CN112410534A - 一种刀具数控脉冲磁场强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刀具数控脉冲磁场强化装置及方法，该装置由磁场发生装置、产生磁场电流的电源、铁芯间隙自动调节系统、刀具自动推送系统、磁场强度自动监测系统、脉冲磁场处理参数自动推荐系统、单片机控制系统、操作面板和机柜组成，可精确控制磁场发生装置的磁场强度及其升降速率、磁场频率、强化处理时间等处理参数；能够实时监测和显示目前的磁场强度；避免了手动放置待处理刀具于磁场作用区域；并且能够对所处理的特定刀具自动推荐磁强化参数。该装置极大提高了脉冲磁场强化刀具的处理效率和便捷性，并且通过智能参数匹配的方式优化和保障了刀具强化工艺的强化效果，适合用于工业加工中刀具的批量强化处理。

Description

一种刀具数控脉冲磁场强化装置及方法

技术领域

本发明属于金属刀具加工技术领域，具体涉及一种刀具数控脉冲磁场强化装置及方法。

背景技术

目前，在广泛应用的车、铣、钻等机械加工领域中，切削刀具是不可或缺的关键部分。现在大量使用的切削刀具材料多为高速钢和硬质合金，在加工中容易产生残余应力，并且其硬度耐磨性较差，导致刀具容易磨损或破损，较低的刀具使用寿命极大提高了加工成本。近几十年来刀具脉冲磁场强化技术得到国内外学者的深入研究，经过脉冲磁场强化的铁磁性或顺磁性材料刀具不仅残余应力可以得到一定的释放，其强度、硬度和耐磨性均有改善。将切削刀具置于一定频率和强度的脉冲磁场区一段时间，由于趋肤效应，磁场对刀尖和切削刃的强化作用更明显，从而实现切削刀具的强化处理。该技术用于工业加工中可提高刀具的使用寿命，降低加工成本和生产效率。

现有的磁场强化装置多为手动式，需要操作者伸入磁场作用区手动放置需处理的工件；电源和磁场发生装置分离设置，需要通过手动调节铁芯间隙和电源电流两个参数，利用试凑法达到调节理想磁场强度的目的；磁场强度的检测需要外加高斯计手动测量，高斯计的高度调节极其耗时。整个强化处理过程繁琐低效并缺乏安全性，不能满足工业加工中批量处理的要求，且设备的使用较依赖前人经验。另外，脉冲磁场强化处理参数设定没有统一的依据，强化工艺研究多停留在实验阶段。

发明内容

本发明的目的在于针对现有刀具磁场强化装置不能满足高效、便捷、批量处理切削刀具的使用需求，提出一种改进的刀具数控脉冲磁场强化装置及方法，实现高速钢和硬质合金材料切削刀具高效率、高可控性、便捷化、批量化的智能强化处理。

实现本发明的技术方案如下：

一种刀具数控脉冲磁场强化装置，该装置包括磁场发生装置、产生磁场电流的电源、铁芯间隙自动调节系统、刀具自动推送系统、磁场强度自动监测系统、脉冲磁场处理参数自动推荐系统、单片机控制系统、操作面板和机柜。待处理刀具由刀具自动推送系统送入脉冲磁场区，设置或根据刀具信息自动匹配相应的磁场强度及其升降速率、磁场频率和处理时间等工艺参数，产生磁场电流的电源在单片机控制系统的控制下，产生的特定电流可通过磁场发生装置转换成预设参数下的脉冲磁场，对切削刀具持续处理特定时间，处理结束后再由刀具自动推送系统将处理后的刀具送到装置出口。针对不同类型、材料和尺寸的刀具，可以设置或根据刀具信息自动匹配适合的磁场强度、磁场频率和处理时间等工艺参数。

进一步地，所述磁场发生装置由动铁芯、定铁芯和线圈组成，由动铁芯的移动来调节磁场区域的铁芯间隙值，铁芯间隙内产生参数可调的脉冲磁场。

进一步地，所述产生磁场电流的电源在单片机控制下产生的电压大小、电流的波形、频率、大小和升降速率可调节，可产生的波形有正弦波、单向方波和交变方波等，输出电压0～200V可调，稳压精度≤±0.1％，电流频率5～200Hz连续可调，输出有效电流在0～20A区间可调，因此磁场发生装置产生磁场的形式、频率、强度以及强度的升降速率均可设定。

进一步地，所述铁芯间隙自动调节系统安装在磁场发生装置上，由带驱动器的步进电机、运动控制卡及相应电路组成，由单片机控制系统控制运动控制卡进而实现步进电机的运动控制，实现磁场发生装置中铁芯间隙值的自动化精确调节，间隙值调节精度达到0.5mm。

进一步地，根据公式

式中H为脉冲磁场区的磁场强度，N为线圈匝数，I为电源电流，Le为有效磁路长度，所述的、单片机控制系统同时控制产生磁场电流的电源电流值与铁芯间隙值，从而得到预设磁场强度，其中，预设磁场强度所对应的电源电流和铁芯间隙值运用提前标定的方法确定。

进一步地，所述刀具自动推送系统由刀具推送处理台、丝杠、圆柱导轨、异步电机、接触器、限位开关、电源以及相应控制电路组成，通过控制电路控制异步电机、限位开关和接触器等器件，使刀具推送处理台在两极限位置暂停，实现刀具自动伸入脉冲磁场区进行处理和处理后的自动伸出脉冲磁场区。其中，刀具推送处理台的材料选用不隔磁且导磁率与空气相同或相近的材料加工，如铜、铝，以消除其对磁场的影响。

进一步地，所述磁场强度自动监测系统由全数字高斯计、信号处理及显示装置以及相应电路组成。其中，所述全数字高斯计采用高精度数字化仪表与高精度数字化Hall探头相结合的设计，基本分辨率0.0001mT，测量范围从直流到30kHz的交流磁场。所述全数字高斯计的细长金属片通过固定装置以一定高度固定在磁场发生装置上，从而使金属片末端的传感器固定悬于脉冲磁场区，并在上述处理台上设置空隙以免与传感器碰撞以致损坏传感器。传感器信号通过配套的信号处理装置进行处理，实现磁场强度的实时监测以及在显示屏上实时显示，并通过信号反馈实现预设磁场强度的精确调节，调节精度可达0.2mT。

进一步地，所述脉冲磁场处理参数自动推荐系统进行工艺参数的自动推荐，该系统主要包含刀具信息输入模块、脉冲磁场强化工艺特征数据库和强化工艺参数自动推荐模块。用户通过刀具信息输入模块输入需要处理刀具的材料特征和形状尺寸特征，以供系统进行强化工艺参数匹配；基于大量切削实验，脉冲磁场强化工艺特征数据库存放不同材料、形状尺寸参数的刀具信息以及经不同参数脉冲磁场强化处理后对应的强化效果信息；强化工艺参数自动推荐模块将刀具输入信息与脉冲磁场强化工艺特征数据库中已录入的信息进行自动匹配，从而实现脉冲磁场处理参数的自动推荐；将使用匹配成功的脉冲磁场处理参数强化处理的刀具信息及其处理效果存入数据库不断更新，以提高系统自动推荐参数的可靠性。

进一步地，所述操作面板优选为显示屏，所述显示屏可设置磁化时间、磁化频率、磁场强度及其升降速率，并实时显示磁场强度值，用户也可输入刀具材料和形状尺寸参数，根据上述脉冲磁场处理参数自动推荐系统所推荐的处理参数进行强化处理。指示灯显示磁化状态，并设有装置启动按钮和急停按钮。

本发明同时提供了刀具数控脉冲磁场强化方法，其采用上述刀具数控脉冲磁场强化装置对刀具进行强化处理，尤其可以对批量刀具进行强化处理。本发明所提供的刀具数控脉冲磁场强化装置及方法具有如下有益效果：

(1)本发明所述刀具数控脉冲磁场强化装置在进行刀具强化处理前，通过反馈精确控制并通过显示屏直接设置磁场强度以及其他各强化处理参数，不需要手动分别调节磁场发生装置的铁芯间隙和电源电流以达到预设磁场强度，极大提高了磁化处理参数设置的精确性和便捷性，处理效率是改进前的7～8倍。

(2)本发明所述刀具数控脉冲磁场强化装置将高斯计固定在磁场发生装置上，避免调节高斯计位置的过程；在刀具强化处理时，可实时监测并显示磁场强度。磁场强度监测系统和强化处理装置的集成提高了可及时获得处理过程中的磁场和磁化状态，便于研究分析应用。

(3)本发明所述刀具数控脉冲磁场强化装置在进行刀具强化处理前，只需将到强化刀具放置在伸出机柜外的刀具推送处理台上，避免了操作者将手伸入磁场作用区域，改善了此项工作的操作安全性。

(4)本发明所述脉冲磁场处理参数自动推荐系统根据脉冲磁场强化工艺特征数据库自动推荐脉冲磁场强化处理参数，较之前更能保障刀具强化处理效果，同时提高了处理效果的一致性。

附图说明：

图1为刀具数控脉冲磁场强化装置机柜图。

图2为刀具数控脉冲磁场强化装置磁场发生装置结构图。

附图标记：1为刀具推送处理台出口，2为磁场发生装置柜，3为报警灯，4为显示屏，5为电源和单片机控制系统机柜，6为磁处理状态指示灯，7为急停按钮，8为装置总开关，9为电机控制柜，10为电磁铁磁场发生装置，11为刀具推送处理台，12为导轨，13为全数字高斯计。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

一种刀具数控脉冲磁场强化装置，该装置包括磁场发生装置柜2、电源和单机片控制系统机柜5、电机控制柜9、磁场发生装置10、刀具推送处理台11、全数字高斯计13、电源、铁芯间隙自动调节系统、脉冲磁场处理参数自动推荐系统等，其中，磁场发生装置10、刀具推送处理台11、导轨12和全数字高斯计13均位于磁场发生装置柜2中，磁场发生装置柜2上还设置有刀具推送处理台出口1，刀具推送处理台11可沿导轨12进出所述磁场发生装置柜2，在电源和单机片控制系统机柜5上设置有报警灯3、显示屏4、磁处理状态指示灯6、急停按钮7、装置总开关8；对刀具进行强化处理时，首先开启刀具数控脉冲磁场强化装置总开关8，操作面板显示屏4开启，按下刀具推送处理台键，待刀具推送处理台11完全伸出装置外部，将待处理的若干刀具放置在刀具推送处理台11上的刀具槽中，再按下处理台键使刀具推送处理台11进入磁场区域，设置磁处理时间、磁场频率、磁场强度和磁场强度升降速率等处理工艺参数，或输入刀具的形状特征和材料特征，由脉冲磁场处理参数自动推荐系统根据脉冲磁场强化工艺特征数据库自动推荐脉冲磁场强化处理参数，开启启动磁处理键，磁处理状态指示灯6亮，显示磁处理开始进行，显示屏4实时显示磁场强度。待处理完毕后，磁处理状态指示灯6灭，显示屏4显示磁场强度为地磁场强度，按下刀具推送处理台键，取出处理后的刀具，再次按下刀具推送处理台键，待刀具推送处理台11回到初始位置，关闭刀具数控脉冲磁场强化装置总开关8，完成同批次刀具的强化处理。

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。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种刀具数控脉冲磁场强化装置，该装置包括磁场发生装置、产生磁场电流的电源、铁芯间隙自动调节系统、刀具自动推送系统、磁场强度自动监测系统、磁场处理参数自动推荐系统、单片机控制系统、操作面板和机柜，其特征在于，

所述磁场发生装置由动铁芯、定铁芯和线圈组成，由所述动铁芯的移动来调节磁场区域的铁芯间隙值，所述铁芯间隙内产生参数可调的脉冲磁场；

所述产生磁场电流的电源在所述单片机控制系统的控制下，产生电流的波形、频率、大小和升降速率均可调节的磁场，所述磁场发生装置产生磁场的形式、频率、强度以及强度的变化速率均可按需设定。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铁芯间隙自动调节系统安装在所述磁场发生装置上，由带驱动器的步进电机、运动控制卡及相应电路组成，由所述单片机控制系统控制所述步进电机运动实现所述磁场发生装置中所述铁芯间隙值的自动化精确调节。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述单片机控制系统同时控制产生磁场电流的电源电流值与所述铁芯间隙值，从而得到预设磁场强度，其中，所述预设磁场强度所对应的电源电流值和所述铁芯间隙值运用提前标定的方法确定。

4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述刀具自动推送系统安装在所述磁场发生装置上，其由刀具推送处理台、丝杠、圆柱导轨、异步电机、接触器、限位开关、电源以及相应控制电路组成，利用所述控制电路控制异步电机和限位开关使所述刀具推送处理台在两极限位置暂停，实现刀具自动伸入脉冲磁场区进行强化处理和处理后自动离开脉冲磁场区。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述刀具推送处理台的材料选用不隔磁且导磁率与空气相同或相近的材料加工，以消除所述刀具推送处理台对磁场的影响。

6.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述磁场强度自动监测系统安装在所述磁场发生装置上，由全数字高斯计、信号处理及显示装置组成，将所述全数字高斯计固定于磁场发生装置上实时监测和显示磁场强度，并通过反馈控制实现预设磁场强度的精确调节。

7.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述脉冲磁场处理参数自动推荐系统进行强化处理工艺参数的自动推荐，该系统主要包含刀具信息输入模块、脉冲磁场强化工艺特征数据库和强化工艺参数自动推荐模块；通过刀具信息输入模块输入需要处理刀具的材料特征和形状尺寸特征，以供系统进行强化工艺参数匹配；基于大量切削实验，脉冲磁场强化工艺特征数据库存放不同材料、形状尺寸参数的刀具信息以及经不同参数脉冲磁场强化处理后对应的强化效果信息；强化工艺参数自动推荐模块将刀具输入信息与脉冲磁场强化工艺特征数据库中已录入的信息进行自动匹配，从而实现脉冲磁场处理参数的自动推荐；将使用匹配成功的脉冲磁场处理工艺参数强化处理的刀具信息及其处理效果存入数据库不断更新，以提高系统自动推荐工艺参数的可靠性。

8.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述操作面板优选为显示屏，所述显示屏可设置磁化时间、磁化频率、磁场强度及其升降速率，并实时显示磁场强度值，用户也可输入刀具材料和形状尺寸参数，根据所述脉冲磁场处理参数自动推荐系统所推荐的处理工艺参数进行强化处理。

9.一种刀具数控脉冲磁场强化方法，其特征在于，该方法通过权利要求1-8任一项所述的装置对刀具进行强化处理。

Images