基于CFD-DEM耦合的空间复合磁场磁针磨料磨削工艺优化研究

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Research on optimization of the spatial composite magnetic field magnetic needle abrasive grinding process based on CFD-DEM coupling

磁针磨削抛光技术通过空间复合磁场设计扩展有效加工区域，利用CFD-DEM耦合模型分析磁针运动轨迹及表面能量分布，实验验证显示加工区域高度提升200%，表面形貌均匀性显著改善。

　　本研究围绕磁针磨料研磨技术展开，旨在通过引入空间复合磁场，扩大该技术的有效加工区域并提升工件表面形态的均匀性。磁针磨料研磨作为一种先进的精密加工手段，其核心原理是利用磁场力驱动磨料颗粒对工件表面进行加工，从而显著改善表面质量。然而，传统磁针磨料研磨过程中，由于磁场强度在垂直方向上逐渐减弱，导致磁针的运动范围受到限制，难以对整个加工区域进行有效处理。为解决这一问题，本文提出了一种基于空间复合磁场的磁针磨料研磨方法，通过设计不同尺寸的磁极，增强磁场梯度，并借助COMSOL仿真验证了空间复合磁场的形成。同时，建立了一个CFD-DEM多场耦合模型，用于分析磁针颗粒在空间复合磁场作用下的分布特性与运动轨迹，以及其对工件表面累积接触能量的影响。最终，开发了一种配备空间复合磁场的磁性磨料抛光装置，并通过实验验证了模型的准确性。

在磁针磨料研磨过程中，磁针不仅受到磁场的影响，还与流体环境相互作用。因此，对磁针运动轨迹和流体特性进行准确分析是提升加工效果的关键。近年来，CFD-DEM耦合数值模拟技术为研究多相流和颗粒动力学提供了新的思路。DEM方法能够对颗粒的运动和相互作用进行精细分析，包括碰撞、摩擦和颗粒间的动态行为；而CFD方法则可以精确模拟流体的水动力行为，如压力场、速度场和温度场的分布。这种多场耦合方法为理解磁针周围流体的流动特性奠定了基础。

本研究在磁针磨料研磨技术的基础上，引入了空间复合磁场的概念。通过在磁针磨料抛光装置上方增加辅助磁极盘，构建出一个由主磁场和辅助磁场共同构成的空间复合磁场。该磁场的分布特性能够有效扩大磁针的运动范围，从而提高加工效率和表面质量。空间复合磁场的设计不仅考虑了磁场的强度和方向，还通过非等尺寸磁极的布置，增强了磁场梯度，使磁针在更广的区域内保持较高的运动稳定性。此外，磁针的运动轨迹和工件表面的累积接触能量在空间复合磁场作用下表现出更优的分布特性，这为优化加工参数提供了理论依据。

为了进一步验证空间复合磁场的有效性，本文还建立了实验装置，并通过实验数据对模拟结果进行了对比分析。实验装置主要包括旋转磁场驱动系统、带有挡板的抛光桶以及往复传动机构。通过三相电机与变频驱动器的配合，实现了磁极I的旋转，从而产生旋转磁场，驱动磁针在抛光桶内进行旋转和跳跃运动。同时，辅助磁极的往复运动进一步增强了磁场的均匀性和稳定性，使磁针能够更全面地覆盖加工区域。实验结果表明，空间复合磁场能够显著提升磁针的加工范围，有效加工区域的高度提高了200%，并且工件表面的形态均匀性得到了明显改善。

在实验设计方面，本文采用了Box-Behnken实验设计方法，选择旋转磁极速度（A）、磁针重量（B）以及磁针型号（C）作为影响因素，以铝合金板表面粗糙度（Ra）作为响应变量。通过响应面法对这三个因素的水平进行优化，获得了最佳的加工参数组合。实验结果表明，不同的加工参数对表面粗糙度的影响存在显著差异，其中磁针重量和旋转速度对加工效果的影响最为明显。通过建立回归方程，进一步明确了各因素之间的相互作用关系，为实际应用提供了理论支持。

此外，本文还探讨了磁针运动特性在不同磁场条件下的变化。在没有辅助磁极的情况下，磁场强度在桶底最高，磁针受到磁场力和离心力的共同作用，向桶壁方向运动。然而，这种运动模式导致磁针的加工区域局限于桶底，无法覆盖整个工件表面。而通过引入空间复合磁场，磁针的运动轨迹得以扩展，使其能够在更广的区域内进行有效的加工。同时，磁针的运动速度和方向也发生了变化，这有助于提高加工效率和表面质量。

在磁针运动特性分析中，本文还考虑了流体阻力和涡流效应对磁针运动的影响。磁针的高速旋转会在流体中产生湍流，从而影响其运动轨迹和加工效果。通过CFD-DEM耦合模型，可以模拟磁针在流体中的运动行为，并分析其与工件之间的相互作用。这种模拟方法不仅能够预测磁针的运动趋势，还能够量化其对工件表面累积接触能量的影响，从而为优化加工参数提供依据。

实验装置的搭建和运行验证了空间复合磁场的实际应用效果。通过调整磁极的尺寸和位置，可以实现对磁场分布的精确控制，进而影响磁针的运动状态和加工区域的扩展。实验过程中，观察到磁针在空间复合磁场作用下能够更均匀地分布在加工区域，减少了局部加工不均的现象。同时，工件表面的粗糙度显著降低，表明该方法在提升加工精度方面具有明显优势。

在磁针型号和重量的优化设计中，本文通过实验分析不同磁针型号对加工效果的影响。结果表明，不同型号的磁针在相同磁场条件下表现出不同的运动特性和加工效率。例如，较重的磁针在磁场作用下具有更强的惯性，能够在更广泛的区域内保持稳定的运动轨迹，从而提高加工均匀性。然而，磁针过重可能会导致其在流体中的运动受到更大的阻力，影响加工效率。因此，磁针重量的优化需要在加工效果和运动效率之间取得平衡。

此外，本文还探讨了旋转磁极速度对磁针运动的影响。较高的旋转速度能够增强磁场的强度和均匀性，使磁针在更广的区域内保持稳定的运动状态。然而，过高的旋转速度可能会导致磁针运动过快，从而影响其与工件表面的接触时间和接触面积，进而降低加工效果。因此，旋转磁极速度的优化需要综合考虑磁场强度、磁针运动特性和加工效率等因素。

综上所述，本文通过引入空间复合磁场，有效扩大了磁针磨料研磨技术的有效加工区域，并显著提升了工件表面形态的均匀性。同时，结合CFD-DEM耦合模型，对磁针颗粒的运动轨迹和累积接触能量进行了深入分析，为优化加工参数提供了理论支持。实验结果表明，该方法在实际应用中具有较高的可行性，能够显著提高加工效率和表面质量。未来的研究可以进一步探索空间复合磁场在不同材料和加工条件下的适用性，以及如何通过调整磁场参数和磁针特性来实现更高效的加工效果。