CN113627026A - 电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法，S1、将待处理的硬质合金刀具置于电磁处理装置中进行电磁耦合处理；S2、将处理后的硬质合金刀具在同一切削参数下切削45号钢棒料，取切削后刀具的刀面磨损宽度达到0.3mm时刀具的切削行程为刀具寿命的表征；S3、根据二维云图对刀具寿命进行多元二项式回归分析，构建电磁参数影响刀具寿命的回归模型；S4、在同一电磁参数下测量处理后的硬质合金刀具的电导率，对电磁参数和电导率进行回归分析，构建电磁参数与电导率的回归模型；S5、分析每组电磁参数下硬质合金刀具电导率的实测值和回归模型预测值的偏差，并根据偏差制定经电磁耦合处理后的刀具产品的电导率合格标准。

Description

电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法

技术领域

本发明属于刀具质量评估的技术领域，具体涉及一种电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法。

背景技术

硬质合金在切削刀具材料中长期占据重要地位，被誉为“工业的牙齿”，广泛应用于航空航天领域。在加工以钛合金为代表的难加工材料时存在加工温度高、硬化现象严重的现象，导致刀具的切削性能差，且刀具磨损严重。随着面向航空航天等领域的重大装备制造产业的迅猛发展，要求刀具材料有更高的切削性能和更长的刀具寿命。

目前主流的硬质合金强化技术有热处理技术、深冷处理技术、强脉冲电磁朱表面辐照处理技术和涂层强化技术等，能较大幅度提高硬质合金力学性能和切削性能，但都面临着工艺复杂、生产效率低、能耗高等因素制约。这就需要一种操作便捷、效果明显、低成本和绿色高效的硬质合金材料强化方法。

电磁耦合处理技术是一种非温度调节铁磁性材料性能的技术手段，可以实现材料从表面到整体的强化。电磁耦合处理可改变材料内部的原子重排和各相的分布，实现位错增殖，从而显著改变刀具的导热性和切削温度等热学性能和力学性能。

目前主流的对刀具寿命的评价方法是通过建立刀具切削参数(包括几何角度)与刀具寿命的多元线性回归模型，根据切削参数预测刀具的使用寿命。但该种评价方法只适用于在特定切削参数进行切削的情况下，适用范围较窄。此外还有通过建立刀具热电特性与刀具寿命的多元线性回归模型进行预测的方法，但由于刀具热电特性测量操作复杂、耗时大和成本高昂，难以在实际生产中得到应用。

对于电磁耦合处理技术的探究仍处于初步阶段，材料微观改性的机理尚未明确。经电磁处理后的刀具的切削寿命存在波动和随机性，缺乏有效手段对电磁耦合处理后的刀具进行寿命评价，使得该项技术难以投入实际生产。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法，以解决目前电磁耦合处理的硬质合金刀具切削性能存在波动，缺乏有效手段对刀具的质量进行评估的的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法，其包括以下步骤：

S1、将待处理的硬质合金刀具置于电磁处理装置中进行电磁耦合处理；

S2、将处理后的硬质合金刀具在同一切削参数下切削45号钢棒料，取切削后刀具的刀面磨损宽度达到0.3mm时刀具的切削行程为刀具寿命的表征；

S3、绘制电磁参数对刀具寿命影响的二维云图，并根据二维云图对刀具寿命进行多元二项式回归分析，构建电磁参数影响刀具寿命的回归模型；

S4、在同一电磁参数下测量处理后的硬质合金刀具的电导率，对电磁参数和电导率进行回归分析，构建电磁参数与电导率的回归模型；

S5、分析每组电磁参数下硬质合金刀具电导率的实测值和回归模型预测值的偏差，并根据偏差制定经电磁耦合处理后的刀具产品的电导率合格标准。

进一步地，步骤S1中电磁耦合处理，包括：

脉冲电场，单个电脉冲作用时间为50ms，单组脉冲个数为20个，每施加完一个脉冲组后间隙1ms，共250个脉冲组；

脉冲磁场，单个电脉冲作用时间为10s，每施加完一个磁脉冲作用后间隔0.5s，充磁次数为20次；

选择脉冲磁场强度为0.5T、1.0T、1.5T、2.0T，选择脉冲电场强度为0.4V、1.2V、2.0V，设计12组参数处理12把硬质合金刀具。

进一步地，步骤S3中根据二维云图对刀具寿命进行多元二项式回归分析，构建电磁参数影响刀具寿命的回归模型，包括：

采用纯二次型和完全二次型对电磁参数和刀具寿命进行回归分析；

纯二次型：

完全二次型：

其中，y为刀具寿命，x₁为磁场强度，x₂为电场强度，β₀、β₁、β₂、β₃、β₄和β₅为系数；

基于最小二乘法进行回归模型构建，并根据多组数据求解得到回归模型，包括：

纯二次型：

完全二次型：

其中，y₁为刀具寿命，x₁为磁场强度，x₂为电场强度，β₀、β₁、β₂、β₃、β₄和β₅为系数；

采用纯二次型和完全二次型模型进行数据拟合，根据可决系数R²、F统计量、检验P值、方差无偏估计σ²和残差分析，选择回归模型为完全二次型。

进一步地，对完全二次型回归模型进行有约束线性规划：

设计变量：

目标函数F(X)：

约束条件：

其中，x₁为磁场强度，x₂为电场强度，g₁(X)—g₄(X)为限制电磁场强度参数的约束条件。

进一步地，步骤S4中在同一电磁参数下处理硬质合金刀具，并测量电导率，对电磁参数和电导率进行回归分析，构建电磁参数与电导率的回归模型为：

其中，y₂为硬质合金刀具电导率，x₁为磁场强度，x₂为电场强度。

本发明提供的电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法，具有以下有益效果：

本发明通过对不同电磁处理参数下处理的硬质合金刀具进行切削试验，收集其刀具寿命数据，建立电磁参数与刀具寿命的回归模型，并求解使刀具寿命提升最大的电磁处理参数；在相同电磁处理参数下处理硬质合金刀具测量其电导率，建立电磁参数与材料电导率的回归模型，分析实测值与预测值的偏差，得出在确定的电磁参数下合格刀具产品的电导率值的范围。本发明通过以上方法可无损地对电磁耦合处理后的刀具产品进行质量检测，对电磁耦合处理技术投入到实际生产起到指导性作用。

附图说明

图1为电磁参数对刀具寿命影响二维云图。

图2为电磁参数对材料电导率影响二维云图。

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。

根据本申请的一个实施例，本方案的电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法，包括：

步骤S1、将待处理的硬质合金刀具置于电磁处理装置中进行电磁耦合处理；

步骤S2、将处理后的硬质合金刀具在同一切削参数下切削45号钢棒料，取切削后刀具的刀面磨损宽度达到0.3mm时刀具的切削行程为刀具寿命的表征；

步骤S3、绘制电磁参数对刀具寿命影响的二维云图，并根据二维云图对刀具寿命进行多元二项式回归分析，构建电磁参数影响刀具寿命的回归模型；

步骤S4、在同一电磁参数下测量处理后的硬质合金刀具的电导率，对电磁参数和电导率进行回归分析，构建电磁参数与电导率的回归模型；

步骤S5、分析每组电磁参数下硬质合金刀具电导率的实测值和回归模型预测值的偏差，并根据偏差制定经电磁耦合处理后的刀具产品的电导率合格标准。

以下将对上述步骤进行详细说明，具体包括：

步骤S1、将待处理的硬质合金刀具置于电磁处理装置中进行电磁耦合处理，并设置脉冲电场和脉冲磁场参数，其具体包括：

交流电源向电容的充电频率为50Hz；

脉冲电场：单个电脉冲作用时间为50ms，单组脉冲个数为20个，每施加完一个脉冲组后间隙1ms，共250个脉冲组；

脉冲磁场：单个电脉冲作用时间为10s，每施加完一个磁脉冲作用后间隔0.5s，充磁次数为20次。

步骤S2、将处理后的硬质合金刀具在同一切削参数下切削45号钢棒料，取切削后刀具的刀面磨损宽度达到0.3mm时刀具的切削行程为刀具寿命的表征，其具体包括：

采用步骤S1的电磁参数进行电磁耦合处理，利用正交试验设计原则，选择脉冲磁场强度为0.5T、1.0T、1.5T、2.0T，选择脉冲电场强度为0.4V、1.2V、2.0V，设计12组参数处理12把刀具，将处理后的硬质合金刀具在同一切削参数下切削45号钢棒料，取其刀具后刀面磨损宽度达到0.3mm时刀具的切削行程为其刀具寿命的表征，车床切削参数如下表：

电磁处理参数编号及刀具寿命如下：

步骤S3、参考图1，绘制电磁参数对刀具寿命影响的二维云图，并根据二维云图对刀具寿命进行多元二项式回归分析，构建电磁参数影响刀具寿命的回归模型，其具体包括：

由图1电磁参数对刀具寿命影响二维云图可知，随电磁参数的增大，刀具寿命呈现出先增大后减小的趋势，且大致呈二次函数规律。对上表数据进行多元二项式回归分析，该回归分析方法主要针对两自变量对一因变量的影响程度分析，故采用纯二次型和完全二次型构建回归模型。

纯二次型的公式为：

完全二次型的公式为：

其中，各项系数的数值大小代表该项对因变量的影响程度。基于最小二乘法原理进行回归模型建立定义y₁为刀具寿命(mm)，x₁为磁场强度(T)，x₂为电场强度(V)，两种回归模型如下：

纯二次型：

完全二次型：

比对分析两种公式的模型对上表数据的拟合情况如下表所示：

通过上表可知，完全二次型的可决系数R2＝0.9466，高于纯二次型。在自变量数m＝2，样本量n＝11的情况下，查询显著性水平α＝0.05情况下的F统计量临界值为4.459，两模型均通过F检验。两模型的检验P值均小于显著性水平0.05，但完全二次型更小。且在残差分析时，纯二次型数据存在异常点残差过大的情况，而完全二次型的数据残差均在合理范围内。综上，选择回归模型为完全二次型。

从系数可以看出，耦合项系数92.2远小于磁场强度和电场强度的一次项、二次项系数，可以推测在电磁耦合处理提升刀具寿命的过程中，相较于电场和磁场的单独作用，电磁场的作用较小。

对回归模型进行有约束线性规划如下：

设计变量：

目标函数：

约束条件：

由此可知，在电场强度0～2V、磁场强度0～2T的范围内，当磁场强度为1.36T，电场强度为1.09V时，经电磁耦合处理的硬质合金刀具寿命提升情况最好，切削行程可达到5506.8mm。

步骤S4、在同一电磁参数下测量处理后的硬质合金刀具的电导率，对电磁参数和电导率进行回归分析，构建电磁参数与电导率的回归模型，其具体包括：

测量在不同电磁参数下处理后的刀具的电导率，结果见下表：

其中编号2组样本数据出现异常减小的情况，在进行回归分析时去除该组样本数据。

定义y₂为材料电导率(MS/m)x₁为磁场强度(T)，x₂为电场强度(V)，进行回归模型分析。分析图2，由于电磁参数与电导率的变化情况没有常用的非线性回归模型(如幂指数模型、对数模型等)的变化规律，也不像电磁参数与刀具寿命、材料硬度的回归模型那样有清晰的二次多项式特征，故在本次拟合中在完全二次型公式的基础上引入三次项的多项式(x₁ ³、x₂ ³两项)进行给予最小二乘法的多元回归拟合，且在拟合过程中剔除异常点数据#2组后模型显著性得以提升，最终选取最优模型如下：

回归模型如下：

具体案列如下：

以磁场强度为1.5T，电场强度为1.2V为例，将该参数代入电导率回归模型中：

得到的材料应具有的电导率为2.0327MS/m。

步骤S5、分析每组电磁参数下硬质合金刀具电导率的实测值和回归模型预测值的偏差，并根据偏差制定经电磁耦合处理后的刀具产品的电导率合格标准，其具体包括：

采用步骤S4所得模型可对特定电磁参数处理后的刀具材料的电导率进行预测，分析每组电磁参数下材料电导率的实测值和模型预测值及其偏差，结果见下表：

通过结果可看出，该回归模型预测的电导率值与实际测量值偏差较小，最大偏差为-0.865％。故可制定经电磁耦合处理后的刀具产品的电导率合格标准为：在特定电磁参数下，刀具产品的实测电导率应在预测电导率的±1％范围内，否则产品质量不合格。

综上各个步骤可知，本发明通过电磁耦合处理硬质合金刀具并对其进行切削试验，搜集电磁参数与刀具寿命数据并建立多元回归方程，通过求解多元回归方程最大值找出使刀具寿命提升效果最显著的电磁参数为磁场强度1.36T，电场强度为1.09V；并对同一牌号的硬质合金材料进行电磁耦合处理，搜集电导率的实验数据，建立电磁参数与材料电导率的回归模型，分析材料电导率与热导率的实测值和模型预测值的偏差范围，通过给定在特定电磁参数下刀具产品的电导率值的合格品区间，制定出电磁耦合处理的硬质合金刀具材料的质量评价方法。

刀具材料的切削磨损机理与材料性质息息相关，电导率的变化反映出材料微观组织结构的改善。本发明基于电导率和热导率的检测可以实现无损地、高效地对刀具产品的质量给出评价。

本发明通过建立电磁参数与刀具寿命的回归模型，探究了电磁参数对刀具寿命的增益规律，并得出电磁耦合处理对刀具寿命提升效果最大的工艺参数为磁场强度1.36T、电场强度1.09V，刀具寿命提升幅度为90.9％，该参数对电磁耦合处理的实际加工有指导作用，可实现经济效益最大化，降低刀具生产成本。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将待处理的硬质合金刀具置于电磁处理装置中进行电磁耦合处理；

S2、将处理后的硬质合金刀具在同一切削参数下切削45号钢棒料，取切削后刀具的刀面磨损宽度达到0.3mm时刀具的切削行程为刀具寿命的表征；

S3、绘制电磁参数对刀具寿命影响的二维云图，并根据二维云图对刀具寿命进行多元二项式回归分析，构建电磁参数影响刀具寿命的回归模型；

S4、在同一电磁参数下处理硬质合金刀具，并测量电导率，对电磁参数和电导率进行回归分析，构建电磁参数与电导率的回归模型；

S5、分析每组电磁参数下硬质合金刀具电导率的实测值和回归模型预测值的偏差，并根据偏差制定经电磁耦合处理后的刀具产品的电导率合格标准。

2.根据权利要求1所述的电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法，其特征在于，所述步骤S1中电磁耦合处理，包括：

脉冲电场，单个电脉冲作用时间为50ms，单组脉冲个数为20个，每施加完一个脉冲组后间隙1ms，共250个脉冲组；

脉冲磁场，单个电脉冲作用时间为10s，每施加完一个磁脉冲作用后间隔0.5s，充磁次数为20次；

选择脉冲磁场强度为0.5T、1.0T、1.5T、2.0T，选择脉冲电场强度为0.4V、1.2V、2.0V，设计12组参数处理12把硬质合金刀具。

3.根据权利要求1所述的电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法，其特征在于，所述步骤S3中根据二维云图对刀具寿命进行多元二项式回归分析，构建电磁参数影响刀具寿命的回归模型，包括：

采用纯二次型和完全二次型对电磁参数和刀具寿命进行回归分析；

纯二次型：

完全二次型：

其中，y为刀具寿命，x₁为磁场强度，x₂为电场强度，β₀、β₁、β₂、β₃、β₄和β₅为系数；

基于最小二乘法进行回归模型构建，并根据多组数据求解得到回归模型，包括：

纯二次型：

完全二次型：

其中，y₁为刀具寿命，x₁为磁场强度，x₂为电场强度，β₀、β₁、β₂、β₃、β₄和β₅为系数；

采用纯二次型和完全二次型模型进行数据拟合，根据可决系数R²、F统计量、检验P值、方差无偏估计σ²和残差分析，选择回归模型为完全二次型。

4.根据权利要求3所述的电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法，其特征在于，对完全二次型回归模型进行有约束线性规划：

设计变量：

目标函数F(X)：

约束条件：

其中，x₁为磁场强度，x₂为电场强度，g₁(X)—g₄(X)为限制电磁场强度参数的约束条件，确保电场强度在0～2V，磁场强度在0～2T范围内。

5.根据权利要求1所述的电磁耦合外场强化处理硬质合金刀具的无损质量评价方法，其特征在于，步骤S4中在同一电磁参数下处理硬质合金刀具，并测量电导率，对电磁参数和电导率进行回归分析，构建电磁参数影响刀具电导率的回归模型为：

其中，y₂为硬质合金刀具电导率，x₁为磁场强度，x₂为电场强度。

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