CN111331151B - 磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其采用设置有微织构的织构刀具切削加工，其中，所述织构刀具的刀工接触区设置有所述的微织构；采用磁性纳米流体作为切削液；采用通电线圈，对所述通电线圈通电使其产生磁场力而引导所述磁性纳米流体朝向所述刀工接触区及所述微织构处流动，从而能够抑制微织构刀具在切削时的衍生切削现象，延长微织构刀具的使用寿命，以进一步提升微织构刀具的切削性能；同时，磁性纳米颗粒在微织构的表面形成一层能够持久存在的润滑膜，该润滑膜不仅能够防止切屑划伤刀具表面，增加刀具使用寿命，还能够减少切削力，减少刀工之间的摩擦力，减少切削温度，从而改善加工工件的表面质量。

Description

磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法

技术领域

本发明涉及微织构刀具切削领域，属于先进切削加工领域，尤其涉及一种磁场下磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法。

背景技术

表面微织构刀具是通过光刻加工、电火花加工、激光加工等技术在刀具的前刀面或后刀面上制备出一定形状、尺寸、规则的织构形貌。织构表面具有良好的润滑性能，织构刀具能够通过显著降低切削力和切削温度以及刀具表面的摩擦和材料转移来有效地提高相关合金的切削性能。

此外，织构刀具还能够影响切屑的形态，从而改善加工工件的表面质量。然而，在用微织构车刀干车削时，表面微织构远离主切削刃的边缘会参与到切削的过程中，衍生切屑会从边缘流入微织构，从而切屑的底边会产生额外的切削，即衍生切削。衍生切削会增大刀-屑接触面之间的摩擦力、切削力、硬度及切屑的变形，导致切削性能大幅下降。特别是对于一些难加工材料，这些材料的塑性大、韧性高，在切削过程中会产生大量的切削热；并且高温时的硬度和强度都很大，从而切削力比较大，容易造成刀尖部分的严重磨损。

磁性纳米流体具有修复作用，磁性纳米流体由磁性纳米颗粒、去离子水、切削液和油酸组成，其中油酸的作用是防止磁性纳米颗粒的团聚。织构刀具上的微织构会促进磁性纳米流体渗入刀-屑接触区，从而能够修复工件表面质量；磁性纳米流体具有抛光作用，即在加工过程中将切屑带离工件表面；磁性纳米流体的修复作用和抛光作用会改善工件加工表面质量。因此，使用磁性纳米流体渗入到刀-屑接触区以抑制微织构刀具在切削过程的衍生切削现象成为提高切削加工精度的关键问题。然而，目前，磁性纳米流体通过刀具表面微织构进入刀-屑接触区取决于“毛细管作用”，在没有外力的情况下，刀具表面微织构通过毛细管作用输送磁性纳米流体至刀-屑接触区的效果并不显著，刀具磨损及切削加工精度的改善并不明显。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，采用设置有微织构的织构刀具切削加工，其中，所述织构刀具的刀工接触区设置有所述的微织构；

采用磁性纳米流体作为切削液；

采用通电线圈，对所述通电线圈通电使其产生磁场力而引导所述磁性纳米流体朝向所述微织构处流动。

优选地，所述通电线圈的中心始终对准所述刀工接触区，且所述通电线圈的中心距离所述织构刀具的刀尖40～50mm。

优选地，所述通电线圈中还穿设有铁芯，所述铁芯与所述通电线圈同轴心线地设置。

进一步地，所述通电线圈通电电流大小为1～6A。

进一步地，所述通电线圈通电时其表面中部位置的磁场强度大于210Gs。

优选地，所述微织构设置在所述织构刀具的前刀面上，且所述微织构距离所述织构刀具的刀尖0.05 mm～0.5mm。

优选地，所述微织构的长度延伸方向与所述织构刀具的主切削刃相互垂直或者相互平行。

优选地，所述通电线圈的磁场大小和/或方向可调整地设置。

进一步地，所述刀具安装在刀架上，所述通电线圈安装位置和/或方向可调整地安装在所述刀架上。

优选地，所述磁性纳米流体以质量百分数计，包括1.28%～3.77%的磁性纳米颗粒、1～2%的表面活性剂油酸、88～91%的去离子水，以及6～6.5%的水基切削液。

优选地，所述磁性纳米流体的磁性纳米颗粒粒径为10～50nm，磁性纳米颗粒的体积分数0.25～0.75%。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提出的一种磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其将刀具表面微织构技术、磁性纳米流体作为切削液与毕奥-萨伐尔定律相结合，通过对通电线圈通电产生磁场而更好地引导磁性纳米流体进入微织构和刀工接触区，可抑制微织构刀具在切削时的衍生切削现象，延长微织构刀具的使用寿命，从而进一步提升微织构刀具的切削性能；同时，磁性纳米颗粒在微织构的表面形成一层能够持久存在的润滑膜，该润滑膜不仅能够防止切屑划伤刀具表面，增加刀具使用寿命，还能够减少切削力，减少刀工之间的摩擦力，减少切削温度，从而改善加工工件的表面质量。

附图说明

附图1为本发明实施例1的车削加工装置的结构示意图；

附图2为实施例1中采用的织构刀具上微织构的示意图；

附图3为实施例1中线圈夹具的结构示意图；

附图4为实施例1中微织构处磁场及磁性纳米颗粒的分布示意图；

附图5为实施例1中磁性纳米颗粒的受力分析示意图；

附图6为本发明实施例2的车削加工装置的结构示意图；

附图7为实施例2中采用的织构刀具上微织构的示意图；

附图8为实施例2中线圈夹具的结构示意图；

附图9为实施例2中微织构处磁场及磁性纳米颗粒的分布示意图；

附图10为实施例2中磁性纳米颗粒的受力分析示意图；

附图11为实施例2中有外界磁场下采用织构刀具与磁性纳米流体协同切削时刀具磨损照片；

附图12为有外界磁场下采用传统刀具与磁性纳米流体协同切削时刀具磨损照片；

附图13为无外界磁场下采用织构刀具与磁性纳米流体协同切削时刀具磨损照片；

其中：1、织构刀具；11、织构槽；2、车刀刀杆；3、刀架（转塔刀架）；4、通电线圈；5、线圈夹具；51、固定座；52、第一调整座；53、第二调整座；54、第三调整座；5a、第一腰型孔；5b、第一螺杆；5c、第二腰型孔；5d、第二螺杆；5e、安装槽；5f、旋转螺杆；6、切削液喷头；10、待加工棒料。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

实施例1

本实施例中刀具采用金属陶瓷刀片DNGA150404 NS520，车刀前刀面加工了微织构。具体按照如下步骤准备刀具：（1）将刀片的表面进行打磨、抛光处理，并在酒精中用超声波清洗10min，清洁刀片表面；（2）制备刀具表面微织构。刀片的前刀面刀尖处使用飞秒激光打标机，采用回字形的填充方式加工微织构，激光加工参数为：激光功率30W，扫描速度25mm/s，频率30kHz，脉冲宽度6μs，扫描次数8次，电流1A，加工出和主切削刃相垂直的微织构，参见图2所示，微织构的织构槽11宽度s2、深度均为0.05mm，微织构中织构槽之间的间距s1为0.1mm，微织构距离刀尖L为0.34mm，该微织构面积占整个刀片的0.97%。

本实施例中，待加工工件为难加工材料不锈钢316L材质的棒料10。

本实施例中，将磁性纳米流体作为切削液，并通过机床上的切削液喷头6喷出而参与切削加工。此处作为切削液的磁性纳米流体按照如下方式配置：磁性纳米流体中各组分的配比如下：磁性纳米颗粒粒径30nm，磁性纳米颗粒的体积分数0.5vol.%，磁性纳米颗粒的质量分数为2.54wt.%，表面活性剂油酸的质量分数为2wt.%，去离子水质量分数为89.1wt.%，水基切削液质量分数为6.36wt.%，将上述各组分用机械搅拌机搅拌15min后再超声分散20min即可得到均匀分散的磁性纳米流体。

本实施例中使用的通电线圈的参数如下：外径为42mm，内径为12mm，长60mm，匝数为2000，线径为1mm，并在其内径处放置一个直径为12mm，长20mm的铁芯以增强线圈所产生的磁场强度，该铁芯与通电线圈4同轴心线地设置。将通电线圈4固定到相应可调节通电线圈4方向的线圈夹具5上，从而能够调节通电线圈4所产生磁场的方向。具体地，参见图1、图3所示，刀片1装在车刀刀杆2上，车刀刀杆2固定安装在转塔刀架3上，该通电线圈4也通过线圈夹具5安装在转塔刀架3上。该线圈夹具5包括固定安装在转塔刀架3上的固定座51、能够沿X向平移地安装在固定座51上的第一调整座52、能够沿Y向相对平移且绕Z轴方向旋转地连接在第一调整座52上的第二调整座53，通电线圈4能够沿Z向安装高度可调整地固定安装在所述第二调整座53上。这样，通过对线圈夹具5进行调整，可以实现通电线圈4在XYZ三个方向位移的调整以及绕Z轴旋转而实现角度的调整。

具体地，参见图3所示，固定座51上开设有沿X向延伸且沿Y向贯穿的第一腰型孔5a，第一调整座52的一侧端部上固定连接有第一螺杆5b，第一螺杆5b能够相对滑动地穿设在第一腰型孔5a中；第一调整座52的另一端部上开设有沿Y向延伸且沿Z向贯穿的第二腰型孔5c，第二调整座53的端部上固定连接有第二螺杆5d，所述第二螺杆5d能够相对滑动且能够绕自身轴心线旋转地穿设在第二腰型孔5c中。通过调整第一螺杆5b和第二螺杆5d即可调整通电线圈4的位置及安装角度，调节十分的方便。

切削加工前，先将织构刀具1固定在车刀刀杆2上，车刀刀杆2固定于转塔刀架3上，线圈夹具4通过夹紧楔块固定于转塔刀架3上，再将通电线圈4固定至线圈夹具5上，并通过调整线圈夹具5来调整通电线圈4的XYZ向的位置，以及调整通电线圈4的朝向，使得通电线圈4的中心（亦即通电线圈4长度延伸方向的轴心线）对准织构刀具1的刀工接触区，通此时通电线圈4中心距离刀尖49mm，最后将棒料10固定于机床上。

随后，将通电线圈4的首尾两端和直流稳压电源的正负极相连，通过变换通电线圈4输入电流的方向调节通电线圈4所产生的磁场的方向，通过调节该电源的输出电流来调节线圈4所产生的磁场大小，本实施例中，通电线圈4所通电流为5A，此时通电线圈4表面中部位置所产生的磁场强度可达到1054Gs。

将切削液喷头6对准刀工接触区，然后开启机床对棒料10进行切削加工，磁性纳米流体将从切削液喷头6中喷出；通电线圈4通电时产生的外部磁场将引导磁性纳米流体至刀工接触区和刀具微织构处。

通过上述步骤可实现不同的大小和方向的磁场下对磁性纳米流体中的磁性纳米颗粒的引导，如图4、图5所示，磁场下每个磁性纳米颗粒（可看作是一个磁偶极子）的受力情况比较复杂，但影响磁性纳米颗粒的微观结构的主要因素为磁力

、排斥力

和粘性阻力

，但由于磁性纳米流体中的磁性纳米颗粒的体积分数较小，且该流体的粘度较小，故排斥力

和粘性阻力

亦可忽略，因此磁性纳米流体中的磁性纳米粒子主要还是受磁力

影响，此时磁力

的方向和微织构方向并不完全平行，而是呈一定角度，磁性纳米流体中的磁性纳米颗粒沿着磁场方向流动至刀工接触区，从而能够在切削过程中渗入刀片的微织构区域，抑制衍生切削现象，同时可形成一层持久稳定的润滑膜，该润滑膜不仅能够防止切屑划伤刀具表面，增加刀具寿命，还能够减少切削力，减小切削温度，从而改善加工工件的表面质量。

实施例2

本实施例中刀具采用硬质合金刀片YT15，车刀前刀面加工了微织构。具体按照如下步骤准备刀具：将刀片的表面进行打磨、抛光处理，并在酒精中用超声波清洗10min，清洁刀片表面；制备刀具表面微织构。在刀片前刀面刀尖处使用飞秒激光打标机，采用回字形的填充方式加工微织构，根据加工参数：激光功率30W，扫描速度30mm/s，频率30kHz，脉冲宽度5μs，扫描次数6次，电流1A，加工出和主切削刃相平行的微织构，参见图7所示，微织构的织构槽11宽度s2、深度均为0.05mm，微织构中织构槽11之间的间距s1为0.1mm，微织构距离主切削刃L1为0.05mm，距离副切削刃L2为0.1mm，微织构面积占整个刀片的0.94%。

本实施例中，待加工工件10为45钢材质的棒料。

本实施例中，将磁性纳米流体作为切削液，并通过机床上的切削液喷头6喷出而参与切削加工。此处作为切削液的磁性纳米流体按照如下方式配置：磁性纳米流体中各组分的配比如下：磁性纳米颗粒粒径20nm，磁性纳米颗粒的体积分数0.5vol.%，磁性纳米颗粒的质量分数为2.57wt.%,表面活性剂油酸的质量分数为1wt.%，去离子水质量分数为90.03wt.%，水基切削液质量分数为6.43wt.%，将上述各组分用机械搅拌机搅拌15min后再超声分散20min即可得到均匀分散的磁性纳米流体。

本实施例中使用的通电线圈4的参数如下：外径为42mm，内径为12mm，长60mm，匝数为2000，线径为1mm，并在内径处放置一个直径为12mm，长20mm的铁芯以增强通电线圈4所产生的磁场强度；将通电线圈4固定到相应可调节通电线圈4方向的线圈夹具5上，从而能够调节通电线圈4所产生磁场的方向。参见图8所示，本实施例中，线圈夹具5中，第三调整座54能够绕Y轴旋转地连接在固定座51上，通电线圈4固定安装在第三调整座54上。具体地，固定座51上开设有安装槽5e，第三调整座54的端部上固定廉价而有旋转螺杆5f，该旋转螺杆5f沿Y向延伸且能够绕Y轴旋转地穿设在安装槽5e中。这样，通过对线圈夹具5进行调整，可以实现通电线圈4角度的调整。

参见图6所示，切削加工前，先将织构刀具1固定在车刀刀杆2上，车刀刀杆2固定于转塔刀架3上，线圈夹具4通过夹紧楔块固定于转塔刀架3上，再将通电线圈4固定至线圈夹具5上，并通过调整线圈夹具5来调整通电线圈4的位置，以及调整通电线圈4的朝向，使得通电线圈4的中心对准织构刀具1的刀工接触区，此时线圈中心距离刀尖45mm，最后将棒料10固定于机床上。

随后，将通电线圈4的首尾两端和直流稳压电源的正负极相连，通过变换通电线圈4输入电流的方向调节通电线圈4所产生的磁场的方向，通过调节该电源的输出电流来调节线圈所产生的磁场大小，本实施例中通电线圈4所通电流为1A，此时通电线圈4表面中部位置所产生的磁场强度可达到502Gs。

将切削液喷头6对准刀工接触区，然后开启机床对棒料10进行切削加工，磁性纳米流体将从切削液喷头6中喷出；通电线圈4通电时产生的外部磁场将引导磁性纳米流体至刀工接触区和刀具微织构处。

通过上述步骤可实现不同的大小和方向的磁场下对磁性纳米流体中的磁性纳米颗粒的引导，如图9、图10所示，磁场下每个磁性纳米颗粒（可看作是一个磁偶极子）的受力情况比较复杂，但影响磁性纳米颗粒的微观结构的主要因素为磁力

、排斥力

和粘性阻力

，但由于磁性纳米流体中的磁性纳米颗粒的体积分数较小，且该流体的粘度较小，因此排斥力

和粘性阻力

亦可忽略，因此磁性纳米流体中的磁性纳米粒子主要还是受磁力

影响，此时磁力

方向朝下，磁性纳米流体中的磁性纳米颗粒沿着磁场方向流动至刀工接触区，从而能够在切削过程中渗入刀片的微织构区域，抑制衍生切削现象，同时可形成一层持久稳定的润滑膜，该润滑膜不仅能够防止切屑划伤刀具表面，增加刀具寿命，还能够减少切削力，减少切削温度，从而改善加工工件的表面质量。

参见图12所示为有外界磁场下采用传统刀具与磁性纳米流体协同切削时刀具磨损照片。可见，在刀具前刀面刀屑接触区观察到了大量的铁屑粘着物，这表明刀具前刀面出现粘着磨损。放大后发现粘着物在前刀面上的磨损十分复杂（如D1区域所示）。同时还发现切削刃出现了轻微的崩刃（如C1区域所示）。对刀具前刀面的磨损痕迹进行EDS分析，发现该区域含有大量只存在于工件中的铁元素，其占56.6%，进一步证实了切削过程中的粘着磨损现象。

参见图13为无外界磁场下采用织构刀具与磁性纳米流体协同切削时刀具磨损照片。在刀具上出现了铁屑粘着物（如C2区域）以及多条衍生切屑（如D2区域）。由于微织构的存在，粘着的工件材料在微织构刀具上分布得比较紧密，这是由于在微织构刀片的刀屑接触区形成了起润滑作用、保护刀具不磨损的粘附层。此外，微织构可以促进刀屑接触区热量的传递，因此，与传统刀具不同的是，在微织构刀具的前刀面上没有观察到较明显的高温烧蚀区域。

参见附图11所示为有外界磁场下采用织构刀具与磁性纳米流体协同切削时刀具磨损照片，可见，微织构刀具的前刀面磨损较轻，虽然磨损区域放大后也存在部分工件材料的粘结，但大部分分布在微变形区，而EDS测量的微织构刀具的前刀面A区域的结果为Fe仅为38.8%，发生了明显的降低。这是由于在磁场作用下，大量磁性纳米粒子可以有效地被引导至刀屑接触区，形成一层润滑层。同时，由于磁性纳米颗粒的导热性优于常规冷却剂提高了切削过程的传热速率，降低了切削面积的切削温度，从而减少了刀具表面的磨损。此外，由于磁性纳米颗粒的滚珠和抛光效应，还可在切削过程中去除部分在微织构上的粘着物。

综上所述，本发明针对当前微织构刀具在切削过程中的衍生现象，提出了一种磁场下磁性纳米流体和微织构刀具协同切削提高加工精度的方法。该方法中，通过采用通电线圈，并通过调节通电线圈的朝向，使通电线圈的中心始终对准微织构刀具的刀工接触区，通过通电线圈通电时所产生的磁场力引导磁性纳米流体中的磁性纳米粒子至刀工接触区和刀具的微织构位置，即时排出微织构的织构槽中的残屑，从而抑制微织构刀具在切削过程在的衍生切削现象。

另外，在外界磁场的作用下，磁性纳米流体中的磁性纳米颗粒呈链状排列在刀具的微织构中，磁性纳米颗粒良好的延展性使得磁性纳米流体能够在刀具的微织构表面形成一层持久稳定的润滑膜，防止切屑划伤刀具表面；同时，由于磁性纳米颗粒本身具有滚珠效应、润滑膜效应、修复效果和抛光效果，因此该由磁性纳米粒子所组成的润滑膜还能够减少刀工接触区之间的摩擦、减小切削力以及改善加工工件的表面质量。该方法对提高难加工材料的加工效率更具有突出的意义。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其特征在于：采用设置有微织构的织构刀具切削加工，其中，所述织构刀具的刀工接触区设置有所述的微织构；

采用磁性纳米流体作为切削液；

采用通电线圈，对所述通电线圈通电使其产生磁场力而引导所述磁性纳米流体朝向所述微织构处流动，其中，所述通电线圈的中心始终对准所述刀工接触区，所述通电线圈的磁场大小和方向可调整地设置，所述通电线圈产生的磁场力方向与所述微织构的长度延伸方向之间不完全平行且呈一定角度。

2.根据权利要求1所述的磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其特征在于：所述通电线圈的中心距离所述织构刀具的刀尖40～50mm。

3.根据权利要求1所述的磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其特征在于：所述通电线圈中还穿设有铁芯，所述铁芯与所述通电线圈同轴心线地设置。

4.根据权利要求2或3所述的磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其特征在于：所述通电线圈通电时其表面中部位置的磁场强度大于210Gs。

5.根据权利要求1所述的磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其特征在于：所述微织构设置在所述织构刀具的前刀面上，且所述微织构距离所述织构刀具的刀尖0.05 mm～0.5mm。

6.根据权利要求1所述的磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其特征在于：所述微织构的长度延伸方向与所述织构刀具的主切削刃相互垂直或者相互平行。

7.根据权利要求1所述的磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其特征在于：所述刀具安装在刀架上，所述通电线圈安装位置和/或方向可调整地安装在所述刀架上。

8.根据权利要求1所述的磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其特征在于：所述磁性纳米流体以质量百分数计，包括1.28%～3.77%的磁性纳米颗粒、1～2%的表面活性剂油酸、88～91%的去离子水，以及6～6.5%的水基切削液。

9.根据权利要求1或8所述的磁性纳米流体与织构刀具协同切削提高加工精度的方法，其特征在于：所述磁性纳米流体的磁性纳米颗粒粒径为10～50nm，磁性纳米颗粒的体积分数0.25～0.75%。

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