陳紅玲,李文輝,楊勝強(qiáng),楊世春

(太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024)

0 引言

磁性磨粒光整加工是利用填充于加工間隙中的磁性磨粒,在具有一定大小磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場中所產(chǎn)生的作用力,以及工件和磁極間的相對運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)對工件表面光整加工的一種新工藝[1-4]。磁性磨粒光整加工設(shè)備的核心部件是磁場發(fā)生裝置,用于在加工域中產(chǎn)生特定大小的磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁化磁性磨粒而形成作用力。

磁性磨粒達(dá)到其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度后,加工間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度不再隨磁場特性參數(shù)值的增加而增加,因此其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度是設(shè)計(jì)磁場發(fā)生裝置的依據(jù)。本文通過設(shè)計(jì)磁回路測量裝置確定磁性磨粒的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,并進(jìn)行了修正,最后設(shè)計(jì)開發(fā)了磁場發(fā)生裝置,同時(shí)為各種磁場發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)和磁性磨粒的選用提供一定的參考。

1 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的確定

(1)實(shí)驗(yàn)裝置

圖 1為設(shè)計(jì)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度測試裝置原理簡圖。將鐵芯 4置于空心線圈骨架 3中,安裝上下磁軛 1和上磁軛 5,再把 φ20×48的試樣盒裝滿磁性磨粒,試樣盒下部留出2mm的氣隙。在設(shè)計(jì)磁路時(shí),將鐵芯截面邊長與氣隙寬度之比設(shè)計(jì)為10∶1,符合大于 8∶1的建立氣隙勻強(qiáng)磁場的經(jīng)驗(yàn)做法[5]。圖 2為測試裝置照片。

(2)實(shí)驗(yàn)分析

對圖 1中的磁路應(yīng)用安培磁路定理進(jìn)行分段處理,可得：

式中,N為線圈匝數(shù);I為電流;Hc、Hy、Hf、Hg分別為鐵芯 、磁扼 、磁性磨粒、氣隙中的磁場強(qiáng)度(A/m);Lc、Ly、Lf、Lg分別為鐵芯、磁扼、磁性磨粒、氣隙的長度(m)。

在假定沒有磁泄露的情況下,可得磁感應(yīng)強(qiáng)度 B與作用于線圈中電流 I的關(guān)系為：

由此求得磁性磨粒的磁場強(qiáng)度為：

式中,Bc、By、Bf和 Bg分別為鐵芯、磁扼、磁性磨粒及氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度(T);μ0為真空磁導(dǎo)率;μr為純鐵的相對磁導(dǎo)率。

根據(jù)高斯磁場定律,磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量連續(xù)穿過兩介質(zhì)邊界,可得：

簡化整理后可得磁性磨粒的磁場強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系式為：

式中,線圈匝數(shù) N,氣隙高度 Lg,真空磁導(dǎo)率 μ0,試樣盒高度Lf為已知值,只有通過線圈的電流I和氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bg為兩個(gè)變量。因此,當(dāng)線圈中通以可調(diào)直流電流時(shí),將特斯拉儀探頭置于氣隙之中,即可測量出氣隙中各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bg,從而計(jì)算出對應(yīng)的 Hf值,建立磁性磨粒的磁場強(qiáng)度 H與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B之間的B-H關(guān)系曲線,如圖 3所示。

圖 3 磁性磨粒的 B-H磁化曲線

由圖 3可以看出：①磁場強(qiáng)度很小時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場強(qiáng)度 H的增加而迅速增加,并在 400kA/m處出現(xiàn)拐點(diǎn),而后基本保持穩(wěn)定不變,由此可以得到磁性磨粒的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bsat,為磁場發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。②由于測試裝置存在氣隙,不可避免的會產(chǎn)生漏磁,以及特斯拉儀探頭結(jié)構(gòu)的限制,無法測量出中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值,而此處的值為最大值,因此測量結(jié)果應(yīng)該進(jìn)行修正。

總之,該測試方法容易使磁性磨粒的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和,實(shí)現(xiàn)快速檢測,為磁性磨粒的選用以及磁場發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(3)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的確定

考慮磁阻和漏磁的影響,磁場發(fā)生裝置設(shè)計(jì)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)有所增加,為：

式中,B為所設(shè)計(jì)的磁場發(fā)生裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度(T);kf為漏磁系數(shù),在不同的磁路結(jié)構(gòu)(不同的尺寸結(jié)構(gòu)、磁勢分布)中,差別很大,從 2到 20都可以,在磁性磨粒光整加工的磁路中可以做到較小,取 1.2～5[6];kr為磁阻系數(shù)(磁勢損失系數(shù),一般在 1.05至 1.45之間);Bsat為磁性磨粒的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)。

綜上所述,在磁性磨粒光整加工工藝中,根據(jù)加工工件和加工要求的不同,磁場發(fā)生裝置所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度一般取 0.6～1.4T左右。

2 磁場發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)

磁場發(fā)生裝置,亦稱磁場源,是磁性磨粒光整加工設(shè)備的核心部件,可分為電磁源和永磁源。電磁源可以產(chǎn)生較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小也可通過調(diào)整輸入電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)加工大型工件需要旋轉(zhuǎn)磁場源時(shí),還可通過脈沖電流來實(shí)現(xiàn)固定磁場源的旋轉(zhuǎn)。但其需要繞組線圈,不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大,而且渦流熱會使工件溫度升高,影響加工效果,也不適合與精密設(shè)備連接。永磁源結(jié)構(gòu)簡單、裝置輕便,但磁感應(yīng)強(qiáng)度較小,調(diào)節(jié)也不方便。

2.1 磁路設(shè)計(jì)

磁場發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)主要包括磁路設(shè)計(jì)和磁極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),圖 4為電磁源結(jié)構(gòu)示意圖。電磁磁路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是勵磁線圈設(shè)計(jì),即在最大磁感應(yīng)強(qiáng)度一定的條件下,計(jì)算線圈的匝數(shù)。

在忽略其它部分的磁阻時(shí),磁路中的磁動勢 F由磁阻 Rm來決定。

式中,Φ為磁通(Wb),B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(T),S為磁路的橫截面積(mm2)

圖 4 電磁源示意圖

為了使加工區(qū)域得到需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁路中的所有磁導(dǎo)體截面必須避免磁飽和,同時(shí)磁通應(yīng)流過沒有飽和的全部磁導(dǎo)體。磁路中的每個(gè)部分都會構(gòu)成磁通經(jīng)過的磁阻 Rm,計(jì)算時(shí)常采用磁阻的倒數(shù)磁導(dǎo)Λm。此時(shí),式 (7)可寫成：

當(dāng)磁回路中電流為定值時(shí),若將磁導(dǎo) Λm求出,線圈的匝數(shù)即可確定。

磁導(dǎo)的計(jì)算與加工間隙有關(guān)。對于磁性磨粒光整加工的磁路來說,最常見的加工間隙有長方形和環(huán)形,如圖 5所示。

圖 5 加工間隙的形狀與參數(shù)

長方形加工間隙的磁導(dǎo) Λt為：

式中,lt為磁極寬度(mm);bt為磁極高度(mm);gt為加工間隙(mm)。

環(huán)形加工間隙的磁導(dǎo) Λc為：

工程計(jì)算實(shí)例：磁性工件直徑d=30mm,長度L=45mm,磁極寬度 lcm=40mm,磁極高度 bcm=20mm,加工間隙 gcm=1～3mm,加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B=1.4T,計(jì)算結(jié)果見表1。對于直徑d=15mm的非磁性工件,計(jì)算結(jié)果見表 2。

表 1 實(shí)例 1的計(jì)算結(jié)果

表 2 實(shí)例 2的計(jì)算結(jié)果

通過分析和計(jì)算,若在為加工磁性材料工件設(shè)計(jì)的磁場源上加工非磁性工件,為了達(dá)到相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度,就必須增加約四倍的電流值。反之,若在為加工非磁性材料工件設(shè)計(jì)的磁場源上加工磁性工件,將會出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。

若取鐵芯與軛框?yàn)檎叫螖嗝鏁r(shí),當(dāng)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為 1.4T時(shí),可計(jì)算出其單邊長度必須在 36mm以上,故可取鐵芯與磁軛的單邊尺寸為 40mm。

2.2 磁極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁極頭的結(jié)構(gòu)形狀直接影響磁性磨粒對工件的作用力,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與被加工工件的形狀、尺寸及其導(dǎo)磁性能等多種因素有關(guān)。

當(dāng)磁極與工件之間的加工間隙出現(xiàn)大小變化時(shí),間隙大的部位磁場強(qiáng)度弱;間隙小的部位磁場強(qiáng)度強(qiáng),構(gòu)成了非均勻磁場,更有利于改善加工效果,磁極表面一般均需開有溝槽。

對于回轉(zhuǎn)表面,磁極頭形狀和結(jié)構(gòu)一般為被加工零件形狀的偶件;對于復(fù)雜自由曲面,可由水平面、垂直面、傾斜面、內(nèi)外圓弧面及自由曲面等構(gòu)成,磁極頭則可設(shè)計(jì)成一些典型形狀,如圖 6所示。

圖 6 常見幾何體形狀的磁極頭

另外,用永磁鐵代替電磁鐵具有很多優(yōu)點(diǎn),可將磁場源與磁極頭合二為一,開發(fā)簡單適用的永磁磁極頭。目前,我們已成功開發(fā)了多種實(shí)用的磁場發(fā)生裝置,圖7為兩種電磁場發(fā)生裝置;圖 8為兩種永磁場發(fā)生裝置。

3 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)磁回路測量裝置確定磁性磨粒的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,并進(jìn)行了修正;最后對磁路和磁極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并開發(fā)了相應(yīng)的磁場發(fā)生裝置,同時(shí)為各種磁場發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)和磁性磨粒的選用提供一定的參考。

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