基于电磁式的磁流变抛光液回收器设计.pdf
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1、Jul.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年月No.7Vol.40设机计第40 卷第7 期械基于电磁式的磁流变抛光液回收器设计*牛子奕,伍剑波,曾靖超(四川大学机械工程学院,四川成都610065)摘要:针对现有磁流变抛光机床用回收器磁性不可调、清洗困难的问题,设计了一种基于电磁式的磁流变抛光液回收器,采用Maxwell有限元电磁仿真软件,分析了形成回收器磁性密封环端部狭缝处的磁场分布情况,验证了模型及原理的正确性和可行性,并以狭缝处磁场强度最大值为优化目标进行五因素三水平正交试验,对回收器狭缝位置和尺寸进行优化。经仿真验证,优化后的狭缝处磁场强度提高了5.2%,正交试
2、验优化作用明显。最后,根据仿真及优化结果制作了回收器样件,并进行回收性能测试。试验结果表明:所设计的回收器能实现磁流变液的长时间稳定回收,断电后易清洗。关键词:磁流变抛光液;回收器;电磁仿真;正交试验;优化设计中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-2 3 5 4(2 0 2 3)0 7-0 0 0 1-0 7Design of electromagnetic magnetorheological polishing fluid reclaimerNIU Ziyi,WU Jianbo,ZENG Jingchao(School of Mechanical Engineeri
3、ng,Sichuan University,Chengdu 610065)Abstract:In view of the problem that the magnetic properties of the reclaimer used in existing magnetorheological polishingmachine cannot be adjusted and the reclaimer is difficult to be cleaned,a magnetorheological polishing fluid reclaimer based onelectromagnet
4、ic is designed.Finite-element electromagnetic simulation software Maxwell is used to analyze the distribution of mag-netic field in the end slit of the magnetic sealing ring,and the correctness and principle are verified.Taking the maximum mag-netic field intensity at the slit as the optimization ob
5、jective,a five-factor and three-level orthogonal experiment is designed to opti-mize the position and size of the slit.The simulation results show that the magnetic field intensity at the slit is increased by 5.2%after optimization,and the effect of orthogonal experiment is obvious.Finally,according
6、 to the simulation and optimization re-sults,the sample reclaimer is processed,and the recover performance is tested.The results proved that the designed reclaimercan achieve long time stable recovery of magnetorheological polishing fluid and easy cleaning after power failure.Key words:magnetorheolo
7、gical polishing fluid;reclaimer;electromagnetic simulation;orthogonal test;optimal design随着科学技术的发展,光学元件已广泛用于军工器械、空间望远镜及医疗设备中。磁流变抛光技术是一种先进的确定性光学加工技术,具有去除函数稳定、材料去除效率高、加工过程可控和抛光后的面形精度高等特点,可满足非球面光学元件加工的需求O在磁流变抛光设备中,为保证抛光过程中磁流变液性质稳定,需对磁流变液及时、完全回收,使其经过循环系统匀化和补水后重新用于抛光加工2 。回收器作为磁流变抛光设备循环系统的重要组成部分,应保*收稿日期:2
8、 0 2 2-0 1-2 4;修订日期:2 0 2 3-0 1-1 8证不撒漏、不磨损抛光轮及不改变磁流变液性质目前,国内外有多个开展磁流变抛光技术研究的机构对回收器结构进行了研究和设计。国防科学技术大学3 和中国工程物理研究院机械制造工艺研究所4 均设计了针对倒置式抛光装置的回收器,结构上均采用环形永磁体吸附磁流变液形成磁性密封环(下称“磁密封”),阻挡磁流变液继续运动,并聚集在回收器底部,进一步被蠕动泵回收。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所5 设计了一种真空装置来提供第40 卷第7 期机计设械磁流变液的回收动力,实现大流量磁流变液的回收,但整体结构较复杂,不易实现装备的高集成度。美国
9、QED公司推出了商用化的磁流变抛光设备,同时设计了采用永磁体及电磁体形成磁密封的回收器结构6-7 ,但均基于正置式抛光装置,不适用于倒置式结构。当前,国内各机构采用的回收方案大多采用永磁体形成磁密封,磁场强度无法调整。若磁性过强,在长期使用中易导致抛光轮严重磨损,造成加工区域的磁流变液状态稳定性下降,影响加工精度;若磁性过弱,则磁密封强度不足,易造成撒漏。同时,当采用大流量磁流变液加工时,应适当提高磁场强度以保证磁流变液在回收器内被稳定吸附,流量小则可降低磁场强度,而永磁体回收器无法实现对磁场强度的实时调整。另一方面,磁流变液受磁场作用紧密吸附在永磁体上,给清洗回收器带来了不便。综上所述,有必
10、要设计一种可以调整磁场强度的回收器,根据实际情况灵活改变磁场强度,在保证不撒漏的基础上减小对抛光轮的磨损,同时,能够有效解决回收器难以清洗的问题1磁流变抛光原理现代磁流变抛光设备根据抛光轮与工件的相对位置,一般可以分为正置式和倒置式两种,其中倒置式结构多用于体积大、自身质量大和难以装夹的大尺寸工件加工8 。图1 所示为倒置式抛光设备的结构示意图。21循环、搅拌装置;2 回收器;3 抛光轮;4磁场发生装置;5工件;6 喷嘴;7 磁流变液图1倒置式磁流变抛光设备结构示意图磁流变液由喷嘴“加载”至抛光轮表面,磁流变液在磁场作用下形成“柔性抛光模”缎带。该缎带运动至抛光轮与工件之间时,与工件发生相对运
11、动,实现对工件进行确定性材料去除9 。离开加工区域的磁流变液运动至安装在抛光轮顶部的回收器,受到阻挡和负压作用被回收,经过循环系统后再次用于加工。采用磁流变液抛光是利用磁流变液在磁场作用下表观黏度可瞬间增大两个数量级以上,这一现象被称为磁流变效应。磁流变液主要由4部分组成:磁敏微粒、基液、抛光粉和表面活性剂。磁敏微粒一般为微米级羰基铁粉,具有磁导率高、矫顽力小和粒度均匀等特点,在外加磁场下会形成链状结构,其宏观表现即为磁流变效应;基液是磁流变液的主要成分,用于承载磁流变液中其他成分,不同工况所采用的基液成分和性质不同。文中研究所用磁流变液基液为去离子水;抛光粉直接用于去除工件表面材料,当磁流变
12、液流经磁场区域时,抛光粉会从缎带中析出并分布在其表面,起到磨粒的作用。抛光粉的硬度、粒度和结构均会对抛光效率产生直接影响。目前,常用的抛光粉包括金刚石和氧化等,文中所用磁流变液以氧化铈颗粒作为抛光粉;表面活性剂也称为稳定剂,用于避免磁敏颗粒在加工过程中发生沉降结块,影响磁流变液的流变性除了以上4种主要成分外,磁流变液中还包括其他化学试剂,用于保证磁流变液性能稳定。2电磁式回收器方案2.1结构设计针对倒置式磁流变抛光设备,文中设计了一种基于通电线圈产生磁场形成磁密封的回收器结构,图2为该回收器结构剖视图。内壳与外壳下端的凸缘组成一个狭缝结构,使磁通在此处进人空气中并形成漏磁场。底板与线圈安装在内
13、、外壳之间,底板下端固定在狭缝处,将线圈与外部隔离。顶盖分别与内、外壳连接固定,线圈引线通过顶盖上的引线孔穿出。导流块安装在内壳内部,用以引导磁流变液进人流道。流道顶部通过管接头与回收软管连接。限位环固定在流道外侧,与夹具配合定位并安装回收器,使回收器底面与抛光轮表面形状贴合良好且提离约1.0 mm。回收器底部一侧开有引流口,安装时回收器如图1 置于抛光轮上方,并将引流口朝向抛光轮后方,加工后的磁流变液由引流口进人回收器腔体内部。2023年7 月牛子奕于电磁式的磁流变抛光液回收器设计8872022653SR200731内壳;2 导流块;3 外壳;4底板;5 线圈;6 顶盖;7流道;8 限位环;
14、9 引线孔图2线圈式回收器结构剖视图2.2工作原理回收器工作原理如图3 所示。工作时将线圈两端接人电流源,当电流流过线圈时将在线圈轴向方向上产生磁场,并在内壳与外壳凸缘构成的狭缝处形成一个漏磁场,通过改变通入线圈的电流大小即可改变凸缘处漏磁场的强度。当磁流变液运动至狭缝处时,受到漏磁场作用,黏度快速增大,此时磁流变液将沿磁场分布方向聚集,形成磁密封。后续运动至回收器的磁流变液被磁密封阻挡,并聚集在导流块端部并包围导流块开孔。流道经管路连接蠕动泵,蠕动泵产生负压将聚集的磁流变抛光液吸走,完成回收过程。图3回收器工作原理示意图2.3电磁线圈设计受回收器结构限制,期望在线圈尺寸相同时,漏磁场磁场强度
15、最大,以此减小工作时所需电流。考虑到线圈密绕的工艺性和加工难度,线径应该尽可能小,即满足用小线径铜线产生大磁场强度的漏磁场。为确定最优线径,对不同线径铜线所产生的磁场强度进行分析。非长直单层密绕载流空心螺线管轴线中点处的磁场强度计算公式为1 0 BLH二(1)o2Vb?+(L/2)2式中:山o真空磁导率,一般取=410-7N/A;B-磁感应强度,T;n每单位长度的线圈匝数;-通人电流,A;6线圈半径,m;L-线圈长度,m。对于多层螺线管,其轴线中点处磁场强度由式(1)在半径方向上积分,则有:RnILnILR+VR+(L/2)Hdb1n2/B2+(L/2)2T+VP+(L/2)(2)式中:一线圈
16、内半径,m;R一线圈外半径,m。设为电流连续分布时的电流密度,则有j=NI/L(R-r)=n l,其中,N为线圈总匝数,将j代人式(2)中,得:NIR+VR+(L/2)2H(3)2(R-T)n/2+(L/2)当线圈内、外径及长度确定时,仅有N和I为变量,根据手册1 将不同线径铜线可绕制匝数及最大通人电流代人式(3)中,磁场强度大小如图4所示15(0.9,14.09)14又(2.44,14.16)(u/E138700.51.01.52.02.5线径/mm图4不同线径线圈轴线中点磁场强度可见,磁场强度随线径的增大逐渐增大,并趋于平缓。当线径为0.9 mm时,磁场强度出现一处尖峰,且接近于最大值,说
17、明线径为0.9 mm时能产生较大的磁场强度,同时,为避免线径过大,故选择0.9mm漆包铜线作为绕制线圈的材料。3电磁式回收器磁场特性有限元仿真漏磁场是形成磁密封的关键,狭缝处磁场分布及磁场强度决定了能否形成磁密封。采用有限元方法及Maxwell电磁仿真软件对该处漏磁场进行仿真。计机设械第40 卷第7 期3.1仿真模型由于回收器整体呈柱状,仅在底部开有引流口,故基本呈对称结构,为简化仿真难度,以流道轴线作为对称轴建立二维仿真模型,如图5 所示。图5二维有限元仿真模型求解区域材料定义为空气,线圈材料为铜,内壳、外壳及顶盖材质为steel_1010,流道材质为铝,省略结构中的非导磁构件。回收器在使用
18、时认为周围磁场自由发散,故求解边界设置为Balloon边界;线圈截面上采用电流密度激励,设置电流为最大电流的3 0%,即0.6A,按照0.9 mm线径计算,电流密度约为943.4kA/m;由于回收器在工作中采用恒定磁场,因此,不需要考虑涡流及趋肤效应,故网格划分按照内部细化的方式进行,其中,内、外壳及顶盖划分加密,确保获得狭缝准确的磁场分布情况。网格划分如图6 所示图6回收器端部有限元仿真网格划分3.2总体磁场分布回收器磁场分布及磁感线分布情况如图7 所示。由图7 可知,磁感线主要分布在内、外壳及顶盖中。当磁感线经过狭缝时进人到空气中,在狭缝处形成较强的漏磁场,较为对称地分布在狭缝的上下方。由
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