基于導磁粉末的夾持系統研究

蒯雪嬌，周燕飛

（南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016）

0 引 言

整體結構件的應用使得現代飛機的重量大大減輕，機械性能也相應大幅提升［1］。但是，航空整體結構件的結構復雜、形狀不規則，使得其在機械加工過程中的裝夾非常困難，而這將直接影響整體結構件的質量。針對整體結構件裝夾困難的情況，本研究提出一種基于導磁粉末的夾持系統，該系統是在磁力吸盤基礎上的進一步發展。它是以導磁粉末作為力的傳遞介質，在磁場的激勵下產生阻礙工件運動的夾持力，從而達到對工件進行夾持的目的。

本研究闡述該夾持系統的基本原理以及夾持力的產生機理，并將該夾持系統與磁力吸盤相比較，利用有限元軟件和實驗進一步分析其夾持可行性。

1 基于導磁粉末的夾持系統

現在磁力機械的發明越來越多，如磁力吸盤、磁力軸承、磁力齒輪等［2］。磁力機械就是利用磁能產生的力和力矩來驅動或者控制磁場中的構件。磁力機械的種類很多，但其基本原理都是利用磁體同極性的排斥力或異極性的吸引力。

1.1 磁力吸盤

磁力吸盤就是一種典型的磁力機械，它是一種裝卸簡單、節約能源、易于實現自動化的高效能夾具［3］。它利用電磁線圈通電后吸盤產生的吸力來固定被加工工件，現被廣泛應用于各類平面磨床、銑床、刨床的材料加工。傳統的電磁吸盤最初被應用在磨床上以代替夾板和螺栓來固定被磨削工件，這樣的電磁吸盤也比較簡單，只能固定平板式的工件。傳統的電磁吸盤主要是由線圈、極芯、面板和盤體組成，其基本原理如圖1所示。但是由于制作上的原因，傳統電磁式磁力吸盤的吸力較小而且不均勻，工作時經常會有夾持失敗的危險。

圖1 磁力吸盤基本工作原理

從圖1中可以看出，磁力線垂直于工作臺進入工件。因此，磁力吸盤的磁力只能夠垂直作用在工件與磁盤接觸的表面。力的方向垂直于磁盤表面，作用點也局限在工件與磁盤的接觸面上，因此作用力相對較小。另外，利用磁力吸盤所加工的工件必須是磁性工件，因此磁力吸盤在加工時存在定位精度不高、適用范圍窄、生產效率低等缺點［4］。

1.2 基于導磁粉末的夾持系統

本研究所提出的基于導磁粉末的夾持系統是建立在導磁定位的基礎上，通過導磁元件傳遞磁力，使作用力的3個要素可以人為控制。它是利用導磁粉末來夾持工件，其基本原理是:在工件周圍填充導磁粉末，在磁場的作用下導磁粉末被磁化，使工件不僅受到激磁裝置的吸力還受到兩個互成直角的吸力［5］。當工件在切削過程中有運動趨勢時，粉末與工件以及工作臺之間就會產生摩擦力的作用，產生的摩擦力即為工件的夾持力，它將會阻礙工件的相對位移，從而可靠地夾持工件。其基本原理圖如圖2所示。

圖2 基于導磁粉末的夾持系統基本工作原理

如圖2所示，整個磁性平臺是由銅和純鐵組成的復合結構，銅的主要作用是支撐工件，純鐵的主要作用是引導磁力線穿過平臺進入粉末填充區。該激磁裝置是通過電磁裝置的通、斷電來實現磁場的關閉和開啟，而且夾持力的大小也可以通過電磁裝置進行調節。在夾持過程中，筆者首先將外加磁場關閉，把工件放置在平臺上，然后將導磁粉末按照一定的高度填充在工件周圍，然后通過控制系統開啟外加磁場，使得磁力線經過導磁粉末、磁極和平臺，形成閉合回路。這時，工件就可以被可靠地夾持。

基于導磁粉末的夾持系統也是一種磁力機械，它是以導磁粉末作為導磁元件，利用磁場對其中的導磁粉末和工件進行磁化形成回路，實現對工件的夾持。該夾持系統與磁力吸盤相比，不僅夾持力的大小、方向和作用點可控，而且它還能夾持非磁性工件，應用更加廣泛。

1.3 夾持力產生機理

根據夾持系統的基本工作原理可知，不同磁性的工件夾持力的產生機理并不相同。現把工件簡單地分為磁性工件和非磁性工件，分別闡述這兩類工件的夾持力產生機理。

對于磁性工件而言，磁力線經過導磁粉末和工件形成回路，磁力線分布如圖2所示。工件不僅受到激磁裝置垂直于工作臺表面上的吸引力，還受到水平方向上導磁粉末的吸引力。當工件受到切削力的時候，工件產生相對于工作臺的運動趨勢，由于工件兩側磁粉的相互吸引力，將會產生豎直方向上的摩擦力，而這些摩擦力將會阻礙工件豎直方向上的相對位移，從而能對工件進行可靠地夾持。豎直方向上的夾持力方向和作用點無法改變，只能通過改變磁場強度來調節大小。但是卻可以通過改變導磁粉末填充參數來改變水平方向上夾持力的大小、方向和作用點。

圖3 非磁性工件的夾持原理

對于非磁性工件而言，磁力線經過導磁粉末，避開工件形成回路，磁路如圖3所示。工件在豎直方向上不受到磁場的作用，但是水平方向上仍受到由于導磁粉末的吸引力產生的摩擦力，依靠這些摩擦力來夾持工件。研究者可以通過合理選擇導磁粉末以及改變導磁粉末的填充參數和磁場強度的大小來控制夾持力。

2 兩種夾持系統對比

由以上分析可知，磁力吸盤只能夠作用在工件與磁盤相接觸的表面上，作用點很低，在加工某些較高零件時是很危險的［6］。而基于導磁粉末的夾持系統可以使磁力作用點上升，使得工件在加工時銑削力對工件作用力的力臂減小，傾覆力矩也相應減小，應用范圍也更加廣泛。為了能直觀了解該夾持系統與傳統磁力吸盤的不同，驗證該夾持系統的可行性，現筆者分別從軟件模擬和實驗的方法對比這兩種夾持方法的夾持效果。

2.1 有限元分析對比

本研究利用ANSYS 13.0軟件對這兩種夾持系統的磁場分布情況進行定性地分析［7］。本研究以U形電磁裝置作為研究對象，各部分的參考參數設定為:磁極間距為30 mm，磁極厚度為20 mm，磁極高度為50 mm，空氣間隙為1 mm，工件的高度為30 mm，空氣間隙為1 mm，填充的導磁粉末選用80目鐵粉，填充高度為20 mm，線圈匝數為650匝，激磁線圈的電流強度為1 A。筆者在建立這兩種夾持系統的有限元模型的時候進行了一定的假設:①將三維的夾持系統簡化成二維平面問題來進行研究；②本次有限元分析的目的主要是分析工件表面的磁場分布情況，是與時間沒有關系的特性，因此將磁場假定為靜磁場；③假定填充的導磁粉末為各向同性材料，采用平均化磁化曲線；④取無限遠處的磁勢為參考磁勢［8］；⑤忽略了空氣中的漏磁。定義空氣、磁極、線圈、工件和導磁粉末的相對磁導率分別為1、1 000、1、1 000和2 000。本研究建立幾何模型，設置單元屬性，劃分網格，形成有限元模型，分析磁場分布的結果如圖4、圖5所示。

如圖4、圖5所示，磁力吸盤的磁力線都是垂直于工件與平臺的表面進入工件，夾持力的作用方向始終是在豎直方向上的，作用點也是集中在工件與平臺的接觸表面，夾持并不十分可靠。而對于基于導磁粉末的夾持系統，因為導磁粉末的關系，夾持力的作用點得以上移，并不只靠底面的吸附作用，相當于增加了約束力偶，因此能夠較好地產生夾持作用。關鍵是在該夾持系統中夾持力的作用面積增大，工件受力更加均勻，產生的變形量也較小，能夠達到更高的精度，因此這種夾持系統還可以用來夾持薄壁類零件。

圖4 磁力吸盤的磁場分布圖

圖5 基于導磁粉末的夾持系統磁場分布圖

2.2 實驗分析對比

本研究測量的是當工件不產生位移時所能克服的最大外加作用力。測量垂直和水平夾持力如圖6、圖7所示［8-9］。

圖6 垂直夾持力測量裝置

圖7 水平夾持力測量裝置

在實驗中，筆者使用Q235工件12（直徑85 mm，高度20 mm）作為試驗件。激磁電流從0.4 A變化到0.9 A，導磁粉末的填充高度為10 mm。測量時，本研究對工件施加拉力，直到工件的狀態被破壞，記錄這一過程中的拉力最大值。通過依次變化激磁電流，可以得到這兩種夾持系統的不同垂直和水平夾持力值，如表1、表2所示。

表1 垂直夾持力的測量結果對比

表2 水平夾持力的測量結果對比

由表1、表2可以看出:①隨著激磁電流的增加，垂直和水平夾持力的數值也隨之增大；②在相同的激磁電流下，磁力吸盤的垂直和水平夾持力都比基于導磁粉末的夾持系統的夾持力要小。

2.3 最大變形量分析對比

為進一步分析該夾持系統對工件的夾持效果，現本研究對采用這兩種夾持方法的工件進行最大變形量分析［10］。分析中激，磁強度為1 A，導磁粉末填充高度為15 mm，切削力F=129.491 N，本研究采用有限元軟件Patran建立模型，用Nastran進行計算，其結果如圖8、圖9所示。

圖8 工件在磁力吸盤下的變形量

圖9 工件在基于導磁粉末的夾持系統下的變形量

由圖8、圖9可以看出，當采用基于導磁粉末的夾持系統夾持工件時，工件的最大變形量為4.61×10-7；而當采用磁力吸盤夾持工件時，工件的最大變形量為6.08×10-7。雖然采用基于導磁粉末的夾持系統，工件的最大變形量有所減少，但是并沒有顯著減少。經分析，這是因為對于如上所述的試驗工件，工件是實體零件，并非薄壁件。對于這樣的實體零件，其最大變形量依然有較大程度地減少，相比于磁力吸盤，其性能更加優越。

3 結束語

本研究介紹了一種基于導磁粉末的夾持系統，該夾持系統是利用導磁粉末作為導磁元件，利用激磁裝置激發的磁場對工件進行導磁定位。筆者利用AN?SYS有限元分析軟件對磁力吸盤和該夾持系統進行磁場有限元分析，并對比分析了在相同激磁電流下這兩種夾持系統對工件的垂直和水平夾持力。最后，利用有限元分析軟件分析了工件在這兩種夾持系統下的最大變形量。研究結果表明，基于導磁粉末的夾持系統相比于磁力吸盤具有更加優越的性能，能夠可靠地夾持工件，適用范圍更加廣泛，是一種高效、可靠的新型夾持系統。

（References）:

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