论文摘要
由于具有优异的力学性能，纸基蜂窝芯材料广泛地应用于航天航空工业中。但实践证明，我国传统的固持方法在高速铣削成型过程中，无法达到可靠固持纸基蜂窝芯材料的目的，从而制约了这种材料的推广应用。为了解决这一问题，浙江大学柯映林教授于2001年申请了发明专利(专利号：ZL O1 1 35679.0)“蜂窝类柔性结构材料的加工方法”，该专利中首次提出了基于磁场与摩擦学原理的纸基蜂窝芯零件固持方法。与传统的固持方法相比，基于磁场与摩擦学原理的蜂窝固持方法，具有稳定可靠、使用方便、对环境和操作工人无污染、成本低等优点。使用这种固持方法，可大大提高蜂窝芯零件的加工效率与加工精度。目前，基于磁场和摩擦学原理的永磁固持平台已经成功应用于纸基蜂窝芯零件的加工中，并取得了良好的效果。但是在使用中也存在一些不足，如安装困难、结构复杂、制造成本较高。针对这些不足，本文通过理论分析、ANSYS有限元仿真和实验测定相结合的方法，在前人研究的基础上，对纸基蜂窝芯零件电磁固持系统中激磁单元的磁场和力学模型进行了深入的研究，并论证了激磁单元的可行性，丰富了固持系统的实现形式。另外，本文采用的理论计算和有限元模拟方法可看成是对前人以实验为主的研究方法的补充和完善。铁粉填充区域的磁感应强度的大小是这种新的固持方法能否有效固持的关键。因为固持力产生主要是因为磁吸力的存在。而获得填充有铁粉的蜂窝芯材料的磁导率又是计算或分析磁感应强度的一个前提条件。目前国内外学者对铁磁性粉体集合体的特性已经做了大量的研究工作，这些研究都是围绕粉体与绝缘体和粘合剂组成的集合体展开的，而缺乏针对铁粉和蜂窝芯集合体的研究。本文通过实验测定了填充有铁粉的蜂窝芯材料的截面内磁导率，并根据磁阻的公式对轴向磁导率进行了估算。然后，把测得的铁粉磁导率应用于理论计算和ANSYS有限元分析中，提高了结果的准确性。为了确定磁感应强度在铁粉填充区域的分布，首先从有限元计算结果中提取出了有效的磁感应强度值，再利用MATLAB软件将这些离散值分三部分拟合成相应的数学表达式。在得出铁粉填充区域磁感应强度分布情况的基础上，计算出铁粉柱单元之间的磁吸力，并把由于磁吸力的存在而产生的最大静摩擦力与铁粉的自重作比较。调整相关的磁场参数使得最大静摩擦力大于铁粉自重，这就意味着，铁粉将被“吸附”在蜂窝芯侧壁上。然后定义一种新的实体材料，它的弹性模量、剪切模量和泊松比与蜂窝芯材一样，它的密度和填充有铁粉的蜂窝芯密度一样。这样把切削力作为集中力施加在这种等效材料上，利用ANSYS软件可分析得出局部最大Z向变形。当变形在工程许可的范围内，则可以证明激磁单元是可行的。最后，本文研究了磁感应强度以及磁吸力与铁粉填充高度的关系，论述了固持系统的发热功率与线圈匝数的关系，确定了线圈匝数和线圈电流，并利用ANSYS软件的优化功能对激磁单元结构参数进行了优化，以达到铁芯材料体积最小、成本最低的目的。