针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法，首先基于针式磁性复合流体抛光头结构，设放置的永磁铁个数为T，选择不同的比值μ，μ为永磁铁的半径与中心间距的比值，求取在不同比值μ磁场范围内选定的各点在磁场中的磁场强度，再次利用标准差公式计算相应的标准偏差σH，从而求得不同μ值下的磁场均匀程度，根据磁场均匀程度，最后求得比值μ的最优解；完善针式磁性复合流体抛光头结构。进一步优化针式磁性复合流体抛光头磁芯结构设计尺寸，从而获得抛光过程中对材料表面均匀去除的效果。

Design Method of Core Structure of Needle-type Magnetic Composite Fluid Polishing Head

【技术实现步骤摘要】
针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法
本专利技术涉及一种磁流体复合抛光技术，特别涉及一种针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法。
技术介绍
随着光学技术与材料科学的不断发展，为了实现光学精密零件平面的高效抛光技术。人们对传统的机械抛光技术要求越来越高，因此磁流体复合抛光技术应运而生。深孔加工抛光技术最显著的特点是它的柔性介质的抛光头不易变形，并且更适用于复杂型面，难加工的材料。磁流体复合抛光技术被广泛应用在汽车，机械，建筑，航空，医疗等领域，目前对深孔加工磁流体复合抛光进行计算分析的理论模型都近似认为磁场在磁流变液中的分布是均匀的，进而认为其产生的磁场强度也是分布均匀的。而磁场的实际分布是不均匀的，所以计算出满足磁场强度均匀性的区域对于磁性复合流体抛光技术有着十分重要的作用，从而让抛光液尽量在这块加工区域，就可以使得抛光加工质量最高。因此对深孔抛光下针式磁性复合流体抛光头磁芯结构尺寸计算出合适的几何尺寸具有重要的意义。从而推动深孔抛光过程下对材料的去除率均匀性的机理研究。
技术实现思路
本专利技术是针对磁流体复合抛光技术运用的问题，提出了一种针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法，该方法能推动深孔抛光技术下的材料去除均匀性机理，以及其工业应用。本专利技术的技术方案为：一种针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法，具体包括如下步骤：1)设计测试结构：针式磁性复合流体抛光头包括三爪卡盘、活动脚、抛光针箱、松紧螺母、抛光针口及抛光针；三爪卡盘上设置三个活动脚，活动脚为三爪卡盘的卡脚，圆柱体抛光针箱柱面通过三个活动脚卡扣固定在三爪卡盘上，抛光针箱设置有松紧螺母和中心处抛光针口，松紧螺母设置在抛光针箱的底端两侧，抛光针插入抛光针口后通过两侧的松紧螺母拧紧固定在抛光针箱的内部，T个圆柱磁铁叠放排列形成磁芯抛光针，且利用磁铁的N极和S极吸附抛光液，达到对工件抛光的要求；2)计算单个永磁铁外部空间上任一点的磁通量φ：根据麦克斯韦方程组，引入磁通量φ的相关计算公式，选取磁荷模型，得到φ计算公式；3)计算出单个永磁铁上的外部空间上的任意一点P(x,y,z)处永磁铁的磁场强度H：选用的永磁铁的充磁方向为上下表面，对φ求散度即可得到单个永磁铁的磁场强度H；4)设有T个完全相同的磁铁同轴放置，轴线上任一点处磁感强度应是T个线圈单独存在时该点磁感应强度的矢量和，计算出T个永磁铁产生的磁场强度，并且求取其的平均值5)选择不同的比值μ，μ为永磁铁的半径与中心间距的比值，步骤3)单个永磁铁的高度用L＝μR带入磁场强度H公式，求取在不同比值μ磁场范围内选定的各点在磁场中的磁场强度，再次利用标准差公式计算相应的标准偏差σH，从而求得不同μ值下的磁场均匀程度；6)根据磁场均匀程度，最后求得比值μ的最优解；7)根据步骤6)所得比值μ完善步骤1)针式磁性复合流体抛光头结构。本专利技术的有益效果在于：本专利技术针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法，可以进一步优化针式磁性复合流体抛光头磁芯结构设计尺寸，从而获得抛光过程中对材料表面均匀去除的效果。附图说明图1为本专利技术针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法流程示意图；图2为本专利技术磁性复合流体抛光头结构示意图；图3为本专利技术T个磁铁排列形成的铁芯布局方式图；图4为本专利技术轴向磁化永磁铁置于坐标系中的示意图；图5为本专利技术轴向磁化永磁铁示意图；图6为本专利技术T个磁铁排列后永磁铁外磁场测试示意图。具体实施方式如图1所示针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法流程图，包括如下步骤：步骤一：如图2所示的针式磁性复合流体抛光头结构示意图，针式磁性复合流体抛光头包括三爪卡盘1、活动脚2、抛光针箱3、松紧螺母4、抛光针口5及抛光针。三爪卡盘1上设置三个活动脚2，活动脚2为三爪卡盘1的卡脚，圆柱体抛光针箱3柱面通过三个活动脚2卡扣固定在三爪卡盘1上，抛光针箱3上设置有松紧螺母4和中心处抛光针口5，松紧螺母4设置在抛光针箱3的底端两侧，抛光针插入抛光针口5后通过两侧的松紧螺母4拧紧固定在抛光针箱的内部。如图3所示T个圆柱磁铁叠放排列形成磁芯抛光针，且利用磁铁的N极和S极吸附抛光液，达到对工件抛光的要求。此为本专利技术是通过计算得出最优结构，从而达到最佳使用效果。步骤二：计算单个永磁铁外部空间上任一点的磁通量φ根据麦克斯韦方程组，引入磁通量φ的相关计算公式。根据设计需求，本文选取的是磁荷模型，如图4所示轴向磁化永磁铁置于坐标系中的示意图，以最底一个单个永磁铁S极面为xoy面，S极面圆心为原点o，以圆柱永磁铁轴为Z轴建立xyz坐标系，假设永磁铁外部空间上任一点坐标为P(x,y,z)，则该点的磁通量φ(x,y,z)的计算表达式为：其中，M为单个永磁铁沿轴向的磁化强度；A为围住单个永磁铁外表面的曲面面积；R为单个永磁铁半径的大小；n为单个永磁体外表面法向矢量；τ为单个永磁铁外表面切向矢量；为散度因子。根据磁荷模型，单个永磁铁的磁荷面密度ρS和磁荷体密度ρm定义为：ρS＝M·n，(2)将(2)式代入(1)式得：步骤三：计算出单个永磁铁上的外部空间上的任意一点P(x,y,z)处永磁铁的磁场强度H；通过(3)式得到φ，然后再对φ求散度即可得到单个永磁铁的磁场强度H：如图5所示的单个永磁铁，由于永磁铁在轴向是均匀磁化，所以单个永磁铁沿轴向的磁化强度M＝Br/μ0为常矢量。Br为单个永磁铁磁化到饱和状态后再逐渐减小外磁场到零时，永磁体内所保留的磁感应强度。磁导率μ0＝4π×10-7H/m，因为选用的永磁铁的充磁方向为上下表面，所以表现为只有上下表面的面磁荷，没有体磁荷的存在：ρm＝0(5)将式(5)代入(3)可得：将式(6)代入式(4)可得：其中由式(7)即可求出单个永磁铁磁场强度的分布。由于采取的永磁铁具有对称性，对于空间任一点P(x,y,z)，建立如图4所示的坐标系，此时，y＝0，且有：这是曲面积分中第二型曲面积分，需要在有流量的，有方向上对永磁体的上下两个面分别进行积分。首先，对于永磁体的上表面积分时，整理可得：(1)上表面沿x场坐标积分可以求得：其中(x0，y0，z0)为上表面外圆与xoz平面交点的点坐标，为常数值；S代表为该上表面的曲面微分；该曲面积分经过计算整理得到关于x，y，z的定积分形式：将p点坐标P(x,y,z)带入便可得仅关于θ的定积分,可求得结果；其中(2)上表面沿y场坐标积分的结果是:(3)上表面沿z场坐标的积分可以求得:化成定积分形式结果为：对于侧表面，曲面积分为零。最后，对永磁体的下表面进行曲面积分，整理可得结果为:其中L为单个永磁体高度。由此可得，在轴向均匀磁化永磁铁在空间任意一点产生的磁感应强度H(x，y，z)，并且由(10)(11)(13)(14)(15)(16)公式进行不同场不同坐标的叠加，构成了磁场的解析式：其中i，j，k分别为x，y，z轴上的单位矢量。步骤四：计算出T个永磁铁产生的磁场强度，并且求取其的平均值设有T个完全相同的磁铁同轴放置，轴线上任一点处磁感强度应是T个线圈单独存在时该点磁感应强度的矢量和。圆心为坐标原点沿共同轴线建立坐标轴，当T个永磁铁进行叠加时，在垂直于加工方向上按照从上到下N—S—N—S的排列方式排列。其中Hx指单个永磁体在坐标系沿x场独立产生的磁场。再次分析平均磁场强度，将置于排列顺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)设计测试结构：针式磁性复合流体抛光头包括三爪卡盘、活动脚、抛光针箱、松紧螺母、抛光针口及抛光针；三爪卡盘上设置三个活动脚，活动脚为三爪卡盘的卡脚，圆柱体抛光针箱柱面通过三个活动脚卡扣固定在三爪卡盘上，抛光针箱设置有松紧螺母和中心处抛光针口，松紧螺母设置在抛光针箱的底端两侧，抛光针插入抛光针口后通过两侧的松紧螺母拧紧固定在抛光针箱的内部，T个圆柱磁铁叠放排列形成磁芯抛光针，且利用磁铁的N极和S极吸附抛光液，达到对工件抛光的要求；2)计算单个永磁铁外部空间上任一点的磁通量φ：根据麦克斯韦方程组，引入磁通量φ的相关计算公式，选取磁荷模型，得到φ计算公式；3)计算出单个永磁铁上的外部空间上的任意一点P(x,y,z)处永磁铁的磁场强度H：选用的永磁铁的充磁方向为上下表面，对φ求散度即可得到单个永磁铁的磁场强度H；4)设有T个完全相同的磁铁同轴放置，轴线上任一点处磁感强度应是T个线圈单独存在时该点磁感应强度的矢量和，计算出T个永磁铁产生的磁场强度，并且求取其的平均值

【技术特征摘要】
1.一种针式磁性复合流体抛光头磁芯结构的设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)设计测试结构：针式磁性复合流体抛光头包括三爪卡盘、活动脚、抛光针箱、松紧螺母、抛光针口及抛光针；三爪卡盘上设置三个活动脚，活动脚为三爪卡盘的卡脚，圆柱体抛光针箱柱面通过三个活动脚卡扣固定在三爪卡盘上，抛光针箱设置有松紧螺母和中心处抛光针口，松紧螺母设置在抛光针箱的底端两侧，抛光针插入抛光针口后通过两侧的松紧螺母拧紧固定在抛光针箱的内部，T个圆柱磁铁叠放排列形成磁芯抛光针，且利用磁铁的N极和S极吸附抛光液，达到对工件抛光的要求；2)计算单个永磁铁外部空间上任一点的磁通量φ：根据麦克斯韦方程组，引入磁通量φ的相关计算公式，选取磁荷模型，得到φ计算公式；3)计算出单个...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜晨，王璐璐，李佳音，管华双，彭涛，林文鑫，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31