磁流變拋光加工中磁場發生裝置的設計與實驗

周琴琴，彭可，陳永福，許亮，馬國芝，趙卓

磁流變拋光加工中磁場發生裝置的設計與實驗

周琴琴1，彭可1，陳永福2，許亮2，馬國芝1，趙卓1

（1.湖南師范大學 工程與設計學院，長沙 410081；2.宇環數控機床股份有限公司，長沙 410323）

研究磁流變拋光加工中磁場發生裝置設計對拋光效果的影響。設計三種基于電磁鐵的磁場發生裝置，分別為圓形陣列、扇形和環形磁場，進行三維靜磁場有限元仿真，對比分析不同磁場發生裝置的磁場強度、方向云圖及5 mm高處磁場強度曲線。為保證加工過程中磁場和磁流變液的穩定性，針對三種磁場結構設計不同的冷卻方式。制造環形磁場發生裝置，將其集成到自制磁流變拋光平臺，使用表面經過陽極氧化的鋁合金樣件進行拋光實驗。圓形陣列磁場極頭間隙處形成高磁場區，隨著高度的升高，磁場強度迅速下降。在離極頭5 mm高處，磁場強度從300 mT下降到約145 mT，拋光區域磁場強度較小。扇形磁場5 mm高處，磁場強度呈拋物線分布，最大可達330 mT，磁場方向單一，有效拋光區域占比較小。環形磁場5 mm高處，磁場強度最大可達240 mT，工件運動整個過程都處于高磁場區域，拋光效率高。環形磁場發生裝置磁場強度和磁場方向都滿足拋光要求，有效拋光區域較大，拋光后表面質量明顯改善，拋光效果較好。

磁流變拋光；電磁鐵；磁場發生裝置；三維有限元；磁場強度

磁場發生裝置是磁流變拋光設備的核心部件，極大地影響拋光效果[1-2]。其作用是在工件與發生裝置的狹小間隙中形成梯度磁場，使流體態的磁流變液在毫秒內變成類固態的“Bingham”介質，通過控制工件與“Bingham”之間快速的相對運動進行化學機械拋光[3-7]。相比傳統加工方法，該方法具有加工精度高、易于數控及可實現異形面拋光的優點[8-10]。

目前，國內外在磁流變拋光技術方面取得一系列成就。美國QED公司已推出Q-FLEX、Q22系列等商用磁流變拋光機[11-13]，加工范圍涵蓋平面、球面、非球面等，尺寸范圍為5~2000 mm，主要適用于光學零件等的高精密研磨拋光，但是關于拋光裝置設計鮮有報道。國內的李圣怡等人針對大型工件拋光難點設計了一種倒置式磁流變拋光裝置。張飛虎等人[14]將超聲技術和磁流變技術結合，研制了一套超聲磁流變復合拋光裝置，并進行仿真分析，但該裝置體積較大，結構復雜。董國正等[15]提出一種基于永磁鐵的磁流變拋光裝置，但是永磁鐵磁場強度不可調節，無法適應多變的加工條件，適用范圍相對有限。相較之下，電磁鐵可產生較大磁場，大小可調，靈活性強，適用多種工況，為后續研究留下空間。本文設計了三種基于電磁鐵的磁場發生裝置，進行仿真對比磁場強度、方向云圖及5 mm處磁場強度曲線，分析得出環形磁場滿足拋光要求，拋光效果最好。將該環形磁場發生裝置集成到自制磁流變拋光平臺，進行加工實驗，通過觀察拋光后工件表面形貌和測量光澤度，驗證該磁場發生裝置的可行性。

1 磁流變拋光平臺設計

自制磁流變拋光平臺如圖1所示，主要由公轉大盤、多自由度機械手、磨液盆、磁場發生裝置等部件組成。磁場發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，基于實際拋光工況，既可以通過調整電流大小改變磁流變液黏度，又可以通過控制工件升降、公轉、自轉、搖擺及其聯動等多種方式實現平面及不規則面的精密研磨拋光。當磁流變拋光平臺結構確定，磁場發生裝置的最大尺寸也基本確定。這種情況下對拋光加工區域磁場影響最大的因素是磁極形狀及相關的尺寸參數[16]，因此需要對磁極結構進行優化，以實現在安匝數等參數相同的情況下獲得更大的磁場強度，或是獲得相同磁場強度時可提供較小的安匝數。

圖1 自制磁流變拋光平臺

2 磁場發生裝置的設計

1）磁場強度需滿足拋光要求[15]。磁場強度根據工件的形狀和尺寸設計，工件線速度大的地方磁場強度較小，線速度小的地方磁場強度較大，即磁場強度和線速度成反比。因此工件中心磁場強度應最大，而工件邊緣磁場強度較小。整體磁場強度應有設計余量，高于使用需要的磁場強度。

2）磁場方向需滿足拋光要求[15]。由于拋光的工件是3D曲面，磁場應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，并促進磁流變液與工件表面發生化學反應；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。

根據上述對磁場強度和方向的要求，經過多次試驗及研究分析，設計了圓形陣列、扇形和環形磁場。考慮到實際過程中的發熱問題，針對不同方案磁場，采用不同的冷卻方式，通過有線元模擬分析后，研發出理想的磁路結構。

2.1 圓形陣列磁場

由于工件和磁流變液的相對運動是沿圓周的回轉運動，因此設計磁場時，將磁場沿周向分布。本文先建立圓形陣列磁場三維模型，再進行有限元仿真。圓形陣列磁場采用磁極交錯分布的結構，其中線圈內徑為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為Q235。這種材料在不經過退火軟化處理的條件下，飽和磁感應強度大。有磁場作用時，容易磁化，撤銷磁場時，也容易退磁，矯頑力小，磁導率高[16]。線圈材質為銅，實際繞制時，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體，并在各個剖面處添加激勵源。線圈600匝，電流最大為10 A。底板采用不銹鋼材質，各相鄰磁極的激勵源大小相等，方向相反。此外，由于磁場上方為拋光區域，將距離磁場頂面5 mm處的圓柱形區域設為求解域，并指定該區域材料屬性為真空。考慮到三維電磁場求解過程中，對于兩個緊密接觸的導電體，電流會從電勢高的導電體流入到相鄰電勢低的導電體內，而在實際情況中，兩個導電體內有一層絕緣層，電流是不能相互流通的，故設置線圈絕緣邊界條件，并劃分初始網格大小30 mm。圖2b—d為有限元分析結果。

圖2表明，在32個極頭的間隙處形成了32個高磁場區，分布均勻，外圈的磁場強度大，內圈的磁場強度小，磁場的分布趨勢與實際測量結果相吻合。極頭邊緣處磁場強度最大，達到300 mT以上，極頭上方隨著高度的升高，磁場強度迅速下降。在離極頭5 mm高處，磁場強度下降到145 mT；在離極頭10 mm高處，磁場強度下降到130 mT。實測結果是，在離極頭5 mm高處，磁場強度為135 mT；在離極頭10 mm高處，磁場強度為120 mT。計算值與實際值誤差在7%以內，說明仿真數據基本可靠。在試磨過程中，由于磨液盆的焊接變形和加工誤差，試件拋光高度的磁場強度比理論設計值偏小，非拋光區域磁場強度強于拋光區域。在拋光過程中，大盤公轉加上工件自轉，拋光區域的鐵粉和磁流變液被甩到非拋光區，被非拋光區的磁場吸住，導致拋光區的鐵粉減少，發生裝置設計有待提高。

磁場發生裝置的主要發熱源是漆包銅線，工作過程中會產生熱，加之磁場外圍防護件影響空氣對流，有必要針對磁場結構設計相應的冷卻方案，保證加工過程中磁場的穩定。圓形陣列磁場底板上設計有迷宮式冷卻水循環回路，如圖3所示，主要用于對線圈下表面進行冷卻。由于鋁板質量小、導熱系數大，采用鋁板將線圈隔開的方式對磁極中部進行冷卻，極頭上端面自然冷卻。實際過程中，由于水槽進程較大，存在冷卻水滯留問題，對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，有進一步優化空間。

圖3 迷宮式冷卻水循環回路

2.2 扇形磁場

扇形磁場由8個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，工件在兩極頭間隙高磁場區域的圓周上做公轉、自轉和搖擺的復合運動，靠近工件中心的磁流變液容易剪切到兩側。磁場設計時應保證工件中心的磁場強度大于兩側，使得在磁場作用下，被剪切的磁流變液回到工件中心，實現均勻拋光的目的。基于此，對扇形磁場極頭進行優化處理，極頭內窄外寬，圓周倒角，在極頭氣隙間形成高磁場區域，達到高效拋光的目的。

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

圖4 扇形磁場的仿真

圖4表明，在8個極頭之間形成了8個高磁場區域，磁流變液兩極頭之間，中間磁場強度大，兩端磁場強度小，該仿真數據與設計初衷相符。在5 mm高處，磁場呈拋物線分布，中間磁場強度最大約為330 mT，兩端為150 mT左右。兩個極頭之間磁性相反，磁力線方向總是從一個極頭指向另一個極頭，達到拋光磁場強度的要求。相較圓形陣列磁場，扇形磁場產生的磁場強度更大，結構簡單，質量較輕，裝配容易，同等條件下產生的熱量小，對冷卻和絕緣的要求相對較低，但高磁場區只在兩極頭空隙處生成，在整個工件運動軌跡上占比較小，磁場方向較單一，拋光效率不高。

扇形磁場依然采用迷宮式冷卻水循環，配合冷卻鋁板冷卻，如圖5所示。工作時，冷卻液依照冷卻槽路徑對整個底板進行冷卻。相比圓形陣列磁場的冷卻回路，扇形磁場的冷卻回路設計簡單，且在實際工作中，冷卻液滯留在冷卻槽的現象明顯改善。同時在線圈上端覆蓋冷卻鋁板，鋁板內沿用循環冷卻水冷卻，相比自然冷卻，效果有所改善。這種方式缺點是鋁板和線圈很難充分接觸，且線圈和鋁板沒有接觸的地方溫度無法控制。

圖5 扇形磁場底板冷卻水路

2.3 環形磁場

環形磁場的有限元模型如圖6a所示，線圈內徑為426 mm，外徑為586 mm；鐵芯底板直徑為800 mm，厚52 mm；外極頭內外直徑分別為586、800 mm，內極頭直徑為426 mm，極頭高為210 mm。黑色的為極頭、鐵芯及底板，極頭、鐵芯材質均為Q235，底板材質為不銹鋼。黃色的為線圈，材質為銅，設置電流激勵，總安匝數為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，賦予材質真空，初始網格大小為30 mm。圖6b—d為有限元分析結果。

圖6 環形磁場的仿真

如圖6所示，在兩個極頭之間形成了環狀凸起的高磁場區。5 mm高處，在磁場直徑方向，磁場強度呈拋物線分布，中間磁場強度最大能到240 mT，兩端為140 mT左右。兩個極頭之間磁性相反，磁力線方向總是由內極頭指向外極頭。在工件運動的整個過程中，極頭都處在高磁場區域，拋光效率高。

環形磁場線圈采用粗銅管，內部通循環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，冷卻水能在短時間內帶走大部分熱量，冷卻比較充分。通過調整工業冷水機的出水溫度、壓力和流量，可以控制冷卻水的流速和冷水入口溫度，達到控制整個磁場溫度的目的。線圈分為上、下兩端，兩端分別獨立冷卻，各有一個進水口和一個出水口，減少冷卻水在銅管中的行程，從而使進出水溫差不是很大，冷卻效果更佳。通過仿真分析和實驗驗證，這種冷卻方式的冷卻效果較好。

相比扇形磁場，環形磁場有效拋光區域較大，覆蓋工件的整個運行范圍，磁場強度和磁場方向都符合拋光要求，拋光效果較理想，是優選的磁場結構方案。

3 實驗驗證

根據上文的仿真分析及試驗，將環形磁場發生裝置集成到自制磁流變拋光平臺上，如圖7所示。

圖7 磁流變拋光平臺

為確定該裝置的材料去除能力和去除函數的穩定性，對200片樣件進行了拋光試驗。試驗工件材質為鋁合金表面陽極氧化材料，鋁合金因其良好的物理性能及力學性能而廣泛用于大量3C產品中，具有廣闊的運用前景。拋光工件尺寸為135 mm×60 mm，形狀為3D曲面。試驗時，選取工件上的7個點為檢測對象，如圖8所示。其中檢測點1和2為工件上距離回轉中心較遠的點，代表邊緣區域；檢測點3和4代表中間區域；檢測點5代表中心區域；檢測點6和7代表圓角區域。比較這7個有代表性的檢測點來論證該磁場發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，針對待拋光工件材質特性，設置多程序段參數（如公轉大小、公轉方向、自轉大小、自轉方向、勵磁強度、拋光間隙等）保存在HMI中。當按下啟動按鈕，上盤部件帶動公轉大盤下降到指定高度，磁場開啟，工件做公轉、自轉及搖擺的復合運動。通過工件和磁流變液的相對運動，對工件進行材料去除，達到精密拋光目的。由體視電子顯微鏡觀測到的拋光前后工件表面宏觀形貌如圖9所示。部分拋光實驗工藝參數見表1，試驗結果見表2。

圖8 工間表面檢測點分布

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

Tab.1 Magnetorheological polishing process parameters

表2 磁流變拋光試驗結果

Tab.2 Test results of magnetorheological polishing

根據以上拋光實驗結果。拋光不規則3D曲面能達到良好的拋光效果，拋光后工件表面美觀，無劃傷，無橘皮，呈鏡面效果。

4 結論

1）設計了三種基于電磁鐵的磁流變拋光發生裝置，可以通過改變電流大小實時調節磁場強度, 并進行仿真和實驗分析，得出環形磁場有效拋光區域較大，磁場強度較大，拋光效率高，拋光效果最好，能對工件的大平面及周邊曲面一次完成鏡面拋光。

2）集成環形磁場發生裝置到自制磁流變拋光平臺上，對多片鋁合金樣件進行拋光實驗，實驗結果良好，論證了該磁場發生裝置的可行性，對磁流變拋光工程領域的運用具有一定指導作用和實用價值。

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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，主要研究方向為機電一體化控制。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發生裝置的設計與實驗[J]. 表面技術, 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

湖南省戰略性新興產業專項項目（2017GK4011）；湖南省教育廳重點科研項目（17A129）；長沙市科技計劃重大專項（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，主要研究方向為機電一體化控制。

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.