅平

(天水師范學院，甘肅 天水 741001)

0 引 言

在磁力電解復合拋光中，磁場的方向至關(guān)重要。和電場方向垂直的靜態(tài)磁場容易實現(xiàn)，因此，傳統(tǒng)磁力電解復合拋光中，往往外加一個和電場垂直的靜態(tài)磁場。但是磁N極和S極距離較遠，因此磁場對電解拋光的影響并不明顯。漸漸地，和拋光頭一起旋轉(zhuǎn)的磁場施加在磁力電解復合拋光工藝上，如圖1所示。但是，拋光頭的體積很小，磁場強度也很微弱，因此對磁力電解復合拋光的影響有限。拋光的質(zhì)量并不理想。而且，這種拋光頭的磁場方向和磁場大小不能按照拋光要求進行改變。

圖1 安裝永磁體的拋光頭 1.電極 2.磁鐵 3.橡膠墊 4.拋光片 5.工件 6.電刷 7.電解液噴頭

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，施加一個和電場平行的磁場能使電極間的帶電粒子做螺旋線運動，大大改善了電極間帶電粒子的電化學反應條件。使電化學反應的效率提高，從而改善了電解拋光的效率和拋光后工件的表面質(zhì)量。如果磁場的方向能往復變化，拋光的效率和效果會更佳?；谶@種理論，研制了一款新型的磁力電解復合拋光頭。這種拋光頭使用方便，可以根據(jù)拋光要求方便地改變磁場強度。也能方便控制使磁場方向往復變換。這種新型磁力電解復合拋光頭的研制和使用，不但能促進磁力電解復合拋光機理的進一步研究，而且能加快磁力電解復合拋光在難加工材料精加工中的應用[1-6]。

1 磁場方向?qū)Υ帕﹄娊鈴秃蠏伖獾挠绊?/h2>

施加和電場方向平行的磁場，使電化學反應的條件大大改善。首先，反應的速度明顯提高。其次，電磁場使帶電粒子做螺旋線運動，帶點粒子運動強度增加，使電化學反應過程更加均勻。最后，和電場平行的磁場好像一個電磁透鏡，提高了帶電粒子從一極到另一極的可能，使反應效率明顯提高[7-9]。尤其，當施加一個和電場方向平行并且方向始終往復變化的磁場，拋光的效果和效率會更好。

1.1 運動方程的建立

帶電粒子在和電場方向平行的靜態(tài)磁場中的運動如圖2所示。帶電粒子在電磁場中所受力為F(忽略其它的力)[10-13]。洛侖磁力F：

F=q(E+v×B)

(1)

式中:m為帶電粒子的質(zhì)量；q為帶電粒子電量；E為電極間電場強度；V為帶電粒子運動速度；B為磁感應強度。

(2)

E=Eey

(3)

式中：ex,ey,ez是單位矢量。

(4)

(5)

假設(shè)t=0，v0=(v0x)ex+(v0y)ey+(v0z)ez,s0=(x0)ex+(y0)ey+(z0)ez,將式(1)～(4) 代入式(5), 可以得到帶電粒子的運動方程和軌跡方程。

帶電粒子的運動方程和軌跡方程如下:

(6)

(7)

當外加磁場方向往復變換時，帶電粒子在電磁場中的受力情況如圖3所示。同理，可以推導出帶電粒子的運動方程和軌跡方程。運動方程如下：

(8)

從方程(8)中可以明顯地看到，在方向往復的動態(tài)磁場中，帶電粒子的運動更加復雜。附加磁場相當于一個攪拌器。因此，拋光工件的表面質(zhì)量明顯得到了提高。

2 新型磁力電解復合拋光頭的設(shè)計

性能良好的磁力電解復合拋光頭是磁力電解復合拋光的關(guān)鍵。拋光頭直接影響拋光的效率和拋光質(zhì)量，也影響磁力電解復合拋光在難拋光材料中的廣泛應用。一個安裝簡單使用便捷的拋光頭使磁力電解復合拋光工藝的廣泛使用變得比較現(xiàn)實。新型拋光頭的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖2 電場中的帶電粒子(磁場方向始終是不變的)

圖3 電場中的帶電粒子(磁場方向是往復變換的)

圖4 拋光頭的結(jié)構(gòu) 1.后柄 2.彈簧 3.調(diào)節(jié)套筒 4.軸 5.軸承 6.擋圈 7.電磁鐵 8.墊圈 9.拋光頭 10.拋光片

2.1 安裝容易

在設(shè)計中，拋光頭的后柄采用標準刀柄錐度。磁鐵整體安裝在拋光頭內(nèi)，拋光頭能像一把銑刀一樣方便地安裝在數(shù)控機床上。所不同的就是電極間要接上直流電源，而電磁鐵要接在交流電源上。

2.2 柔性好

因為拋光過程是一個輕微的材料去除過程，為了使拋光頭和拋光的復雜曲面之間接觸良好，受力均勻，拋光頭有一定的柔性是非常必要的。拋光頭上設(shè)計了鍵、軸和后柄彈簧的結(jié)構(gòu)，能較好地解決拋光頭柔性的問題。

2.3 電磁鐵的安裝

在磁力電解復合拋光中，施加和電場平行的磁場拋光的效果更好。雖然，平行磁場并不能加速電極間的帶電粒子，但是會像一個攪拌機一樣使反應更加均勻，而且能提高帶電粒子從一個極到達另一個的概率，因此大大改善了電化學的條件，從而提高了電化學反應的效率和拋光的質(zhì)量。以前最困難的就是施加一個和電場方向平行的磁場。新的拋光頭，使這一想法很容易實現(xiàn)。而且可根據(jù)不同的拋光要求，便捷地通過改變交流電源的參數(shù)從而方便的控制磁場強度[14-16]。

2.4 拋光頭的系列化

為了適應不同的曲面，將磁力電解復合復合拋光頭前端的拋光頭更換成半徑各異的拋光頭即可，而無需從新設(shè)計并安裝整個磁力電解復合拋光頭。這樣降低了成本，而且使用起來十分方便。這種新型的磁力電解復合拋光頭外觀如圖5所示。

圖5 新型的磁力電解復合拋光頭

3 磁力電解復合拋光試驗

在數(shù)控機床主軸上安裝磁力電解復合拋光頭。增速裝置、電解液噴嘴、電刷以及電解液循環(huán)如圖6所示，分別安裝在數(shù)控機床主軸和工件之間。再分別給電極和電磁鐵通上直流和交流電。

圖6 磁力電解復合拋光 1. 增速裝置 2.磁力電解復合拋光頭 3.拋光片 4.工件 5.電解槽 6.電刷 7.電解液噴嘴

3.1 試驗條件

電解液：20%NaNO3；磁感應強度：0.1 T；電流密度：0.15～0.25 A/cm2；主軸轉(zhuǎn)速：17 500 r/min；被拋光前工件表面粗糙度為Ra=3.2 μm。

3.2 試驗結(jié)果

在以上的實驗條件下，對不銹鋼工件達到Ra=1.2 μm用時約20 min。

4 結(jié) 論

通過以上的實驗和分析可以得出如下結(jié)論：

(1) 磁力電解復合拋光頭安裝簡單，使用方便。尤其有很好的柔性，拋光出來的表面均勻，拋光質(zhì)量高。前面的拋光頭成系列化，可以根據(jù)不同曲率的被拋光曲面，方便地更換。

(2) 磁場強度和方向可以很方便地調(diào)整。該磁力電解復合拋光頭不僅能提供和電場方向平行的磁場，而且能通過控制交流電源的相關(guān)參數(shù)很方便地改變磁場強度，可用于不同種類材料的拋光?？梢允勾艌龇较蛲鶑妥儞Q，進行動態(tài)磁場的相關(guān)實驗研究。

總之，新型的磁力電解復合拋光頭使用方便便捷，效果良好。除了廣泛的使用外，為進一步研究磁力電解復合拋光的機理做好了裝置準備，尤其為動態(tài)磁場對拋光的影響研究提供了便利的設(shè)備。

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