CN114131431B - 基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化方法及装置 - Google Patents

基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化方法及装置,采用磁性复合流体抛光原理处理微型刀具的切削刃,利用磁性复合流体的流变特性和柔性磨粒对刀具表面材料进行微量去除,可以同时实现刀具刃口钝化处理和刀具表面抛光处理,刀具钝化精度高且一致性好;通过多夹具设计实现微型刀具批量钝化,且可以实现刀具钝化工作和拆装操作同时进行,提高刀具钝化效率。本发明提供的基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化方法及装置,能够有效去除微型刀具刃口的微观缺陷,改善刃口轮廓形状,消除刀具表面微小毛刺,提高刀具表面质量,进而提高刀具使用寿命和零件加工质量,实现对微型刀具的高精度、高效率钝化处理。

Description

基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化方法及装置
技术领域
本发明涉及刀具钝化技术,特别是一种基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化方法及装置,属于精密加工技术领域。
背景技术
随着高新技术的不断发展,具有复杂结构的微小零件在国防和民用领域的应用日益广泛,而高质量的微型刀具是实现微小零件精密微细加工的重要保障。微型刀具的切削刃经砂轮刃磨后,刃口处不可避免的存在缺口、裂纹等微观缺陷,同时排屑槽、后刀面等刀具表面还会存在微凹坑、微裂纹、磨屑粘附、微小毛刺等现象。在切削过程中,尖锐且存在缺陷的刃口易引发崩刃、断齿等刀具失效情况,而较差的刀具表面质量会加剧刀具、切屑、工件之间的摩擦和挤压,造成刀具的损坏及磨损的加快。刀具钝化处理可以改变刃口轮廓和形貌,消除刃口缺陷,提高刀具表面质量,以到达改善切削性能、延长刀具寿命、提高工件加工质量的目的。此外,刀具钝化处理还可以消除刃磨后切削刃上的残余应力,提升涂层刀具中涂层材料与刀具表面之间的结合强度,防止涂层剥离。
微型刀具几何结构尺寸较小,刀具强度、刚度较低,常见的刀具钝化工艺如喷砂法、磨粒流法、含磨料尼龙刷法、磁力研磨法等方法,由于钝化过程中磨料对刀具的机械作用力较大易引发刀具断裂,且磨料难以均匀作用于切削刃复杂形面进而导致钝化精度低、一致性差等问题,并不适用于微型刀具的钝化处理。因此,迫切需要探索新的刀具钝化方法来满足微型刀具的钝化需求。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提出一种基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化方法及装置,能够有效去除微型刀具刃口的微观缺陷,改善刃口轮廓形状,消除刀具表面微小毛刺,提高刀具表面质量,进而提高刀具使用寿命和零件加工质量,实现对微型刀具的高精度、高效率钝化处理。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化方法,在磁性复合流体中混入柔性磨粒,配置成刀具钝化液;所述柔性磨粒是将纳米级的金刚石磨粒和四氧化三铁磁性颗粒镶嵌在有机高分子聚合物弹性基体上而形成的柔性复合颗粒;所述磁性复合流体是由微米级的羟基铁粉、纳米级的四氧化三铁、α-纤维素、去离子水、甘油均匀混合而成。
所述柔性磨粒按金刚石磨粒和四氧化三铁磁性颗粒的体积比4:1制成,组成柔性磨粒的金刚石磨粒平均粒径小于0.1微米,有机高分子聚合物弹性基体的平均粒径小于10微米;所述钝化液中柔性磨粒的质量分数为10%~25%,羟基铁粉的质量分数为20%~40%,四氧化三铁(仅指磁性复合流体中)的质量分数为15%~30%,α-纤维素的质量分数为2%~5%,去离子水的质量分数20%~35%,甘油的质量分数为3%~5%。
在外加磁场作用下,刀具钝化液中的铁磁相(微米级羟基铁粉和游离的纳米级四氧化三铁)沿磁力线方向排布、聚集,形成链状结构,并夹持柔性磨粒;同时α-纤维素与上述链状结构相互交织,提高钝化液的黏度。在钝化过程中,微型刀具相对于刀具钝化液产生相对运动,浮于刀具钝化液中的柔性磨粒与微型刀具之间产生碰撞、划擦、切削等作用,对微型刀具表面材料进行微量去除,进而实现微型刀具刃口钝化和刀具表面抛光。
本发明还提供了一种基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化装置,包括:旋转升降机构、刀具夹持机构、磁场发生装置、容器槽、钝化液、控制面板、底座。
所述刀具夹持机构包括行星回转机构和多个用于固定微型刀具的夹具,行星回转机构旋转时通过夹具带动微型刀具围绕自身轴线进行自转,同时围绕行星回转机构的轴线进行公转。
所述旋转升降机构包括支柱、转盘、驱动机构,所述支柱坐落在底座上,两套刀具夹持机构安装在所述转盘上,所述转盘在驱动机构的驱动下可以沿所述支柱上下滑动或转动,进而实现旋转升降机构同时带动两套刀具夹持机构进行升降或回转运动。
所说磁场发生装置包括两套电磁铁、两个磁极、励磁电源,两个磁极分别安装在两套电磁铁上,两套电磁铁的线圈通过导线与励磁电源连接,励磁电源接通后使两磁极中心区域产生稳定磁场;所述磁场发生装置可以通过励磁电源调节磁场的强度和方向。
所述容器槽安装在底座上且位于两套电磁铁之间,用于盛装刀具钝化液,容器槽的材质是非导磁材料。
所述控制面板设置于底座上,控制面板可以控制转盘带动刀具夹持机构升降设定距离或回转设定角度,使两组刀具夹持机构在容器槽正上方的钝化位置和与钝化位置相距180度的拆装位置之间转换;所述控制面板可以设定钝化过程中微型刀具的运动参数(自转速度和公转速度)和钝化时间。
基于上述装置进行微型刀具钝化处理时,具体包括以下步骤:
(1)分别在拆装位置处在两组刀具夹持机构上装夹好待处理微型刀具,通过控制面板调节钝化位置处刀具夹持机构的高度,确保钝化刀具的切削刃完全浸没在钝化液中。
(2)接通励磁电源,通过控制面板设定微型刀具的运动参数和钝化时间,进行刀具钝化处理。
(3)达到设定的钝化时间后,通过控制面板将另一组刀具夹持机构移动到钝化位置处进行刀具钝化处理,同时在拆装位置处取下钝化好的刀具并装夹上新一批待钝化刀具。
(4)重复上一步骤,如此往复实现微型刀具高效率、高质量的批量钝化处理。
本发明的一种基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化方法及装置,与现有技术相比,具有如下有益效果:
(1)本发明采用磁性复合流体抛光原理处理微型刀具的切削刃,利用磁性复合流体的流变特性和柔性磨粒对刀具表面材料进行微量去除,可以同时实现刀具刃口钝化处理和刀具表面抛光处理,刀具钝化精度高且一致性好,不会对刀具表面产生亚表面损伤。
(2)本发明中刀具钝化液中的柔性磨粒是以易变性低反弹的有机高分子聚合物颗粒为基体,固定、支撑纳米级的金刚石磨粒和四氧化三铁,三者结合构成柔性复合颗粒。带有磁性颗粒的柔性磨粒可以减缓磨粒在钝化液中的沉降,提高磨粒分布的均匀性和稳定性,保证微型刀具各部分均匀钝化。钝化过程中,柔性磨粒具有较好的弹性,与微型刀具表面和刃口接触时会发生形变来缓冲接触力,使柔性磨粒产生的压痕较浅,避免对切削刃造成损伤,进而提高刀具钝化质量;同时,具有弹性的柔性磨粒可以更方便的进入微型刀具切削刃处的复杂曲面结构中进行抛光,能够有效去除刀具表面毛刺,提高刀具后刀面、排屑槽等处的表面质量,使排屑顺畅。
(3)本发明提供的微型刀具钝化装置通过多夹具设计实现微型刀具批量钝化,且可以实现刀具钝化工作和拆装操作同时进行,提高刀具钝化效率;该装置可以使钝化过程中刀具同时作自转和公转运动,确保微型刀具各部分钝化效果的一致性,保证刀具钝化质量。
附图说明
图1是本发明的钝化液在磁场作用下的内部微观结构示意图;
图2是本发明的微型刀具钝化机理示意图;
图3是本发明提供的基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化装置示意图。
图中:1-钝化液,101-金刚石磨粒,102-有机高分子聚合物弹性基体,103-羟基铁粉,104-四氧化三铁,105-α-纤维素,106-磁力线,107-去离子水和甘油,2-容器槽,3-磁极,4-电磁铁,5-驱动机构,6-转盘,7-行星回转机构,8-夹具,9-微型刀具,10-励磁电源,11-支柱,12-控制面板,13-底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
如图1和图2所示,基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化方法,在磁性复合流体中混入柔性磨粒,配置成刀具钝化液1;
所述柔性磨粒是将纳米级的金刚石磨粒101和四氧化三铁104磁性颗粒镶嵌在有机高分子聚合物弹性基体102上而形成的柔性复合颗粒;所述磁性复合流体是由微米级的羟基铁粉103、纳米级的四氧化三铁104、α-纤维素105、去离子水、甘油均匀混合而成。在外加磁场作用下,刀具钝化液1中的铁磁相(微米级羟基铁粉103和游离的纳米级四氧化三铁104)沿磁力106方向排布、聚集,形成链状结构,并夹持柔性磨粒,同时尺寸较大的α-纤维素与链状结构相互交织,提高钝化液的黏度,进而提高钝化液的磨粒保持力。在钝化过程中,微型刀具9相对于刀具钝化液1产生相对运动,浮于刀具钝化液1中的柔性磨粒与微型刀具9之间产生碰撞、划擦、切削等作用,对微型刀具1表面材料进行微量去除,进而实现微型刀具1刃口钝化和刀具表面抛光。
所述柔性磨粒按金刚石磨粒和四氧化三铁磁性颗粒的体积比4:1制成,组成柔性磨粒的金刚石磨粒平均粒径小于0.1微米,有机高分子聚合物弹性基体的平均粒径小于10微米;所述钝化液中柔性磨粒的质量分数为10%~25%,羟基铁粉的质量分数为20%~40%,四氧化三铁(仅指磁性复合流体中)的质量分数为15%~30%,α-纤维素的质量分数为2%~5%,去离子水的质量分数20%~35%,甘油的质量分数为3%~5%。
如图3所示,本发明还提供一种基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化装置,包括:旋转升降机构、刀具夹持机构、磁场发生装置、钝化液1、容器槽2、控制面板12、底座13。
所述刀具夹持机构包括行星回转机构7和多个用于固定微型刀具的夹具8,行星回转机构7旋转时通过夹具8带动微型刀具9围绕自身轴线进行自转,同时围绕行星回转机构7的轴线进行公转。
所述旋转升降机构包括驱动机构5、转盘6、支柱11,所述支柱11坐落在底座13上,两套刀具夹持机构安装在所述转盘6上,所述转盘6在驱动机构的驱动下可以沿所述支柱上下滑动或转动,进而实现旋转升降机构同时带动两套刀具夹持机构进行升降或回转运动。
所述磁场发生装置包括两个磁极3、两套电磁铁4、励磁电源10,两个磁极3分别安装在两套电磁铁4上,两套电磁铁4的线圈通过导线与励磁电源10连接,励磁电源10接通后使两磁极3中心区域产生稳定磁场;所述磁场发生装置可以通过励磁电源10调节磁场的强度和方向,磁场强度调节范围为0~1T。
所述容器槽2安装在底座13上且位于两套电磁铁4之间,用于盛装刀具钝化液1,容器槽2的材质是非导磁材料。
所述控制面板12设置于底座13上,控制面板12可以控制转盘6带动刀具夹持机构升降设定距离或回转设定角度,使两组刀具夹持机构在容器槽2正上方的钝化位置和与钝化位置相距180度的拆装位置之间转换;所述控制面板12可以设定钝化过程中微型刀具9的运动参数和钝化时间,微型刀具的自转速度为0~300r/min,公转速度为0~500r/min。
采用上述微型刀具钝化装置进行刀具钝化处理时,主要包括以下步骤:
(1)分别在拆装位置处在两组刀具夹持机构上装夹好待处理微型刀具9,通过控制面板12调节钝化位置处刀具夹持机构的高度,确保钝化刀具的切削刃完全浸没在钝化液1中。
(2)接通励磁电源10,通过控制面板12设定微型刀具9的运动参数和钝化时间,进行刀具钝化处理。
(3)达到设定的钝化时间后,操作控制面板12将另一组刀具夹持机构移动到钝化位置处进行刀具钝化处理,同时在拆装位置处取下钝化好的刀具并装夹上新一批待钝化刀具。
(4)重复上一步骤,如此往复实现微型刀具高效率、高质量的批量钝化处理。
根据不同刀具的钝化要求,选择合适的钝化液1成分配比、钝化刀具运动参数和钝化时间,以更好地实现微型刀具9的高质量钝化。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种刀具钝化液,其通过在磁性复合流体中混入柔性磨粒配置而成,其特征在于:所述柔性磨粒是将纳米级的金刚石磨粒和四氧化三铁磁性颗粒镶嵌在有机高分子聚合物弹性基体上而形成的柔性复合颗粒;所述磁性复合流体是由微米级的羟基铁粉、纳米级的四氧化三铁、α-纤维素、去离子水和甘油均匀混合而成;在外加磁场作用下,刀具钝化液中微米级羟基铁粉和游离的纳米级四氧化三铁沿磁力线方向排布、聚集,形成链状结构,并夹持柔性磨粒;同时α-纤维素与上述链状结构相互交织,提高钝化液的黏度。
2.根据权利要求1所述的刀具钝化液,其特征在于:所述柔性磨粒按金刚石磨粒和四氧化三铁磁性颗粒的体积比4:1制成,组成柔性磨粒的金刚石磨粒平均粒径小于0.1微米,有机高分子聚合物弹性基体的平均粒径小于10微米。
3.根据权利要求1或2所述的刀具钝化液,其特征在于:所述钝化液中柔性磨粒的质量分数为10%~25%,羟基铁粉的质量分数为20%~40%,构成磁性复合流体的四氧化三铁的质量分数为15%~30% ,α-纤维素的质量分数为2%~5%,去离子水的质量分数20%~35%,甘油的质量分数为3%~5%。
4.一种基于柔性磨粒和磁性复合流体的微型刀具钝化装置,其特征在于,包括:旋转升降机构、刀具夹持机构、磁场发生装置、容器槽(2)、控制面板(12)和底座(13);所述旋转升降机构设置于所述底座(13)上,用于夹持待钝化微型刀具的两套刀具夹持机构安装在所述旋转升降机构上,所述旋转升降机构带动刀具夹持机构做升降运动以及绕旋转升降机构中心轴线的旋转运动;所述容器槽(2)固定于所述底座(13)上,具体设置于所述旋转升降机构的一侧并位于刀具夹持机构的下方,容器槽(2)内盛放有权利要求1-3任一所述的刀具钝化液;所述磁场发生装置用于产生稳定磁场施加于所述刀具钝化液;所述控制面板(12)用于控制所述旋转升降机构和刀具夹持机构。
5.根据权利要求4所述的微型刀具钝化装置,其特征在于:所述刀具夹持机构包括行星回转机构(7)和多个用于固定微型刀具的夹具(8),行星回转机构(7)工作时通过夹具(8)带动微型刀具(9)围绕自身轴线进行自转,同时驱动夹具(8)运动带动微型刀具(9)围绕行星回转机构(7)的轴线进行公转。
6.根据权利要求4所述的微型刀具钝化装置,其特征在于:所述旋转升降机构包括驱动机构(5)、转盘(6)和支柱(11),所述支柱(11)设置在底座(13)上,两套所述刀具夹持机构安装在所述转盘(6)上呈180°分布,所述转盘(6)在所述驱动机构(5)的驱动下可以沿所述支柱上下滑动以及绕支柱转动,从而实现刀具夹持机构的升降运动或回转运动。
7.根据权利要求4所述的微型刀具钝化装置,其特征在于:所述磁场发生装置包括两个磁极(3)、两套电磁铁(4)和励磁电源(10),两个磁极(3)分别安装在两套电磁铁(4)上,两套电磁铁(4)的线圈通过导线与所述励磁电源(10)连接,所述容器槽(2)位于两套电磁铁(4)之间,所述励磁电源(10)接通后使两个磁极(3)之间产生稳定磁场;所述磁场发生装置可以通过所述励磁电源(10)调节磁场的强度和方向,磁场强度调节范围为0~1T。
8.根据权利要求4所述的微型刀具钝化装置,其特征在于:所述控制面板(12)设置于底座(13)上,控制面板(12)可以控制所述旋转升降机构带动刀具夹持机构升降、旋转并定设定升降距离以及旋转角度,使两组刀具夹持机构在容器槽正上方的钝化位置和与钝化位置相距180度的拆装位置之间转换;所述控制面板(12)可以设定钝化过程中微型刀具(9)的运动参数和钝化时间,微型刀具的自转速度为0~300r/min,公转速度为0~500r/min。
9.一种使用权利要求4-8任一所述的微型刀具钝化装置进行钝化的方法,包括以下步骤:
S1、在拆装位置处将待钝化微型刀具(9)装夹于两组刀具夹持机构上,通过控制面板(12)驱动旋转升降机构将一组刀具夹持机构上的刀具旋转至所述容器槽(2)正上方并调节刀具夹持机构的高度,确保待钝化微型刀具(9)的切削刃完全浸没在钝化液中;
S2、启动磁场发生装置施加磁场,调节磁场强度和方向,通过控制面板(12)设定微型刀具(9)的运动参数和钝化时间,进行刀具钝化处理;
S3、达到设定的钝化时间后,通过控制面板(12)将另一组刀具夹持机构移动到钝化位置处进行刀具钝化处理,同时在拆装位置处取下钝化好的刀具并装夹上新一批待钝化刀具;
S4、重复上一步骤,如此循环实现微型刀具的批量钝化处理。
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