紀(jì)阿祥，王鴻云，畢 成，徐愛群

（1.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.臺州學(xué)院 航空工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

1 引 言

據(jù)資料顯示，由于交通事故和骨科疾病的增加使患者對醫(yī)用植入物，尤其是醫(yī)用接骨螺釘?shù)男枨罅咳找嬖黾覽1］。鈦合金以其優(yōu)良的生物相容性、低密度、高強(qiáng)度和強(qiáng)耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)用植入物領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2］；然而鈦合金植入物表面氧化層在人體組織液中易發(fā)生腐蝕，可對患者造成二次傷害[3］；而鈦合金耐腐蝕性能隨其表面粗糙度的降低而提高[4］，因此，對鈦合金植入物進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚盹@得尤為重要。

鈦合金醫(yī)用接骨螺釘因其尺寸小（小于Ф 2.5 mm×8 mm）、表面不規(guī)則而成為國內(nèi)外研究的難點(diǎn)[5］。目前醫(yī)用接骨螺釘?shù)膾伖夥椒ㄖ饕袡C(jī)械拋光[6］、電解拋光[7］、化學(xué)機(jī)械拋光[8-9］和磨料流拋光[10］等。機(jī)械拋光可獲得粗糙度Ra=0.4 μm的表面，但拋光工具與被加工的小曲率曲面工件表面吻合性較差，且被拋光表面有殘余應(yīng)力[11］；電解拋光效率高，可有效去除工件表面毛刺，但設(shè)備復(fù)雜，且電解液對環(huán)境有污染[12］；化學(xué)機(jī)械拋光具有拋光效率高和表面損傷小等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于集成電路板和光學(xué)零件的超精密加工[13-14］，但對醫(yī)用植入物而言，拋光后工件表面有化學(xué)殘留，且二次清洗工藝較為復(fù)雜，存在安全隱患；磨料流拋光是利用磨料流經(jīng)工件表面通過磨粒的磨削作用拋光工件表面，可應(yīng)用于復(fù)雜表面及異型孔表面拋光，但需要復(fù)雜的磨料流推動系統(tǒng)，且不適于微小工件拋光[15-16］。

磁流變拋光通過控制外加磁場使磁流變拋光液在被加工工件表面形成“柔性拋光刷”，實(shí)現(xiàn)對材料的微量去除[17-18］；它以表面損傷小、無污染、效率高、材料去除率可控等優(yōu)點(diǎn)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[19-23］，且對于規(guī)則曲面形狀的表面光整加工已取得良好的效果[24-25］。但因磁流變拋光是在拋光輪表面形成半固狀拋光工具，對被加工零件的形狀/尺寸有一定要求，無法用于微型及非規(guī)則表面工件，如醫(yī)用接骨螺釘。因此，工件表面質(zhì)量高、表面損傷小、效率高且適用于鈦合金微型復(fù)雜型面的磁流變拋光方法依然是很多領(lǐng)域所急需的。

本文提出一種滾筒式超聲-磁流變復(fù)合拋光方法，可適應(yīng)鈦合金微型復(fù)雜型面條件下的精密加工。通過對自主設(shè)計的三磁極式電磁鐵勵磁裝置磁路的理論和仿真分析及其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，研制出滾筒式超聲-磁流變復(fù)合拋光裝置，并開展初步實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明本文所設(shè)計的勵磁裝置能夠適應(yīng)微型復(fù)雜型面的拋光，具有較高的加工表面質(zhì)量和效率。

2 滾筒式超聲-磁流變拋光

2.1 拋光基本原理

圖1為滾筒式超聲-磁流變拋光原理示意圖，在磁場作用下主軸上毛刷被磁化，磁流變液在被磁化的毛刷上形成鏈狀結(jié)構(gòu)，即“柔性毛刷”，通過“柔性毛刷”與工件表面形成一個研磨層，利用超聲振動帶動毛刷產(chǎn)生振動，并伴隨“空化效應(yīng)”，同時旋轉(zhuǎn)主軸使柔性研磨層與工件表面發(fā)生復(fù)雜相對運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)材料的去除。整個拋光過程在滾筒中進(jìn)行，拋光滾筒內(nèi)壁附有鐵棒，目的是防止工件因滾筒內(nèi)壁較為光滑被甩至邊緣后無法跟隨滾筒轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象發(fā)生，可有效增加工件與拋光磨粒之間的相對運(yùn)動。拋光主軸采用材料為純鐵的毛刷輥結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)為可獲得良好的磁回路以增強(qiáng)滾筒內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度；另外，毛刷輥結(jié)構(gòu)起到攪拌作用，可防止磁流變拋光液發(fā)生沉降，影響拋光效果。

圖1 滾筒式超聲-磁流變拋光原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle drum type ultrasonic magnetorheological polishing

2.2 拋光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

滾筒式超聲-磁流變拋光裝置由超聲振動和拋光系統(tǒng)組合而成。如圖2所示，超聲振動系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿等組成；拋光系統(tǒng)由機(jī)架、滾筒、主軸（帶毛刷）、齒輪傳動裝置和磁場發(fā)生裝置等組成。超聲波發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)化為可以輸出一定功率的高頻電振蕩；而換能器將高頻電振蕩的能量轉(zhuǎn)化為高頻率機(jī)械振動；變幅桿將機(jī)械振動的振幅變大，且通過聯(lián)軸器與拋光主軸連接，在電機(jī)的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動與振動的復(fù)合運(yùn)動。齒輪傳動裝置帶動拋光滾筒轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)與主軸相對轉(zhuǎn)動。滾筒內(nèi)主軸在旋轉(zhuǎn)和振動下驅(qū)動毛刷上形成的柔性研磨層與工件發(fā)生復(fù)雜的相對運(yùn)動，可消除或降低工件表面損傷、孔內(nèi)死角、螺牙不規(guī)則部位拋光有限等弊端。

圖2 滾筒式超聲-磁流變拋光裝置三維模型Fig.2 3D model of drum ultrasonic magnetorheological polishing device

3 勵磁裝置設(shè)計

關(guān)于磁場設(shè)計需滿足以下兩點(diǎn)要求：

（1）磁場分布：磁流變拋光液會在磁感應(yīng)強(qiáng)度高的區(qū)域形成穩(wěn)固的鏈狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)拋光滾筒的位置，確定拋光主軸下方為主拋光區(qū)域，所以勵磁裝置設(shè)計時需要在拋光主軸下方形成高磁場分布。

（2）磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁流變液的剪切屈服應(yīng)力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小可實(shí)時調(diào)控磁流變液中磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，所以在勵磁裝置設(shè)計時需要考慮電流調(diào)節(jié)范圍和磁感應(yīng)強(qiáng)度兩個要素。

3.1 電磁鐵勵磁裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)滾筒的外部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及拋光架的整體空間結(jié)構(gòu)，電磁鐵勵磁裝置采用一種三磁極共同勵磁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。兩個N極，一個S極。為避免磁極處達(dá)到磁飽和，根據(jù)磁通Φ與磁通面積A之間的關(guān)系，采用S極弧面面積為N極弧面面積的兩倍，且弧面與滾筒同心。為方便裝配，鐵芯結(jié)構(gòu)各部分由螺釘連接而成，其中磁極N上的連接孔為沉頭U型槽孔，除方便滾筒的安裝外還可以通過調(diào)節(jié)磁極與滾筒之間的距離來調(diào)控滾筒內(nèi)拋光區(qū)磁場強(qiáng)度。鐵芯上通過骨架繞制三個勵磁線圈，根據(jù)右手螺旋定則確定磁極方向，通入電流，使其實(shí)現(xiàn)電磁鐵勵磁功能。

圖3 電磁鐵勵磁裝置三維模型Fig.3 3D model of electromagnetic excitation device

圖4 三磁極勵磁裝置磁路圖Fig.4 Magnetic circuit of three magnetic pole excitation device

3.2 磁路理論計算

建立如圖4所示的三磁極勵磁裝置磁路，由于滾筒內(nèi)含有主軸、毛刷、鐵棒、磁流變拋光液等，材料較為復(fù)雜，其中磁流變拋光液的磁導(dǎo)率最低，所以滾筒內(nèi)所有零件用磁流變液代替進(jìn)行磁路計算，滾筒的磁導(dǎo)率用空氣磁導(dǎo)率μ0來代替，模型深度為a。

由圖4可以看出，整個磁路分為五個區(qū)域，由磁路歐姆定律可知，磁路的磁阻為：

其中：Ri為第i區(qū)的磁路的磁阻，Li為第i區(qū)的磁路長度，μi為材料磁導(dǎo)率，Ai為第i區(qū)的平均磁通面積。

磁路為左右對稱，故僅計算右半部分即可。各區(qū)域的磁路磁阻為：

區(qū)域1：

根據(jù)磁路的串聯(lián)定理，磁路的總磁阻Rm為：

根據(jù)基爾霍夫定律可知，勵磁線圈產(chǎn)生磁動勢，磁路的磁通可表示為：

其中，NI為磁動勢，N為線圈匝數(shù)，I為電流。

則拋光區(qū)域3的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為：

由公式（9）可以看出拋光區(qū)域3的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流和匝數(shù)的乘積（磁動勢）成正比，而電流與匝數(shù)在有限空間內(nèi)均與銅漆包線的線徑有關(guān)，漆包線規(guī)格、電流、匝數(shù)根據(jù)表1進(jìn)行選擇。從表1可以看出，當(dāng)線徑為1.25 mm時電流可調(diào)范圍為0～5.6 A，對應(yīng)磁動勢為最高6 048 A。根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁動勢成正比，此時拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度最高，故選擇銅漆包線線徑為1.25 mm這組設(shè)計方案。由于每次線圈工作時間不低于30 min，考慮線圈發(fā)熱問題，故通入線圈的電流不得超過安全電流5 A。根據(jù)線圈長時間工作的安全電流密度為2～4 A/mm2，而此時電流密度J=NI/A=5 400 A/1 679 mm2=3.2 A/mm2，在安全電流密度范圍內(nèi)，故此設(shè)計方案滿足要求。

表1 銅漆包線相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of copper enameled wire

4 仿真與分析

4.1 仿真設(shè)置

采用ANSYS Maxwell有限元仿真軟件對所設(shè)計的勵磁裝置進(jìn)行仿真分析，Maxwell電磁場仿真基礎(chǔ)設(shè)置如表2所示。電磁鐵二維仿真簡化模型如圖5所示。材料的B-H曲線如圖6所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)表2的仿真設(shè)置對所建模型進(jìn)行ANYSY Maxwell有限元仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理得到如圖7所示的仿真結(jié)果。圖7（a）為勵磁裝置磁力線分布圖；圖7（b）為勵磁裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖；圖7（c）為拋光裝置磁流變液中所設(shè)置路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度與路徑關(guān)系曲線。

由圖7（a）可以看出磁力線從N極出發(fā)經(jīng)過鐵棒、毛刷、主軸、磁流變液后回到S極，故該勵磁裝置能夠在拋光滾筒內(nèi)形成良好的磁回路，且磁力線在滾筒內(nèi)主要分布在主軸下方區(qū)域，可使磁流變液在滾筒內(nèi)沿磁力線方向形成良好的鏈狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到高效拋光的效果。

表2 仿真基礎(chǔ)設(shè)置Tab.2 Basic settings of simulation

圖5 電磁鐵二維仿真簡化模型Fig.5 2D simulation simplified model of electromagnet

由圖7（b）可以看出滾筒內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，拋光主軸下方磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，上方磁感應(yīng)強(qiáng)度較低。將磁場分布劃分為兩個區(qū)域，A區(qū)為拋光區(qū)域，磁感應(yīng)強(qiáng)度基本在0.43 T以上；B區(qū)為磨粒更新區(qū)域，磁感應(yīng)強(qiáng)度在0～0.2 T之間。A區(qū)磁場強(qiáng)度較大，磁流變拋光液可在此區(qū)域形成穩(wěn)固的鏈狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到B區(qū)時，由于B區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度很小，加上超聲振動的作用，磁性顆粒與拋光磨粒從毛刷之間脫落，隨著拋光主軸從B區(qū)回轉(zhuǎn)到A區(qū)，毛刷之間再一次形成新的鏈狀結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)拋光磨粒的不斷更新，增加磁流變拋光液的使用壽命，進(jìn)而達(dá)到提高拋光效率的目的，滿足磁場設(shè)計時對磁場分布的要求。

圖6 材料的B-H曲線Fig.6 B-H curve of the material

圖7 仿真后處理結(jié)果Fig.7 Post-processing results simulation

由圖7（c）中可以看出路徑上的磁流變液磁感應(yīng)強(qiáng)度成拋物線趨勢分布，由路徑的左端點(diǎn)為起點(diǎn)先遞增后遞減，左右對稱。磁力線從兩側(cè)N極出發(fā)，在主軸下方匯聚后進(jìn)入S極，形成了路徑兩側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度低，路徑中間區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度高的分布特點(diǎn)。在44 mm處達(dá)到最高磁感應(yīng)強(qiáng)度0.568 T，路徑兩端磁感應(yīng)強(qiáng)度最低為0.337 T，且路徑20～75 mm區(qū)間內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度均在0.45 T以上，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.53 T，可見拋光區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度基本滿足要求，但拋光區(qū)域兩端磁感應(yīng)強(qiáng)度有待進(jìn)一步優(yōu)化。

4.3 磁極優(yōu)化

電磁鐵勵磁裝置的結(jié)構(gòu)尺寸在拋光架與拋光滾筒結(jié)構(gòu)有限空間內(nèi)被確定，但可進(jìn)一步優(yōu)化電磁鐵的磁極寬度l3。因超聲振動下滾筒會發(fā)生輕微振動，為確保滾筒與磁極間不發(fā)生碰撞，設(shè)置磁極與滾筒外徑的間隙為2 mm，其中磁極寬度l4=2l3。取磁極寬度l3分別為30 mm，35 mm，40 mm，其它設(shè)置不變，對其進(jìn)行磁場仿真，可得新結(jié)構(gòu)下勵磁裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖，如圖8所示。

由三種磁極寬度下的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖可以看出，隨著磁極寬度的增大，磁極間距縮小，更多的磁通從磁極邊緣通過，使磁極S兩邊圓弧尖端出現(xiàn)聚磁現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致主軸正下方靠近鐵棒處磁感應(yīng)強(qiáng)度變低。圖8（a）為初始設(shè)計l3=30 mm時磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，可見此時磁極處沒有出現(xiàn)聚磁現(xiàn)象。當(dāng)l3增加至35 mm時磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖8（b）所示，拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)，S極圓弧尖端出現(xiàn)小范圍聚磁，對拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度影響較小。l3=40 mm時磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖如8（c）所示，S極圓弧尖端出現(xiàn)嚴(yán)重聚磁現(xiàn)象，使得拋光主軸正下方靠近鐵棒區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度變低。

圖8 不同磁極寬度下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖Fig.8 Cloud image of magnetic induction intensity distribution at different pole widths

圖9 不同磁極寬度下磁感應(yīng)強(qiáng)度與路徑關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between magnetic induction intensity and path position at different pole widths

為更加直觀地觀察拋光區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，對三種磁極寬度的路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行對比，如圖9所示。Region I內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著路徑的增加迅速上升，隨著磁極寬度增大而增強(qiáng)。Region II內(nèi)，l3=30 mm時，路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度呈凸型分布，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.555 T；l3=35 mm時，路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度分布較為均勻，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.577 T；l3=40 mm時，路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度呈凹型分布，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.573 T，再由磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖可以看出，此時路徑下方拋光區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于這個平均值。Region III內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著路徑的增加迅速減小，但隨著磁極寬度的增大而增強(qiáng)。磁感應(yīng)強(qiáng)度沿路徑的分布為左右對稱，路徑兩端磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁極寬度的增大而增強(qiáng)，l3=35 mm時較最初設(shè)計時的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度增加0.06 T，且主拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻。故最終選擇磁極寬度為35 mm的設(shè)計方案。

4.4 電流對磁場的影響

通過對電磁鐵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計，確定了電磁鐵的結(jié)構(gòu)特征。電磁鐵勵磁中電流是影響磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的重要因素，為驗(yàn)證不同激勵電流下拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度大小及分布情況，根據(jù)所選導(dǎo)線線徑可承載的最大安全電流為5 A，取電流為2 A、3 A、4 A、5 A分別進(jìn)行仿真，得到如圖10所示的4種激勵電流下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖。

圖10 不同電流下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖Fig.10 Cloud map of magnetic induction intensity under different current

由圖10可以看出隨著勵磁電流的增大，滾筒內(nèi)磁流變液磁感應(yīng)強(qiáng)度隨之增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度高低分布也越明顯。當(dāng)電流為2 A時磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖10（a）所示，可見拋光區(qū)磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，路徑附近磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.2 T左右；由圖10（b）可以看出，電流為3 A時拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度有所增強(qiáng)，路徑附近磁感應(yīng)強(qiáng)度基本在0.24 T以 上；當(dāng)電流增加至4 A時，如圖10（c）所示，拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.26～0.52 T之間，其中N極與S極之間局部區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度高于0.52 T；當(dāng)電流為5 A時，如圖10（d）所示，S極正上方拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度基本在0.55 T以上，N極與主軸之間的拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度也基本在0.3 T以上。

為更加直觀地了解拋光區(qū)域內(nèi)磁流變液磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，將以上四種勵磁電流下路徑上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行擬合，得到不同勵磁電流下磁感應(yīng)強(qiáng)度與路徑關(guān)系曲線如圖11所示。由圖11可以看出，在同一路徑下磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流的增加而增強(qiáng)。磁感應(yīng)強(qiáng)度隨路徑的變化可以分為三個區(qū)域：I區(qū)域，在路徑為0～28 mm范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨路徑增大而增強(qiáng)，到28 mm處開始趨于平穩(wěn)；II區(qū)域，在路徑為28～67 mm范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨路徑的增加沒有明顯變化，在峰值附近保持平穩(wěn)，路徑增加至67 mm后 開 始 下 降；III區(qū) 域，在 路 徑 為67～90 mm范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨路徑的增加開始下降；整個路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度呈左右對稱分布。通過調(diào)節(jié)電流，磁感應(yīng)強(qiáng)度的可控范圍為0～0.57 T。當(dāng)電流為2 A時，路徑28～68 mm內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.23 T，整個路徑上的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.19 T；當(dāng)電流為3 A時，路徑28～68 mm內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.365 T，整個路徑上的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.31 T；當(dāng)電流為4 A時，路徑28～68 mm內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.48 T，整個路徑上的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.41 T；當(dāng)電流為5 A時，路徑28～68 mm內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.57 T，整個路徑上的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.50 T；根據(jù)文獻(xiàn)[26］可知，羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的磁流變拋光液在0.3 T的磁感應(yīng)強(qiáng)度下形成的磁流變?nèi)嵝話伖怄溈蓪?shí)現(xiàn)對TC4鈦合金材料的拋光。羰基鐵粉濃度增高可使磁流變拋光液的流變性能得到增強(qiáng)[27］。本裝置所用磁流變拋光液的羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，當(dāng)通入外加電流為3 A時所獲得的磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)到磁流變拋光要求。

圖11 不同勵磁電流下磁感應(yīng)強(qiáng)度與路徑關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between magnetic induction intensity and path position under different excitation current

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)所設(shè)計的裝置結(jié)構(gòu)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，滾筒式超聲-磁流變復(fù)合拋光裝置如圖12所示。智能數(shù)控超聲波發(fā)生器型號為嘉音JY-V8.0，超聲波換能器型號為NTK2020C；拋光機(jī)架和齒輪裝置皆由尼龍板定制而成，滾筒由透明的亞克力板定制而成，以便觀察工件在其內(nèi)部運(yùn)動過程。滾筒上端蓋與仿真路徑上相同的各點(diǎn)處打有小孔，另配有橡膠塞，方便對滾筒內(nèi)拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測試。本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室自主配制羰基鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的磁流變拋光液（此外，碳化硅磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，穩(wěn)定劑、分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，其余為去離子水）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖12 滾筒式超聲-磁流變復(fù)合拋光裝置Fig.12 Drum type ultrasonic magnetorheological compound polishing device

分別設(shè)置勵磁電流為2 A、3 A、4 A和5 A，用特斯拉計伸入小孔對拋光滾筒內(nèi)部與仿真路徑相同的各點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測試，并與仿真值進(jìn)行對比，如圖13所示。從圖13中可以看出仿真值與測試值曲線趨勢相同，但測試值要小于仿真值。這主要是為了方便安裝，電磁鐵鐵芯在螺釘連接處打有通孔，連接處存在氣隙，氣隙使磁阻增大，而總磁能不變，故磁路磁通減小，拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度減小。當(dāng)勵磁電流為2 A時，測試值與仿真值相差較大，平均誤差為0.025 T。這是由于電流較小，磁路的磁動勢較低，此時通孔處氣隙形成的磁阻對磁路磁通量影響較大，磁流變液中的磁通嚴(yán)重減小，導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度測試值與仿真值誤差較大。隨著電流增大，路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真值與測試值的平均誤差逐漸減小，當(dāng)電流為5 A時，平均誤差縮小至0.008 T。電流的不斷增大使得磁路的磁動勢升高，磁路磁通量隨之變大，通孔處氣隙形成的磁阻對磁路磁通量的影響逐漸減小，故磁感應(yīng)強(qiáng)度測試值與仿真值的平均誤差也隨之減小。當(dāng)電流為5 A時，忽略鐵芯通孔處氣隙磁阻的影響，測試值與仿真值基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

圖13 同一路徑在不同電流下磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真值與測試值對比曲線Fig.13 Comparison curve between simulation value and test value of magnetic induction intensity in the same path under different current

圖14 表面粗糙度及其變化率與電流關(guān)系Fig.14 Relationship between surface roughness and its rate of change with current

圖15 拋光前后表面形貌Fig.15 Surface morphology before and after polishing

取勵磁電流分別為2 A、3 A、4 A、5 A進(jìn)行單因素拋光實(shí)驗(yàn)（其余參數(shù)：滾筒轉(zhuǎn)速為120 r/min、主軸轉(zhuǎn)速為240 r/min、超聲振幅為15μm、拋光時間為1 h、拋光對象為M2.5 TC4醫(yī)用接骨螺釘）。用CH80型粗糙度儀對拋光前后工件表面粗糙度進(jìn)行測量，得到表面粗糙度及其變化率與電流關(guān)系，如圖14所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：表面粗糙度變化率隨勵磁電流的增大先升高后降低。當(dāng)電流為2 A、3 A時，表面粗糙度分別從1.279μm、1.357μm下降至0.453μm、0.462μm，表面粗糙度變化率分別為64.6%和66.0%；當(dāng)電流為4 A時，表面粗糙度降至最低，從1.39μm降至0.435 μm，其表面粗糙度變化率達(dá)到最高為68.7%；電流增加至5 A時，表面粗糙度從1.423μm下降至0.515μm，表面粗糙度變化率下降至63.8%。這一變化是因?yàn)殡S著勵磁電流的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磁流變拋光液硬化區(qū)磨粒對工件表面的剪切力也隨之增大。故電流從2 A增至4 A時，工件所受剪切力的增大使得材料被去除的速度加快，表面粗糙度變化率不斷升高，并在電流為4 A時達(dá)到最高。隨著電流繼續(xù)增加至5 A，磁流變拋光液硬化區(qū)所形成的磁鏈結(jié)構(gòu)不易遭到破壞，使工件表面受到的剪切力過大，材料被去除的同時也對工件表面造成了額外損傷，導(dǎo)致拋光后表面粗糙度與電流為4 A時相比較大，表面粗糙度變化率隨之降低。利用OLYMPUS DSX1000超景深顯微鏡觀測到電流為4 A時工件拋光前后表面形貌，如圖15所示。從圖15（a）和（b）對比可以看出，在該勵磁裝置下滾筒式超聲-磁流變復(fù)合拋光能夠適用于微型復(fù)雜型面工件的表面加工，且對加工表面的凸峰有明顯的去除效果。

6 結(jié) 論

本文根據(jù)拋光系統(tǒng)整體裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將電磁鐵勵磁裝置設(shè)計為三磁極共同勵磁，此結(jié)構(gòu)能夠在滾筒內(nèi)形成良好的磁路特征，磁場分布明顯，形成拋光區(qū)與拋光磨料更換區(qū)。確定勵磁裝置的參數(shù)，當(dāng)線徑為1.25 mm、匝數(shù)為1 080匝、電流為5 A、磁極厚度為35 mm時，勵磁裝置內(nèi)磁場分布與磁流變液中磁感應(yīng)強(qiáng)度可獲得極好的效果。通過調(diào)節(jié)電流大小，拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度可控范圍為0～0.57 T，可實(shí)現(xiàn)對拋光區(qū)域內(nèi)磁流變液磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)時調(diào)控，進(jìn)而達(dá)到材料去除率可控的目的。拋光區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)測值小于仿真值，且兩者平均誤差隨著電流的增大而減小。當(dāng)電流為5 A時，仿真值與測試值的平均誤差為0.008 T，二者曲線基本吻合，仿真結(jié)果基本可靠。通過單因素拋光實(shí)驗(yàn)可知，表面粗糙度變化率隨電流的增加先升高后降低，且當(dāng)電流為4 A時工件表面粗糙度由1.39μm降至0.435μm，表面粗糙度變化率達(dá)到最高，為68.7%。實(shí)驗(yàn)證明，該勵磁裝置能夠滿足滾筒式超聲-磁流變拋光對磁場的需求，本文所提出的勵磁裝置設(shè)計方法正確，對磁流變拋光工程領(lǐng)域具有一定的指導(dǎo)意義。