CN112355331B - 铁基材料磁场辅助加工机床及加工方法 - Google Patents

Abstract

一种铁基材料磁场辅助加工机床及加工方法，铁基材料磁场辅助加工机床包括主轴、安装架、金刚石刀具和线圈组件，所述主轴和所述安装架相对设置，所述金刚石刀具安装在所述主轴和所述安装架的其中一者，其余一者用于安装工件，所述线圈组件用于套设在所述工件的外周，所述线圈组件产生磁场，所述金刚石刀具在所述磁场中切削所述工件。通过在工件的外周设置线圈组件，线圈组件通电产生磁场，金刚石刀具在磁场中切削工件，能够较好地抑制了金刚石刀具的石墨化，有效降低了金刚石刀具的磨损，而且成本较低，工艺也较为简单，能够应用于长距离切削。

Description

铁基材料磁场辅助加工机床及加工方法

技术领域

本发明属于铁基材料加工技术领域，尤其涉及一种铁基材料磁场辅助加工机床和铁基材料磁场辅助加工方法。

背景技术

铁及其合金等铁基材料因为其优良的力学性能而被广泛应用在工业生产中，但因其与碳元素的亲和性，因此在超精密切削中应用金刚石刀具切削铁基材料极易使刀具石墨化。金刚石刀具的石墨化会给锋锐的金刚石刀具带来灾难性的刀具磨损，因此刀具使用寿命大大降低，不仅会因为消耗金刚石带来高昂的加工成本，而且以车代磨加工出光学级镜面使的方案无法实现。

目前抑制金刚石刀具石墨化的技术手段主要有以下三种：

①工件表面渗氮，渗氮工艺是利用在渗氮的过程，氮元素会与铁元素中未配对的d电子产生键合形成化合物，进而降低铁元素与碳元素的亲和性，减弱铁基材料对金刚石刀具石墨化的催化作用。为获得微米级别稳定厚度的渗氮层，工件表面渗氮方案多采用离子渗氮工艺，这有利于在超精密加工中获得光学级镜面的表面粗糙度。虽然采用表面渗氮工艺可以实现工件加工表面粗糙度Ra＜10nm，但渗氮过程的高温所导致的工件不均匀热变形以及渗氮层的复杂性与不均匀性会影响超精密加工精度，渗氮层内氮化物硬点会加大金刚石刀具的磨粒磨损与崩刃。

②金刚石刀具离子注入，金刚石刀具离子注入工艺源自于天然金刚石刀具中的杂质元素会对金刚石石墨化产生影响，由此诞生了金刚石元素注入方案。在注入元素选取方面，采用氮离子注入金刚石刀具加工钢材，实验结果表明可以显著提高刀具耐磨性。采用铬离子注入金刚石刀具加工碳钢，但却加重了刀具磨损。采用镓离子注入金刚石刀具加工铁基合金可以获得10nm以下的表面粗糙度，金刚石刀具未见明显磨损，但其加工距离只有50m，无法进行长距离切削。与材料表面渗氮原理相似，金刚石刀具离子注入方案的本质也是为了降低铁元素与碳元素的亲和性，减弱铁基材料对金刚石石墨化的催化作用。离子注入工艺会对金刚石晶格结构会造成永久性损伤，影响金刚石的硬度属性，因此对超精密加工精度方面有负面影响。

③超声振动辅助切削，是一种沿切削方向高速振动的一种特种切削技术，其切削钢铁材料试验表明，超声振动辅助金刚石切削黑色金属使金刚石刀具磨损明显减少并提高了工件表面质量。然而，金刚石刀具磨损只是在一定程度上减轻了并非完全得到了抑制，随着切削时间或切削距离的加长，金刚石石墨化和积屑瘤的迹象依然存在。

因此上述三种方案虽然在一定程度上抑制了金刚石刀具切削铁基材料的磨损，但抑制效果仍然不如人意，且不能应用于长距离切削，均需要复杂的工艺要求和昂贵的设备，导致成本也较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁基材料磁场辅助加工机床及方法，能够明显地抑制金刚石刀具的磨损，同时成本较低，工艺较为简单，能够应用于长距离切削。

为实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种铁基材料磁场辅助加工机床，铁基材料磁场辅助加工机床包括主轴、安装架、金刚石刀具和线圈组件，所述主轴和所述安装架相对设置，所述金刚石刀具安装在所述主轴和所述安装架的其中一者，其余一者用于安装工件，所述线圈组件用于套设在所述工件的外周，所述线圈组件通电产生磁场，所述金刚石刀具在所述磁场中切削所述工件。

一种实施方式中，所述铁基材料磁场辅助加工机床还包括控制器以及为所述线圈组件通电的电源装置，所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向。

一种实施方式中，所述控制器控制所述电源装置输入直流电，所述线圈组件产生方向恒定的磁场，以使所述工件内部的未配对电子自旋极化。

一种实施方式中，所述工件包括加工区域和非加工区域，所述线圈组件套设于所述加工区域，所述控制器控制所述电源装置周期性输入电流，所述线圈组件产生间断的磁场，以使所述加工区域内的磁熵发生变化，并与所述非加工区域发生热传递。

一种实施方式中，所述控制器控制所述电源装置输入周期性变化的电流，所述线圈组件产生高频磁场，以使所述工件内的电子自旋紊乱。

一种实施方式中，所述铁基材料磁场辅助加工机床还包括安装件，所述安装件与所述线圈组件连接，且所述安装件带动所述线圈组件跟随所述工件的切削位置同步移动。

第二方面，本发明还提供了一种铁基材料磁场辅助加工方法，铁基材料磁场辅助加工方法包括：

将金刚石刀具安装在主轴和安装架的其中一者，将工件安装在其余一者，并使所述金刚石刀具和所述工件对位；

在所述工件的外周设置线圈组件，并将所述线圈组件通电以使所述工件位于磁场中。

一种实施方式中，在所述工件的外周设置线圈组件，并将所述线圈组件通电以使所述工件位于磁场中，包括：

设置控制器和电源装置，通过所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向。

一种实施方式中，设置控制器和电源装置，通过所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向，包括：

通过所述控制器控制所述电源装置输入直流电，使所述线圈组件产生方向恒定的磁场，以使所述工件内部的未配对电子自旋极化。

一种实施方式中，所述工件包括加工区域和非加工区域，所述线圈组件套设于所述加工区域；设置控制器和电源装置，通过所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向，包括：

通过所述控制器控制所述电源装置周期性输入电流，使所述线圈组件产生间断的磁场，以使所述加工区域内的磁熵发生变化，并与所述非加工区域发生热传递。

一种实施方式中，设置控制器和电源装置，通过所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向，包括：

通过所述控制器控制所述电源装置输入周期性变化的电流，使所述线圈组件产生高频磁场，以使所述工件内的电子自旋紊乱。

本发明提供的铁基材料磁场辅助加工机床及加工方法，通过在工件的外周设置线圈组件，线圈组件通电产生磁场，金刚石刀具在磁场中切削工件，能够较好地抑制了金刚石刀具的石墨化，有效降低了金刚石刀具的磨损，而且成本较低，工艺也较为简单，能够应用于长距离切削。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种实施例提供的安装有工件的铁基材料磁场辅助加工机床的立体结构示意图；

图2是图1的主轴、主轴箱以及工件的立体结构示意图；

图3是图1的安装件的立体结构示意图；

图4是图1的线圈组件的立体结构示意图；

图5是本发明提供的另一种实施例提供的安装有工件的铁基材料磁场辅助加工机床的立体结构示意图；

图6是图5的安装件的立体结构示意图；

图7a为未配对电子的自旋状态不同时的示意图；

图7b为未配对电子的自旋转相同时的示意图；

图8a为施加磁场前工件200内部的电子自旋状态的示意图；

图8b为施加磁场后的工件200内部的电子自旋状态的示意图；

图9a为施加磁场时的工件200和金刚石刀具的热量传递的示意图；

图9b为撤去磁场的工件200和金刚石刀具的热量传递的示意图；

图10为本发明提供的铁基材料磁场辅助加工方法的示意图；

图11为本发明提供的三种控制器控制电源装置输出的电流的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供了一种铁基材料磁场辅助加工机床100，铁基材料磁场辅助加工机床100优选为超精密车床，用于对铁基材料的工件200进行车削，从而获得需要的产品外形和精度。铁基材料磁场辅助加工机床100包括主轴10、安装架20、金刚石刀具(未图示)和线圈组件30。主轴10和安装架20相对设置，金刚石刀具安装在主轴10和安装架20的其中一者，其余一者用于安装工件200。线圈组件30用于套设在工件200的外周，线圈组件30通电产生磁场，金刚石刀具在磁场中切削工件200。

优选的一种实施例中，工件200安装在主轴10上，金刚石刀具固定在安装架20上，由主轴10带动工件200转动，金刚石刀具和工件200相对靠近，以完成切削。该实施例中，由于工件200需要跟随主轴10转动，为了不发生干涉，优选线圈组件30与主轴10以及工件200均具有间隔距离。

在其他实施例中，金刚石刀具安装在主轴10上，工件200固定在安装架20上，由主轴10带动金刚石刀具转动，金刚石刀具和工件200相对靠近，以完成切削。该实施例中，由于工件200无需转动，工件200外周的线圈组件30与工件200可以具有间隙，也可以互相接触。

具体的，铁基材料磁场辅助加工机床100还包括电源装置40，电源装置40与线圈组件30的两端施加电压，以使线圈组件30中产生电流，从而使得工件200位于磁场中。通过在工件200的外周设置线圈组件30，线圈组件30通电产生磁场，金刚石刀具在磁场中切削工件200，能够较好地抑制了金刚石刀具的石墨化，有效降低了金刚石刀具的磨损，而且成本较低，工艺也较为简单，能够应用于长距离切削。而且，金刚石刀具的磨损在有效抑制后，有利于实现以车代磨加工出光学级表面。

一种实施方式中，请参阅图1，铁基材料磁场辅助加工机床100还包括安装件50。安装件50与线圈组件30连接，且安装件50带动线圈组件30跟随工件200的切削位置同步移动。具体的，请参阅图2，铁基材料磁场辅助加工机床100还包括主轴箱60，主轴箱60内设有电机(未图示)，电机与主轴10连接以控制主轴10沿Z向旋转。主轴10远离主轴箱60的一端设置有吸盘11，吸盘11上吸附有夹具12，通过夹具12固定工件200。夹具12可以为三爪卡盘、液压动力卡盘、可调卡爪式卡盘、高速动力卡盘等。在其他实施例中，也可以不设置吸盘11，夹具12通过螺纹连接等固定方式固定在主轴10上。为了避免干涉以及保证足够高的精度，线圈组件30以及安装件50均设置与夹具12具有间隔距离。

一种实施例中，请参阅图1、图3和图4，安装件50为刚性材料，安装件50的一端安装在主轴箱60(可以为顶部，也可以为其他位置)上，安装件50的另一端与线圈组件30连接，从而可以将线圈组件30设置在工件200的外周且不发生干涉。具体的，线圈组件30包括套筒41和线圈42，线圈42绕在套筒41外周至少一圈，套筒41的相对两端突出于外周，以避免线圈42脱离套筒41。套筒41的其中一端设置有螺纹。安装件50开设有螺纹孔501，套筒41设有螺纹的一端与安装件50的螺纹孔501配合而固定，如此设置，线圈组件30与安装件50的安装过程较为简单，且由于安装件50是安装在主轴箱60上的，线圈组件30的位置精度也较高。优选的，安装件50与主轴箱60在Z向上滑动连接，使得安装件50可以带动线圈组件30跟随工件200的切削位置移动。可以理解的是，在工件200的切削过程中，随着切削的伸入，金刚石刀具容易与线圈组件30发生干涉。通过设置安装件50，安装件50能够带动线圈组件30跟随工件200的切削位置移动，能够避免金刚石刀具在进刀过程中与线圈组件30发生干涉，尤其适用于长距离切削。当然，在短距离切削工艺中，若仅需切削工件200伸出线圈42的部分，安装件50也可以通过螺纹连接或者销钉固定在主轴箱60上，如此也不会发生干涉。

另一种实施例中，请参阅图5和图6，安装件50包括固定部51和变形部52，固定部51安装在主轴箱60上，变形部52的一端与固定部51连接，另一端与线圈组件30连接。变形部52的结构可参照万向竹节器。具体的，固定部51具有磁结构(未图示)，磁结构可吸附在主轴箱60上的任一位置。如此设置，可通过变形部52的变形以及固定部51的更换位置，线圈组件30的位置调节较为简单，成本较低，能够适用于大部分的切削工艺。

一种实施方式中，请参阅图1，铁基材料磁场辅助加工机床100还包括第一机台71、第二机台72以及移动台73。主轴箱60滑动连接在第一机台71上，并可相对第一机台71沿X向移动。移动台73滑动连接在第二机台72上，并可相对第二机台72沿Z向移动。安装架20移动连接在移动台73上，并可相对移动台73沿X向移动。另外，安装架20在Y向上具有多个安装位置，金刚石刀具或者工件200可以安装在任一安装位置。

一种实施方式中，请参阅图1，铁基材料磁场辅助加工机床100还包括控制器(未图示)以及为线圈组件30通电的电源装置40。控制器控制电源装置40输出的电流的强度和方向。具体的，控制器可设置在电源装置40的内部，也可以单独设置。在切削过程中，控制器可以多次改变电流，例如周期性地改变电流强度、周期性的改变电流方向等，从而控制电源装置输出交流电、电流强度变化的直流电、脉冲电流等类型的电流。优选的，控制器与机床自带的计算机电连接，以便于在计算机中控制电源装置40输出的电流的强度和方向。可以理解的是，控制器可仅控制电源装置40输出的电流的强度变化，而电流的方向不变，也可以仅控制电源装置40输出的电流的方向变化，而强度不变，也可以同时控制电源装置40输出的电流的强度和方向均发生变化，还可以控制强度和方向变化的频率等等。

本发明提供了三种控制器控制电源装置40输出的电流的实施例，如下：

第一实施例，请参阅图1，本实施例中，控制器控制电源装置40输入直流电，线圈组件30产生方向恒定的磁场，以使工件200内部的未配对电子自旋极化。可以理解的是，泡利不相容原理认为化学反应产生的基础是未配对电子的自旋状态不同，如图7a所示，图7a为未配对电子的自旋状态不同时的示意图，此时电子可以配合形成化学键，从而使得金刚石刀具发生石墨化反应。而当违背泡利不相容原理时，如图7b所示，图7b为未配对电子的自旋转相同时的示意图，此时电子不能配合形成化学键，进而使得金刚石刀具的石墨化受到抑制。磁场可以影响电子自旋状态，具体请参阅图8a和图8b，图8a为施加磁场前工件200内部的电子自旋状态的示意图，图8b为施加磁场后的工件200内部的电子自旋状态的示意图。因此通过施加磁场，改变磁场的强度和方向，得到最佳方向和强度的磁场，使工件200的内部的未配对电子自旋极化，电子自旋呈同一状态，从而抑制金刚石刀具的石墨化反应，增长了金刚石刀具的使用寿命，而且工艺简单，成本较低，能够应用于长距离切削。

第二实施例，请参阅图1、图9a和图9b，图9a为施加磁场时的工件200和金刚石刀具的热量传递的示意图，图9b为撤去磁场的工件200和金刚石刀具的热量传递的示意图。本实施例中，工件200包括加工区域和非加工区域。线圈组件30套设于加工区域，控制器控制电源装置40周期性输入电流，线圈组件30产生间断的磁场，以使加工区域内的磁熵发生变化。

可以理解的是，铁基材料作为经典的磁性材料，在工业生产中应用广泛，磁性材料在变磁场的条件下，可以产生磁热效应。金刚石刀具石墨化对于温度敏感，高温下更容易促进金刚刀具石石墨化，因此降低切削区域温度有利于抑制金刚石石墨化。在撤去磁场后，利用磁热效应进行磁制冷，具体的，切削区域的磁熵会升高，磁工质吸收热量，切削区域的温度降低，降低了铁基材料的工件200对于金刚石刀具的催化作用，达到抑制金刚石石墨化的效果。在加入磁场后，切削区域的磁熵降低，磁工质释放热量，切削区域的温度会有一定的提升，但升温后的切削区域与非切削区域的温度差更大，切削区域会以更高的效率向非切削区域传递热量，如此使得加入磁场后的切削区域的温度提升幅度较小甚至温度不变。本实施例通过控制器控制电源装置40周期性输入电流，使得切削区域产生时有时无的磁场，利用磁制冷降低切削区域的温度，金刚石刀具的石墨化均得到了较好的抑制，而且工艺简单，成本较低，能够应用于长距离切削。另外，磁场的强度、磁场切换的频率以及切削区域温度传递时间和热交换面积等参数均可通过预加工和计算得出，以便于提高磁制冷的效率，更大幅度地降低切削区域的温度。

第三实施例，请参阅图1，本实施例中，控制器控制电源装置40输入周期性变化的电流，线圈组件30产生高频磁场，以使工件200内的电子自旋紊乱。可以理解的是，金刚石刀具切削工件200时产生的石墨化磨损的一个重要原因就是铁基材料的催化作用，这种催化作用加快了金刚石向石墨的转变，降低其转变活化能。在真空条件下，金刚石石墨化需要的温度为1700K，但当铁存在时，金刚石石墨化温度只需要1000-1100K。因此减弱铁对金刚石石墨化的催化作用，对抑制金刚石石墨化磨损具有重要作用。由于金刚石石墨化(化学反应)需要电子的配对与结合，本实施例通过控制器控制电源装置40输入周期性变化的电流，使得线圈组件30产生高频磁场，使得工件200内的电子自旋紊乱，从而扰乱电子的配对与结合，达到抑制金刚石刀具石墨化磨损。

请参阅图1和图10，本发明实施例还提供了一种铁基材料磁场辅助加工方法，铁基材料磁场辅助加工方法包括：

S101：将金刚石刀具安装在主轴10和安装架20的其中一者，将工件200安装在其余一者，并使金刚石刀具和工件200对位；

S102：在工件200的外周设置线圈组件30，并将线圈组件30通电以使工件200位于磁场中。

通过在工件200的外周设置线圈组件30，线圈组件30通电产生磁场，金刚石刀具在磁场中切削工件200，能够较好地抑制了金刚石刀具的石墨化，有效降低了金刚石刀具的磨损，而且成本较低，工艺也较为简单，能够应用于长距离切削。

其中，请参阅图1和图10，S102：在工件200的外周设置线圈组件30，并将线圈组件30通电以使工件200位于磁场中，包括：

S1021：设置控制器和电源装置40，通过控制器控制电源装置40输出的电流的强度和方向。

本发明提供了三种控制器控制电源装置40输出的电流的实施例，如下：

第一实施例，请参阅图1、图7a、图7b、图8a、图8b和图11，S1021：设置控制器和电源装置40，通过控制器控制电源装置40输出的电流的强度和方向，包括：

S1021a：通过控制器控制电源装置40输入直流电，使线圈组件30产生方向恒定的磁场，以使工件200内部的未配对电子自旋极化。

可以理解的是，未配对电子自旋极化，即电子自旋呈同一状态，从而抑制金刚石刀具的石墨化反应，增长了金刚石刀具的使用寿命，而且工艺简单，成本较低，能够应用于长距离切削。

第二实施例，请参阅图1、图9a、图9b和图11，S1021：工件200包括加工区域和非加工区域，线圈组件30套设于加工区域；设置控制器和电源装置40，通过控制器控制电源装置40输出的电流的强度和方向，包括：

S1021b：通过控制器控制电源装置40周期性输入电流，使线圈组件30产生间断的磁场，以使加工区域内的磁熵发生变化。

本实施例通过控制器控制电源装置40周期性输入电流，使得切削区域产生时有时无的磁场，利用磁制冷降低切削区域的温度，金刚石刀具的石墨化均得到了较好的抑制，而且工艺简单，成本较低，能够应用于长距离切削。

第三实施例，请参阅图1和图11，S1021：设置控制器和电源装置40，通过控制器控制电源装置40输出的电流的强度和方向，包括：

S1021c：通过控制器控制电源装置40输入周期性变化的电流，使线圈组件30产生高频磁场，以使工件200内的电子自旋紊乱。

本实施例通过控制器控制电源装置40输入周期性变化的电流，使得线圈组件30产生高频磁场，使得工件200内的电子自旋紊乱，从而扰乱电子的配对与结合，达到抑制金刚石刀具石墨化磨损。

在其他实施例中，由于本发明提供的磁场抑制石墨化的方案的易实现以及低成本的特性，可以将其与工件200表面渗氮、金刚石刀具离子注入和超声振动辅助切削中的至少一者相复合，从而提高对金刚石刀具石墨化抑制效果。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种铁基材料磁场辅助加工机床，其特征在于，包括主轴、安装架、金刚石刀具和线圈组件，所述主轴和所述安装架相对设置，所述金刚石刀具安装在所述主轴和所述安装架的其中一者，其余一者用于安装工件，所述线圈组件用于套设在所述工件的外周，所述线圈组件通电产生磁场，所述金刚石刀具在所述磁场中切削所述工件；

所述铁基材料磁场辅助加工机床还包括控制器以及为所述线圈组件通电的电源装置，所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向；

所述控制器控制所述电源装置输入直流电，所述线圈组件产生方向恒定的磁场，以使所述工件内部的未配对电子自旋极化；

所述工件包括加工区域和非加工区域，所述线圈组件套设于所述加工区域，所述控制器控制所述电源装置周期性输入电流，所述线圈组件产生间断的磁场，以使所述加工区域内的磁熵发生变化，并与所述非加工区域发生热传递；

所述控制器控制所述电源装置输入周期性变化的电流，所述线圈组件产生高频磁场，以使所述工件内的电子自旋紊乱；

所述铁基材料磁场辅助加工机床还包括安装件，所述安装件与所述线圈组件连接，且所述安装件带动所述线圈组件跟随所述工件的切削位置同步移动。

2.一种铁基材料磁场辅助加工方法，其特征在于，包括：

将金刚石刀具安装在主轴和安装架的其中一者，将工件安装在其余一者，并使所述金刚石刀具和所述工件对位；

线圈组件套设在所述工件的外周，并将所述线圈组件通电以使所述工件位于磁场中，所述磁场用于改变所述工件内部的电子自旋；

在所述工件的外周设置线圈组件，并将所述线圈组件通电以使所述工件位于磁场中，包括：设置控制器和电源装置，通过所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向；

设置控制器和电源装置，通过所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向，包括：通过所述控制器控制所述电源装置输入直流电，使所述线圈组件产生方向恒定的磁场，以使所述工件内部的未配对电子自旋极化；

所述工件包括加工区域和非加工区域，所述线圈组件套设于所述加工区域；设置控制器和电源装置，通过所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向，包括：通过所述控制器控制所述电源装置周期性输入电流，使所述线圈组件产生间断的磁场，以使所述加工区域内的磁熵发生变化，并与所述非加工区域发生热传递；

设置控制器和电源装置，通过所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向，包括：通过所述控制器控制所述电源装置输入周期性变化的电流，使所述线圈组件产生高频磁场，以使所述工件内的电子自旋紊乱。

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