基于永磁體的磁流變拋光勵(lì)磁裝置設(shè)計(jì)與仿真

曹順濤 陳觀慈 李明春

摘要 勵(lì)磁裝置作為磁流變拋光設(shè)備的核心部件，其能否產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的高梯度磁場(chǎng)，是決定磁流變拋光成功的關(guān)鍵因素。采用扇形永磁體設(shè)計(jì)磁流變拋光輪勵(lì)磁裝置，并運(yùn)用ANSYS Electronics Desktop 等軟件從永磁體數(shù)量、充磁方式、排布方式、氣隙寬度等方面對(duì)勵(lì)磁裝置進(jìn)行仿真分析，得到不同工況下的磁感應(yīng)線及磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。結(jié)果表明：當(dāng)氣隙寬度為4 mm 時(shí)，采用單一永磁體軸向充磁產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，可達(dá)358.4 mT，理論上可在拋光輪表面形成寬為26 mm、高為6.0 mm 的拋光緞帶。

關(guān)鍵詞 永磁體；磁流變拋光；勵(lì)磁裝置；磁場(chǎng)

中圖分類號(hào) TG58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1006-852X（2023）04-0504-10

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0195

收稿日期 2022-11-13 修回日期 2022-12-12

磁流變拋光作為一種精密與超精密加工技術(shù)，具有高效、柔性、無亞表面損傷等特點(diǎn)[1]。但在磁流變拋光中，影響其拋光效果及拋光效率的主要因素包括兩方面：一方面，拋光區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。磁流變拋光依靠磁流變液在梯度磁場(chǎng)中產(chǎn)生的磁流變效應(yīng)形成的柔性拋光頭與工件接觸，由此產(chǎn)生剪切力，進(jìn)而對(duì)工件表面材料進(jìn)行去除[2-3]。在此過程中，柔性拋光頭的大小及硬化區(qū)硬度、剪切力大小均與磁場(chǎng)強(qiáng)度大小及磁敏顆粒的粒徑有關(guān)。在磁敏顆粒粒徑相對(duì)較小的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，則磁感應(yīng)線越密集，拋光液中磁敏顆粒的磁化強(qiáng)度越趨向飽和，導(dǎo)致磁敏顆粒間作用力增大，磁敏顆粒沿磁感應(yīng)線的排列也越密集，形成的柔性拋光頭的體積和硬化區(qū)硬度也進(jìn)一步增大，在與工件接觸時(shí)產(chǎn)生的剪切力也隨之增大，進(jìn)而可提高材料去除效率。另一方面，磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小跟勵(lì)磁裝置密切相關(guān)。勵(lì)磁裝置作為磁流變拋光設(shè)備的核心部件[4-5]，決定了磁場(chǎng)的強(qiáng)度、范圍及方向，影響著磁流變拋光的材料去除特性。

形成磁流變效應(yīng)的先決條件是提供一個(gè)合適的梯度磁場(chǎng)[6]，能夠使磁流變拋光液在此梯度磁場(chǎng)中單一有序的沿磁感應(yīng)線呈串鏈排布，并形成一個(gè)穩(wěn)定的緞帶凸起，因此勵(lì)磁裝置的設(shè)計(jì)顯得十分重要。李士煦 [7]提出了一種新型磁場(chǎng)疊加式勵(lì)磁裝置，與傳統(tǒng)勵(lì)磁裝置相比，新型勵(lì)磁裝置在拋光區(qū)域產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)勵(lì)磁裝置在同一位置產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并證明利用多磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加的方式是可行的。彭小強(qiáng)[8] 利用自研磁流變拋光試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)磁流變拋光裝置進(jìn)行了2 輪設(shè)計(jì)，經(jīng)過改進(jìn)，最終利用電磁鐵芯將磁場(chǎng)引入拋光盤中，并將電磁鐵線圈滯留在拋光盤外部，解決了因?yàn)殡姶盆F體積太大導(dǎo)致的拋光盤體積大的難題。陸敬予[9] 首先對(duì)倒置式磁流變拋光裝置進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用MATLAB 及ANSYS 等軟件對(duì)倒置式磁流變拋光裝置進(jìn)行了建模與仿真計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對(duì)各部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。王永強(qiáng)等[10] 提出了一種具有直線氣隙的永磁軛勵(lì)磁裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明：具有直線氣隙的永磁軛在磁感應(yīng)強(qiáng)度、梯度磁場(chǎng)寬度及磁流變液硬化區(qū)域等方面均有明顯提升，有效地提高了磁流變的平整加工效率。郭隱彪等[11] 對(duì)多種電磁式拋光輪的機(jī)構(gòu)及磁場(chǎng)分布狀況進(jìn)行分析對(duì)比，優(yōu)化了磁流變拋光輪結(jié)構(gòu)。

上述研究在設(shè)計(jì)優(yōu)化拋光輪勵(lì)磁裝置時(shí)，并未綜合考慮磁體的排布方式、充磁方向以及磁極間距等因素間的影響。因此，首先以勵(lì)磁裝置的磁場(chǎng)發(fā)生方式確定初步設(shè)計(jì)方案，后根據(jù)磁學(xué)基本理論對(duì)勵(lì)磁裝置進(jìn)行理論分析，再利用ANSYS Electronics Desktop 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的幾種勵(lì)磁裝置方案進(jìn)行磁路的仿真分析，進(jìn)一步探究磁體的排布方式、充磁方向以及氣隙大小等因素對(duì)磁感應(yīng)線及磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響。