医用接骨螺钉超声-磁流变抛光励磁装置设计

医用接骨螺钉超声-磁流变抛光励磁装置设计 Design of ultrasonic magnetorheological finishing excitation device for medical bone screw 1 2 first-author 纪阿祥（1993-），安徽亳州人，硕士研究生，主要从事磁流变抛光领域的研究，E-mail：1506172572@qq.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990221&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990231&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990227&type= 22.01333237 32.00400162 纪阿祥 （1993-），安徽亳州人，硕士研究生，主要从事磁流变抛光领域的研究，E-mail： 1506172572@qq.com 1506172572@qq.com 2 corresp E-mail： emmawhy4@163.com E-mail： emmawhy4@163.com 王鸿云（1976-），女，吉林长岭人，博士，副教授，2003年于东北林业大学获得硕士学位，2009年于同济大学获得博士学位，主要从事磁流变液性能、磁流变离合器及磁流变抛光等方面的研究。E-mail： emmawhy4@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990236&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990246&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990242&type= 22.01333237 32.00399780 王鸿云 （1976-），女，吉林长岭人，博士，副教授，2003年于东北林业大学获得硕士学位，2009年于同济大学获得博士学位，主要从事磁流变液性能、磁流变离合器及磁流变抛光等方面的研究。E-mail： emmawhy4@163.com emmawhy4@163.com 2 corresp bcbicheng@163.com bcbicheng@163.com 毕 成（1974-），男，吉林梅河口人，高级工程师，2013年于浙江工业大学获得硕士学位，主要从事磁流变液性能、磁流变离合器/抛光和智能电梯方面的研究。E-mail： bcbicheng@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990250&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990260&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990255&type= 22.01334000 32.00400162 毕 成 （1974-），男，吉林梅河口人，高级工程师，2013年于浙江工业大学获得硕士学位，主要从事磁流变液性能、磁流变离合器/抛光和智能电梯方面的研究。E-mail： bcbicheng@163.com bcbicheng@163.com 1 浙江科技学院 机械与能源工程学院，浙江 杭州 310023 浙江科技学院 机械与能源工程学院，浙江 杭州 310023 College of Mechanical and Energy Engineering， Zhejiang University of Science and Technology， Hangzhou 310023， China College of Mechanical and Energy Engineering， Zhejiang University of Science and Technology， Hangzhou 310023， China 台州学院 航空工程学院，浙江 台州 318000 台州学院 航空工程学院，浙江 台州 318000 School of Aeronautical Engineering， Taizhou University， Taizhou 318000， China School of Aeronautical Engineering， Taizhou University， Taizhou 318000， China 为解决现有医用钛合金接骨螺钉结构复杂、尺寸不一、表面毛刺较多等抛光难点，提出了一种新的抛光方法——滚筒式超声-磁流变复合抛光，并自主设计了滚筒式超声-磁流变复合抛光装置。该装置采用三磁极励磁结构的电磁铁励磁方式，通过理论计算与Maxwell仿真分析确定该励磁装置结构尺寸与线圈参数。搭建滚筒式超声-磁流变复合抛光实验平台，开展励磁电流单因素抛光实验，对抛光装置中磁流变液磁感应强度进行测试，并与仿真结果进行对比。当电磁铁励磁装置N极宽度为35 mm，线圈匝数为1 080匝，线径为1.25 mm时，可通入线圈的最大电流为5 A，抛光区域可形成良好的磁路特征，磁场分布可形成磁流变抛光区与磨粒更新区，磁流变抛光区磁感应强度最高可达0.57 T。滚筒内抛光区域磁流变液磁感应强度的测试值小于仿真值。抛光前后工件表面粗糙度变化率随励磁电流的增大先升高后降低，当电流为4 A时，表面粗糙度由1.39 μm降至0.435 μm，此时表面粗糙度变化率取得最大值68.7%。三磁极励磁结构的电磁铁励磁装置磁感应强度能够满足磁流变液在抛光时对磁场的要求，有效抛光区域较大。 To address the finishing difficulties of existing medical titanium alloy bone screws， such as complex structure， different sizes， and surface burrs， a new finishing method known as drum type ultrasonic magnetorheological compound finishing was proposed， and a drum-type ultrasonic magnetorheological compound finishing device was designed independently. The device adopts an electromagnetic excitation mode with a three-magnetic pole excitation structure. The structural size and coil parameters of the excitation device are determined by theoretical calculations and a Maxwell simulation analysis. A roller-type ultrasonic–magnetorheological compound finishing experimental platform is built. An excitation current single-factor polishing experiment is performed. The magnetic induction intensity of the MR fluid in the finishing device is measured and compared with the simulation results. When the width of the n-pole of the electromagnetic excitation device is 35 mm， the number of turns of the coil is 1 080， and the wire diameter is 1.25 mm， the maximum current that can pass through the coil is 5 A. Moreover， the finishing area can form a good magnetic circuit， the magnetic field distribution can form the magnetorheological and abrasive finishing areas， and the magnetic induction intensity of the magnetorheological finishing area can reach up to 0.57 T. The magnetic induction intensity of the MR fluid in the finishing area of the drum is less than the simulation value. The surface roughness change rate of the workpiece before and after polishing increases first and then decreases with an increase in the excitation current. When the current is 4 A， the surface roughness decreases from 1.39 μm to 0.435 μm， and the maximum surface roughness change rate is 68.7%. The magnetic induction intensity of the electromagnetic excitation device with a three-pole excitation structure can meet the requirements of the magnetic field in the finishing of MR fluids， and the effective polishing area is large. 磁流变抛光 励磁装置 超声振动 接骨螺钉 有限元 magnetorheological finishing excitation device ultrasonic vibration medical bone screws finite element analysis 1 引 言 1 据资料显示，由于交通事故和骨科疾病的增加使患者对医用植入物，尤其是医用接骨螺钉的需求量日益增加 ［ 1 1 ］ 。钛合金以其优良的生物相容性、低密度、高强度和强耐腐蚀性等优点，在医用植入物领域得到广泛应用 ［ 2 2 ］ ；然而钛合金植入物表面氧化层在人体组织液中易发生腐蚀，可对患者造成二次伤害 ［ 3 3 ］ ；而钛合金耐腐蚀性能随其表面粗糙度的降低而提高 ［ 4 4 ］ ，因此，对钛合金植入物进行适当的表面处理显得尤为重要。 钛合金医用接骨螺钉因其尺寸小（小于Ф2.5 mm×8 mm）、表面不规则而成为国内外研究的难点 ［ 5 5 ］ 。目前医用接骨螺钉的抛光方法主要有机械抛光 ［ 6 6 ］ 、电解抛光 ［ 7 7 ］ 、化学机械抛光 ［ 8 8 - 9 9 8-9 ］ 和磨料流抛光 ［ 10 10 ］ 等。机械抛光可获得粗糙度 R a =0.4 μm的表面，但抛光工具与被加工的小曲率曲面工件表面吻合性较差，且被抛光表面有残余应力 ［ 11 11 ］ ；电解抛光效率高，可有效去除工件表面毛刺，但设备复杂，且电解液对环境有污染 ［ 12 12 ］ ；化学机械抛光具有抛光效率高和表面损伤小等优点，目前被广泛应用于集成电路板和光学零件的超精密加工 ［ 13 13 - 14 14 13-14 ］ ，但对医用植入物而言，抛光后工件表面有化学残留，且二次清洗工艺较为复杂，存在安全隐患；磨料流抛光是利用磨料流经工件表面通过磨粒的磨削作用抛光工件表面，可应用于复杂表面及异型孔表面抛光，但需要复杂的磨料流推动系统，且不适于微小工件抛光 ［ 15 15 - 16 16 15-16 ］ 。 磁流变抛光通过控制外加磁场使磁流变抛光液在被加工工件表面形成“柔性抛光刷”，实现对材料的微量去除 ［ 17 17 - 18 18 17-18 ］ ；它以表面损伤小、无污染、效率高、材料去除率可控等优点引起了国内外学者的广泛研究 ［ 19 19 - 23 23 19-23 ］ ，且对于规则曲面形状的表面光整加工已取得良好的效果 ［ 24 24 - 25 25 24-25 ］ 。但因磁流变抛光是在抛光轮表面形成半固状抛光工具，对被加工零件的形状/尺寸有一定要求，无法用于微型及非规则表面工件，如医用接骨螺钉。因此，工件表面质量高、表面损伤小、效率高且适用于钛合金微型复杂型面的磁流变抛光方法依然是很多领域所急需的。 本文提出一种滚筒式超声-磁流变复合抛光方法，可适应钛合金微型复杂型面条件下的精密加工。通过对自主设计的三磁极式电磁铁励磁装置磁路的理论和仿真分析及其结构参数的优化设计，研制出滚筒式超声-磁流变复合抛光装置，并开展初步实验，结果证明本文所设计的励磁装置能够适应微型复杂型面的抛光，具有较高的加工表面质量和效率。 2 滚筒式超声 - 磁流变抛光 1 2.1　抛光基本原理 2 图1 图1 为滚筒式超声-磁流变抛光原理示意图，在磁场作用下主轴上毛刷被磁化，磁流变液在被磁化的毛刷上形成链状结构，即“柔性毛刷”，通过“柔性毛刷”与工件表面形成一个研磨层，利用超声振动带动毛刷产生振动，并伴随“空化效应”，同时旋转主轴使柔性研磨层与工件表面发生复杂相对运动，实现材料的去除。整个抛光过程在滚筒中进行，抛光滚筒内壁附有铁棒，目的是防止工件因滚筒内壁较为光滑被甩至边缘后无法跟随滚筒转动的现象发生，可有效增加工件与抛光磨粒之间的相对运动。抛光主轴采用材料为纯铁的毛刷辊结构，其优点为可获得良好的磁回路以增强滚筒内磁感应强度；另外，毛刷辊结构起到搅拌作用，可防止磁流变抛光液发生沉降，影响抛光效果。 2.2　抛光实验系统构成 2 滚筒式超声-磁流变抛光装置由超声振动和抛光系统组合而成。如 图2 图2 所示，超声振动系统由超声波发生器、换能器、变幅杆等组成；抛光系统由机架、滚筒、主轴（带毛刷）、齿轮传动装置和磁场发生装置等组成。超声波发生器将工频交流电转化为可以输出一定功率的高频电振荡；而换能器将高频电振荡的能量转化为高频率机械振动；变幅杆将机械振动的振幅变大，且通过联轴器与抛光主轴连接，在电机的驱动下实现转动与振动的复合运动。齿轮传动装置带动抛光滚筒转动，实现与主轴相对转动。滚筒内主轴在旋转和振动下驱动毛刷上形成的柔性研磨层与工件发生复杂的相对运动，可消除或降低工件表面损伤、孔内死角、螺牙不规则部位抛光有限等弊端。 3 励磁装置设计 1 关于磁场设计需满足以下两点要求： （1）磁场分布：磁流变抛光液会在磁感应强度高的区域形成稳固的链状结构。根据抛光滚筒的位置，确定抛光主轴下方为主抛光区域，所以励磁装置设计时需要在抛光主轴下方形成高磁场分布。 （2）磁感应强度：磁流变液的剪切屈服应力随磁感应强度的增强而增大，通过调节励磁电流的大小可实时调控磁流变液中磁感应强度大小，所以在励磁装置设计时需要考虑电流调节范围和磁感应强度两个要素。 3.1　电磁铁励磁装置结构设计 2 根据滚筒的外部结构特点，以及抛光架的整体空间结构，电磁铁励磁装置采用一种三磁极共同励磁结构，如 图3 图3 所示。两个N极，一个S极。为避免磁极处达到磁饱和，根据磁通 Φ 与磁通面积 A 之间的关系，采用S极弧面面积为N极弧面面积的两倍，且弧面与滚筒同心。为方便装配，铁芯结构各部分由螺钉连接而成，其中磁极N上的连接孔为沉头U型槽孔，除方便滚筒的安装外还可以通过调节磁极与滚筒之间的距离来调控滚筒内抛光区磁场强度。铁芯上通过骨架绕制三个励磁线圈，根据右手螺旋定则确定磁极方向，通入电流，使其实现电磁铁励磁功能。 3.2　磁路理论计算 2 建立如 图4 图4 所示的三磁极励磁装置磁路，由于滚筒内含有主轴、毛刷、铁棒、磁流变抛光液等，材料较为复杂，其中磁流变抛光液的磁导率最低，所以滚筒内所有零件用磁流变液代替进行磁路计算，滚筒的磁导率用空气磁导率 μ 0 来代替，模型深度为 a 。 由 图4 图4 可以看出，整个磁路分为五个区域，由磁路欧姆定律可知，磁路的磁阻为： <math display="block" 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http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990345&type= 13.20800018 3.72533321 ， <math display="block" id="M4"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>l</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>l</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></mfrac><msub><mrow><mi>l</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mi>μ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mi>a</mi><msub><mrow><mi>l</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990360&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990355&type= 36.91466904 12.95400047 ， 其中， μ 1 为电工纯铁的磁导率。 区域2： <math display="block" id="M5"><msub><mrow><mi>L</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990370&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990365&type= 18.62666702 3.72533321 ， <math display="block" id="M6"><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>a</mi><mi mathvariant="normal">π</mi><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn 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7.87400007 ， <math display="block" id="M9"><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mi>a</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990408&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990401&type= 13.80066681 3.72533321 ， <math display="block" id="M10"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><msub><mrow><mi>μ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mi>a</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990418&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990413&type= 19.55800056 8.80533314 ， 其中， μ 2 为磁流变液的磁导率。 区域4： <math display="block" id="M11"><msub><mrow><mi>L</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990428&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990423&type= 18.62666702 3.72533321 ， <math display="block" id="M12"><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>a</mi><mi mathvariant="normal">π</mi><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn 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http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990452&type= 25.48466682 3.72533321 ， <math display="block" id="M15"><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>l</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub><mi>a</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990469&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990465&type= 13.54666710 3.72533321 ， <math display="block" id="M16"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>l</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>l</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mi>μ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>l</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub><mi>a</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990477&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990473&type= 26.50066566 8.80533314 . 根据磁路的串联定理，磁路的总磁阻 R m 为： <math display="block" id="M17"><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub></mrow></mfenced><mo>+</mo><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">5</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990485&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990481&type= 53.50933075 4.06400013 . 根据基尔霍夫定律可知，励磁线圈产生磁动势，磁路的磁通可表示为： <math display="block" id="M18"><mi>Φ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn><mi>N</mi><mi>I</mi></mrow><mrow><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990493&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990489&type= 14.30866718 8.38199997 ， 其中， NI 为磁动势， N 为线圈匝数， I 为电流。 则抛光区域3的平均磁感应强度可表示为： <math display="block" id="M19"><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Φ</mi></mrow><mrow><msub><mrow><mi>A</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn><mi>N</mi><mi>I</mi></mrow><mrow><msub><mrow><mi>r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mi>a</mi><msub><mrow><mi>R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990500&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990496&type= 26.92399979 8.38199997 . 由 公式（9） 公式（9） 可以看出抛光区域3的平均磁感应强度与电流和匝数的乘积（磁动势）成正比，而电流与匝数在有限空间内均与铜漆包线的线径有关，漆包线规格、电流、匝数根据 表1 表1 进行选择。从 表1 表1 可以看出，当线径为1.25 mm时电流可调范围为0~5.6 A，对应磁动势为最高6 048 A。根据磁感应强度与磁动势成正比，此时抛光区域磁感应强度最高，故选择铜漆包线线径为1.25 mm这组设计方案。由于每次线圈工作时间不低于30 min，考虑线圈发热问题，故通入线圈的电流不得超过安全电流5 A。根据线圈长时间工作的安全电流密度为2~4 A/mm 2 ，而此时电流密度 J = NI / A =5 400 A/1 679 mm 2 =3.2 A/mm 2 ，在安全电流密度范围内，故此设计方案满足要求。 线径/mm 电阻率/（Ω·km -1 ） 安全电流/A 最大电流/A 绕制匝数/n 磁动势/A 0.85 30.4 2.3 2.5 2 323 5 807 1.04 20.2 3.3 3.8 1 560 5 928 1.25 16.4 5 5.6 1 080 6 048 1.45 10.6 6.5 7.4 798 5 905 1.63 8.45 8.2 9.4 631 5 931 1.82 6.69 10.4 11.8 506 5 970 4 仿真与分析 1 4.1　仿真设置 2 采用ANSYS Maxwell有限元仿真软件对所设计的励磁装置进行仿真分析，Maxwell电磁场仿真基础设置如 表2 表2 所示。电磁铁二维仿真简化模型如 图5 图5 所示。材料的 B - H 曲线如 图6 图6 所示。 项 目 设 置 求解器类型 Maxwell2D静磁场求解器 建立几何模型 电磁铁二维仿真简化模型（如 图5 图5 所示） 材料的定义 空气域Air；毛刷steel1080；铁芯、铁棒、抛光主轴为电工纯铁DT4C，B-H曲线如 图6 图6 （a）所示；磁流变液（羰基铁粉35wt%）B-H曲线如 图6 图6 （b）所示 加载激励源和边界条件 安匝数5 400，Balloon边界 网格划分与求解参数设置 自适应网格划分；最大收敛步数10，收敛百分比误差1%，网格增量30% 后处理 二维截面磁力线分布图，磁感应强度分布云图，路径上磁感应强度大小（路径：如 图5 图5 所示） 1,2; 4.2　仿真结果分析 2 根据 表2 表2 的仿真设置对所建模型进行ANYSY Maxwell有限元仿真，对仿真结果进行后处理得到如 图7 图7 所示的仿真结果。 图7 图7 （a）为励磁装置磁力线分布图； 图7 图7 （b）为励磁装置磁感应强度分布云图； 图7 图7 （c）为抛光装置磁流变液中所设置路径上的磁感应强度与路径关系曲线。 由 图7 图7 （a）可以看出磁力线从N极出发经过铁棒、毛刷、主轴、磁流变液后回到S极，故该励磁装置能够在抛光滚筒内形成良好的磁回路，且磁力线在滚筒内主要分布在主轴下方区域，可使磁流变液在滚筒内沿磁力线方向形成良好的链状结构，进而达到高效抛光的效果。 由 图7 图7 （b）可以看出滚筒内磁感应强度分布情况，抛光主轴下方磁感应强度较大，上方磁感应强度较低。将磁场分布划分为两个区域，A区为抛光区域，磁感应强度基本在0.43 T以上；B区为磨粒更新区域，磁感应强度在0~0.2 T之间。A区磁场强度较大，磁流变抛光液可在此区域形成稳固的链状结构，当旋转到B区时，由于B区磁感应强度很小，加上超声振动的作用，磁性颗粒与抛光磨粒从毛刷之间脱落，随着抛光主轴从B区回转到A区，毛刷之间再一次形成新的链状结构，可实现抛光磨粒的不断更新，增加磁流变抛光液的使用寿命，进而达到提高抛光效率的目的，满足磁场设计时对磁场分布的要求。 由 图7 图7 （c）中可以看出路径上的磁流变液磁感应强度成抛物线趋势分布，由路径的左端点为起点先递增后递减，左右对称。磁力线从两侧N极出发，在主轴下方汇聚后进入S极，形成了路径两侧磁感应强度低，路径中间区域磁感应强度高的分布特点。在44 mm处达到最高磁感应强度0.568 T，路径两端磁感应强度最低为0.337 T，且路径20~75 mm区间内的磁感应强度均在0.45 T以上，平均磁感应强度为0.53 T，可见抛光区域内磁感应强度基本满足要求，但抛光区域两端磁感应强度有待进一步优化。 4.3　磁极优化 2 电磁铁励磁装置的结构尺寸在抛光架与抛光滚筒结构有限空间内被确定，但可进一步优化电磁铁的磁极宽度 l 3 。因超声振动下滚筒会发生轻微振动，为确保滚筒与磁极间不发生碰撞，设置磁极与滚筒外径的间隙为2 mm，其中磁极宽度 l 4 =2 l 3 。取磁极宽度 l 3 分别为30 mm，35 mm，40 mm，其它设置不变，对其进行磁场仿真，可得新结构下励磁装置的磁感应强度分布云图，如 图8 图8 所示。 由三种磁极宽度下的磁感应强度分布云图可以看出，随着磁极宽度的增大，磁极间距缩小，更多的磁通从磁极边缘通过，使磁极S两边圆弧尖端出现聚磁现象，进而导致主轴正下方靠近铁棒处磁感应强度变低。 图8 图8 （a）为初始设计 l 3 =30 mm时磁感应强度分布，可见此时磁极处没有出现聚磁现象。当 l 3 增加至35 mm时磁感应强度分布如 图8 图8 （b）所示，抛光区域磁感应强度有明显增强，S极圆弧尖端出现小范围聚磁，对抛光区域磁感应强度影响较小。 l 3 =40 mm时磁感应强度分布云图如8（c）所示，S极圆弧尖端出现严重聚磁现象，使得抛光主轴正下方靠近铁棒区域的磁感应强度变低。 为更加直观地观察抛光区域的磁感应强度大小，对三种磁极宽度的路径上的磁感应强度进行对比，如 图9 图9 所示。Region I内磁感应强度随着路径的增加迅速上升，随着磁极宽度增大而增强。Region II内， l 3 =30 mm时，路径上磁感应强度呈凸型分布，平均磁感应强度为0.555 T； l 3 =35 mm时，路径上磁感应强度分布较为均匀，平均磁感应强度为0.577 T； l 3 =40 mm时，路径上磁感应强度呈凹型分布，平均磁感应强度为0.573 T，再由磁感应强度分布云图可以看出，此时路径下方抛光区磁感应强度要远小于这个平均值。Region III内磁感应强度随着路径的增加迅速减小，但随着磁极宽度的增大而增强。磁感应强度沿路径的分布为左右对称，路径两端磁感应强度随磁极宽度的增大而增强， l 3 =35 mm时较最初设计时的平均磁感应强度增加0.06 T，且主抛光区域磁感应强度分布均匀。故最终选择磁极宽度为35 mm的设计方案。 4.4　电流对磁场的影响 2 通过对电磁铁的结构进行仿真优化设计，确定了电磁铁的结构特征。电磁铁励磁中电流是影响磁感应强度大小的重要因素，为验证不同激励电流下抛光区域磁感应强度大小及分布情况，根据所选导线线径可承载的最大安全电流为5 A，取电流为2 A、3 A、4 A、5 A分别进行仿真，得到如 图10 图10 所示的4种激励电流下磁感应强度分布云图。 由 图10 图10 可以看出随着励磁电流的增大，滚筒内磁流变液磁感应强度随之增大，磁感应强度高低分布也越明显。当电流为2 A时磁感应强度分布如 图10 图10 （a）所示，可见抛光区磁感应强度较小，路径附近磁感应强度在0.2 T左右；由 图10 图10 （b）可以看出，电流为3 A时抛光区域磁感应强度有所增强，路径附近磁感应强度基本在0.24 T以上；当电流增加至4 A时，如 图10 图10 （c）所示，抛光区域磁感应强度在0.26~0.52 T之间，其中N极与S极之间局部区域磁感应强度高于0.52 T；当电流为5 A时，如 图10 图10 （d）所示，S极正上方抛光区域磁感应强度基本在0.55 T以上，N极与主轴之间的抛光区域磁感应强度也基本在0.3 T以上。 为更加直观地了解抛光区域内磁流变液磁感应强度大小，将以上四种励磁电流下路径上各点的磁感应强度数据导出并进行拟合，得到不同励磁电流下磁感应强度与路径关系曲线如 图11 图11 所示。由 图11 图11 可以看出，在同一路径下磁感应强度随电流的增加而增强。磁感应强度随路径的变化可以分为三个区域：I区域，在路径为0~28 mm范围内，磁感应强度随路径增大而增强，到28 mm处开始趋于平稳；II区域，在路径为28~67 mm范围内，磁感应强度随路径的增加没有明显变化，在峰值附近保持平稳，路径增加至67 mm后开始下降；III区域，在路径为67~90 mm范围内，磁感应强度随路径的增加开始下降；整个路径上磁感应强度呈左右对称分布。通过调节电流，磁感应强度的可控范围为0~0.57 T。当电流为2 A时，路径28~68 mm内的平均磁感应强度为0.23 T，整个路径上的平均磁感应强度为0.19 T；当电流为3 A时，路径28~68 mm内的平均磁感应强度为0.365 T，整个路径上的平均磁感应强度为0.31 T；当电流为4 A时，路径28~68 mm内的平均磁感应强度为0.48 T，整个路径上的平均磁感应强度为0.41 T；当电流为5 A时，路径28~68 mm内的平均磁感应强度为0.57 T，整个路径上的平均磁感应强度为0.50 T；根据文献 ［ 26 26 ］ 可知，羰基铁粉质量分数为25%的磁流变抛光液在0.3 T的磁感应强度下形成的磁流变柔性抛光链可实现对TC4钛合金材料的抛光。羰基铁粉浓度增高可使磁流变抛光液的流变性能得到增强 ［ 27 27 ］ 。本装置所用磁流变抛光液的羰基铁粉质量分数为35%，当通入外加电流为3 A时所获得的磁感应强度可达到磁流变抛光要求。 5 实验验证 1 根据所设计的装置结构，搭建实验平台，滚筒式超声-磁流变复合抛光装置如 图12 图12 所示。智能数控超声波发生器型号为嘉音JY-V8.0，超声波换能器型号为NTK2020C；抛光机架和齿轮装置皆由尼龙板定制而成，滚筒由透明的亚克力板定制而成，以便观察工件在其内部运动过程。滚筒上端盖与仿真路径上相同的各点处打有小孔，另配有橡胶塞，方便对滚筒内抛光区域磁感应强度进行测试。本实验采用实验室自主配制羰基铁粉质量分数为35%的磁流变抛光液（此外，碳化硅磨粒质量分数8%，稳定剂、分散剂质量分数5%，其余为去离子水）进行实验验证。 分别设置励磁电流为2 A、3 A、4 A和5 A，用特斯拉计伸入小孔对抛光滚筒内部与仿真路径相同的各点处磁感应强度进行测试，并与仿真值进行对比，如 图13 图13 所示。从 图13 图13 中可以看出仿真值与测试值曲线趋势相同，但测试值要小于仿真值。这主要是为了方便安装，电磁铁铁芯在螺钉连接处打有通孔，连接处存在气隙，气隙使磁阻增大，而总磁能不变，故磁路磁通减小，抛光区域磁感应强度减小。当励磁电流为2 A时，测试值与仿真值相差较大，平均误差为0.025 T。这是由于电流较小，磁路的磁动势较低，此时通孔处气隙形成的磁阻对磁路磁通量影响较大，磁流变液中的磁通严重减小，导致磁感应强度测试值与仿真值误差较大。随着电流增大，路径上磁感应强度仿真值与测试值的平均误差逐渐减小，当电流为5 A时，平均误差缩小至0.008 T。电流的不断增大使得磁路的磁动势升高，磁路磁通量随之变大，通孔处气隙形成的磁阻对磁路磁通量的影响逐渐减小，故磁感应强度测试值与仿真值的平均误差也随之减小。当电流为5 A时，忽略铁芯通孔处气隙磁阻的影响，测试值与仿真值基本吻合，进一步验证了仿真结果的可靠性。 取励磁电流分别为2 A、3 A、4 A、5 A进行单因素抛光实验（其余参数：滚筒转速为120 r/min、主轴转速为240 r/min、超声振幅为15 μm、抛光时间为1 h、抛光对象为M2.5 TC4医用接骨螺钉）。用CH80型粗糙度仪对抛光前后工件表面粗糙度进行测量，得到表面粗糙度及其变化率与电流关系，如 图14 图14 所示。结果发现：表面粗糙度变化率随励磁电流的增大先升高后降低。当电流为2 A、3 A时，表面粗糙度分别从1.279 μm、1.357 μm下降至0.453 μm、0.462 μm，表面粗糙度变化率分别为64.6%和66.0%；当电流为4 A时，表面粗糙度降至最低，从1.39 μm降至0.435 μm，其表面粗糙度变化率达到最高为68.7%；电流增加至5 A时，表面粗糙度从1.423 μm下降至0.515 μm，表面粗糙度变化率下降至63.8%。这一变化是因为随着励磁电流的增加，磁感应强度增强，磁流变抛光液硬化区磨粒对工件表面的剪切力也随之增大。故电流从2 A增至4 A时，工件所受剪切力的增大使得材料被去除的速度加快，表面粗糙度变化率不断升高，并在电流为4 A时达到最高。随着电流继续增加至5 A，磁流变抛光液硬化区所形成的磁链结构不易遭到破坏，使工件表面受到的剪切力过大，材料被去除的同时也对工件表面造成了额外损伤，导致抛光后表面粗糙度与电流为4 A时相比较大，表面粗糙度变化率随之降低。利用OLYMPUS DSX1000超景深显微镜观测到电流为4 A时工件抛光前后表面形貌，如 图15 图15 所示。从 图15 图15 （a）和（b）对比可以看出，在该励磁装置下滚筒式超声-磁流变复合抛光能够适用于微型复杂型面工件的表面加工，且对加工表面的凸峰有明显的去除效果。 6 结 论 1 本文根据抛光系统整体装置的结构特点，将电磁铁励磁装置设计为三磁极共同励磁，此结构能够在滚筒内形成良好的磁路特征，磁场分布明显，形成抛光区与抛光磨料更换区。确定励磁装置的参数，当线径为1.25 mm、匝数为1 080匝、电流为5 A、磁极厚度为35 mm时，励磁装置内磁场分布与磁流变液中磁感应强度可获得极好的效果。通过调节电流大小，抛光区域磁感应强度可控范围为0~0.57 T，可实现对抛光区域内磁流变液磁感应强度的实时调控，进而达到材料去除率可控的目的。抛光区域磁感应强度实测值小于仿真值，且两者平均误差随着电流的增大而减小。当电流为5 A时，仿真值与测试值的平均误差为0.008 T，二者曲线基本吻合，仿真结果基本可靠。通过单因素抛光实验可知，表面粗糙度变化率随电流的增加先升高后降低，且当电流为4 A时工件表面粗糙度由1.39 μm降至0.435 μm，表面粗糙度变化率达到最高，为68.7%。实验证明，该励磁装置能够满足滚筒式超声-磁流变抛光对磁场的需求，本文所提出的励磁装置设计方法正确，对磁流变抛光工程领域具有一定的指导意义。 参考文献 熊翱 ， 熊仁平 ， 许建中 . 交通事故所致颈部损伤的诊断和治疗进展 ［J］. 中国康复理论与实践 ， 2020 ， 26 （ 12 ）： 1439 - 1445 . 交通事故所致颈部损伤的诊断和治疗进展 XIONG A ， XIONG R P ， XU J Z . 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