平面磁力研磨裝置及磁極設(shè)計

張萍萍，張桂香

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255091）

現(xiàn)代制造加工技術(shù)尤其是模具表面加工朝著精密和超精密、微細(xì)和超微細(xì)加工技術(shù)方向發(fā)展．模具表面光整加工通常要求微小加工去除量，精密加工，這也就限制了自動化的實現(xiàn)和加工方式的運用，而磁力光整加工就是針對這些加工難題所做的研究．由于磁力研磨加工效率高、加工質(zhì)量好，且磁性磨粒具有良好的自銳性，加工工具不需修形，因此此種加工方法受到越來越多的關(guān)注．這項加工技術(shù)能夠?qū)⒋判圆牧虾头谴判圆牧系募庸ぞ瓤刂圃?．01mm以下，實現(xiàn)精密研磨、拋光以及棱邊去毛刺加工，這是其他加工工藝難以實現(xiàn)的．在三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行相關(guān)改造，就可以將其改裝成為一臺磁力研磨加工裝置，實現(xiàn)對工件微量切削［6]精密光整加工．目前這項技術(shù)中大多采用電磁線圈產(chǎn)生磁場，使工件和磁極間的磁性磨料在磁場力的作用下實現(xiàn)對工件的光整加工．但在實際加工中，采用電磁線圈會導(dǎo)致其與磁極、工件構(gòu)成的磁空間過大［7]，且電磁線圈內(nèi)部在研磨加工過程中產(chǎn)生的渦流熱［8]會使加工區(qū)域與工件溫度上升，致使工件表面燒傷，降低研磨加工精度．永磁鐵是不用從外部供給電能就能產(chǎn)生磁場的材料，將設(shè)計的磁力研磨附件安裝在數(shù)控機(jī)床主軸上，具有體積小、無需線圈、安裝便攜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，并且永磁鐵磁路可靠性高，維修方便，有優(yōu)越的適應(yīng)性，可以拋光研磨工件的任何型面［9]．本裝置就是在XK7136C三軸聯(lián)動數(shù)控立式銑床上加裝設(shè)計的磁極，并采用永久磁體作為磁極材料，代替電磁鐵，對加工工件表面進(jìn)行平面磁力光整加工．

1 精密磁力研磨裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為研制的精密平面磁力研磨加工機(jī)床，通過在數(shù)控立式銑床上加裝磁力研磨附件來實現(xiàn)其精密研磨拋光功能．該裝置通過接桿將永磁磁極固定在立式銑床上，磁極隨主軸旋轉(zhuǎn)，在磁極跟工件之間的加工區(qū)域放入適量的磁性磨料，工件安裝在卡盤夾具上，利用電機(jī)帶動機(jī)床的工作部件實現(xiàn)精密的平面磁力研磨光整加工．

圖1 平面磁力研磨機(jī)床

在卡盤夾具上要安放強磁體，其主要作用是強化與永磁磁極形成的磁場．將被加工工件直接裝夾在強磁體上，再通過接桿將彈性夾頭和永磁磁極連接起來，磁性磨料在強磁體和永磁磁極產(chǎn)生的磁場中沿磁力線方向形成磁性研磨刷，在磁場力的作用下壓向工件表面，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)帶動磁極運轉(zhuǎn)，就會在磁性磨料跟工件之間產(chǎn)生相對運動，實現(xiàn)對工件表面的精密光整加工．

由于永磁體材料質(zhì)地較脆，所以在數(shù)控機(jī)床主軸上的彈簧夾頭處設(shè)計了一個接桿，將永磁磁極跟機(jī)床主軸連接起來，接桿材料為黃銅，它既起到連接作用又起到隔磁作用，隔磁主要是防止磁性磨料在加工過程中被拋飛到磁極周圍將其他部件磁化，從而削弱加工區(qū)域磁場．永磁磁極表面形狀也很重要，因為這會影響到加工區(qū)域的磁場、磁性磨料的受力，進(jìn)而影響加工質(zhì)量和加工效率．平面磁力研磨加工示意圖如圖2所示．圖3為磁極結(jié)構(gòu)圖，在永磁體磁極表面開槽，會改變加工區(qū)域磁場分布，使間隙小的地方磁阻小，磁場強度大；反之，間隙大的地方磁阻大磁場強度就會變小，從而增加了磁場強度梯度，間接增大了磨削力．同時，在磁極表面開槽也有助于磁性磨粒的流動，增加磨粒的切削加工性能．這樣磁性磨料就會在一個不斷變化的磁場中實現(xiàn)對工件的高效率光整加工．但是要注意的是磁極開槽后磨削力增大的同時也會導(dǎo)致磨粒對工件表面研磨壓力的減小，所以要同時兼顧兩者，獲取最優(yōu)加工效果．

圖2 平面磁力研磨加工示意圖

圖3 磁極結(jié)構(gòu)圖

2 磁極設(shè)計方法與計算步驟

用磁粒研磨加工方法對工件表面進(jìn)行光整加工或者去毛刺時，選用稀土釹鐵硼永磁材料（NbFeB）做磁極材料．永磁磁體矯頑力大，剩磁感應(yīng)強度高，其工作狀態(tài)在磁滯回線的第二象限［10]，即在退磁曲線上，并且在磁能積（BH）最大值的狀態(tài)下使用效果最好．

稀土釹鐵硼（NbFeB）合金主要有Nb2Fe14B相、富Nb相、富B相．其中Nb2Fe14B是主要來源，其體積分?jǐn)?shù)通常為85%～90%，其最大磁能積（BH）能達(dá)到400kJ／m，并且其矯頑力也高達(dá)2 400kA／m，表1為燒結(jié)釹鐵硼永磁材料與其他永磁材料性能比較．在表1中，Br為磁性材料剩余磁感應(yīng)強度，Hcb為矯頑力，Hci為內(nèi)稟矯頑力，（BH）max為最大磁能積，urec為相對回復(fù)磁導(dǎo)率．

表1 燒結(jié)釹鐵硼永磁材料與其他永磁材料性能比較

要想計算永磁體的尺寸大小就得用到永磁體磁路的相關(guān)計算．而合理使用永磁體的磁能成了磁路設(shè)計的主要問題．永磁體磁路包括鐵磁材料、永磁材料、空氣氣隙．根據(jù)永磁體和空氣氣隙組成的磁路，由基爾霍夫第一定律：在磁回路中任一節(jié)點流入的磁通量與流出的磁通量之和總是為0，即

可知

由基爾霍夫第二定律：磁回路中磁勢的總和為0，即永磁體的磁勢與其他部位的磁壓降總是相互抵消的，即可知

式中：Bm、Hm、Lm、Sm分別為永磁體工作點的磁感應(yīng)強度（T）、工作點的磁場強度（A／m）、長度（m）、橫截面積（m2）；Bq、Hq、Lq、Sq分別為氣隙的磁感應(yīng)強度（T）、磁場強度（A／m）、氣隙長度（m）、橫截面積（m2）；Kr為磁阻系數(shù)，其變化范圍很小，取值與磁軛的長短、接觸面的面積以及工作間隙大小有關(guān)，對于永磁體，取值1．05～1．55；Kf為漏磁系數(shù)，變化范圍較大，取值1～20，在此磁路中可以取值為1．3～5．在實際磁路中總存在磁漏和內(nèi)阻，故需相應(yīng)地引入漏磁系數(shù)Kf和磁阻系數(shù)Kr．

將（1）（2）兩式相乘得

也可以表達(dá)為

式中：Vm為永磁體的體積；Vq為氣隙的體積；BmHm值為永磁體單位體積所存儲的能量．由于空氣氣隙Bq＝μHq，而空氣的磁導(dǎo)率為1，所以Bq＝Hq，所以（3）式可整理為

即為空氣氣隙的計算公式．

大多數(shù)永磁材料的工作點可以通過退磁曲線來確定．如圖4所示，在退磁曲線上用永磁材料剩磁感應(yīng)強度Br和其矯頑力Hcb為鄰邊做矩形，退磁曲線跟所作矩形對角線（即永磁體的負(fù)載線OP）的交點即是永磁材料的工作點．工作點選在Bm＝0．64T，Hm＝518．75kA／m．

圖4 退磁曲線和磁能積示意圖（P點為工作點）

首先根據(jù)經(jīng)驗給漏磁系數(shù)Kf、磁阻系數(shù)Kr賦值并代入式（1）和式（2），計算出磁體的尺寸大小Sm和Lm，并由公式（4）得出氣隙磁感應(yīng)強度，由計算出的結(jié)果跟起初設(shè)定值作比較，如果誤差在5%～10%這個范圍即滿足要求．

為了增大加工區(qū)域的磁感應(yīng)強度，需要磁極與工件之間的加工間隙小一些，同時還需要保證磁性磨料有充足的工作空間，這也就要求控制好加工間隙［11]，由資料經(jīng)驗值可知：加工間隙為2mm，Kr＝1．55，Kf＝1．30，Bq＝1．0T時，研磨效果最好．由以上公式得

3 開槽磁極磁場仿真分析

在磁極表面開槽可使得磁極表面相對于工件表面的空隙不相同，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度就會不同．用MATLAB編程進(jìn)行仿真，檢驗磁極開矩形槽時磁位線分布，結(jié)果如圖5所示．從圖5中可以看出，磁極開槽改變了加工區(qū)域磁場分布，由不開槽的均勻磁場變化為非均勻磁場，增加了磁場強度梯度，這也間接增大了磁極對磁性磨粒的帶動能力以及研磨力，大大提高了磁力研磨加工效率．

圖5 開槽磁極磁位的等值分布圖

4 結(jié)束語

精密磁力研磨機(jī)床可以利用各種機(jī)床改裝，只需在主軸上加裝產(chǎn)生磁場的磁力研磨附件就可完成高效高精加工，實現(xiàn)平面、內(nèi)外圓柱面以及各種復(fù)雜型面的精加工．本文研制的是精密平面磁力研磨加工機(jī)床，但對研究內(nèi)外圓磁力研磨以及自由曲面磁力研磨具有重要參考價值．磁力研磨試驗裝置上的磁極采用稀土釹鐵硼永磁材料代替電磁線圈，沒有供電設(shè)施，裝置體積小，操作便攜，容易安裝，適用性較強，在其表面上的開槽，可大大提高研磨加工能力．

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