金属磁流变光整加工中磁极平行布置的磁场研究＊

高佳宏，韩利国，武小宇

（西安工业大学 机电工程学院，西安710021）

磁流变光整加工（Magnetorheological Finishing，MRF）技术利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有黏塑特性的柔性“小磨头”与工件之间快速的相对运动，使工件表面受到较大的剪切力，实现工件表面材料被去除，是一种融合了电磁学、流体力学、分析化学及机械光整加工理论的技术．在金属材料磁流变光整加工中，磁场的强度、磁场分布的均匀程度、磁力线与试件表面的垂直程度等因素对加工效果有重要的影响，为了获得更优的加工表面粗糙度，研究人员从不同的角度提出了多种磁极布置方式．

杨胜强［1］等在液体磁性磨具光整加工技术中提出了平行磁极布置和垂直磁极布置两种磁极布置方式，并从光整加工的角度对这两种磁极布置方式的磁场特性进行了研究；阎秋生［2］等提出了一种单点式磁极布置，研究了这种磁极布置对磁流变液的作用机理，并结合工艺试验对加工参数和磁极的形状设计进行了研究；柴京富、阎秋生［3］在单点磁极布置的基础上提出了集群式磁极布置，相对单点磁极布置可以显著提高光整加工的效率，但是只能局限于平面的光整加工；郭忠达［4-5］等面对传统点接触式的磁极布置，提出了一种面接触式的旋转环带式磁极布置，并基于这种磁极布置进行了加工工艺试验和加工机理研究，这种磁极布置方式能够使流变后形成的Bingham体更为均匀；Manas Das V．K．［6］等在对旋转磁流变磨料流（R-MRAFF）加工技术研究中，通过对磁极布置方式的分析研究，提出了一种在圆环上两对磁极N、S极交替均匀布置的磁极布置方式，能有效提高磁场分布的均匀性和磁感应强度．

在磁流变光整加工装置设计中，磁场发生模块选用了永磁铁．与线圈磁场相比，产生相同大小的磁场，永磁铁具有成本低，所占空间小等优点，但是所产生的磁场强度的可控性较差．为此，文中在磁流变光整加工装置设计中，提出了一种改进的平行磁极布置，采用导磁性材料对平行布置的磁极进行连接，利用ANSYS软件对加工区磁场的强度和分布进行分析，以期改善磁流变光整加工装置对加工区磁场强度可控性．

1 磁流变光整加工原理

磁流变光整加工原理如图1所示，试件的被加工端浸没在磁流变抛光液中，另一端在加持装置下与机床主轴相连．加工过程中首先让试件做回转运动和纵向往复运动，然后给磁流变抛光液加上平行磁场，使其发生流变．当试件浸没在发生流变的磁流变抛光液中，高速旋转且做纵向往复运动时，两者接触面的相对运动突现了磨料对工件表面的光整加工．

图1 磁流变光整加工原理Fig．1 The schematic diagram of the MR finishing

2 平行磁极布置的改进

平行磁极布置方式如图2（a）所示，两块磁极N、S极相对，平行布置在载液盒两侧．在设计磁路过程中，为了更好利用导磁材料对磁场强度和分布产生的影响，本文对平行磁极布置方式进行了如下改进：利用导磁材料（铸铁）将两块平行放置的永磁铁（磁极）的非磁化方向面（与磁化方向平行的表面）连接，改进后的磁极布置方式如图2（b）所示．

图2 平行磁极布置的改进Fig．2 The improved parallel arrangement of magnetic pole

3 仿真分析

利用ANSYS电磁场分析模块对这两种布置方式进行分析和比较，来研究改进平行磁极布置方式的加工区域磁场的特点．

3．1 ANSYS模型的建立

由于磁极布置方式具有轴对称的结构特点，可将其简化为二维模型进行分析，在ANSYS中分别对两种磁极布置方式建立图2的模型．模型中相关的参数设置见表1．载液盒由不导磁的塑料制成，相对导磁率设置为1．磁流变抛光液的导磁率通过文献［1］确定，永磁铁的参数由制造商提供，通过查找资料铸铁的相对导磁选择352．

3．2 结果与分析

3．2．1 两种磁极布置方式下的磁力线分布

通过图3磁力线分布对比图可知，图3（b）为改进平行磁极布置方式，靠近铸铁导磁材料的部分磁力线分布密集，远离铸铁导磁材料的部分磁力线分布相对稀疏，铸铁导磁材料部分磁力线最为密集，而图3（a）中磁力线总体呈现均匀对称分布；两种磁极布置方式，在加工区域（两个永磁体中间的部分）形成的磁力线的方向没有明显的差异．

表1 ANSYS仿真分析中所用参数值Tab．1 The value of parameters used in ANASYS simulation

图3 磁力线分布对比Fig．3 The comparison maps of magnetic flux distribution

根据金属材料磁流变光整加工原理，磁力线方向可以尽可能的垂直于回转体试件的表面，使磁场作用力更有效的作用于磨料，保证磨料与试件表面的挤压力，从而保证加工效果［7］．

3．2．2 两种磁极布置方式下磁感应强度分布

加工区域磁场分布的均匀性主要指有效加工区域面积的相对大小［8］，图4中加工区域A部分的磁场强度较弱，难以实现有效的光整加工，有效的加工区域为B部分．通过图4磁感应强度分布云图的对比，可以看出图4（b）中加工区域的B部分所占比例减小，说明图4（b）中加工区域的有效加工面积缩小，且磁感应强度存在较明显的变化，沿图中y方向（纵向）磁感应强度的分布出现了较明显的区域差异，呈现出“小-大-小”变化趋势，即磁场分布的均匀性变差．

图4 磁感应强度分布对比Fig．4 The comparison cloud maps of magnetic flux density

3．2．3 加工区域中心位置磁感应强度值的比较

针对实际加工中用到的三种磁极布置间距d分别为25mm、30mm、35mm．在ANSYS中分析两种磁极布置方式下，加工区域中间位置（即载液盒的几何中心）的磁感应强度值．利用ANSYS后处理中路径输出功能输出结果如图5～7所示，所定义的路径是以载液盒的中心位置为坐标原点建立直角坐标系，以z轴上距离坐标原点5mm的位置为初始点，沿z轴负方向每隔1mm取一个点，共取11个点，每个点与初始点距离以s表示）．

图5 d＝25mm时中心位置磁感应强度值Fig．5 The value of magnetic flux density in central place（d＝25mm）

图6 d＝30mm时中心位置磁感应强度值Fig．6 The value of magnetic flux density in central place（d＝30mm）

为了说明改进前后加工区域磁场强度的改变，取加工区域中心位置的磁感应强值作为标准，将图5～7中心位置的磁感应强度值整理，见表2．从表2可知，同样的磁极布置距离下，改进的平行磁极布置所获得的磁感应强度值比平行磁极布置提高了约0．012T．对比改进前的三种磁感应强度水平相邻间的差值（约0．03T），这样的提高比较明显．说明用导磁材料将平行磁极连接，可以有效地提高加工区域的磁场感应强度．

表2 中心位置磁感应强度值的对比Tab．2 The comparison of magnetic flux density in central palce

4 加工区磁场的测量与分析

通过特斯拉计测量两种磁极布置方式下，不同的磁极布置间距（d＝25mm，30mm，35mm时），加工区域中心位置的磁感应强度值，测量结果见表3（测点位置位于载液盒的几何中心）．

表3 加工区域中心位置磁感应强度测量结果Tab．3 The measured results of magnetic flux density in the central place of manufacturing area

从表3可以看出，同样的磁极布置距离下，改进的平行磁极布置方式，其加工区域中心位置的磁感应强度比改进前提高了约0．01T，通过比较ANSYS分析出的结果与实际测量的结果，误差小于5%．

5 结 论

1）平行磁极布置改进后，靠近导磁材料区域磁力线分布密集，连接部位磁力线最为密集，远离导磁材料区域磁力线分布相对稀疏．

2）平行磁极布置改进后，加工区磁力线的方向没有发生改变，加工区域磁感应强度较未改进前平行磁极布置平均提高了0．01T．但是由于导磁材料的影响，加工区域的磁感应强度分布的均匀性变差．

［1］ 杨胜强，李文辉，陈红玲，等．表面光整加工理论与新技术［M］．北京：国防工业出版社，2011．YANG Sheng-qiang，LI Wen-hui，CHEN Hong-ling，et al．The Theory and New Techniques of Surface Finishing［M］．Beijing：National Defense Industry Press，2011．（in Chinese）

［2］ 余娟，阎秋生，路家斌．磁流变即效微细砂轮精细加工研究［J］．金刚石与磨料工具工程，2007，157（1）：74．YU Juan，YAN Qiu-sheng，LU Jia-bin．Research on a New Superfine Machining Method Based on the Magnetorheological Fluids［J］．Diamond ＆ Abrasives Engineering，2007，157（1）：74．（in Chinese）

［3］ 柴京富．集群磁流变效应研磨刷研抛工具加工机理研究 ［D］．广州：广东工业大学，2011．CHAI Jing-fu．Study on Machining Mechanism of Polishing Tool with Grinding Brush Cluster Based on Magnetorheological Effect［D］．Guangzhou：Guangdong University of Technology，2011．（in Chinese）

［4］ 阳志强，郭忠达，陈智利，等．环带旋转式磁流变抛光头设计［J］．机械设计与制造，2009（10）：56．YANG Zhi-qiang，GUO Zhong-da，CHEN Zhi-li，et al．Design of Clitella Magnetorheological Finishing Tool Combined Rotation Movement［J］．Machinery Design ＆Manufacture，2009（10）：56．（in Chinese）

［5］ 郭忠达，杜书娟，刘卫国，等．环带磁场在磁流变抛光技术中的应用［J］．西安工业大学学报，2007，27（3）：212．GUO Zhong-da，DU Shu-juan，LIU Wei-guo，et al．The Application of Annulus Magnetic Field in Magnetorheological Finishing［J］．Journal of Xi’an Technological University，2007，27（3）：212．（in Chinese）

［6］ MANAS D V K，JAIN P S．Ghoshdastidar．Nanofinishing of Flat Workpieces Using Rotational-Magnetorheological Abrasive Flow Finishing（R-MARAFF）Process［J］．Int Adv Manuf Technol，2012，62：405．

［7］ ANANT K S，SUNIL J，PULAK M P．Nanofinishing of a Typical 3DFerromagnetic Workpiece Using Ball End Magnetorheological Finishing Process［J］．International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2012，63：21．

［8］ 何永周．永磁体外部磁场的不均匀性研究［J］．物理学报，2013，62（8）：1．HE Yong-zhou．Inhomogeneity of External Magnetic Field for Permanent Magnet［J］．Chinese Journal of Physics，2013，62（8）：1．（in Chinese）