CN111074062A - 脉冲磁场多位向批量再制造高性能刀具的生产线及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在保证刀具（高速钢、硬质合金、涂层刀具、立方氮化硼、金刚石刀具等）外形尺寸不发生变化的情况下批量地显著提高刀具切削性能和服役寿命的脉冲磁场再制造生产线及方法。该生产线由以下几个模块构成：磁场发生器（双扼结构，包括动铁芯、固定铁芯、线圈），脉冲电源（产生可控交变磁场）、机器人手臂、传送带，数字磁场控制平台（控制系统和智能软件）、退磁模块、冷却循环系统（冷却水箱、泵）。该生产线涉及到将批量刀具置于脉冲磁场作用区域，通过调节脉冲磁场频率、强度大小以及刀具与磁场的相对位向，快速调控其缺陷和元素的密度和分布，再制造刀具组织，改善其切削性能，延长刀具服役寿命从而降低生产成本。

Description

脉冲磁场多位向批量再制造高性能刀具的生产线及其方法

技术领域

本发明属于工业零部件改性技术领域，涉及金属切削刀具再制造的生产线及方法。本发明涉及一种利用脉冲磁场多位向批量快速再制造刀具的方法和生产线，具体涉及到脉冲磁场对刀具（金属、陶瓷、涂层刀具、立方氮化硼、金刚石刀具）缺陷的密度和分布、合金元素的扩散及分布、应力方向及大小的改变以及再制造刀具的装备和生产线。

背景技术

刀具是工业的“牙齿”，在机械加工制造领域得到广泛应用。刀具的切削性能和切削寿命直接影响着在装备制造、精密仪器、电子信息等领域的工业生产技术水平和经济效益。提高刀具切削性能，降低刀具的切削成本，延长刀具服役寿命，保证刀具的切削精度是刀具发展的主要趋势。

目前不同的制造工业领域对刀具的性能都有特定的要求。传统的高速钢、碳化钨/钴硬质合金刀具主要用于粗精或者半精加工，且高速钢和硬质合金的缺陷的密度和分布与其加工性能和服役寿命密切相关；对于加工精度要求高或加工难度大的领域，涂层刀具、立方氮化硼、金刚石刀具的应用更为广泛。对于涂层刀具，涂层与基体的接合情况对涂层刀具的切削性能影响显著，而涂层与基体的结合情况与合金元素在界面的梯度分布密切相关。目前通过气相沉积法获得的涂层与刀具基体形成的界面上，合金元素主要分布在界面两侧，在界面处没有形成较好的连续梯度分布，因此界面结合相对较弱；对于立方氮化硼和金刚石刀具，由于两种刀具材料结构都是键能较高的共价键，在制备的过程中都经过了高温高压的合成，内部存在位错、层错、纳米栾晶、空位等缺陷，缺陷的数量、种类、分布对两种刀具的切削性能影响尤其显著，而传统的合成手段和热处理方法由于都是对整体刀具的长时间处理，难以有效控制刀具（特别是刀刃）的缺陷的形成和演变。

磁场快速再制造技术是利用脉冲磁场在短时间内在原子尺度上使零部件内部的原子、分子的排列、匹配、迁移等行为发生变化，改变零部件内部缺陷密度及分布，在微观和宏观上反应为零部件组织和性能的变化。且由于加载的脉冲磁场具有较高的频率，其对零部件产生的作用具有“趋肤效应”，也就是脉冲磁场的影响效果主要聚焦在零部件的近表面区域，其改性效果具有表面和局部特征，因此相对于对零部件整体改性的传统的热处理，磁场快速再制造技术可以实现零部件局部区域原子尺度的缺陷调控。且脉冲磁场对零部件的作用具有方向性，可根据需求定向调控原子运动及缺陷的数量和分布，定向再制造零部件性能。对于刀具体系，脉冲磁场的引入激活刀具（特别是刀刃）原子的运动，改变了位错、层错、纳米栾晶、空位等缺陷的密度和分布，进而提升刀具的切削效果和服役寿命，且改变刀具与脉冲磁场的相对位向可以定向改变刀具的切削性能。

脉冲磁场快速再制造技术是制造领域的新兴技术，与其他新型的外场技术，如脉冲电场处理技术相比，其主要优势和特点在于：脉冲磁场快速再制造技术在处理零部件时，磁极与零部件属于非直接接触，不需要另外特殊设计接触夹头磁极；而在脉冲电场处理过程中，由于需要形成电流回路，零部件与电极需要直接接触，因此，根据不同的零部件形状，需要设计不同的电极夹头。但是，夹头与零部件的接触面在电流通过时，会由于接触电阻相对较大造成过热的现象，从而造成零部件的变形。总体看来，利用脉冲磁场再制造刀具能够提高刀具的切削性能和服役寿命，但是目前利用脉冲磁场再制造刀的生产线及其相关涉及到的装备和技术鲜有报道。

发明内容

本发明提供了一种在保证刀具外形尺寸不发生变化下批量地显著提高其切削性能（提高刀具耐磨性能、降低切削温度）和服役寿命的脉冲磁场再制造生产线及方法。

该生产线由以下几个模块构成磁场发生器，脉冲电源（产生可控交变磁场）、机器人手臂、传送带，数字磁场控制平台、退磁模块、冷却循环系统（冷却水箱、泵）。其中，磁场发生器采用双扼结构（形成闭合磁路），由动铁芯、固定铁芯、线圈组成，动、定铁组成磁场气隙由数字控制平台调节，机器人手臂主要完成磁场处理前后刀具的取装工作，并调控刀具与磁场的相对位向；传送带主要是完成刀具的输送; 退磁模块主要是实现磁场处理后刀具磁性的消退；冷却循环系统主要是对在脉冲磁场产生过程中，机构产生的热进行散热和冷却。数字磁场控制平台包括控制系统和智能软件，能够精确控制动铁芯的运动和传送带的启停及传送速度。

生产线的主要特征示意图如图1所示：生产线流程的主要步骤如下：装载刀具的样品盒（7）由机械手臂（5）从样品框中取出；取出后的样品可直接放入传送带（2），由传送带（2）输送到动铁心（4-2）下方或由机械手臂夹持直接置于动铁芯下方，且样品与脉冲磁场的位向关系可由机械手臂调控；通过控制系统设定和自动调节动铁心（4-2）与样品盒（7）之间的距离，然后施加脉冲磁场，按设定时间停留，处理完毕后样品盒（直接或由机械人手臂放入传送带上）由传送带（2）输送到退磁区域（1），施加磁场对刀具进行退磁，退磁后样品（7）由传送带（2）输送到回收区。整个过程由数字控制平台智能控制，可以实现刀具批量再制造的流水作业。

本发明提出一种基于批量再制造刀具生产线的脉冲磁场多位向快速再制造刀具的方法，以延长其服役寿命，降低生产成本。

具体的再制造方法如下：将批量刀具置于磁场发生器的气息之间，刀具与磁场的相对位向可调，位相确定后，施加脉冲磁场，且磁场的频率、波形、时间可调，其中频率为5-500HZ，波形可为方波或正弦波，时间为0.5秒-5分钟，强度为0.1-6T，脉冲磁场处理后，刀具内部位错、纳米栾晶等缺陷密度将会提高，层错密度会减小，且缺陷分布会获得重构；刀具内部元素分布会重排，相结构会发生相应变化，残余应力会减小；刀具的电阻率、力学性能和磨损性能会得到提高。且刀具与磁场的相对位相可调可以实现脉冲磁场对刀具缺陷定向增殖和定向分布的调控。

其中对于不同的刀具体系主要特征有所区别：对于高速钢刀具，脉冲磁场的作用能促进位错的增殖、马氏体的形核和弥散碳化钨的析出；对于硬质合金刀具，脉冲磁场能够促进碳化钨基体中位错生成及钴相中层错密度的减小，同时还是调控钴相在密排六方和面心立方之间的转变；对于涂层刀具，脉冲磁场能够改变元素在涂层以及涂层与基体界面处的分布，从而强化涂层和改善涂层与基体的界面结合力，显著改善其切削性能，并改善涂层之间的应力情况；对于立方氮化硼和金刚石刀具，脉冲磁场能够改变其内部的位错、层错及微米或纳米栾晶的密度和分布，从而调控其切削性能。

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详细的说明：

图1为本发明生产线和装置示意图。其由：退磁模块（1）、传送带（2）、冷却循环系统（3）（冷却水箱、泵）、磁场发生器（4）（动铁芯（4-2）、固定铁芯（4-3）、线圈（4-1））、磁场机器人手臂（5）、数字磁场控制平台（6）（包括智能软件和控制系统）、样品盒（7）（用于装载多只刀具）组成。

图2位发明生产线俯视图示意图。

具体实施方式

以下仅为本发明的较佳实施例,并不以此限定本发明的保护范围在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进,均属本发明的保护范围。下方所描述的实施例旨在用于解释本发明，不能理解为对本发明的限制。

实例1，

1. 取30把W18高速钢刀具，通过机械人手臂置于铁心间隙，间隙距离可调，刀具与平行传送带的角度从0-90°可调，施加脉冲磁场,磁场强度0.2T-3T, 脉冲频率为5-200HZ，脉冲时间5s-5min, 磁场再制造处理后高速钢刀具的硬度提高2%-15%；进行切削对比实验，切削碳素钢，在保证工件同样精度的情况下，磁场再制造后的刀具比未经过磁场处理的刀具寿命提高了10-30%；

2. 取YG8硬质合金铣刀，通过传送带输送到动铁心下方，并保证铣刀前端刀刃区域处于动铁心中部，施加脉冲磁场,磁场强度0.2T-3T, 脉冲频率为5-200HZ，脉冲时间5s-10min, 磁场再制造处理后硬质合金铣刀具的硬度提高2%-10%；进行切削对比实验，切低碳合金钢，在保证工件同样精度的情况下，磁场再制造后的刀具比未经过磁场处理的刀具寿命提高了10-50%；

3. 取YT15硬质合金车刀，通过传送带输送到动铁心下方，施加脉冲磁场,磁场强度0.2T-3T, 脉冲频率为5-200HZ，脉冲时间5s-15min, 磁场再制造处理后硬质合金车刀具的硬度提高2%-10%；进行切削对比实验，切削40Cr钢，在保证工件同样精度的情况下，磁场再制造后的刀具比未经过磁场处理的刀具寿命提高了10-200%；

4. 对于表面为TiAlN/Al2O3涂层的硬质合金（WC/Co）刀具，通过传送带输送到动铁心下方，施加脉冲磁场,磁场强度0.2T-4T, 脉冲频率为5-500HZ，脉冲时间5s-5min, 磁场再制造处理后刀具涂层的硬度提高2%-15%；进行切削对比实验，切削结构钢，在保证工件同样精度的情况下，磁场再制造后的刀具比未经过磁场处理的刀具寿命提高了10-200%，切削速度提高了20%~70%；

5.对于cBN刀具，通过传送带输送到动铁心下方，施加脉冲磁场,磁场强度0.5T-6T, 脉冲频率为5-200HZ，脉冲时间5s-5min, 磁场再制造处理后硬质合金铣刀具的硬度提高2%-10%；进行切削对比实验，切削淬硬钢，在保证工件同样精度的情况下，磁场再制造后的刀具比未经过磁场处理的刀具寿命提高了10-200%；

6. 对于TiAlN/cBN刀具，通过传送带输送到动铁心下方，施加脉冲磁场,磁场强度0.5T-6T, 脉冲频率为5-200HZ，脉冲时间5s-5min, 磁场再制造处理后刀具的硬度提高2%-15%；进行切削对比实验，切削淬硬钢，在保证工件同样精度的情况下，磁场再制造后的刀具比未经过磁场处理的刀具寿命提高了10-250%；

7. 对于金刚石刀具，通过传送带输送到动铁心下方，施加脉冲磁场,磁场强度0.5T-6T, 脉冲频率为5-200HZ，脉冲时间5s-5min, 磁场再制造处理后硬质合金铣刀具的硬度提高2%-10%；进行切削对比实验，切削淬硬钢，在保证工件同样精度的情况下，磁场再制造后的刀具比未经过磁场处理的刀具寿命提高了10-100%。

Claims (10)

1.本发明提供了一种脉冲磁场多位向批量再制造高性能刀具的生产线及其方法；其特征在于：该生产线由以下几个模块构成磁场发生器（4）（产生可控交变磁场）、机器人手臂（5）、传送带（2），数字磁场控制平台（6）、退磁模块（1）、冷却循环系统（3）（冷却水箱、泵）。

2.根据权利要求1所述的磁场发生器，其特征在于采用双扼结构（形成闭合磁路），由动铁芯（4-2）、固定铁芯（4-3）、线圈（4-1）组成，动、定铁芯组成磁场气隙由数字控制平台（6）调节，刀具由机器人手臂（5）拿起放置于磁极下方，刀具与磁场的相对位相由机器人手臂（5）的动作调控，磁场处理完成后，由机器人手臂放在传送带（2）上。

3.根据权利要求1所述的机器手臂（5），其特征在于机器人手臂（5）主要是完成磁场处理前后刀具的放置、取装及刀具与磁场方向相对位向的调控。

4.根据权利要求1所述的退磁模块（1），其特征在于退磁模块（1）主要是实现磁场处理后刀具磁性的消退。

5.根据权利要求1所述的冷却循环系统（3），其特征在于冷却循环系统（3）主要是对在脉冲磁场产生过程中，机构产生的热进行散热或冷却。

6.根据权利要求1所述的数字磁场控制平台（6），其特征在数字磁场控制平台包括控制系统和智能软件，能够精确控制动铁芯（4-2）的运动和传送带的启停及传送速度，控制动铁心（4-2）与样品（7）之间的距离。

7.根据权利要求1所述的脉冲磁场多位向批量再制造高性能刀具的生产线，生产线的主要特征示意图如图1所示，生产线流程的主要步骤如下：

I：装载刀具盒（7）由机械手臂（5）从样品框中取出

II：取出后的样品可直接放入传送带（2），由传送带（2）输送到动铁心（4-2）下方或由机械手臂夹持直接置于动铁芯下方，且样品与脉冲磁场的位相关系可有机械手臂调控

III: 通过控制系统设定和自动调节动铁心（4-2）与样品盒（7）之间的距离，然后施加脉冲磁场，按设定时间停留，处理完毕后样品盒（7）（直接或由机械人手臂放入传送带上）由传送带（2）输送到退磁区域（1），施加磁场对刀具进行退磁，退磁后样品盒（7）由传送带（2）输送到回收区；整个过程由数字控制平台智能控制，可以实现刀具批量再制造的流水作业。

8.本发明提出一种基于批量再制造刀具生产线的脉冲磁场多位向快速再制造刀具的方法，其特征在于：通过调控刀具与磁场的位向关系、磁场频率及强度，可以实现刀具缺陷密度（位错、层错等）的增殖及合金元素的重排分布，并实现精确调控刀具微区缺陷密度、缺陷分布及合金元素的均匀化，且处理时间极短，通常在5分钟以内。

9.根据权利要求8所述的脉冲磁场多位向快速再制造刀具的方法，其特征在于：切削刀具的刀刃与脉冲磁场的相对位向可调控，可以实现刀具刃口微观区域缺陷密度的定向增殖、缺陷的定向生长以及元素的定向迁移，定向增强刀具刃口区域，再制造刀具组织，在加工工件时，能够减小切削力和刀具磨损，降低切削温度，提升刀具服役寿命。

10.根据权利要求8所述的脉冲磁场多位向快速再制造刀具的方法，其特征在于：所施加脉冲磁场的频率和磁场强度范围较宽，可通过调节磁场频率和强度的大小实现刀具表面或整体的再制造；由于“趋肤”效应，脉冲磁场倾向于分布于靠近刀具表面的区域，这一想象与脉冲磁场的频率和强度相关，且频率越大、强度越小，“趋肤”效应越明显，可实现刀具表面的再制造，通过设定中高频的脉冲频率，能够将脉冲磁场聚焦在刀具刃口的近表面区域，而对刀具内部组织影响较小，能够实现对刀具刃口近表面微观区域缺陷密度的增殖及元素重排，对刀具刃口及局部区域进行改性，强化刀具表面组织，而刀具内部组织基本不变，保持有良好的韧性；而当脉冲磁场频率越小、强度越大，“趋肤”效应越不显著，设定较低的脉冲频率可实现刀具整体的再制造。

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