磁性磨粒光整加工设备的磁场影响因素分析

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磁性磨粒光整加工设备的磁场影响因素分析郭 戈，杨胜强，李文辉(太原理工大学 机械工程学院，山西太原 030024)摘 要：通过对现有磁性磨粒光整加工设备的结构以及加工机理的分析总结，得出了使用电磁铁作为磁场源的磁性磨粒光整加工设备的磁场影响因素。利用 AnsoftMaxwel 3D对线圈在磁轭磁芯回路中的三种不同布置位置的磁场分布进行了仿真计算，并对计算结果中磁感应强度分布场图和关键路径上磁感应强度分布曲线进行了对比分析，结果表明线圈布置在磁轭磁芯回路的两侧或者后侧时，加工间隙的磁感应强度较大。这种利用仿真计算软件指导磁场形成部件设计的方法，为磁场形成部件的设计提供了理论依据，为后续设计提供了更多的可行 性方案 。

关键词：磁性磨粒光整加工；磁场；仿真中图分类号：TH16；TM27 文献标识码：A 文章编号：l001．3830(2013)05．0054—06Analysis of impact factors of magnetic fields in magneticabrasive finishing equipmentGUO Ge，YANG Sheng—qiang，LI W en—huiColege ofMechanical Engineering,Taiyuan University ofTechnology,Taiyuan 030024，ChinaAbstract：Based on analysis of structure and mechanism of existing magnetic abrasive finishing equipment，thefactors are summarized influencing the magnetic field of magnetic abrasive finishing equipment which usedelectromagnet as magnetic source．M agnetic field distributions are simulated for three diferent coil positions in ironyoke by Ansofl Maxwel 3D，and distribution map and magnetic flux density and magnetic flux density along the keypathare comparatively analyzed．It is concluded that the magnetic flux density of gap is higher if coil is put on both sideor rear side in the magnetic circuit．This design method based on the simulation software provide a theoretical referencefor design of magnetic circuits.

Key words：magnetic abrasive finishing equipment； magnetic field； simulation1引言磁 性 磨 粒 光 整 加 工 (Magnetic AbrasiveFinishing)是利用电磁铁或永磁体产生的磁场作用在导磁的磨粒上产生磁场力，磨粒紧压在工件待加工表面，通过磨粒与工件表面的相对运动，完成对工件表面加工的一种新工 。磁性磨粒光整加工技术是近年来不断开发研究的一种新技术、新工艺，主要用于对各种成形表面进行光整加工及去毛刺。这?加工技术可应用于许多高新技术领域，如收稿日期：2012—10—22 修回日期：2013—01—29通讯作者：郭戈 E—mail：laziogg###gmail．cornTel：1383468383654汽车、航空航天、精密仪器等领域，不但应用范围广，适用于平面、球面、回转面甚至自由曲面的加工，而且易于控制加工效率和加_T精度，另外磁性磨粒光整加工技术可以与数控机床、加工中心以及机器人等很好地结合，能实现光整加T的自动化。

未来磁性磨粒光整加工会越来越受到重视，具有广阔的前景L2J。

国内外关于磁性磨粒光整加工技术的研究主要体现在磁性磨粒的制备、加工机理的研究和加工设备开发三个方_面l引。磁性磨粒光整DN；r~最早可以追溯到二十世纪四五十年代的前苏联，后续有美国、保加利亚等国家在该领域展开了研究，发展初期，磁性磨粒的加工以高温烧结然后破碎的方法为JM agnM aterDevices Vol 44 No 5主，后来出现了利用粉末冶金中烧结、渗氮、雾化快凝等方法。二十世纪八十年代开始，日本的研究人员开发出了等离子粉末熔融法、铁磁性金属材料与磨粒纤维混合法、液体磁性磨粒等若干磁性磨粒的加工方法。近年来，我国一些院校如太原理工大学、大连理工大学等在磁性磨粒的制备领域也有比较多的研究。现在出现的制备方法有等离子喷涂法、原位反应法、激光烧结法等【2j。

研究初期加工设备大都比较简陋，从上个世纪八十年代初 日本引进了磁性磨粒光整加工技术开始，世界范围内展开了对磁性磨粒光整加工的研究，开发了多种磁粒光整加工装置。日本东京宇都宫大学的Toslio Aizawa，Take Shinmura等开发了多种加工导磁或者非导磁材料的磁性磨粒光整加工设备，并且利用这些设备对磁性磨粒光整加工的基本原理、影响加工效果的各个因素进行了分析研究【钔。印度理工大学的Jain等设计了一套在机床上改进而来的磁性磨粒光整加工设备，并研究了加工间隙和工件转速对于磁性磨粒光整加工效果的影响【5】。美国佛罗里达大学的Yamaguchi等研究开发了一种利用亚稳奥氏体不锈钢的磁性磨粒光整加工设备，其磁场形成部件的磁极头采用复合的布置结构，对于加工柔性细长管类零件有比较好的效果【6]。近年来国内的一些高校和科研单位也自行研制开发了不同的磁性磨粒光整加工设备。

现有主要用于加工回转类零件的磁性磨粒光整加工设备，大都采用了磁极头相对布置方式，为了提高磁感应强度，线圈位置大都距离磁极头较近。由于其主要结构是基于机床的改进，为了配合机床夹具，大都需要设计一个比较长的磁轭，这种结构特点带来的问题是设备不具有通用性，例如不利于磁极头的位置与加工间隙的调整、加工中空的零件由于气隙磁阻过大而效果不好；结构限制无法加工具有平面和某些异形曲面的工件。如果不设计磁轭磁芯回路，加工间隙处磁场强度过低，加工效率过低甚至根本无法加工。而且磁性磨粒光整加工设备的设计大都是采用经验参数或是作了过多的近似计算，并没有很好的理论依据。

2磁路结构设计2．1工作原理在加工过程中，磁性磨粒填充在工件与磁极之间的加工间隙内，利用磁场使磁性磨粒在磁场中紧磁性材料及器件 2013年9月密结合形成“磁刷”并压在工件表面进行切削运动。

加工过程具体表现为磁性磨粒对工件表面的微量切削与挤压过程、多次塑性变形磨损过程、电化学磨损过程等【7]。磁性磨粒对工件表面的切削加工效果的主要影响因素有：磁性磨粒对工件表面的压力，磁性磨粒与工件表面的相对运动形式和运动速率，磁性磨粒微观结构及材料特性等。而影响磁性磨粒光整加工的切削压力大小的主要因素是加工间隙中作用在磁性磨粒和工件上的磁场，并且磁场对磁性磨粒的排布形式也有决定性的影响。这是磁性磨粒光整加工的核心，本文不考虑磁性磨粒与工件表面的相对运动形式和磁性磨粒材料特性等影响因素，着重研究加工间隙中的磁场的影响因素以及磁场形成部件的结构设计。

因为电磁铁与永磁体相比具有磁场强度较大、磁场强度易于通过改变电流大小调整、设备退磁方便等优势，磁性磨粒光整加工设备中的磁场形成部件大都使用电磁铁作为主要磁场源。现有的磁性磨粒光整加工设备利用两个相对的磁极作为磁场形成的主要部件，两个相对的磁极间放置圆柱状待加工工件，工件的夹具和工作台等可以产生让工件自转和沿轴向振动两个运动，磁极和工件间的加工间隙中加入磁性磨粒，能实现对回转类零件的外表面进行磁性磨粒光整加工。上述设备在实际加工中磁性磨粒的最佳粒度为 60-120目，磁性磨粒由作为铁磁相的铁粉和作为磨料相的氧化硅构成，其铁粉和氧化硅的质量配比为 2：1~4：1，磁性磨粒与工件表面的相对运动形式为磁性磨粒与工件表面的相对转动与磁性磨粒与工件表面的相对振动构成，可加工的工件直径范围为(2j3O～(2j80mm，工件的回转速度为 500～800 r／min，加工间隙的磁场强度在0．8～I．2T时加工效果最好 J。

结合电磁铁设计方法以及电磁基本理论，可以总结出设计磁性磨粒光整加工中的磁场形成部件的主要设计原则：利用线圈中的励磁电流建立起所需要的磁势，利用铁心的高磁导率特性，设计一个完整的磁路，并设计合适的磁极头形式，控制相应的气隙也就是加工间隙内的特定的磁场分布。因为电磁铁电流可控的特性，磁场强度调节方便，所设计的磁场形成部件只需保证其间隙内的磁感应强度最高值达到0．8~1．2T。另外，根据加工要求，加工间隙内的磁场分布要求有高梯度。确定设计方案主要从磁路、加工间隙、磁极头形式、线圈的材料55