基于电磁式的磁流变抛光液回收器设计.pdf

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 Engineering,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 onelectromagnetic 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 objective,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 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:magnetorheological 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 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、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；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。由于狭缝上方安装底板，因此，该部分漏磁场处于底板内部，不影响磁密封的形成，起影响作用的主要是狭缝下方的磁场强度，只有达到一定强度时，磁流变液才能够形成具有一定黏度、稳定的磁密封。A/WeberHkA/m4.18E-053.84E+023.93E-053.58E+023.68E-053.33E+023.42E-053.07E+023:17E-052.81E+022.92E-052.56E+022.67E-052.30E+022.42E-052.05E+022.17E-051.79E+021.92E-051.54E+021.67E-05128E+02142E-051.02E+021.17E-057.68E+019.19E-065.12E+016:68E-062.56E+014:18E-064.39E-02图7回收器电磁仿真结果磁流变液在磁场强度达到3 5 0 kA/m时已基本磁化到饱和1 2-1 3 ，而在磁流变抛光的加工区域，磁场强度也仅为1 8 0 2 2 0 kA/ml14，此时的磁流变液已经形成黏度很大的Bingham流体介质，过高的磁场强度会使回收器形成的磁密封黏度过大，对抛光轮磨损严重，还会导致回收器周围磁场过强，影响回收效果。而对于倒置式抛光装置，在抛光轮的非加工区域，仅需8kA/m的磁场强度即可保证磁流变液在不受外力的情况下，吸附在抛光轮上不被甩出8 。因此，为保证形成一定强度的磁密封，同时，避免磁流变液黏度过大，回收器产生的磁场强度应在40 1 2 0 kA/m之间。沿着回收器底部球面设置3 条半径为2 0 0 mm的弧线路径，竖直方向分别距回收器底部0.5,1.0,1.5 mm，绘制3 条路径上的磁场强度分布曲线，如图8 所示140120M,(15.15,119.10)底熙离0.5 mm(u/v)/距底部距离i.5mm10080M,(15.45,73.51)又60M,(15.45,51.75)又40200051015202530距离/mm图8优化前磁场强度分布2023年7 月牛子奕，于电磁式的磁流变抛光液回收器设计由图8 可看出，3 条路径上磁场强度的最大值分别为1 1 9.1 0,7 3.5 1,5 1.7 5 kA/m，距壳体距离越小，磁场强度越大，均呈中间高两侧低的规律分布，且磁场强度最大值均出现在狭缝中间位置，说明该狭缝结构能够形成较强的漏磁场回收器安装时，一般保证其底部与抛光轮之间的提离值约为1.0 mm，缝隙过大可能导致撒漏，缝隙过小则磁密封无法起到有效的阻挡作用。由图8 可知，在回收器端部0.5 1.5 mm范围内，磁场强度均处在40120kA/m之间，且此时线圈电流仅为0.6 A，距线圈允许通过的最大电流1.9 9 A尚有很大差距。因此，回收器产生的磁场足以形成稳定有效的磁密封3.3狭缝结构仿真优化狭缝的尺寸结构对磁场分布及强度有重要影响，为了得到较佳的磁场强度分布，设计正交试验对狭缝结构进行优化设计。正交试验可以进行较少的试验研究多因素水平问题，有效提高优化效率1 5 以距回收器底部1.0 mm路径上磁场强度最大值为优化目标，选5 个结构参数作为试验因素，如图9 所示,其中：p代表狭缝中心向轴线的偏移距离;b代表狭缝宽度；D代表凸缘宽度；h代表凸缘最小高度；t影响端部斜度。设计六因素三水平正交表（引人一空白列排除因素间相互作用），试验因素水平如表1 所示。b图9试验因素选择示意图表1试验因素水平mm水平(A)P(B)b(C)D(D)h(F)t1113316212211.573131228建立Lis（3）正交试验表，将各组试验参数对应模型导人Maxwell软件中进行仿真，得到1.0 mm路径上磁场强度最大值的结果，如表2 所示表2正交试验数据及试验结果序号ABCD空列FH/(kA/m)111111161.06211223358.94312133269.38412312369.48513232175.12613321275.53721132360.12821313259.5922222266.691022331168.461123123173.981223211373.651331231257.841431322160.611532121367.011632213166.591733112275.881833333368.75对试验结果进行极差分析，由此得到因素主次排序，以得到1 组优化的参数组合，分析结果如表3 所示表3试验结果分析ABCD空列FKI409.5358.2407.4406.3403.6405.8K2402.5407.6398.8402.8407.9404.9K3396.7442.9402.4399.7397.2398.0kl68.359.767.967.767.367.6k267.167.966.567.168.067.5k366.173.867.166.666.266.3极差12.884.78.66.610.77.9因素主次BACFD优化方案A,B,C,D,Ff由表3 可知，参数b对狭缝磁场强度的影响最大，同时，空列的极差并未明显大于其他各项因素的极差，说明各因素之间大概率没有被忽略的交互作用。图10展示了各因素取不同水平时磁场强度的变化趋势80.075.070.065.060.055.011121312312311.52678P6Dh因素水平/mm图1 0不同试验因素对磁场强度的影响趋势图6机第40 卷第7 期计设械由图1 0 可以看出，磁场强度随狭缝宽度的增大迅速降低，狭缝宽度增大使进入到空气中的磁感线迅速分散，导致磁场强度降低。狭缝偏向轴线时，由于内壳中磁感线密度大于外壳中的，内壳中的磁感线在经过较短距离后即可进入空气中形成漏磁场，在端部斜面上损耗更少，因此，狭缝磁场强度较高。同样地，端部斜度越小，磁感线到达狭缝处所经过的距离越短，在斜面上损耗越小，磁场强度就越高。凸缘最小高度增大，狭缝在竖直方向上的面积越大，该面积上通过的磁感线数量越多，使经过狭缝下方的磁感线数量减少，磁场强度降低。凸缘宽度越大，磁感线主要通过狭缝高度方向进人空气中，磁感线分布较为均匀，磁场强度较高；当凸缘宽度小于或等于狭缝高度时，磁感线则会从两个方向同时进人空气中，磁感线更加分散，磁场强度降低，根据试验结果得出的优化方案为A,B,C,D,FI,按照该优化方案对应的参数组合修改模型，再次进行仿真。如图1 1 所示，此时1.0 mm路径上磁场强度最大值约为7 9.8 5 kA/m，均大于1 8 组正交试验结果，且比最大值7 5.8 8 kA/m提高了约5.2%，说明正交试验所得参数组合对提高磁场强度有明显优化作用。140M,(16.33,133.28)120距底部距离0.5 mm(u/V)/距底部距离1.0 mm100距底部距离1.5 mm80M,(16.29,79.85)60M,(16.63,53.70)402051015202530距离/mm图1 1优化后磁场强度分布4回收器性能测试试验根据模型设计及仿真优化结果，制作了回收器实物样机，如图1 2 所示。其中，线圈采用线径0.9 mm的漆包铜线绕制，线圈匝数约3 8 0。回收器样机的内、外壳及顶盖采用磁导率较高的2 0 钢，表面镀锌防锈；流道、限位环由于无需导磁，故采用6 0 6 1 铝以降低自身质量，表面氧化处理；导流块及底板为3 D打印件。用GM55型高斯计测量回收器底部狭缝1 mm路径的磁感应强度，获得不同激励电流时磁场强度的变化趋势，并与仿真结果对比，如图1 3 所示。从图1 3 中可以看出，两者的磁场强度变化趋势基本一致，符合磁场变化规律，实际测量结果小于仿真结果，主要原因是回收器装配存在一定间隙和误差，且漆包线圈实际绕制匝数和尺寸均小于理论值。而在未通人电流时依旧存在磁场，原因是此前通电导致壳体中存在剩磁。图1 2回收器实物样机160140仿真数据(/V)/实测数据12010020000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0激励电流/A图1 3不同激励电流时磁场强度变化趋势回收器在加工过程中应满足当流量为2 0 0 0 mL/min时，在待机、运动和加工等动作过程中均保证磁流变液的稳定、完全回收。将回收器实物安装在PKC-1000P2型磁流变抛光机床上，按照实际加工参数作为试验条件，设定流量为2 0 0 0 mL/min，抛光轮转速为1 0 0 r/min，回收泵转速为2 0 0 r/min，缎带厚度为1.3 mm，结合实际磁场强度变化趋势，设定线圈激励电流为1.0 A，进行约6h的回收性能测试，如图1 4所示。同时，采用相同工艺参数对40 mm方形石英玻璃进行一次均匀抛光，并用激光干涉仪测量抛光前后工件面形，工件面形PV值由0.6 2 5 入减小至0.5 6 5 入，RMS值由0.1 3 4入减小至0.129入，说明经过抛光后面形是收敛的。经试验验证，回收器能够实现长时间稳定回收，可通过改变电流调整磁场强度，进而改变磁密封黏度，断电后磁流变液可轻松洗净，验证了设计的合理性和正确性。2023年7 月牛子奕于电磁式的磁流变抛光液回收器设计图1 4现场回收验证5结论文中研制了一种可调磁场强度的电磁式磁流变抛光液回收器。阐述了回收器的结构设计和工作原理，建立二维有限元仿真模型，并采用正交试验对模型结构进行优化，开展了相关的试验验证，主要结论如下：（1)通过仿真获得狭缝处磁场强度分布情况，当线圈通人电流为0.6 A时，距离回收器底部球面1.0mm路径上磁场强度的最大值为7 3.5 1 kA/m，满足磁密封的形成条件，且有足够裕量；（2)基于正交试验分析了狭缝不同结构参数对磁场强度的影响，其中狭缝宽度对磁场强度影响最大，凸缘高度次之，将优化后的结构再次仿真，1.0 mm路径上磁场强度最大值为7 9.8 5 kA/m，比正交试验的最大结果提高了约5.2%，证明正交试验优化效果明显；（3 依仿真结果制作了回收器的样件，其实际磁场强度变化趋势与仿真结果基本一致。在加工条件下进行了长时间回收效果测试,验证了回收器的回收性能，且断电易清洗，为磁流变液的稳定回收提供了保证参考文献1白杨。磁流变抛光液的研制及去除函数稳定性研究D.长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2015.2William Kordonski.Multiple application of magnetorheologi-cal effect in high precision finishing J.Journal of IntelligentMaterial Systems and Structures,2002,13(7/8):401-404.3中国人民解放军国防科学技术大学可长时稳定抛光液性能的磁流变抛光液循环装置P.中国：CN200810030901.X.2008-08-27.4中国工程物理研究院机械制造工艺研究所一种磁流变抛光液回收器P中国：CN201610833949.9.2017-01-04.5中国科学院长春光学精密机械与物理研究所大流量磁流变液回收装置P.中国：CN201410508382.9.2015-01-21.6QED TECHNOLOGIES,INC.Magnetic wiper P.美国:US20000480306.2001-07-31.7QED TECHNOLOGIES INTERNATIONAL,INC.Methodand apparatus for forming a dynamic magnetic seal usingmagnetorheological fluidP.美国:US20040012645.2007-01-02.8胡皓，戴一帆，彭小强倒置式磁流变抛光装置的设计与研究J航空精密制造技术，2 0 0 6，42（6）：5-8.9张峰，张学军，余景池，等.磁流变抛光数学模型的建立J.光学技术,2 0 0 0（2）：1 9 0-1 9 2.1 0】郭士堃,陈其瑞，刘光玉，等.电磁学M.成都：四川教育出版社，1 9 8 7.1 1】徐国华.新全电工手册M.郑州：河南科学技术出版社，2013.12 Simon T M.The effective magnetic properties of magneto-rheological fluids 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