CN108161051A - 磁场辅助平面钻削设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了磁场辅助平面钻削设备，包括钻床和磁场辅助装置。该钻床包括床身、钻床主轴系统、主轴电机、钻头、夹具和工作台。该磁场辅助装置包含电磁铁装置，该电磁铁装置包括两线圈、两极头、极柱和一磁轭，该磁轭呈U形结构且具有一中间部和两开口部，该两线圈分别装接在该两开口部上，该两极头分别装接在该两线圈上，该电磁铁装置还配设有直流电源控制系统；该电磁铁装置装设在工作台之上，该夹具及夹接在夹具上的工件相对固定地位于两极头的中间位置，以使工件始终处于电磁铁装置产生的磁场区域内。它具有如下优点：工件始终处于磁场区域内，磁场能在钻削区域的高效、定向、连续施加，能抵消或削弱高温和已加工表面变质等负面效应。

Description

磁场辅助平面钻削设备

技术领域

本发明涉及一种平面钻削设备，尤其涉及一种磁场辅助平面钻削设备。

背景技术

零件加工追求的往往是一定工艺条件下的极限尺寸精度和加工表面质量，已有研究发现单纯依靠刀具、机床和工艺参数的改进和调整，很难有效提升极限加工精度。这种情况下，借助外界能量场抵消材料加工中的局部高温和材料大变形引起的负面影响是一个值得探索的新思路。能量场辅助加工方法是加工技术研究中的一个前沿和热点问题，具体工艺包括磁场辅助加工、超声振动辅助加工、离子束辅助加工、等离子注入辅助加工、激光辅助加工等多种具体的工艺方法。这些工艺方法的突出特点在于通过将高密度的外界能量(磁、振动、热、光)输入到加工区域，辅助或直接形成材料去除，从而达到许多传统加工难以达到的加工效果，如难加工材料的高效去除、脆性材料的塑性去除、黑色金属的金刚石刀具精密切削等。在这些加工方式中，磁场辅助加工是开展最早的一种能量场辅助加工方法，相对于其他能量场辅助加工，磁场辅助加工有成本低、操作简单、外加磁场容易移除、适用范围广等一系列优点。磁场对钻削过程可能的有利影响主要体现在以下几个方面：1、磁致冷却技术；可能通过连续的外界充磁(主动充磁)和钻削热消磁(被动消磁)，快速、有效地带走钻削区域的钻削热，降低钻削区产生的局部高温，可以使钻削区域的温度均匀化，降低钻削烧伤、钻削残余应力和磨具的损耗；2、磁致相变作用；导磁材料的微观组织在磁场所造成的体积力作用下可能发生相变或阻止相变的发生。3、磁场伸缩效应；导磁材料在外界磁场的作用下，尺寸发生变化，造成材料的强化。利用磁致伸缩效应，可以改善金属去除过程的回弹现象，控制工件材料的非期望流动，有可能达到提高金属去除率的效果。4、定向性的磁场使钻削液的毛细作用加强，提高钻削液向钻削区域的渗透能力。但如何利用磁能量场抵消或削弱高温和已加工表面变质等负面效应，进而实现磁场在钻削区域的高效、定向、连续施加成为需要解决的一个问题。

发明内容

本发明提供了磁场辅助平面钻削设备，其克服了背景技术中钻削设备所存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：

磁场辅助平面钻削设备，包括：

钻床，包括床身、钻床主轴系统、装设在床身上且连接钻床主轴系统的主轴电机、传动连接主轴电机的钻头、能夹紧工件的夹具和能移动连接床身以做进给运动的工作台；

磁场辅助装置，包含电磁铁装置，该电磁铁装置包括两由漆包线绕制形成的呈空心圆筒形的线圈、两极头、极柱和一磁轭，该磁轭呈U形结构且具有一中间部和两分别固接在中间部两端的开口部，该两线圈分别装接在该两开口部相面对面上，该两极头分别装接在该两线圈上，该电磁铁装置还配设有直流电源控制系统，该直流电源控制系统电接电磁铁装置，以为线圈提供低压直流电，以使电磁铁装置的极头中心区域产生磁场；该电磁铁装置装设在工作台之上，以使电磁铁装置随工作台一起做往复进给运动，该夹具及夹接在夹具上的工件相对固定地位于两极头的中间位置，以使工件始终处于磁场区域内。

该工作台具有台面，该台面上凹设有沿第一方向水平贯穿的多条倒T形槽，该多条倒T形槽沿第二方向均匀间隔布置，该第二方向垂直第一方向；该磁轭中间部通过倒T形槽装接在工作台，且两开口部沿第一方向间隔布置。

该极柱、极头都由电工纯铁材料制成，该磁轭由碳钢材料制成，该磁轭通过电磁吸盘固定于工作台上。

该两极头的半径和线包匝数均相同。

该直流电源控制系统为可调直流电源控制系统。

还包括：

测力仪，装设在夹具和磁轭之间。

该磁轭上固接有夹板，该测力仪通过不导磁的铜垫块固定在夹板上，该夹具固定在该测力仪上。

该磁轭的U形结构的开口朝上布置。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：

上述的磁场辅助平面钻削设备的加工方法，包括：

步骤(1)、安装钻头，传动连接钻头和主轴电机；

步骤(2)、夹具夹紧工件，将夹具固定在测力仪上；

步骤(3)、将电磁铁装置固定在工作台上，电接电磁铁线圈和直流电源控制系统；

步骤(4)、设定工件的加工方式及工艺参数，该工艺参数包括钻头的进给速度、钻头的转速和工件钻削深度；

步骤(5)、为直流电源控制系统供电，电磁铁装置给工件提供磁场，开启钻床，钻头根据预设的加工方式和轨迹运动，开始钻削加工；电磁铁装置与工作台一起运动形成移动电磁场，同时工件表面钻削区域始终受到磁场作用；记录测力仪的数据以开展磁场对钻削过程的影响研究。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

磁场辅助装置，包含电磁铁装置，电磁铁装置包括线圈、极头、极柱和磁轭，磁轭呈U形结构，两线圈分别装接在两开口部相面对面上，两极头分别装接在两线圈上，夹具及夹接在夹具上的工件相对固定地位于两极头的中间位置，而且电磁铁装置随工作台一起做往复进给运动，电磁铁装置的极头中心区域产生磁场，工件始终处于磁场区域内，磁场能在钻削区域的高效、定向、连续施加，能抵消或削弱高温和已加工表面变质等负面效应，而且稳恒磁场始终作用于工件两侧，达到钻削过程中热能-机械能-磁能三者能量的复合作用，通过电磁场和传统工件钻削过程的热-力复合作用，能有效提升工件表面质量，而且磁场发生装置小型易装配、成本低。

测力仪装设在夹具和磁轭之间，用于记录钻削信号,从而对加工工件实现磁场辅助平面钻削实验研究。

直流电源控制系统为可调直流电源控制系统，能够根据实际需要在线产生和去除磁场，并能够实时调节磁场强度的大小。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本具体实施方式的磁场辅助平面钻削设备的立体示意图。

图2为图1的A处放大示意图。

图3为本具体实施方式的电磁铁装置的立体示意图。

图4为本具体实施方式的电磁铁装置的电路示意图。

图中：1—钻床主轴系统，2—钻头，3—直流电源控制系统，4—工作台，5—主轴电机，6—床身，7—电磁铁装置，8—工件，9—线圈，10—测力仪，11—铜垫块，12—极头，13—极柱，14—磁轭，15—夹板,16—夹具。

具体实施方式

请查阅图1至图4，磁场辅助平面钻削设备，包括钻床、磁场辅助装置和测力仪10。

该钻床，包括钻床主轴系统1、床身6、装设在床身上且连接钻床主轴系统1的主轴电机5、传动连接主轴电机5的钻头3、能夹紧工件8的夹具16和能移动连接床身6以做进给运动的工作台4；该工作台4具有台面，该台面上凹设有沿第一方向水平贯穿的多条倒T形槽41，该多条倒T形槽41沿第二方向均匀间隔布置，该第二方向垂直第一方向，该第一方向如左右向，该第二方向如前后向。

该磁场辅助装置，包含电磁铁装置7，该电磁铁装置7包括两由圆形漆包铜导线绕制形成的呈空心圆筒形的线圈9、两极头12、一极柱13和一磁轭14，该磁轭14呈U形结构且具有一中间部和两分别固接在中间部两端的开口部，该两线圈9分别装接在该两开口部相面对面上，该两极头12分别装接在该两线圈9上；该电磁铁装置7还配设有直流电源控制系统3，该直流电源控制系统3可调直流电源控制系统；该直流电源控制系统3电接电磁铁装置7，以为线圈9提供低压直流电，以使电磁铁装置7的极头12中心区域产生磁场；该电磁铁装置7装设在工作台4之上，该U形结构开口朝上，以使电磁铁装置7随工作台4一起做往复进给运动，该夹具16及夹接在夹具16上的工件8相对固定地位于两极头12的中间位置，以使工件8始终处于磁场区域内。而且，该极柱13、极头12都由电磁性能较好的电工纯铁DT4材料制成，该磁轭14由导磁性能好且价格低廉的碳钢材料制成，该两极头12的半径和线包匝数均相同。另外，最好两极头均可轴向移动，从而可调节两极头之间的间隙而满足不同尺寸的工件要求。

一具体结构中：该磁轭14中间部通过倒T形槽41装接在工作台4，且两开口部沿第一方向间隔布置，开口部平行倒T形槽41，磁轭14长度方向平行工作台4宽度方向，而且磁轭14长度小于工作台4宽度；例如该磁轭14通过电磁吸盘固定于工作台4上。所述直流电源控制系统3的直流电源为可调低纹波直流电源，直流电源设有恒压工作模式和恒流工作模式，电压范围为1～20V，电流范围为1～25A，如选用恒压20，恒流选用20A。

该测力仪10装设在夹具16和磁轭14之间，该测力仪10如为三向动态测力仪，用于记录钻削信号,从而对加工工件实现磁场辅助平面钻削实验研究。一具体结构中：该磁轭14上固接有夹板15，该测力仪10通过不导磁的铜垫块11固定在夹板15上，该夹具16固定在该测力仪10的台面上，用于记录钻削数据，从而实现磁场辅助钻削加工工件的研究目的。该不导磁的铜垫块11能避免钻床工作台电磁吸盘对测力仪产生附加磁场的影响，以提高实验结果的准确性。

上述的磁场辅助平面钻削设备的加工方法，包括：

步骤(1)、安装钻头，传动连接钻头和主轴电机，并进行动平衡调节和修整。

步骤(2)、将被加工的工件8通过夹具16固定在测力仪10的台面上，该工件8的加工表面与两极头12的中心平齐。将测力仪10固定在不导磁的铜制的垫块11上。将夹板15固定在电磁铁的磁轭14上。

步骤(3)、将电磁铁装置7固定在工作台4上，安装时电磁铁的长度方向应平行钻床长度方向放置。电接电磁铁线圈和直流电源控制系统；

步骤(4)、在数控钻床的程序控制面板上设定工件的加工方式及工艺参数，该工艺参数包括钻头的进给速度、钻头的转速和工件钻削深度；

步骤(5)、为直流电源控制系统供电，电磁铁装置给工件提供恒稳磁场，开启钻床，钻头根据预设的加工方式和轨迹运动，主轴带动钻头2高速旋转，工件钻削表面处于两极头的中间位置；电磁铁装置与工作台一起运动形成移动电磁场，同时工件表面钻削区域始终受到磁场作用；记录测力仪的数据以开展磁场对钻削过程的影响研究。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.磁场辅助平面钻削设备，包括：

钻床，包括床身、钻床主轴系统、装设在床身上且连接钻床主轴系统的主轴电机、传动连接主轴电机的钻头、能夹紧工件的夹具和能移动连接床身以做进给运动的工作台；

其特征在于：还包括：

磁场辅助装置，包含电磁铁装置，该电磁铁装置包括两由漆包线绕制形成的呈空心圆筒形的线圈、两极头、极柱和一磁轭，该磁轭呈U形结构且具有一中间部和两分别固接在中间部两端的开口部，该两线圈分别装接在该两开口部相面对面上，该两极头分别装接在该两线圈上，该电磁铁装置还配设有直流电源控制系统，该直流电源控制系统电接电磁铁装置，以为线圈提供低压直流电，以使电磁铁装置的极头中心区域产生磁场；该电磁铁装置装设在工作台之上，以使电磁铁装置随工作台一起做往复进给运动，该夹具及夹接在夹具上的工件相对固定地位于两极头的中间位置，以使工件始终处于磁场区域内。

2.根据权利要求1所述的磁场辅助平面钻削设备，其特征在于：该工作台具有台面，该台面上凹设有沿第一方向水平贯穿的多条倒T形槽，该多条倒T形槽沿第二方向均匀间隔布置，该第二方向垂直第一方向；该磁轭中间部通过倒T形槽装接在工作台，且两开口部沿第一方向间隔布置。

3.根据权利要求1所述的磁场辅助平面钻削设备，其特征在于：该极柱、极头都由电工纯铁材料制成，该磁轭由碳钢材料制成，该磁轭通过电磁吸盘固定于工作台上。

4.根据权利要求1所述的磁场辅助平面钻削设备，其特征在于：该两极头的半径和线包匝数均相同。

5.根据权利要求1所述的磁场辅助平面钻削设备，其特征在于：该直流电源控制系统为可调直流电源控制系统。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的磁场辅助平面钻削设备，其特征在于：还包括：

测力仪，装设在夹具和磁轭之间。

7.根据权利要求6所述的磁场辅助平面钻削设备，其特征在于：该磁轭上固接有夹板，该测力仪通过不导磁的铜垫块固定在夹板上，该夹具固定在该测力仪上。

8.根据权利要求1所述的磁场辅助平面钻削设备，其特征在于：该磁轭的U形结构的开口朝上布置。

9.根据权利要求7所述的磁场辅助平面钻削设备的加工方法，其特征在于：包括：

步骤(1)、安装钻头，传动连接钻头和主轴电机；

步骤(2)、夹具夹紧工件，将夹具固定在测力仪上；

步骤(3)、将电磁铁装置固定在工作台上，电接电磁铁线圈和直流电源控制系统；

步骤(4)、设定工件的加工方式及工艺参数，该工艺参数包括钻头的进给速度、钻头的转速和工件钻削深度；

步骤(5)、为直流电源控制系统供电，电磁铁装置给工件提供磁场，开启钻床，钻头根据预设的加工方式和轨迹运动，开始钻削加工；电磁铁装置与工作台一起运动形成移动电磁场，同时工件表面钻削区域始终受到磁场作用；记录测力仪的数据以开展磁场对钻削过程的影响研究。