周琴琴，彭可，陳永福，許亮，馬國(guó)芝，趙卓

磁流變拋光加工中磁場(chǎng)發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

周琴琴1，彭可1，陳永福2，許亮2，馬國(guó)芝1，趙卓1

（1.湖南師范大學(xué) 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410081；2.宇環(huán)數(shù)控機(jī)床股份有限公司，長(zhǎng)沙 410323）

研究磁流變拋光加工中磁場(chǎng)發(fā)生裝置設(shè)計(jì)對(duì)拋光效果的影響。設(shè)計(jì)三種基于電磁鐵的磁場(chǎng)發(fā)生裝置，分別為圓形陣列、扇形和環(huán)形磁場(chǎng)，進(jìn)行三維靜磁場(chǎng)有限元仿真，對(duì)比分析不同磁場(chǎng)發(fā)生裝置的磁場(chǎng)強(qiáng)度、方向云圖及5 mm高處磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線。為保證加工過(guò)程中磁場(chǎng)和磁流變液的穩(wěn)定性，針對(duì)三種磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的冷卻方式。制造環(huán)形磁場(chǎng)發(fā)生裝置，將其集成到自制磁流變拋光平臺(tái)，使用表面經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化的鋁合金樣件進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。圓形陣列磁場(chǎng)極頭間隙處形成高磁場(chǎng)區(qū)，隨著高度的升高，磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速下降。在離極頭5 mm高處，磁場(chǎng)強(qiáng)度從300 mT下降到約145 mT，拋光區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度較小。扇形磁場(chǎng)5 mm高處，磁場(chǎng)強(qiáng)度呈拋物線分布，最大可達(dá)330 mT，磁場(chǎng)方向單一，有效拋光區(qū)域占比較小。環(huán)形磁場(chǎng)5 mm高處，磁場(chǎng)強(qiáng)度最大可達(dá)240 mT，工件運(yùn)動(dòng)整個(gè)過(guò)程都處于高磁場(chǎng)區(qū)域，拋光效率高。環(huán)形磁場(chǎng)發(fā)生裝置磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向都滿足拋光要求，有效拋光區(qū)域較大，拋光后表面質(zhì)量明顯改善，拋光效果較好。

磁流變拋光；電磁鐵；磁場(chǎng)發(fā)生裝置；三維有限元；磁場(chǎng)強(qiáng)度

磁場(chǎng)發(fā)生裝置是磁流變拋光設(shè)備的核心部件，極大地影響拋光效果[1-2]。其作用是在工件與發(fā)生裝置的狹小間隙中形成梯度磁場(chǎng)，使流體態(tài)的磁流變液在毫秒內(nèi)變成類固態(tài)的“Bingham”介質(zhì)，通過(guò)控制工件與“Bingham”之間快速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光[3-7]。相比傳統(tǒng)加工方法，該方法具有加工精度高、易于數(shù)控及可實(shí)現(xiàn)異形面拋光的優(yōu)點(diǎn)[8-10]。

目前，國(guó)內(nèi)外在磁流變拋光技術(shù)方面取得一系列成就。美國(guó)QED公司已推出Q-FLEX、Q22系列等商用磁流變拋光機(jī)[11-13]，加工范圍涵蓋平面、球面、非球面等，尺寸范圍為5~2000 mm，主要適用于光學(xué)零件等的高精密研磨拋光，但是關(guān)于拋光裝置設(shè)計(jì)鮮有報(bào)道。國(guó)內(nèi)的李圣怡等人針對(duì)大型工件拋光難點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種倒置式磁流變拋光裝置。張飛虎等人[14]將超聲技術(shù)和磁流變技術(shù)結(jié)合，研制了一套超聲磁流變復(fù)合拋光裝置，并進(jìn)行仿真分析，但該裝置體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。董國(guó)正等[15]提出一種基于永磁鐵的磁流變拋光裝置，但是永磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度不可調(diào)節(jié)，無(wú)法適應(yīng)多變的加工條件，適用范圍相對(duì)有限。相較之下，電磁鐵可產(chǎn)生較大磁場(chǎng)，大小可調(diào)，靈活性強(qiáng)，適用多種工況，為后續(xù)研究留下空間。本文設(shè)計(jì)了三種基于電磁鐵的磁場(chǎng)發(fā)生裝置，進(jìn)行仿真對(duì)比磁場(chǎng)強(qiáng)度、方向云圖及5 mm處磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線，分析得出環(huán)形磁場(chǎng)滿足拋光要求，拋光效果最好。將該環(huán)形磁場(chǎng)發(fā)生裝置集成到自制磁流變拋光平臺(tái)，進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察拋光后工件表面形貌和測(cè)量光澤度，驗(yàn)證該磁場(chǎng)發(fā)生裝置的可行性。

1 磁流變拋光平臺(tái)設(shè)計(jì)

自制磁流變拋光平臺(tái)如圖1所示，主要由公轉(zhuǎn)大盤、多自由度機(jī)械手、磨液盆、磁場(chǎng)發(fā)生裝置等部件組成。磁場(chǎng)發(fā)生裝置置于磨液盆下方，工件置于盛有磁流變液的磨液盆上方，基于實(shí)際拋光工況，既可以通過(guò)調(diào)整電流大小改變磁流變液黏度，又可以通過(guò)控制工件升降、公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)、搖擺及其聯(lián)動(dòng)等多種方式實(shí)現(xiàn)平面及不規(guī)則面的精密研磨拋光。當(dāng)磁流變拋光平臺(tái)結(jié)構(gòu)確定，磁場(chǎng)發(fā)生裝置的最大尺寸也基本確定。這種情況下對(duì)拋光加工區(qū)域磁場(chǎng)影響最大的因素是磁極形狀及相關(guān)的尺寸參數(shù)[16]，因此需要對(duì)磁極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)在安匝數(shù)等參數(shù)相同的情況下獲得更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，或是獲得相同磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)可提供較小的安匝數(shù)。

圖1 自制磁流變拋光平臺(tái)

2 磁場(chǎng)發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)

1）磁場(chǎng)強(qiáng)度需滿足拋光要求[15]。磁場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)工件的形狀和尺寸設(shè)計(jì)，工件線速度大的地方磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，線速度小的地方磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，即磁場(chǎng)強(qiáng)度和線速度成反比。因此工件中心磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)最大，而工件邊緣磁場(chǎng)強(qiáng)度較小。整體磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)有設(shè)計(jì)余量，高于使用需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2）磁場(chǎng)方向需滿足拋光要求[15]。由于拋光的工件是3D曲面，磁場(chǎng)應(yīng)有垂直和平行于工件表面的分量。垂直于工件表面的分量主要提供作用于工件表面的壓力，并促進(jìn)磁流變液與工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；平行于工件表面的分量控制材料的去除量。因此垂直分量和平行分量缺一不可，同等重要。

根據(jù)上述對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的要求，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)及研究分析，設(shè)計(jì)了圓形陣列、扇形和環(huán)形磁場(chǎng)?？紤]到實(shí)際過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題，針對(duì)不同方案磁場(chǎng)，采用不同的冷卻方式，通過(guò)有線元模擬分析后，研發(fā)出理想的磁路結(jié)構(gòu)。

2.1 圓形陣列磁場(chǎng)

由于工件和磁流變液的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是沿圓周的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)磁場(chǎng)時(shí)，將磁場(chǎng)沿周向分布。本文先建立圓形陣列磁場(chǎng)三維模型，再進(jìn)行有限元仿真。圓形陣列磁場(chǎng)采用磁極交錯(cuò)分布的結(jié)構(gòu)，其中線圈內(nèi)徑為60 mm，外徑為106 mm，鐵芯直徑為60 mm，高140 mm，極頭厚7 mm，極頭周邊倒角為60°，底板直徑為870 mm，厚度為52 mm。三維模型如圖2a所示，其中極頭和鐵芯材質(zhì)為Q235。這種材料在不經(jīng)過(guò)退火軟化處理的條件下，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大。有磁場(chǎng)作用時(shí)，容易磁化，撤銷磁場(chǎng)時(shí)，也容易退磁，矯頑力小，磁導(dǎo)率高[16]。線圈材質(zhì)為銅，實(shí)際繞制時(shí)，采用的是線徑2 mm的漆包銅線。為提高仿真效率，將緊密繞制的線圈等效為實(shí)體，并在各個(gè)剖面處添加激勵(lì)源。線圈600匝，電流最大為10 A。底板采用不銹鋼材質(zhì)，各相鄰磁極的激勵(lì)源大小相等，方向相反。此外，由于磁場(chǎng)上方為拋光區(qū)域，將距離磁場(chǎng)頂面5 mm處的圓柱形區(qū)域設(shè)為求解域，并指定該區(qū)域材料屬性為真空?？紤]到三維電磁場(chǎng)求解過(guò)程中，對(duì)于兩個(gè)緊密接觸的導(dǎo)電體，電流會(huì)從電勢(shì)高的導(dǎo)電體流入到相鄰電勢(shì)低的導(dǎo)電體內(nèi)，而在實(shí)際情況中，兩個(gè)導(dǎo)電體內(nèi)有一層絕緣層，電流是不能相互流通的，故設(shè)置線圈絕緣邊界條件，并劃分初始網(wǎng)格大小30 mm。圖2b—d為有限元分析結(jié)果。

圖2表明，在32個(gè)極頭的間隙處形成了32個(gè)高磁場(chǎng)區(qū)，分布均勻，外圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度大，內(nèi)圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度小，磁場(chǎng)的分布趨勢(shì)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相吻合。極頭邊緣處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，達(dá)到300 mT以上，極頭上方隨著高度的升高，磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速下降。在離極頭5 mm高處，磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到145 mT；在離極頭10 mm高處，磁場(chǎng)強(qiáng)度下降到130 mT。實(shí)測(cè)結(jié)果是，在離極頭5 mm高處，磁場(chǎng)強(qiáng)度為135 mT；在離極頭10 mm高處，磁場(chǎng)強(qiáng)度為120 mT。計(jì)算值與實(shí)際值誤差在7%以內(nèi)，說(shuō)明仿真數(shù)據(jù)基本可靠。在試磨過(guò)程中，由于磨液盆的焊接變形和加工誤差，試件拋光高度的磁場(chǎng)強(qiáng)度比理論設(shè)計(jì)值偏小，非拋光區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)于拋光區(qū)域。在拋光過(guò)程中，大盤公轉(zhuǎn)加上工件自轉(zhuǎn)，拋光區(qū)域的鐵粉和磁流變液被甩到非拋光區(qū)，被非拋光區(qū)的磁場(chǎng)吸住，導(dǎo)致拋光區(qū)的鐵粉減少，發(fā)生裝置設(shè)計(jì)有待提高。

磁場(chǎng)發(fā)生裝置的主要發(fā)熱源是漆包銅線，工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱，加之磁場(chǎng)外圍防護(hù)件影響空氣對(duì)流，有必要針對(duì)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷卻方案，保證加工過(guò)程中磁場(chǎng)的穩(wěn)定。圓形陣列磁場(chǎng)底板上設(shè)計(jì)有迷宮式冷卻水循環(huán)回路，如圖3所示，主要用于對(duì)線圈下表面進(jìn)行冷卻。由于鋁板質(zhì)量小、導(dǎo)熱系數(shù)大，采用鋁板將線圈隔開(kāi)的方式對(duì)磁極中部進(jìn)行冷卻，極頭上端面自然冷卻。實(shí)際過(guò)程中，由于水槽進(jìn)程較大，存在冷卻水滯留問(wèn)題，對(duì)線圈底部的冷卻效果一般，線圈圓柱外表面和極頭的冷卻效果不佳，有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

圖3 迷宮式冷卻水循環(huán)回路

2.2 扇形磁場(chǎng)

扇形磁場(chǎng)由8個(gè)橢圓形的線圈和鐵芯組成，呈扇形分布。底板直徑為800 mm，厚52 mm。線圈高140 mm，厚46 mm。鐵芯在線圈中間，兩鐵芯極頭之間中間距離小，兩端距離大。

工作時(shí)，工件在兩極頭間隙高磁場(chǎng)區(qū)域的圓周上做公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)和搖擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，靠近工件中心的磁流變液容易剪切到兩側(cè)。磁場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證工件中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于兩側(cè)，使得在磁場(chǎng)作用下，被剪切的磁流變液回到工件中心，實(shí)現(xiàn)均勻拋光的目的?；诖耍瑢?duì)扇形磁場(chǎng)極頭進(jìn)行優(yōu)化處理，極頭內(nèi)窄外寬，圓周倒角，在極頭氣隙間形成高磁場(chǎng)區(qū)域，達(dá)到高效拋光的目的。

扇形磁場(chǎng)的三維模型如圖4a所示，添加極頭和鐵芯材質(zhì)屬性為Q235，底板選用不銹鋼材質(zhì)，用于防銹，線圈材質(zhì)為銅。距離磁場(chǎng)頂面5 mm處的圓柱形區(qū)域設(shè)為求解域，指定該區(qū)域材料屬性為真空，設(shè)置線圈868匝，電流最大為10 A，激勵(lì)源大小相等，方向相反，賦予絕緣邊界條件，初始網(wǎng)格大小為30 mm。圖4b—d為有限元分析結(jié)果。

圖4 扇形磁場(chǎng)的仿真

圖4表明，在8個(gè)極頭之間形成了8個(gè)高磁場(chǎng)區(qū)域，磁流變液兩極頭之間，中間磁場(chǎng)強(qiáng)度大，兩端磁場(chǎng)強(qiáng)度小，該仿真數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)初衷相符。在5 mm高處，磁場(chǎng)呈拋物線分布，中間磁場(chǎng)強(qiáng)度最大約為330 mT，兩端為150 mT左右。兩個(gè)極頭之間磁性相反，磁力線方向總是從一個(gè)極頭指向另一個(gè)極頭，達(dá)到拋光磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求。相較圓形陣列磁場(chǎng)，扇形磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度更大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量較輕，裝配容易，同等條件下產(chǎn)生的熱量小，對(duì)冷卻和絕緣的要求相對(duì)較低，但高磁場(chǎng)區(qū)只在兩極頭空隙處生成，在整個(gè)工件運(yùn)動(dòng)軌跡上占比較小，磁場(chǎng)方向較單一，拋光效率不高。

扇形磁場(chǎng)依然采用迷宮式冷卻水循環(huán)，配合冷卻鋁板冷卻，如圖5所示。工作時(shí)，冷卻液依照冷卻槽路徑對(duì)整個(gè)底板進(jìn)行冷卻。相比圓形陣列磁場(chǎng)的冷卻回路，扇形磁場(chǎng)的冷卻回路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且在實(shí)際工作中，冷卻液滯留在冷卻槽的現(xiàn)象明顯改善。同時(shí)在線圈上端覆蓋冷卻鋁板，鋁板內(nèi)沿用循環(huán)冷卻水冷卻，相比自然冷卻，效果有所改善。這種方式缺點(diǎn)是鋁板和線圈很難充分接觸，且線圈和鋁板沒(méi)有接觸的地方溫度無(wú)法控制。

圖5 扇形磁場(chǎng)底板冷卻水路

2.3 環(huán)形磁場(chǎng)

環(huán)形磁場(chǎng)的有限元模型如圖6a所示，線圈內(nèi)徑為426 mm，外徑為586 mm；鐵芯底板直徑為800 mm，厚52 mm；外極頭內(nèi)外直徑分別為586、800 mm，內(nèi)極頭直徑為426 mm，極頭高為210 mm。黑色的為極頭、鐵芯及底板，極頭、鐵芯材質(zhì)均為Q235，底板材質(zhì)為不銹鋼。黃色的為線圈，材質(zhì)為銅，設(shè)置電流激勵(lì)，總安匝數(shù)為37 800 N·A，賦予絕緣邊界條件。指定5 mm高的圓柱體為求解域，賦予材質(zhì)真空，初始網(wǎng)格大小為30 mm。圖6b—d為有限元分析結(jié)果。

圖6 環(huán)形磁場(chǎng)的仿真

如圖6所示，在兩個(gè)極頭之間形成了環(huán)狀凸起的高磁場(chǎng)區(qū)。5 mm高處，在磁場(chǎng)直徑方向，磁場(chǎng)強(qiáng)度呈拋物線分布，中間磁場(chǎng)強(qiáng)度最大能到240 mT，兩端為140 mT左右。兩個(gè)極頭之間磁性相反，磁力線方向總是由內(nèi)極頭指向外極頭。在工件運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中，極頭都處在高磁場(chǎng)區(qū)域，拋光效率高。

環(huán)形磁場(chǎng)線圈采用粗銅管，內(nèi)部通循環(huán)蒸餾水直接冷卻熱源。由于冷卻水和銅管直接接觸，水流速度快，冷卻水能在短時(shí)間內(nèi)帶走大部分熱量，冷卻比較充分。通過(guò)調(diào)整工業(yè)冷水機(jī)的出水溫度、壓力和流量，可以控制冷卻水的流速和冷水入口溫度，達(dá)到控制整個(gè)磁場(chǎng)溫度的目的。線圈分為上、下兩端，兩端分別獨(dú)立冷卻，各有一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口，減少冷卻水在銅管中的行程，從而使進(jìn)出水溫差不是很大，冷卻效果更佳。通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種冷卻方式的冷卻效果較好。

相比扇形磁場(chǎng)，環(huán)形磁場(chǎng)有效拋光區(qū)域較大，覆蓋工件的整個(gè)運(yùn)行范圍，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向都符合拋光要求，拋光效果較理想，是優(yōu)選的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)方案。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上文的仿真分析及試驗(yàn)，將環(huán)形磁場(chǎng)發(fā)生裝置集成到自制磁流變拋光平臺(tái)上，如圖7所示。

圖7 磁流變拋光平臺(tái)

為確定該裝置的材料去除能力和去除函數(shù)的穩(wěn)定性，對(duì)200片樣件進(jìn)行了拋光試驗(yàn)。試驗(yàn)工件材質(zhì)為鋁合金表面陽(yáng)極氧化材料，鋁合金因其良好的物理性能及力學(xué)性能而廣泛用于大量3C產(chǎn)品中，具有廣闊的運(yùn)用前景。拋光工件尺寸為135 mm×60 mm，形狀為3D曲面。試驗(yàn)時(shí)，選取工件上的7個(gè)點(diǎn)為檢測(cè)對(duì)象，如圖8所示。其中檢測(cè)點(diǎn)1和2為工件上距離回轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)的點(diǎn)，代表邊緣區(qū)域；檢測(cè)點(diǎn)3和4代表中間區(qū)域；檢測(cè)點(diǎn)5代表中心區(qū)域；檢測(cè)點(diǎn)6和7代表圓角區(qū)域。比較這7個(gè)有代表性的檢測(cè)點(diǎn)來(lái)論證該磁場(chǎng)發(fā)生裝置拋光的可行性[16]。耗材磁流變液是自行配制的水基磁流變液，主要由羰基鐵粉、拋光粉、基液、懸浮劑、pH劑等組成。

拋光前，針對(duì)待拋光工件材質(zhì)特性，設(shè)置多程序段參數(shù)（如公轉(zhuǎn)大小、公轉(zhuǎn)方向、自轉(zhuǎn)大小、自轉(zhuǎn)方向、勵(lì)磁強(qiáng)度、拋光間隙等）保存在HMI中。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，上盤部件帶動(dòng)公轉(zhuǎn)大盤下降到指定高度，磁場(chǎng)開(kāi)啟，工件做公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)及搖擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。通過(guò)工件和磁流變液的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行材料去除，達(dá)到精密拋光目的。由體視電子顯微鏡觀測(cè)到的拋光前后工件表面宏觀形貌如圖9所示。部分拋光實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖8 工間表面檢測(cè)點(diǎn)分布

a 拋光前

b 拋光后

圖9 拋光前后工件表面宏觀觀察圖

Fig.9 Macroscopic view of workpiece surface: a) before pol-ishing; b) after polishing

表1 磁流變拋光工藝參數(shù)

Tab.1 Magnetorheological polishing process parameters

表2 磁流變拋光試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Test results of magnetorheological polishing

根據(jù)以上拋光實(shí)驗(yàn)結(jié)果。拋光不規(guī)則3D曲面能達(dá)到良好的拋光效果，拋光后工件表面美觀，無(wú)劃傷，無(wú)橘皮，呈鏡面效果。

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了三種基于電磁鐵的磁流變拋光發(fā)生裝置，可以通過(guò)改變電流大小實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度, 并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)分析，得出環(huán)形磁場(chǎng)有效拋光區(qū)域較大，磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，拋光效率高，拋光效果最好，能對(duì)工件的大平面及周邊曲面一次完成鏡面拋光。

2）集成環(huán)形磁場(chǎng)發(fā)生裝置到自制磁流變拋光平臺(tái)上，對(duì)多片鋁合金樣件進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好，論證了該磁場(chǎng)發(fā)生裝置的可行性，對(duì)磁流變拋光工程領(lǐng)域的運(yùn)用具有一定指導(dǎo)作用和實(shí)用價(jià)值。

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Design and Experiment of Magnetic Field Generator in Magnetorheological Polishing Process

1,1,2,2,1,1

(1.School of Engineering and Design, Hunan Normal University, Changsha 410081, China; 2.Yuhuan CNC Machine Tool Company, Changsha 410323, China)

In order to study the influence of the design of magnetic field generating device on the effect of magnetorheological polishing, three magnetic field generating devices based on electromagnet are designed, which are circular array magnetic field, fan-shaped magnetic field and annular magnetic field. Three-dimensional static magnetic field finite element simulation was carried out respectively, and the magnetic field intensity cloud maps, directional cloud maps and magnetic field intensity curves at 5 mm height of different magnetic field generating devices were compared and analyzed. In order to ensure the stability of magnetic field and magnetorheological fluid during processing, different cooling methods were designed for three magnetic field structures to compare and optimize. The annular magnetic field generator was manufactured and integrated into the self-made magnetorheological polishing platform. Anodized aluminum alloy samples were used for polishing experiments. It was founded that a high magnetic field area was formed at the gap of the pole head of the circular array magnet field. As the height increased, the magnetic field intensity decreased rapidly. At the height of 5 mm from the pole head, the magnetic field intensity decreased from 300 mT to about 145 mT, and the magnetic field intensity in the polished area was small. The magnetic field intensity at the height of 5 mm fan-shaped magnetic field was parabolic distribution, with the maximum up to 330 mT. The magnetic field direction was single, and the effective polishing area was relatively small. At the height of 5 mm annular magnetic field, the maximum magnetic field intensity can reach 240 mT. The workpiece was in the high magnetic field area during the whole movement process, and the polishing efficiency was high. The magnetic field intensity and direction of the annular magnetic field generator meet the polishing requirements, and the effective polishing area is large, the surface quality is significantly improved after polishing, and the polishing effect is better.

magnetorheological polishing; electromagnet; field generator; three-dimension finite element; magnetic field intensity

2019-06-11；

2019-09-23

ZHOU Qin-qin (1995—), Female, Master, Research focus: mechatronic control.

彭可（1973—），男，博士后，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化控制。郵箱：77547113@qq.com

Corresponding author：PENG Ke (1973—), Male, Postdoctor, Professor, Research focus: mechatronic control. E-mail: 77547113@qq.com

周琴琴，彭可，陳永福，等. 磁流變拋光加工中磁場(chǎng)發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(6): 337-344.

TG356.28

A

1001-3660(2020)06-0337-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.041

2019-06-11；

2019-09-23

湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)目（2017GK4011）；湖南省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（17A129）；長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃重大專項(xiàng)（KQ1804054）

Fund：Supported by the the Special Project of Strategic Emerging Industry of Hunan Province (2017GK4011), Key Scientific Research Project of Hunan Education Department (17A129), Science and Technology Plan Major Special Project of Changsha City (KQ1804054)

周琴琴（1995—），女，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化控制。

ZHOU Qin-qin, PENG Ke, CHEN Yong-fu, et al. Design and experiment of magnetic field generator in magnetorheological polishing process [J]. Surface technology, 2020, 49(6): 337-344.