CN113021071B - 一种提高铁磁性刀具性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高铁磁性刀具性能的方法，涉及机械加工技术领域，具体为：根据刀具材料的磁性强弱制备含微纳铁磁性颗粒的水基磁性切削液或油基磁性切削液；采用脉冲充磁法对刀具进行充磁，使充磁后刀具的磁力不小于同位置处切削液中微纳铁磁性颗粒受到的最大离心力；将刀具安装于机床主轴上，将切削液置入机床储液箱中，使用至少两个切削液的喷嘴间隔对准刀具与工件的接触面，且喷嘴内径不小于刀具切削宽度的四分之三；启动机床进行机械加工。解决了现有技术中强化金属切削刀具的方法工艺复杂、强化性能不够理想的问题。

Description

一种提高铁磁性刀具性能的方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种提高铁磁性刀具性能的方法。
背景技术
硬质合金、工具钢等铁磁性材料被广泛用来制作金属切削刀具，随着制造业的发展，各领域对金属切削刀具的材料的性能要求不断提高，由于金属切削工况恶劣且复杂，在切削时刀具与金属接触处温度较高，会不可避免地造成刀具磨损严重甚至失效。
目前对金属切削刀具的强化方式主要有热处理、表面涂层、加工细微结构等，从而提升刀具的性能，延长刀具的使用寿命。但是，热处理过程易使刀尖等细薄部位变形，影响后续切削加工；表面涂层技术一方面工艺相对复杂，造价昂贵，另一方面涂层与刀具在不同类型刀具或不同材质的刀具的应用中结合性能不同，容易影响切削加工性能，对刀具提升的性能不够稳定；而刀具表面微结构通常采用激光、压印等方式制得，容易对刀具的基体产生一定的破坏。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种提高铁磁性刀具性能的方法，解决了现有技术中强化金属切削刀具的方法工艺复杂、强化性能不够理想的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种提高铁磁性刀具性能的方法，具体为：
S1，根据刀具材料的磁性强弱制备含微纳铁磁性颗粒的水基磁性切削液或油基磁性切削液；
S2，采用脉冲充磁法对刀具进行充磁，使充磁后刀具的磁力不小于同位置处切削液中微纳铁磁性颗粒受到的最大离心力；
S3，将刀具安装于机床主轴上，将切削液置入机床储液箱中，使用至少两个切削液的喷嘴间隔对准刀具与工件的接触面，且喷嘴内径不小于刀具切削宽度的四分之三；
S4，启动机床进行机械加工。
本发明的有益效果为：本方案中的方法是使用脉冲充磁法在加工前对刀具进行充磁，使刀刃处具有较强的磁力，然后制备与刀具材料对应的含有微纳铁磁性颗粒的切削液，在刀具进行机加工过程中，喷淋切削液，刀刃处的磁力吸引微纳铁磁性颗粒进入刀刃与工件的接触面，形成三体摩擦状态，从而增加刀具的耐磨性，减少刀具与工件的摩擦生热。
同时，磁力对微纳铁磁性颗粒的吸引也会让附着在铁磁性颗粒上的切削液液体部分更容易到达刀刃部位，切削液也能更好的粘着、吸附在刀具、工件以及切屑的接触界面上，减弱切屑在刀具上的粘着，有利于切屑的流出，从而更好的发挥磁性切削液的作用，减小切削中的摩擦磨损。
吸引切削液中铁磁性颗粒的磁力由刀刃产生，脉冲磁场处理在刀具切削前进行前处理，不需在实际切削中增加额外的工艺，是一种绿色、高效、快捷的且不改变刀具宏观状态的处理工艺。同时，在脉冲磁场处理过程中，刀具会发生磁致收缩效应，改变位错状态，从而提升刀具的力学性能，进一步提高刀具的耐磨性。
附图说明
图1为脉冲磁场处理刀具的装置示意图。
其中，1、脉冲磁场处理装置；2、刀具固定杆；3、线圈；4、铁磁性刀具。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
该提高铁磁性刀具性能的方法具体为：
S1，根据刀具材料的磁性强弱制备含微纳铁磁性颗粒的水基磁性切削液或油基磁性切削液，微纳铁磁性颗粒是指粒径为微米级和纳米级的铁磁性固体颗粒，在冷却液中加入粒径为微纳级的铁磁性颗粒，使铁磁性颗粒与切屑的粒径相差较大，让刀具上的磁力仅能够吸引切削液而不能吸引大颗粒的切屑，可以让切屑更顺利地随着切削液流走。
S2，采用脉冲充磁法对刀具进行充磁，使充磁后刀具的磁力不小于同位置处切削液中微纳铁磁性颗粒受到的最大离心力。
S3，将刀具安装于机床主轴上，将切削液置入机床储液箱中，使用至少两个切削液的喷嘴间隔对准刀具与工件的接触面，且喷嘴内径不小于刀具切削宽度的四分之三，使切削液覆盖刀具的刀刃和工件而起到良好的冷却作用。
S4，启动机床进行机械加工。
进一步地，上述步骤S1中，需要合理选择刀具的材料，用于加工铸铁、有色金属、非金属材料或脆性材料的刀具可以选择钨钴(YG)类硬质合金材料，用于加工钢料或塑性材料可选用钨钴钛(YT)类硬质合金或高速钢类材料。根据刀具的材料进行脉冲充磁。
若刀具材料的磁性大于2000高斯，属于磁性较强的材料，或者刀具材料中钴(Co)含量较高，如材料YG8、YG12等，则切削液包括以下质量份的组分：0.5-1份的含微纳铁磁性颗粒，1-2.5份的表面活性剂，1-2.5份的分散剂，94-97.5份的基液；
若刀具材料的磁性不大于2000高斯，说明刀具材料的磁性较弱，或刀具钴(Co)含量较低，如材料YG3、YG6等，则切削液为1-2份的含微纳铁磁性颗粒，2.5-5份的表面活性剂，2.5-5份的分散剂，88-94份的基液。
在制备磁性切削液的时候，是将微纳级别的铁磁性颗粒以一定分散手段分散到基液中的分散液，分散手段指在基液中加入铁磁性颗粒的同时，配以表面活性剂、分散剂进行改性，并辅以一定时长的超声振动分散方式。基液为纯水、油(植物油或矿物油)、或水油混合的乳化液。铁磁性颗粒优选为铁镍以及铁钴镍的化合物，如铁粉、镍粉、四氧化三铁、三氧化二铁、氧化镍等；表面活性剂优选为十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸类的阴离子表面活性剂、脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦(司盘)、聚山梨酯(吐温)类的非离子表面活性剂；分散剂优选为液体石蜡、微晶石蜡等石蜡类分散剂，硬脂酸钡、硬脂酸钙等的金属皂类分散剂，聚乙烯、聚乙二醇等高分子和高分子蜡类分散剂。超声分散时长优选为30-180分钟。
基液针对实际切削场合进行选择，若负载较低，切削温度较高，更需要切削液发挥冷却效果的场合则选择水或乳化液作为基液；若负载较大，摩擦剧烈，更需要切削液发挥润滑效果的场合则选择植物油或矿物油作为基液。
进一步地，上述对于磁性较强或钴含量较高的材料，则脉冲充磁法的磁场处理强度为0.5-1.5T，脉冲充磁次数为5-25次；而对于磁性较弱或钴含量较低的材料，则脉冲充磁法的磁场处理强度为1.5-2.5T，脉冲充磁次数为25-50次。
进一步地，对刀具进行脉冲充磁后，将刀具置于坐标系中，在刀刃周围选取测量点，测量点的选取通常是沿刀刃的最大直径的圆周上间隔选择，因为切削液受到转动刀具的离心力与距离刀具轴线的半径成正比，而磁力又是越远离刀刃磁力越小，当最远处的磁力都大于最大离心力时，则磁力的吸引足够克服铁磁性颗粒受到的离心力，从而防止因为离心力导致铁磁性颗粒被甩出，无法进入到刀刃与工件的接触面上。
在每个测量点处使用高斯计测量磁力大小并将磁力大小与刀具使用过程中在该测量点处的离心力进行对比，若磁力小于离心力则增加磁场处理强度和脉冲充磁次数进行脉冲充磁直至磁力大于离心力。
进一步地，通过增加磁场处理强度和脉冲充磁次数进行脉冲充磁后，刀具的磁力始终小于离心力，则按照1-3MPa/次增加喷向刀具与工件接触面的切削液的压力。因为刀具能够充磁能量的大小与刀具材料的最大磁能积以及刀具的尺寸相关，若增加磁场处理强度和脉冲充磁次数后无法改变刀具的磁力，则说明充磁已满，无法进一步充磁，则通过增加切削液的压力，在压力作用下让切削液到达工件与刀刃的接触面上，来提高冷却的耐磨性能。
进一步地，采用脉冲充磁法对刀具进行充磁过程中，将刀具置于脉冲磁场中心且使刀刃的垂线沿磁感应方向，从而使得处理后的刀刃为磁性较强的一端。
进一步地，上述脉冲充磁法中的脉冲磁场是通过交流电输出高频交流电压向高压电容充电，高压电容再向励磁线圈释放磁化电流的方式产生。
进一步地，切削液的喷嘴沿圆周均匀分布。一个喷嘴把切削液送到切削区域，而其他的喷嘴则用于辅助冷却和冲走切屑，从而提高切削液的冷却和润滑作用。
进一步地，上述机床储液箱上设置有充压机构、泄压机构和压力设置机构。充压机构优选水泵，打开水泵的开关可以增加切削液的压力；泄压机构优选连接在水泵上的泄压阀，打开泄压阀，可以降低水泵的压力，从而降低切削液的压力；压力设置机构为连接在水泵上的压力输入键盘，输入的压力值在电子显示屏上显示，水泵会自动将压力调节到输入的压力值。
下面以圆柱形硬质合金铣刀YG12为例，对本方案中的方法进一步说明。
如图1所示，脉冲磁场处理装置1、刀具固定杆2、线圈3、铁磁性刀具4(圆柱形硬质合金铣刀YG12)，在铁磁性刀具4进行切削加工前，将铁磁性刀具4固定于脉冲磁场处理装置1的中心，即刀具固定杆2上，铣刀的轴线与磁感应方向一致，如图1所示。处理参数设置为脉冲间隔10s，磁场强度1T，次数15次，然后启动脉冲磁场开关，线圈3即对铁磁性刀具4进行充磁。
通过该铁磁性刀具4在加工过程中的转速计算其刀刃端最大外径上的离心力，然后根据铁磁性刀具4的刀刃尺寸和形状来计算确定充磁方向和充磁大小，脉冲磁场处理装置1的磁场的大小应该是铁磁性刀具4磁体矫顽力的3-5倍，一般取2.5倍，然后计算出磁化电流，根据电流和脉冲磁场处理装置1的电压最后确定脉冲磁场处理装置1的储能电容容量，最后确定脉冲磁场处理装置1的能量。按照确定的参数打开脉冲磁场处理装置1对铁磁性刀具4进行充磁。
针对铣削工况，本实施例中以铣削316L不锈钢为例，将质量份97.5份的水作为基液，然后与0.5份的四氧化三铁纳米颗粒，1份的十二烷基苯磺酸钠表面活性剂，1份的聚乙二醇6000分散剂混合。然后将该混合液体经超声波分散60分钟制得水基磁性切削液。
然后铁磁性刀具4经脉冲磁场处理装置1处理完成后，在铁磁性刀具4刀刃端的最大直径上选取3-5个测量点使用高斯计测量磁力的大小，并判断磁力是否大于同一点处的离心力，若大于，则将铁磁性刀具4安装到铣床主轴上，调整切削液喷嘴的位置，使切削液能够进入铁磁性刀具4与工件的接触区域。

Claims (6)

1.一种提高铁磁性刀具性能的方法，其特征在于，具体为：
S1，根据刀具材料的磁性强弱制备含微纳铁磁性颗粒的水基磁性切削液或油基磁性切削液；若刀具材料的磁性大于2000高斯，则切削液包括以下质量份的组分：0.5-1份的含微纳铁磁性颗粒，1-2.5份的表面活性剂，1-2.5份的分散剂，94-97.5份的基液；若刀具材料的磁性不大于2000高斯，则切削液为1-2份的含微纳铁磁性颗粒，2.5-5份的表面活性剂，2.5-5份的分散剂，88-94份的基液；
S2，采用脉冲充磁法对刀具进行充磁，将刀具置于脉冲磁场中心且刀刃的垂线沿磁感应方向使处理后的刀刃为磁性较强的一端，使充磁后刀具的磁力不小于同位置处切削液中微纳铁磁性颗粒受到的最大离心力；若刀具材料的磁性大于2000高斯，则脉冲充磁法的磁场处理强度为0.5-1.5T，脉冲充磁次数为5-25次；若刀具材料的磁性不大于2000高斯，则脉冲充磁法的磁场处理强度为1.5-2.5T，脉冲充磁次数为25-50次；
S3，将刀具安装于机床主轴上，将切削液置入机床储液箱中，使用至少两个切削液的喷嘴间隔对准刀具与工件的接触面，且喷嘴内径不小于刀具切削宽度的四分之三；
S4，启动机床进行机械加工。
2.根据权利要求1所述的提高铁磁性刀具性能的方法，其特征在于，对刀具进行脉冲充磁后，将刀具置于坐标系中，在刀刃周围选取测量点，并在每个测量点处使用高斯计测量磁力大小并将磁力大小与刀具使用过程中在该测量点处的离心力进行对比，若磁力小于离心力则增加磁场处理强度和脉冲充磁次数进行脉冲充磁直至磁力大于离心力。
3.根据权利要求2所述的提高铁磁性刀具性能的方法，其特征在于，通过增加磁场处理强度和脉冲充磁次数进行脉冲充磁后，刀具的磁力始终小于离心力，则按照1-3MPa/次增加喷向刀具与工件接触面的切削液的压力。
4.根据权利要求1所述的提高铁磁性刀具性能的方法，其特征在于，所述脉冲充磁法中的脉冲磁场是通过交流电输出高频交流电压向高压电容充电，高压电容再向励磁线圈释放磁化电流的方式产生。
5.根据权利要求1所述的提高铁磁性刀具性能的方法，其特征在于，切削液的喷嘴沿圆周均匀分布。
6.根据权利要求1所述的提高铁磁性刀具性能的方法，其特征在于，所述机床储液箱上设置有充压机构、泄压机构和压力设置机构。
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