CN111055012A - 一种热磁场复合辅助加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于难加工金属材料加工相关技术领域，其公开了一种热磁场复合辅助加工系统及方法，所述系统包括加工机床装置、激光辅助热场产生模块及磁场发生模块，所述激光辅助热场产生模块及所述磁场发生模块分别设置在所述加工机床装置上；所述加工机床装置用于承载工件，所述磁场发生模块罩设在所述工件的外部，所述激光辅助热场产生模块与所述工件相对设置；所述激光辅助热场产生模块用于产生激光束以辐照所述工件，由此对所述工件的材料进行预热软化或者退火；所述磁场发生模块用于产生磁场，所述工件位于所述磁场内，所处磁场用于改变所述工件的材料的部分物理性质。本发明提高了加工质量和精度，适用性较好。

Description

一种热磁场复合辅助加工系统及方法

技术领域

本发明属于难加工金属材料加工相关技术领域，更具体地，涉及一种热磁场复合辅助加工系统及方法。

背景技术

镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料因其强度高、耐腐蚀、耐磨等特点，被广泛应用在工业、信息、能源、医疗、航空航天、深海探测等领域，并且随着科学技术和相关领域的飞速发展，相应行业对镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料制成的零部件提出了越来越高的品质要求(如较低的表面粗糙度、较高的面形精度和较小的表面残余应力等)。然而，镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料自身的性质极大地限制了其加工质量的提高。一方面，金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，塑性和韧性会降低，即会产生加工硬化(又称冷作硬化)，加工硬化产生的原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等，残余应力的产生会导致零部件产生开裂、失稳、疲劳强度降低等情况，严重影响零部件在服役过程中的可靠性和稳定性。另一方面，在切削加工中加工硬化会使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削力等。加工镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料过程中，刀具的磨损通常是机械、热和化学3种作用综合的结果，刀具磨损形态为磨料磨损、冷焊磨损、扩散磨损和氧化磨损等，刀具的磨损形式又可分为前刀面磨损、后刀面磨损及前刀面和后刀面同时磨损3种形式。虽然刀具磨损在切削加工过程中是不可避免的，但是当刀具磨损达到一定程度时，会使切削力增大、切削温度升高、切屑颜色改变，甚至产生振动等不利于切削加工过程的现象。同时，刀具磨损也可能会使工件尺寸精度超出公差范围，已加工表面质量也会明显恶化。刀具磨损的产生和表面质量的恶化会严重影响加工效率，增加生产成本。此外，由于镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等材料的导热率均较小，加工过程中切削区域产生的局部切削热不能有效扩散，致使刀具和工件接触区域的温度过高，极易发生粘刀等现象，严重的甚至将刀具烧损破坏，上述现象均会恶化表面完整性和加工精度，增加生产成本。

随着科学技术的飞速发展尤其是航空航天、深海探测等领域的应用需求不断更新，基于镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料的零部件被广泛地应用于重要安全系统中，如航空发动机的叶片等，并对零部件提出了越来越高的质量和精度要求，然而，上述种种因素严重限制了基于镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料的零部件加工质量的提高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种热磁场复合辅助加工系统及方法，其为了克服传统镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料切削过程中由于加工硬化现象导致的零部件开裂、失稳、疲劳强度降低等问题、由于刀具磨损过快导致加工质量降低和生产成本增加等问题、由于切削热无法有效扩散、局部区域温度过高导致的粘刀和刀具烧损等问题，实现了镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料的超精密高效加工，获得了超高的加工质量和加工精度，其可方便的与现有的超精密机床集成。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种热磁场复合辅助加工系统，所述系统包括加工机床装置、激光辅助热场产生模块及磁场发生模块，所述激光辅助热场产生模块及所述磁场发生模块分别设置在所述加工机床装置上；所述加工机床装置用于承载工件，所述磁场发生模块罩设在所述工件的外部，所述激光辅助热场产生模块与所述工件相对设置；

所述激光辅助热场产生模块用于产生激光束以辐照所述工件，由此对所述工件的材料进行预热软化或者退火；所述磁场发生模块用于产生磁场，所述工件位于所述磁场内，所处磁场用于改变所述工件的材料的部分物理性质。

进一步地，所述加工机床装置包括床身、承载体、工作台、工作台台面、机座、固定座、旋转轴及主轴真空吸盘；所述机座设置在所述床身的一端，所述工作台设置在所述床身的另一端；所述固定座设置在所述机座远离所述床身的表面上，所述旋转轴的一端设置在所述固定座朝向所述磁场发生模块的表面上，所述主轴真空吸盘设置在所述旋转轴的一端，所述工件通过夹具及所述主轴真空吸盘连接于所述旋转轴。

进一步地，所述加工机床装置还包括金刚石刀具、刀具夹持装置、高度调整装置及第一连接件，所述第一连接件设在所述工作台台面上，所述高度调整装置设置在所述第一连接件上，所述刀具夹持装置设置在所述高度调整装置上，所述金刚石刀具设置在所述刀具夹持装置上，且其与所述工件相对设置。

进一步地，所述金刚石刀具与所述工件之间的接触区域与所述激光束照射点之间的距离为5毫米；所述激光束的最小光斑直径为0.5毫米。

进一步地，所述激光辅助热场产生模块包括激光光束整形器、光纤接口、第二位置调整装置、光纤及激光光束发生器，所述第二位置调整装置设置在所述工作台台面上，所述金刚石刀具位于所述主轴真空吸盘及所述第二位置调整装置之间；所述激光光束整形器设置在所述第二位置调整装置上，所述激光光束整形器上设置有光纤接口，所述光纤的一端连接于所述光纤接口，另一端连接于所述激光光束发生器。

进一步地，所述激光光束整形器用于对来自所述激光光束发生器的激光光束进行准直及聚焦；所述激光光束发生器的输出功率大于0W且小于等于100W。

进一步地，所述磁场发生模块包括磁场发生模块连接件、第一位置调整装置、第一永磁体及第二永磁体，所述磁场发生模块连接件连接于所述固定座；所述第一位置调整装置的一端连接于所述磁场发生模块连接件，所述第一永磁体及所述第二永磁体连接于所述第一位置调整装置的另一端，且两者相对设置，所述工件位于所述第一永磁体及所述第二永磁体之间。

进一步地，通过调整所述磁场发生模块连接件及所述第一位置调整装置的位置来调节所述第一永磁体及所述第二永磁体所产生磁场的位置。

进一步地，所述工件所处的磁场强度为0.1T～1T。

按照本发明的另一个方面，提供了一种热磁场复合辅助加工方法，所述方法包括以下步骤：

(1)提供如上所述的热磁场复合辅助加工系统，并进行工件的装夹；

(2)对所述激光辅助热场发生模块产生的激光束进行校准及定位，同时使所述磁场发生模块产生稳定的磁场；

(3)启动所述加工机床装置以对所述工件进行加工。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的热磁场复合辅助加工系统及方法主要具有以下有益效果：

1.通过所述激光辅助热场产生模块施加合适的温度场对材料产生预热软化和退火作用，一方面可以有效降低工件材料切削过程中硬度和强度，增加材料的塑性和韧性，减小切削力，抑制刀具震颤等现象的发生，另一方面可以对已加工表面进行有效的退火热处理，消除表面残余应力和加工硬化现象，提高零部件服役过程中的可靠性和稳定性，同时有助于减缓刀具磨损，提升已加工表面的加工质量和精度，提高加工效率，节省生产成本。

2.所述磁场发生模块产生的外部磁场可以有效提高镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料在外部磁场中的热导率，有利于加工过程中切削区域局部较高温度场向四周扩散，降低加工过程中切削区域的温度，有效抑制粘刀等现象的发生，减缓刀具磨损，延长刀具寿命，提高表面完整性和加工精度，进而提升加工效率，降低生产成本。

3.所述系统只是在不破坏现有超精密加工机床设备功能和结构的前提下对现有超精密加工机床设备进行的改进，增加的各个模块结构简单，安装使用方便，可以用较小的附加成本带来巨大的加工效率、加工质量和经济收益的提高。

4.所述系统实现了镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料的超精密高效加工，获得了超高的加工质量和加工精度，其可方便的与现有的超精密机床集成，集成度高，灵活性较好。

附图说明

图1是本发明提供的热磁场复合辅助加工系统的示意图；

图2是图1中的热磁场复合辅助加工系统的局部示意图；

图3是本发明提供的热磁场复合辅助加工方法的流程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：100-床身，201-承载体，202-工作台，203-工作台台面，300-机座，301-固定座，302-旋转轴，303-主轴真空吸盘，401-磁场发生模块连接件，402-第一位置调整装置，403-第一永磁体，404-第二永磁体，501-工件，502-夹具，601-金刚石刀具，602-刀具夹持装置，603-高度调整装置，604-第一连接件，701-激光光束整形器，702-激光束，703-光纤接口，704-第二位置调整装置，705-光纤，706-激光光束发生器，1000-热磁场复合辅助加工系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供的热磁场复合辅助加工系统1000，所述热磁场复合辅助加工系统1000适用于镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料的加工，其包括加工机床装置、激光辅助热场产生模块及磁场发生模块，所述激光辅助热场产生模块及所述磁场发生模块分别设置在所述加工机床装置上。所述加工机床装置用于承载工件501，所述磁场发生模块罩设在所述工件501的外部，所述激光辅助热场产生模块与所述工件501相对设置。

所述加工机床装置需要至少能够实现传统的超精密切削加工工艺所需的基本功能，如包含至少一个旋转轴及两个直线运动轴；同时，所述加工机床装置需要具有足够的空间进行所述激光辅助热场产生模块及所述磁场发生模块的安装及搭建。

所述加工机床装置包括床身100、承载体201、工作台202、工作台台面203、机座300、固定座301、旋转轴302及主轴真空吸盘303，所述床身100呈矩型，所述机座300设置在所述床身100的一端，所述工作台202设置在所述床身100的另一端。所述固定座301设置在所述机座300远离所述床身100的表面上，所述旋转轴302的一端设置在所述固定座301朝向所述磁场发生模块的表面上，所述主轴真空吸盘303设置在所述旋转轴302的一端，所述工件501通过夹具502及所述主轴真空吸盘303连接于所述旋转轴302，所述旋转轴302用于带动所述工件501进行旋转。本实施方式中，所述旋转轴302水平设置；所述机座300能够带动所述工件501沿所述床身100的长度方向移动；所述磁场产生模块连接于所述固定座301。

所述承载体201设置在所述床身100上，其能够沿所述床身100的宽度方向带动所述激光辅助热场产生模块移动。所述工作台202设置在所述承载体201上，所述工作台台面203设置在所述工作台202上。所述激光辅助热场产生模块设置在所述工作台台面203上。

所述加工机床装置还包括金刚石刀具601、刀具夹持装置602、高度调整装置603及第一连接件604，所述第一连接件604设在所述工作台台面203上，所述高度调整装置603设置在所述第一连接件604上，所述刀具夹持装置602设置在所述高度调整装置603上，所述金刚石刀具601设置在所述刀具夹持装置602上，且其与所述工件501相对设置。

所述激光辅助热场产生模块用于产生对工件进行加热所需的热源，其包括激光光束整形器701、光纤接口703、第二位置调整装置704、光纤705及激光光束发生器706，所述第二位置调整装置704设置在所述工作台台面203上，所述金刚石刀具601位于所述主轴真空吸盘303及所述第二位置调整装置704之间。所述激光光束整形器701设置在所述第二位置调整装置704上，所述激光光束整形器701上设置有光纤接口703，所述光纤705的一端连接于所述光纤接口703，另一端连接于所述激光光束发生器706。

所述激光光束发生器706产生的激光要求光束波长能够被工件材料有效吸收，激光功率能够在较大范围内可调，以便适应工艺参数的变化。所述激光光束整形器701接收来自所述激光光束发生器706产生的通过所述光纤705传输的激光光束，并使所述激光光束经过一系列的准直和聚焦透镜组整形后输出。其中，所述激光光束整形器701需要将接收的激光光束聚焦到合适的光斑大小，以便对材料施加合适的温度场，同时所述激光光束整形器701还需要具备在一定范围内调节激光束焦平面和激光束直径的功能。

通过调整所述第二位置调整装置704使经过所述激光光束整形器701之后的激光束702照射到所述金刚石刀具601及所述工件501接触区域的正上方一定的距离，以便对工件材料施加合适的温度场。其中，合适的温度场是指：一方面，通过激光束施加的温度场可以有效地对工件501进行预热，使工件材料软化，显著降低工件的硬度，而又不至于使工件材料直接熔化(即最高温度要低于工件材料的熔点)；另一方面，可以通过调节所述第二位置调整装置704来使所述激光束702以离焦或者聚焦的方式照射在工件501的表面，以便控制通过所述激光束702施加的温度场范围，保证温度场的范围不能过小或者过大，合适的温度和温度场范围可以对激光光束照射点附近的已加工表面产生退火作用。通过所述激光束702施加的合适的温度场对材料产生预热软化和退火作用，一方面可以有效降低工件材料切削过程中硬度和强度，增加材料的塑性和韧性，减小切削力，抑制刀具震颤等现象的发生；另一方面可以对已加工表面进行有效的退火热处理，消除表面残余应力和加工硬化现象，提高零部件服役过程中的可靠性和稳定性，同时有助于减缓刀具磨损，提升已加工表面的加工质量和精度，提高加工效率，节省生产成本。

本实施方式中，所述激光光束发生器706的输出功率大于0W且小于等于100W，可以输出连续波激光束，也可输出可见引导校准光束(并保证可见引导校准光束与加工所用激光束同轴线)；所述激光束702的最小光斑直径为0.5毫米；所述金刚石刀具601与所述工件501之间的接触区域和所述激光束702照射点之间的距离为5毫米。

所述磁场发生模块用于产生改变工件材料部分物理性质所需的磁场强度，需至少包括以下部件：一对能够产生稳定磁场的磁铁(包括但不限于使用永磁体，亦可使用电磁铁)、位置调整装置以及其他必要的固定件和连接件。两块产生稳定磁场的磁铁(包括但不限于使用永磁体)之间的区域需要能够对称地包含工件501的体积，其在工件501处形成的磁场强度需要能够在一定范围内可调。

其中，铁磁流体和含铁磁颗粒/磁性颗粒的纳米流体在磁场的作用下，其热导率可以大幅提高；在外加磁场的作用下，铁磁流体或者含铁磁颗粒/磁性颗粒的纳米流体内部的铁粒子会有序排列；在没有外加磁场的情况下，由于范德华力和偶极-偶极相互作用，铁粒子相互附着连接而形成聚集，粒子随机定向和排列。在有磁场的情况下，磁偶极能量足以超过热能，并且铁粒子的磁化率为正值，铁磁流体和含铁磁颗粒/磁性颗粒的纳米流体内部的铁粒子的排列趋向于与外部磁场方向一致。排列整齐的磁性颗粒形成线性链，其具有较高的热传导性能，促进了沿方向载流体路径上的热量传递。基于类似的原理，利用外部磁场来提高磁性颗粒的热导率的方法可以推广到镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料的切削加工中。

以钛合金为例，其磁化率是14.6ppm，表示钛合金属于顺磁材料，意味着只要外部磁场存在，其对磁场的顺磁性反应趋势就存在。在切削过程中，金刚石刀具和工件接触区域的材料在较高的切削温度和激光施加的温度场的共同作用下熔化为流体状态，熔化的钛合金由在载流体中的悬浮顺磁粒子组成。与前面提到的磁性颗粒特性相同，在外部磁场作用下，熔化的钛合金内部的顺磁性颗粒会随磁场方向进行规则排列。顺磁粒子的迁移形成了导热通道，提高了钛合金材料在外部磁场中的热导率。热导率的提高将有利于加工过程中切削区域局部较高温度场向四周扩散，降低加工过程中切削区域的温度，有效抑制粘刀等现象的发生，减缓刀具磨损，延长刀具寿命，提高已加工表面的完整性和加工精度，进而提升加工效率，降低生产成本。

本实施方式中，所述磁场发生模块包括磁场发生模块连接件401、第一位置调整装置402、第一永磁体403及第二永磁体404，所述磁场发生模块连接件401连接于所述固定座301。所述第一位置调整装置402基本呈“工”字型，其一端连接于所述磁场发生模块连接件401，所述第一永磁体403及所述第二永磁体404连接于所述第一位置调整装置402的另一端，且两者相对设置，所述工件501位于所述第一永磁体403及所述第二永磁体404之间。

通过调整所述磁场发生模块连接件401及所述第一位置调整装置402的位置使得所述第一永磁体403及所述第二永磁体404产生稳定的磁场包含所述工件501，在所述工件501处形成的磁场强度可以通过改变两块永磁体之间的距离或者电磁铁的通电电压/电流进行控制，并且能够在一定范围内可调；以镍基高温合金工件材料为例，工件所处的磁场强度可调范围为0.1T～1T。

请参阅图3，本发明还提供了一种热磁场复合辅助加工方法，所述热磁场复合辅助加工方法主要包括以下步骤：

步骤一，提供如上所述的热磁场复合辅助加工系统，并将各个部件进行连接及固定。

步骤二，根据传统的超精密单点金刚石切削加工工艺要求，进行工件501的装夹和金刚石刀具601的调整等必要的预备工作。

步骤三，对整形后的激光束进行定位和校准，使得所述激光束以离焦或者聚焦的方式照射到金刚石刀具和工件材料接触区域的正上方合适的距离。本实施方式中，经过聚焦的激光光束的最小光斑直径为0.5毫米，金刚石刀具和工件材料接触区域与激光光束照射点之间的距离为5毫米。

步骤四，进行外部磁场的施加，使得所述磁场发生模块产生稳定磁场。

步骤五，通过激光光束发生器设置合适的激光输出功率，通过调节两块永磁体之间的距离(或者电磁铁的电压/电流)使工件所处的磁场强度达到合适的数值(可辅助磁场强度测量仪器如高斯计进行工件处磁场强度的测量)，以镍基高温合金工件材料为例，本发明较佳实施方式提供的激光器输出功率为1W，工件处磁场强度为0.5T。

步骤六，选择合适的切削加工参数如进给、转速、切深等进行镍基高温合金、钛合金和金属玻璃等难加工金属材料的热磁场复合辅助超精密切削加工，以镍基高温合金工件材料为例，本发明较佳实施方式提供的切削加工参数组合为：转速为1000RPM，进给速度为4mm/min，切深为4um。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热磁场复合辅助加工系统，其特征在于：

所述系统包括加工机床装置、激光辅助热场产生模块及磁场发生模块，所述激光辅助热场产生模块及所述磁场发生模块分别设置在所述加工机床装置上；所述加工机床装置用于承载工件，所述磁场发生模块罩设在所述工件的外部，所述激光辅助热场产生模块与所述工件相对设置；

所述激光辅助热场产生模块用于产生激光束以辐照所述工件，由此对所述工件的材料进行预热软化或者退火；所述磁场发生模块用于产生磁场，所述工件位于所述磁场内，所处磁场用于改变所述工件的材料的部分物理性质。

2.如权利要求1所述的热磁场复合辅助加工系统，其特征在于：所述加工机床装置包括床身、承载体、工作台、工作台台面、机座、固定座、旋转轴及主轴真空吸盘；所述机座设置在所述床身的一端，所述工作台设置在所述床身的另一端；所述固定座设置在所述机座远离所述床身的表面上，所述旋转轴的一端设置在所述固定座朝向所述磁场发生模块的表面上，所述主轴真空吸盘设置在所述旋转轴的一端，所述工件通过夹具及所述主轴真空吸盘连接于所述旋转轴。

3.如权利要求2所述的热磁场复合辅助加工系统，其特征在于：所述加工机床装置还包括金刚石刀具、刀具夹持装置、高度调整装置及第一连接件，所述第一连接件设在所述工作台台面上，所述高度调整装置设置在所述第一连接件上，所述刀具夹持装置设置在所述高度调整装置上，所述金刚石刀具设置在所述刀具夹持装置上，且其与所述工件相对设置。

4.如权利要求3所述的热磁场复合辅助加工系统，其特征在于：所述金刚石刀具与所述工件之间的接触区域与所述激光束照射点之间的距离为5毫米；所述激光束的最小光斑直径为0.5毫米。

5.如权利要求3所述的热磁场复合辅助加工系统，其特征在于：所述激光辅助热场产生模块包括激光光束整形器、光纤接口、第二位置调整装置、光纤及激光光束发生器，所述第二位置调整装置设置在所述工作台台面上，所述金刚石刀具位于所述主轴真空吸盘及所述第二位置调整装置之间；所述激光光束整形器设置在所述第二位置调整装置上，所述激光光束整形器上设置有光纤接口，所述光纤的一端连接于所述光纤接口，另一端连接于所述激光光束发生器。

6.如权利要求5所述的热磁场复合辅助加工系统，其特征在于：所述激光光束整形器用于对来自所述激光光束发生器的激光光束进行准直及聚焦；所述激光光束发生器的输出功率大于0W且小于等于100W。

7.如权利要求2所述的热磁场复合辅助加工系统，其特征在于：所述磁场发生模块包括磁场发生模块连接件、第一位置调整装置、第一永磁体及第二永磁体，所述磁场发生模块连接件连接于所述固定座；所述第一位置调整装置的一端连接于所述磁场发生模块连接件，所述第一永磁体及所述第二永磁体连接于所述第一位置调整装置的另一端，且两者相对设置，所述工件位于所述第一永磁体及所述第二永磁体之间。

8.如权利要求7所述的热磁场复合辅助加工系统，其特征在于：通过调整所述磁场发生模块连接件及所述第一位置调整装置的位置来调节所述第一永磁体及所述第二永磁体所产生磁场的位置。

9.如权利要求1-8任一项所述的热磁场复合辅助加工系统，其特征在于：所述工件所处的磁场强度为0.1T～1T。

10.一种热磁场复合辅助加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)提供权利要求1-9任一项所述的热磁场复合辅助加工系统，并进行工件的装夹；

(2)对所述激光辅助热场发生模块产生的激光束进行校准及定位，同时使所述磁场发生模块产生稳定的磁场；

(3)启动所述加工机床装置以对所述工件进行加工。

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