CN109950039B - 一种烧结钕铁硼辐射环的成型装置及辐射环制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钕铁硼磁体制备技术领域，特别涉及一种烧结钕铁硼辐射环的成型装置及辐射环制备方法。通过采用一种旋转式脉冲磁场辐向取向成型技术解决高性能烧结钕铁硼辐射环在工业化生产中存在的辐向取向不饱和、不均匀，成型坯体质量不高以及生产效率低等技术难点，制备出具有毛坯变形及开裂率小、辐向磁取向度高且均匀、表面磁通密度均匀性好且适合批量生产的高性能烧结钕铁硼辐射环。同时开发出一套适用于工业化批量生产的辐射环性能检测标准和技术，实现高性能烧结钕铁硼辐射环的工业化批量生产。

Description

一种烧结钕铁硼辐射环的成型装置及辐射环制备方法

技术领域

本发明涉及钕铁硼磁体制备技术领域，特别涉及一种烧结钕铁硼辐射环的成型装置及辐射环制备方法。

背景技术

永磁伺服电机具有效率高、功耗小、转速稳定度高、启动可靠等一系列优点，其中永磁环是决定伺服电机性能指标的核心部件。当前，国产永磁伺服电机一般使用磁瓦拼装而成的钕铁硼多极永磁环，这种永磁环存在着几何中心与磁场中心不重合、表磁分布不均匀(呈锯齿状)以及各磁瓦性能差异等缺点，会造成磁极波动大、输出信号波动较大的问题。该技术缺陷会造成大量原材料的浪费与加工成本的倍增。常用的解决方案是采用粘结剂把磁钢和机体进行连接，此时粘结剂的强度和寿命严重限制了电机的使用寿命；粘接剂的厚度也难以精确控制，这直接影响到电机定子和转子的间隙大小，一定程度上降低了电机的效率。现阶段，在永磁电机中采用多片磁瓦拼接的办法仍存在一系列的难以克服的不利因素。在其它应用领域如磁悬浮轴承等，也存在着类似的问题。

我们提出的辐射环解决方案，既沿半径或直径方向辐射取向的圆环状磁体，不仅可以克服上述缺点，而且其表面磁场波形接近正弦波曲线，可以获得平稳的输出信号。国内外已有很多制备辐向取向烧结钕铁硼辐射环的专利及技术，但仍然存在着磁场取向不均匀、密度不均匀、磁环型号单一、表面磁通密度密度均匀性差、成型及烧结热处理过程中开裂率高等缺点，导致其制造成本较高，良品率低，难以进行产业化生产。

经调研，市场上较通用的技术方案有如下几种：1)专利200510086882.9公开了一种烧结钕铁硼辐射环制造方法。该专利使用磁粉干压成型工艺，通过辐射取向成型模具压制具有辐射取向整体永磁毛坯环，然后通过真空烧结、热处理得到烧结钕铁硼辐射环。该发明存在磁场取向不均，导致表磁不均、辐射环收缩应力不均导致变形及碎裂等缺点。2)专利20081066269.4公开了另一种烧结钕铁硼辐射环制造方法，其特点在于在成型过程中取向磁场在圆环状磁体外围旋转，由于取向极头为同一励磁源，保证了磁场取向的均匀。然而，该方法主要存在两点问题：(1)磁场取向复杂，工艺难以实现；(2)取向压型过程取向场(或模具)旋转，在取向结束停止点也会造成取向场偏差。3)专利201310160255.X公开的制造钕铁硼辐射环方法。特点在于钕铁硼取向成型为辐射取向瓦型钕铁硼坯块，扇面角为900，将凹块瓦片放入圆形橡胶模中，置入铁圆柱再装入真空袋抽真空密封。经过等静压拼装成一个辐射环毛坯，然后取出铁圆柱进入烧结炉进行烧结。该方法缺点主要在于模具边角存在磁场发散，导致拼装起来的辐射环磁场中心和几何中心不重合、表磁分布不均匀，导致电机转动不稳定并产生一个谐波，严重影响电机运转性能。且磁环不是一体成型，通过后续等静压拼接起来，后续转运、烧结易造成裂纹，降低生产良率。

钕铁硼辐射环烧结过程是关键环节，其磁场取向采用如下几种方案：(1)直流磁场配以特殊导磁回路，即成型时磁粉一直处于磁场的作用下，在压制过程中定向排列不被破坏；(2)脉冲磁场充磁线圈对接方法，即成型时两个线圈产生的磁力线相斥排列，利用线圈过缘部份的磁场产生辊射场；(3)采用手拉模压机成型方式，即利用手拉模压机的上下极头既压制又充磁。但是，以上磁场取向技术的缺点依然很突出：第一种方式不易产生较大辐射场，取向度不高，产生的辐射场与磁环尺寸有较大关系。第二种方式虽然辐射场较大，有利于提高取向度，但磁粉不是一直在磁场作用下，压型时磁粉定向排列有所破坏，另外磁环的拆卸不方便，生产效率低，产品合格率低。第三种方式与第一种一样，产生辐射场与磁环尺寸有较大关系，尺寸大的产品磁能积达不到要求。

综上所述，目前制备高性能钕铁硼辐射环主要存在以下技术问题；(1)成型阶段钕铁硼辐射环取向不均匀；(2)表面磁通密度不均匀；(3)辐射环收缩应力不均导致变形及碎裂；(4)磁环型号单一，生产效率低。因此本项目的最终目的是解决制备高性能钕铁硼辐射环过程中存在的上述问题，使制备的钕铁硼辐射环具有毛坯变形及开裂率小、辐向磁取向度高且均匀、表面磁通密度均匀等优点，且操作过程简单、生产效率高、适合批量生产。同时，开发出一套适用于工业化批量生产的辐射环性能检测技术，弥补国内关于辐射环性能检测方面的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种辐向饱和、均匀，成型坯体质量高、生产效率高的烧结钕铁硼辐射环的成型装置及辐射环制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种烧结钕铁硼辐射环的成型装置，包括模具本体、极头和取向线圈；

所述模具本体包括上芯杆、下芯杆、上压头、下压头、下转盘、上转盘、模腔、阴模、

所述下转盘的轴向为竖直方向；

所述下芯杆连接于下转盘的上部，所述下芯杆的形状为圆柱体，所述下芯杆的轴线与下转盘的轴线重合，所述阴模的形状为圆环柱体，所述阴模的高度与下芯杆的高度一致，所述阴模与下芯杆的轴线重合，所述阴模与下芯杆之间形成圆环间隙，所述圆环间隙的下部填充设置有下压头，所述圆环间隙的上部为模腔；

所述上转盘的轴线与下转盘的轴线重合，所述上芯杆连接于上转盘的下部，所述上芯杆形状为与下芯杆直径相同的圆柱体，所述上压头连接于上转盘的下部，所述上压头形状为圆环柱体，所述上压头的内径与下压头的内径相等，所述上压头的外径与下压头的外径相等；

所述取向线圈设置在模具本体的侧部，所述极头连接于取向线圈靠近模具本体的一侧。

本发明还涉及一种烧结钕铁硼辐射环的成型装置的烧结钕铁硼辐射环的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将磁粉倒入模腔中，在通过上压头和下压头取向压制成型，同时转动模具，取向线圈的磁场大于2T，使得辐射环压坯中的磁粉可以沿辐向完全取向；

步骤2：将取向成型后的辐射环压坯中部空心处塞入特制铝芯，然后真空包装后进行冷等静压；

步骤3：在平整的烧结舟上撒上一层干燥的刚玉粉，然后，将经过冷等静压的辐射环生坯平放在刚玉粉上，在真空烧结炉中经1050℃-1080℃烧结3-5h，然后经850-950℃回火1-3h以及500-650℃回火3-5h后，制得烧结钕铁硼辐射环毛坯；

步骤4：将制得的烧结钕铁硼辐射环毛坯进行机械加工和磁化，得到钕铁硼辐射环成品。

本发明的有益效果在于：本发明涉及的烧结钕铁硼辐射环的成型装置及辐射环的制备方法中，采用一种旋转式脉冲磁场辐向取向成型技术解决高性能烧结钕铁硼辐射环在工业化生产中存在的辐向取向不饱和、不均匀，成型坯体质量不高以及生产效率低等技术难点，制备出具有毛坯变形及开裂率小、辐向磁取向度高且均匀、表面磁通密度均匀性好且适合批量生产的高性能烧结钕铁硼辐射环。同时开发出一套适用于工业化批量生产的辐射环性能检测标准和技术，实现高性能烧结钕铁硼辐射环的工业化批量生产。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的一种烧结钕铁硼辐射环的成型装置的结构剖视图；

标号说明：

1、模具本体；11、上芯杆；12、下芯杆；13、上压头；14、下压头；

15、下转盘；16、上转盘；17、模腔；18、阴模；2、极头；3、取向线圈。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：采用一种旋转式脉冲磁场辐向取向成型技术解决高性能烧结钕铁硼辐射环在工业化生产中存在的辐向取向不饱和、不均匀，成型坯体质量不高以及生产效率低等技术难点。

请参照图1，本发明涉及一种烧结钕铁硼辐射环的成型装置，包括模具本体1、极头2和取向线圈3；

所述模具本体1包括上芯杆11、下芯杆12、上压头13、下压头14、下转盘15、上转盘16、模腔17、阴模18、

所述下转盘15的轴向为竖直方向；

所述下芯杆12连接于下转盘15的上部，所述下芯杆12的形状为圆柱体，所述下芯杆12的轴线与下转盘15的轴线重合，所述阴模18的形状为圆环柱体，所述阴模18的高度与下芯杆12的高度一致，所述阴模18与下芯杆12的轴线重合，所述阴模18与下芯杆12之间形成圆环间隙，所述圆环间隙的下部填充设置有下压头14，所述圆环间隙的上部为模腔17；

所述上转盘16的轴线与下转盘15的轴线重合，所述上芯杆11连接于上转盘16的下部，所述上芯杆11形状为与下芯杆12直径相同的圆柱体，所述上压头13连接于上转盘16的下部，所述上压头13形状为圆环柱体，所述上压头13的内径与下压头14的内径相等，所述上压头13的外径与下压头14的外径相等；

所述取向线圈3设置在模具本体1的侧部，所述极头2连接于取向线圈3靠近模具本体1的一侧。

本发明还涉及一种烧结钕铁硼辐射环的成型装置的烧结钕铁硼辐射环的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将磁粉倒入模腔17中，在通过上压头13和下压头14取向压制成型，同时转动模具，取向线圈3的磁场大于2T，使得辐射环压坯中的磁粉可以沿辐向完全取向；

步骤2：将取向成型后的辐射环压坯中部空心处塞入特制铝芯，然后真空包装后进行冷等静压；

步骤3：在平整的烧结舟上撒上一层干燥的刚玉粉，然后，将经过冷等静压的辐射环生坯平放在刚玉粉上，在真空烧结炉中经1050℃-1080℃烧结3-5h，然后经850-950℃回火1-3h以及500-650℃回火3-5h后，制得烧结钕铁硼辐射环毛坯；

步骤4：将制得的烧结钕铁硼辐射环毛坯进行机械加工和磁化，得到钕铁硼辐射环成品。

上述烧结钕铁硼辐射环的成型装置及辐射环的制备方法中，采用一种旋转式脉冲磁场辐向取向成型技术解决高性能烧结钕铁硼辐射环在工业化生产中存在的辐向取向不饱和、不均匀，成型坯体质量不高以及生产效率低等技术难点，制备出具有毛坯变形及开裂率小、辐向磁取向度高且均匀、表面磁通密度均匀性好且适合批量生产的高性能烧结钕铁硼辐射环。同时开发出一套适用于工业化批量生产的辐射环性能检测标准和技术，实现高性能烧结钕铁硼辐射环的工业化批量生产。

进一步的，上述烧结钕铁硼辐射环的制备方法中，所述步骤1具体为：

将钕铁硼磁粉进行气流磨，使得磁粉粒度尺寸为3-5μm，再将经过气流磨的磁粉倒入模腔17中，在通过上压头13和下压头14取向压制成型，使得成型压坯的密度大于4.0g/cm³同时转动模具，所述模具的旋转速度为3-10圈/单次充磁，取向线圈3的磁场大于2T，使得辐射环压坯中的磁粉可以沿辐向完全取向。

进一步的，上述烧结钕铁硼辐射环的制备方法中，所述步骤2具体为：

将取向成型后的辐射环压坯中部空心处塞入特制铝芯，然后真空包装后进行冷等静压，使得冷等静压后的压坯密度大于4.5g/cm³。

进一步的，上述烧结钕铁硼辐射环的制备方法中，所述步骤4中的机械加工步骤具体为：

将烧结后的辐向取向磁环毛坯经过平面磨、内外圆磨以及电火花线切割工艺加工至所需产品尺寸。

进一步的，上述烧结钕铁硼辐射环的制备方法中，所述步骤4中的磁化步骤具体为：

将机械加工后的辐向取向磁环放入与脉冲电源连接的水冷辐射充磁夹具，在脉冲磁场下磁化至饱和。

实施例1

一种烧结钕铁硼辐射环的成型装置，包括模具本体1、极头2和取向线圈3；所述模具本体1包括上芯杆11、下芯杆12、上压头13、下压头14、下转盘15、上转盘16、模腔17、阴模18；所述下转盘15的轴向为竖直方向；所述下芯杆12连接于下转盘15的上部，所述下芯杆12的形状为圆柱体，所述下芯杆12的轴线与下转盘15的轴线重合，所述阴模18的形状为圆环柱体，所述阴模18的高度与下芯杆12的高度一致，所述阴模18与下芯杆12的轴线重合，所述阴模18与下芯杆12之间形成圆环间隙，所述圆环间隙的下部填充设置有下压头14，所述圆环间隙的上部为模腔17；所述上转盘16的轴线与下转盘15的轴线重合，所述上芯杆11连接于上转盘16的下部，所述上芯杆11形状为与下芯杆12直径相同的圆柱体，所述上压头13连接于上转盘16的下部，所述上压头13形状为圆环柱体，所述上压头13的内径与下压头14的内径相等，所述上压头13的外径与下压头14的外径相等；所述取向线圈3设置在模具本体1的侧部，所述极头2连接于取向线圈3靠近模具本体1的一侧。

实施例2

一种烧结钕铁硼辐射环的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将钕铁硼磁粉进行气流磨，使得磁粉粒度尺寸为3μm，再将经过气流磨的磁粉倒入模腔17中，在通过上压头13和下压头14取向压制成型，使得成型压坯的密度大于4.0g/cm³同时转动模具，所述模具的旋转速度为3圈/单次充磁，取向线圈3的磁场大于2T，使得辐射环压坯中的磁粉可以沿辐向完全取向；

步骤2：将取向成型后的辐射环压坯中部空心处塞入特制铝芯，然后真空包装后进行冷等静压，使得冷等静压后的压坯密度大于4.5g/cm³；

步骤3：在平整的烧结舟上撒上一层干燥的刚玉粉，然后，将经过冷等静压的辐射环生坯平放在刚玉粉上，在真空烧结炉中经1050℃烧结3h，然后经850℃回火1-3h以及500℃回火3h后，制得烧结钕铁硼辐射环毛坯；

步骤4：将制得的烧结钕铁硼辐射环毛坯进行机械加工和磁化，得到钕铁硼辐射环成品；

所述步骤4中的机械加工步骤具体为：

将烧结后的辐向取向磁环毛坯经过平面磨、内外圆磨以及电火花线切割工艺加工至所需产品尺寸。

所述步骤4中的磁化步骤具体为：

将机械加工后的辐向取向磁环放入与脉冲电源连接的水冷辐射充磁夹具，在脉冲磁场下磁化至饱和。

实施例3

一种烧结钕铁硼辐射环的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将钕铁硼磁粉进行气流磨，使得磁粉粒度尺寸为5μm，再将经过气流磨的磁粉倒入模腔17中，在通过上压头13和下压头14取向压制成型，使得成型压坯的密度大于4.0g/cm³同时转动模具，所述模具的旋转速度为10圈/单次充磁，取向线圈3的磁场大于2T，使得辐射环压坯中的磁粉可以沿辐向完全取向；

步骤2：将取向成型后的辐射环压坯中部空心处塞入特制铝芯，然后真空包装后进行冷等静压，使得冷等静压后的压坯密度大于4.5g/cm³；

步骤3：在平整的烧结舟上撒上一层干燥的刚玉粉，然后，将经过冷等静压的辐射环生坯平放在刚玉粉上，在真空烧结炉中经1080℃烧结5h，然后经950℃回火3h以及650℃回火5h后，制得烧结钕铁硼辐射环毛坯；

步骤4：将制得的烧结钕铁硼辐射环毛坯进行机械加工和磁化，得到钕铁硼辐射环成品；

所述步骤4中的机械加工步骤具体为：

将烧结后的辐向取向磁环毛坯经过平面磨、内外圆磨以及电火花线切割工艺加工至所需产品尺寸。

所述步骤4中的磁化步骤具体为：

将机械加工后的辐向取向磁环放入与脉冲电源连接的水冷辐射充磁夹具，在脉冲磁场下磁化至饱和。

分别将上述实施例2-3的热压热变形磁体的制备方法制得的永磁体的性能测试结果如表1所示：

其中的耐蚀性采用HAST实验，在温度130℃、压力0.26MPa，湿度95％，240h下检测其失重指数(1mg/cm²)；

其中的产品磁性能不可逆损失的结果采用高低温退磁实验，在-20℃保温1h然后升至180℃保温1h，10次循环，检测产品的磁性能损失。

表1实施例1-实施例3制得的永磁体的产品性能参数

由表1的结果可知，本发明的辐射环制备方法得到的产品的性能较传统工艺有显著提升，特别是内禀矫顽力、最大磁能积有显著提升。

综上所述，本发明提供的烧结钕铁硼辐射环的成型装置及辐射环的制备方法中，采用一种旋转式脉冲磁场辐向取向成型技术解决高性能烧结钕铁硼辐射环在工业化生产中存在的辐向取向不饱和、不均匀，成型坯体质量不高以及生产效率低等技术难点，制备出具有毛坯变形及开裂率小、辐向磁取向度高且均匀、表面磁通密度均匀性好且适合批量生产的高性能烧结钕铁硼辐射环。同时开发出一套适用于工业化批量生产的辐射环性能检测标准和技术，实现高性能烧结钕铁硼辐射环的工业化批量生产。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用烧结钕铁硼辐射环的成型装置的烧结钕铁硼辐射环的制备方法，其特征在于，所述烧结钕铁硼辐射环的成型装置，包括模具本体、极头和取向线圈；

所述模具本体包括上芯杆、下芯杆、上压头、下压头、下转盘、上转盘、模腔、阴模；

所述下转盘的轴向为竖直方向；

所述下芯杆连接于下转盘的上部，所述下芯杆的形状为圆柱体，所述下芯杆的轴线与下转盘的轴线重合，所述阴模的形状为圆环柱体，所述阴模的高度与下芯杆的高度一致，所述阴模与下芯杆的轴线重合，所述阴模与下芯杆之间形成圆环间隙，所述圆环间隙的下部填充设置有下压头，所述圆环间隙的上部为模腔；

所述上转盘的轴线与下转盘的轴线重合，所述上芯杆连接于上转盘的下部，所述上芯杆形状为与下芯杆直径相同的圆柱体，所述上压头连接于上转盘的下部，所述上压头形状为圆环柱体，所述上压头的内径与下压头的内径相等，所述上压头的外径与下压头的外径相等；

所述取向线圈设置在模具本体的侧部，所述极头连接于取向线圈靠近模具本体的一侧；

所述制备方法包括以下步骤：

步骤1：将磁粉倒入模腔中，在通过上压头和下压头取向压制成型，同时转动模具，取向线圈的磁场大于2T，使得辐射环压坯中的磁粉可以沿辐向完全取向；

所述步骤1具体为：

将钕铁硼磁粉进行气流磨，使得磁粉粒度尺寸为3-5μm，再将经过气流磨的磁粉倒入模腔中，在通过上压头和下压头取向压制成型，使得成型压坯的密度大于4.0g/cm³同时转动模具，所述模具的旋转速度为3-10圈/单次充磁，取向线圈的磁场大于2T，使得辐射环压坯中的磁粉可以沿辐向完全取向；

步骤2：将取向成型后的辐射环压坯中部空心处塞入特制铝芯，然后真空包装后进行冷等静压；

步骤3：在平整的烧结舟上撒上一层干燥的刚玉粉，然后，将经过冷等静压的辐射环生坯平放在刚玉粉上，在真空烧结炉中经1050℃-1080℃烧结3-5h，然后经850-950℃回火1-3h以及500-650℃回火3-5h后，制得烧结钕铁硼辐射环毛坯；

步骤4：将制得的烧结钕铁硼辐射环毛坯进行机械加工和磁化，得到钕铁硼辐射环成品。

2.根据权利要求1所述的烧结钕铁硼辐射环的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

将取向成型后的辐射环压坯中部空心处塞入特制铝芯，然后真空包装后进行冷等静压，使得冷等静压后的压坯密度大于4.5g/cm³。

3.根据权利要求1所述的烧结钕铁硼辐射环的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的机械加工步骤具体为：

将烧结后的辐向取向磁环毛坯经过平面磨、内外圆磨以及电火花线切割工艺加工至所需产品尺寸。

4.根据权利要求1所述的烧结钕铁硼辐射环的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的磁化步骤具体为：

将机械加工后的辐向取向磁环放入与脉冲电源连接的水冷辐射充磁夹具，在脉冲磁场下磁化至饱和。

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