面向微织构刀具的磁场辅助切削加工装置设计与应用
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2024-09-19 17:02
四川
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姜明晶，张克栋，宋京泽，王典，黄强. 面向微织构刀具的磁场辅助切削加工装置设计与应用[J].工具技术, 2024, 58(6):69-75.Jiang Mingjing,Zhang Kedong,Song Jingze,Wang Dian,Huang Qiang. Design and application of magnetic field-assisted cutting device for micro-weaving tools [J].Tool Engineering, 2024, 58(6):69-75.微织构刀具是指通过一定的加工方法，在刀具的正前刀面或后刀面制备出一定形状、尺寸和规则的织构形态的新型切削工具。近年的研究表明，微织构刀具可以有效增加刀具前刀面的刀—屑接触长度和刀具表面的传热面积，减少切屑的变形程度，从而通过减少切削热来延长刀具的使用寿命。微织构刀具还可以通过显著降低切削力、切削温度、刀具表面的摩擦力和材料转移，有效改善相关合金的切削性能，并影响切屑的形状。根据不同织构的特点可分为凸包形、凹坑形和沟槽型。然而，微织构刀具在表面质量、加工效率和刀具寿命等方面存在较多技术难题，制约了其在工业应用中的推广和发展。因此，如何提高微织构刀具的加工效率和加工质量是当前研究的重点和难点之一。在先进工业中可以通过使用外加能量辅助场来改善切削加工性能，其中以磁场辅助加工最为典型。V.Ya Kravchenko在1970年最先提出磁辅助加工技术，研究发现，磁辅助能够增加电子的黏滞减速位错，从而影响材料的塑性。因此，磁场辅助切削加工技术以其改善切削性能的特点逐渐被引入到微织构刀具切削加工领域，通过影响刀具和工件之间的摩擦力、热量和形变等因素，进而提高微织构刀具的切削效率和切削精度。然而，在应用磁场辅助切削加工技术时，如何选取最优的磁场参数对于提高微织构刀具的切削性能至关重要。S.U.S.Choi等在1995年首次提出纳米流体的概念，与传统流体相比，纳米流体已被证明可以提供有效的热传递。Fe3O4纳米流体是一种含有纳米级磁性颗粒的胶体，被称为磁性纳米流体。通过外加磁场，Fe3O4纳米流体可以在小通道中传输。另外，作为一种可通过磁场控制的流体，Fe3O4磁性纳米流体在磁场辅助切削加工中发挥了重要作用，其磁性可以通过外加磁场调控来改变流体内部的流动状况，进而对刀具和工件之间的磨损、热量和材料切削等产生影响。本文通过设计切削加工夹具、磁场发生装置以及搭建磁场辅助切削平台进行切削试验，深入研究不同磁场参数对微织构刀具切削性能的影响，并对试验结果进行分析和总结，找到最优的磁场参数。由于施加不同强度和不同方向的磁场对微织构刀具切削性能的改善有不同效果，因此对磁场辅助切削加工装置的研究十分重要。在CY6140/750车床上进行切削试验，切削参数为：切削深度0.3mm，切削速度75~79m/min，进给量0.09mm/r。Kistler Type 9257B测力计安装在车床上，选择45钢作为测力计夹具的材料。采用ANSYS Workbench软件对测力计夹具进行静力学仿真，经预实验发现，使用水基切削液（WCF）时，测得X，Y，Z三方向的最大切削力分别为242N，282N和378N。在测量切削力时，测力计夹具受到相应方向上的外力，具体方向如图1a所示。将测力计夹具划分为六面体网格，将两个固定孔设为固定支撑点，在ANSYS软件中进行静力学仿真。仿真结果显示，测力计夹具的总变形很小，处于可控的安全范围内（见图1b）。因此，通过校核后测力计夹具的性能符合要求。根据测力计的尺寸，结合数控车床转塔刀架的楔块固定结构，选择斜面斜角为10°，并在侧面开设两个M8螺纹孔以固定楔块。车刀夹具上共有5个直径为9mm的通孔，与测力计上M8固定螺纹孔相配。此外，车刀夹具上还设计有3个间距为21mm的M8螺纹孔，用于固定线圈夹具。由图1a可得，车刀夹具与测力计夹具的受力情况相似，但车削过程中车刀受到的工件反作用力向下，因此，车刀夹具在Z方向不受力，其施力方向如图1c所示。采用六面体网格划分法对车刀夹具进行静力学仿真，车刀夹具的总变形云图见图1d。经仿真校核，车刀夹具的总变形非常小，处于可控的安全范围内，通过校核。（a）测力计夹具施力图 （b）测力计夹具总变形云图根据毕奥—萨伐尔定律，设线圈的内径为R1，线圈的外径为R2，则线圈的等效半径R为式中，真空磁导率μ0=4π×10-7T·m/A；n为线圈的匝数；I为线圈所通的电流。可见，线圈产生的磁场强度与线圈电流、线圈匝数、距线圈中心轴的距离以及线圈等效半径有关。鉴于线圈在车床上的空间限制，故选取表1的线圈参数，通过计算得到此时线圈表面中心处的磁场强度为采用高斯计对通有5A电流的线圈表面中心位置的磁场强度进行测量发现，实测值与理论值十分接近，约为300Gs。为进一步提升线圈表面中心处的磁场强度，考虑在线圈中心位置放置一颗生铁芯，直径为12mm，长度为20mm，在同样条件下再次测量线圈表面中心位置的磁场强度，可达到约1200Gs。根据MNF磁滞回线可知，当磁场强度为1200Gs时，MNF的磁化强度约为17.5emu/g，而MNF的磁饱和强度约为24.2emu/g。因此，该线圈能够满足车削加工过程中对MNF的磁化需求，达到72.3%的磁饱和程度。本文的重点是在普通车床上开发能够调节磁场方向的装置，由于线圈夹具重量为700g，为避免线圈夹具被磁化，选择铝合金作为夹具材料。在切削加工过程中，前刀面及微沟槽内部是主要磨损部位。因此，选择和微织构刀具微沟槽平行的方向作为第一个施加磁场方向，通过外界磁场的引导，磁性纳米粒子（MNPs）可以进入微沟槽，从而抑制前刀面及微沟槽内部的磨损现象，该方向由三个线圈夹具构成（见图2a）。为实现磁场方向的灵活调节，将线圈夹具1设计成能够在两个方向调节的槽形结构，并通过M8螺栓与车刀夹具连接，将线圈夹具3设计成圆柱形结构，以插入线圈内径孔处装夹线圈。为确保线圈夹具不碰到工件，在线圈夹具2可能与工件相碰的位置开一个6mm×60mm的矩形槽，DIR1线圈夹具装配及其与车刀夹具的总装配如图2b所示。在线圈夹具2和线圈夹具3相配合的地方开有矩形槽，以确保装配完成后还能调整线圈的位置使线圈中心对准刀尖。进行静力学校核时，针对第一磁场方向DIR1下的线圈夹具装配，选定线圈夹具1槽的底部为固定面，对线圈夹具3圆柱面施加7N的线圈重量，使用六面体网格划分。由于使用了6.8级不锈钢螺栓，其预紧力约15N，经过静力学校核后发现，最大变形量非常小，校核结果如图2c所示，在可控范围内，通过校核。鉴于微观结构的存在，故选择第二磁场方向（DIR2）与刀具前刀面垂直，以便利用磁场引导MNPs进入并填充微沟槽来抑制磨损。DIR2的线圈夹具设计为线圈夹具4，该夹具在深度为25mm的位置有一个圆形台阶用于安放线圈。将线圈芯朝下放置，并通过槽形结构确保线圈的中心与刀尖位置对齐。线圈夹具4和第二磁场方向DIR2线圈夹具的装配如图3a所示，将该线圈夹具和车刀夹具装配，即可得到DIR2的线圈夹具和车刀夹具的总装配图（见图3b）。(c)线圈夹具总变形云图
作用于台阶圆盘面处的线圈重力为7N，同时将螺栓的预紧力设置为15N，固定面不变。使用六面体网格划分，仿真分析结果如图3c所示，最大变形量和等效应力均在可接受范围内，通过校核。预试验表明，刀具前刀面磨损主要是刀—屑界面的摩擦。为了防止切屑对刀具前刀面的磨损，将平行切屑流动方向作为第三磁场方向（DIR3），并利用外界磁场引导尽可能多的磁性纳米颗粒渗入刀—屑界面。采用线圈夹具5和线圈夹具6使线圈的中心轴对准刀尖，并在这两个夹具上开槽调整线圈的空间位置，线圈夹具7的柱状结构用于通过线圈内径来固定线圈。将上述三个夹具组装后，可得到第三磁场方向DIR3下的线圈夹具装配（见图4）。将该夹具和车刀夹具组装后得到DIR3下线圈夹具和车刀夹具的总装配。在线圈夹具7的圆柱面上施加线圈重力，并采用六面体的网格划分。根据图4c可知，DIR3下的线圈夹具的总变形极小，处于安全范围内，通过校核。(c)线圈夹具总变形云图
图4 第三磁场方向DIR3下夹具校核
研究所用的Fe3O4（MNPs）粒径为30nm，体积分数为0.5%，油酸质量分数为1.5%，MNPs的质量分数计算式为式中，ωp为MNF的质量分数；φ为MNF的体积分数；ρp为MNPs的密度；ρf为基液的密度。通过比重计可测得基液（即OA、去离子水和WCF的混合溶液）的密度。使用纳秒脉冲激光在主要成分为TiC的无涂层金属陶瓷刀片前刀面制备微尺度纹理。光纤纳秒激光器型号为Tungaloy生产的DNGA 150404 NS520（波长为355nm，脉冲为5nm）。激光功率为3W，光斑直径为10μm，重复频率为20kHz。由图5得该沟槽型微织构和主切削刃平行，所处位置距离主切削刃100μm，距离刀头375μm，微织构的宽度约30μm，间距为150μm，沟槽深度为6μm。在车床CY6140/750上安装设计的夹具，在不同磁场参数下进行316L不锈钢的车削试验，切削试验参数如表2所示。将直流电源的正负极和线圈两端相连，同时确保线圈产生的磁场方向朝向刀头，调节直流电流即可控制线圈所产生的磁场强度大小。由于刀柄防锈镀镍，故刀柄本身可以被磁化，在外界磁场的作用下，随着刀柄被磁化，线圈产生的磁场在到达刀尖前会被刀柄产生的磁场部分抵消，此时到达刀尖处的磁场强度将被削弱，故在该方向将线圈尽可能地靠近刀尖位置。线圈最大电流为5A，此时线圈表面中心磁场为1200Gs，到达刀尖的磁场强度只相当于磁场方向为DIR1和DIR2、线圈表面中心磁场为300Gs时刀尖的磁场强度，所以该方向只能做一组切削试验。图6展示了三个磁场方向的线圈和线圈夹具的作用原理及对应的装配实物。另外，将WCF和CT作为试验对照组，所有试验均重复三次。记录2min内三个方向上每0.001s内切削力的变化过程，并对三组重复试验求平均值，得到Fx，Fy，Fz，求得这段时间内三个方向的平均合力FR为使用北京时代的TR 210表面粗糙度仪测得各个试样的表面粗糙度，如图7所示。在无磁场试验条件下，CT和WCF组合试验获得的切削力和表面粗糙度在所有试验中最大，TT和MNF组合获得的切削力和加工工件表面粗糙度最小。同时，随着外部磁场的施加和磁场强度的增大，DIR1与DIR2磁场方向下使用TT和MNF组合获得的切削力和表面粗糙度不断减小，在磁场强度为300Gs时，DIR3中得到的切削力比同样条件的DIR1切削力大2.7%，并且在DIR3下所得到工件的表面粗糙度也比DIR1大1.5%，故DIR3下外部磁场对切削性能的改善不及DIR1。在所有的磁场强度中，DIR2下的切削力和表面粗糙度在三个磁场中最大，在磁场强度为1200Gs时，DIR2下的切削力比DIR1大28.5%，DIR2下的表面粗糙度要比DIR1大15.1%。通过对比发现，在DIR1下、磁场强度为1200Gs时使用TT和MNF的切削力和工件表面粗糙度在所有试验中均最小，分别比无磁场下使用CT和WCF的小37.3%和34.2%。施加磁场强度为1200Gs时，主切削刃无明显崩刃现象。如图8a和图8b所示，将微沟槽内部放大可以发现，在沟槽内部有球形颗粒。对图8a中位置A进行EDS点扫发现，该位置Fe元素相较先前微沟槽内的EDS元素分析数值有所升高。因此，通过形貌和元素分析可证明，在该位置存在高温高压下被挤压至微沟槽内部的MNPs，由于316L不锈钢中富含Fe元素，故可以在靠近刀尖和主切削刃位置的微沟槽内部及前刀面发现工件黏着物（见图8c）。黏结磨损主要由刀—屑界面的高温高压引起，而磨粒磨损主要由工件表面的粗糙峰、残屑等与刀具表面摩擦造成。分析图8可以发现，在存在外部磁场的情况下，MNPs能够进入微沟槽内部，同时微沟槽内部的黏结磨损减轻。在较高强度的外部磁场作用下，大量MNPs不断进入刀—屑界面，因此在靠近刀头位置前刀面的黏结磨损和磨粒磨损均得到降低。图8d和图8e为施加磁场强度1200Gs、方向DIR2时使用TT和MNF进行切削后的前刀面磨损形貌，可以发现，在微沟槽中同样捕捉到了球形链状的颗粒物。根据图8e可以看出，在主切削刃附近能观察到轻微的崩刃现象，在靠近主切削刃的位置及前刀面的微沟槽出现磨粒磨损。在靠近主切削刃的两道微沟槽内部和靠近刀头的前刀面有较多黏结物，根据图8f发现，这些黏结物同样富含Fe元素，可得此时该位置发生了较严重的黏结磨损。在同样参数下，发生黏结磨损的微沟槽数量比方向为DIR1时要多，则方向为DIR2时进入刀—屑界面的MNPs较少，导致其减小刀—屑界面的摩擦以及带走切削热的效果不足，刀具崩刃和缺口磨损均与切削过程中产生的切削热有关。图8g和图8h分别为施加磁场强度300Gs、方向为DIR3时使用TT和MNF进行切削后前刀面的磨损形貌，此时施加磁场强度较弱，刀—屑界面未能进入大量的MNPs，导致靠近主切削刃处的前刀面有较明显缺口。图8 不同磁场方向下刀具前刀面的磨损形貌及Fe元素分布在靠近刀头位置内部及靠近主切削刃的微沟槽上也可以观察到较明显的黏结物，从图8i可以发现，在这些黏结物化学成分中，含有丰富的Fe元素，可断定这些位置发生了较严重的黏结磨损。而且在微沟槽之间还存在磨粒磨损现象，特别在靠近刀头附近的黏结磨损现象严重，可知刀—屑界面处少量MNPs对该处的冷却及减摩效果有限。同时在距离主切削刃较远的微沟槽内部发现大量的MNPs，施加的外部磁场强度较弱时，大量MNPs不能按照预期在磁场的引导下运送至刀—屑加工界面。刀具前刀面停滞的MNPs在刀—屑剧烈摩擦下黏附到微沟槽内部，从而造成额外的微沟槽黏结磨损。图9为使用TT和MNF分别在三个磁场方向和对应的最大磁场强度下进行车削后的刀具磨损形貌。通过对比发现，当磁场方向为DIR1时，车刀后刀面的磨损量VB在三个磁场方向中最小，并且未观察到明显的崩刃现象；在同样的磁场强度下，磁场方向为DIR2时，车刀后刀面的磨损量VB较DIR1时增大了65.0%，同时在主切削刃附近观测到轻微的崩刃现象；磁场方向为DIR3时，由于刀柄磁化对外部磁场强度的削弱，此时车刀后刀面的磨损量VB增大较多，较磁场方向为DIR1时增大了112.2%，在主切削刃处可观察到明显缺口；而在无磁场时可以发现，车刀后刀面的磨损量VB进一步增大，比磁场方向为DIR3时还要大15.2%，并且同样能够观察到轻微的崩刃现象。可见，在外部磁场的作用下，尤其是在磁场强度为1200Gs、磁场方向为DIR1时，大量的MNPs能够在磁场的引导下进入刀—工接触区，减少刀具和工件之间的摩擦，从而减小刀具后刀面的磨损量。（1）针对如何提升微织构刀具的切削加工效率和加工质量问题，基于ANSYS软件设计了一种磁场辅助切削加工装置。使用纳秒脉冲激光在金属陶瓷刀片的前刀面上加工出沟槽型微织构，设计并校核了能够放置于车床上的测力计夹具与车刀夹具。通过毕奥—萨伐尔定律设计了能产生特定磁场大小的线圈，使MNF达到72.3%的磁饱和；根据设计线圈结构，采用便于调整的积木式线圈夹具，并设计了针对三种不同磁场方向的线圈夹具，分别对其进行了校核。（2）磁场方向对刀具的切削性能影响显著，在方向为DIR1时，使用TT和MNF可以得到最优的切削性能，切削力、表面粗糙度及后刀面磨损量比无磁场强度时分别降低了37.3%，34.2%和127.4%，与同等条件下磁场方向为DIR2时相比，分别降低了22.2%，13.1%和23.5%。在同等磁场强度下，由于MNF中的MNPs的存在与磁场方向的改变，减小了刀具与工件之间的摩擦力与摩擦热。与磁场方向为DIR2及DIR3时相比，在磁场方向为DIR1时，TT的前刀面微沟槽内黏结磨损最小。（3）面向微织构刀具设计的磁场辅助切削加工装置在本次试验中表现出色，稳定性较好，试验过程中夹具并未出现异常抖动与崩坏等问题，保障了试验结果的科学性与准确性。⊙文章版权归《工具技术》所有，欢迎转发，转载请联系。E-mail：toolmagazine@chinatool.nethttp://gjjs.cbpt.cnki.net工研所官方微信
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