一种磁场辅助的超精密加工装置和方法与流程

本发明属于超精密加工领域，更具体地，涉及一种磁场辅助的超精密加工装置和方法。

背景技术：

近些年来，新型高性能材料，如镍基高温合金、钛合金、高强度钢、复合材料等先进材料由于其优良的性能，在航空航天等领域得到越来越广泛的应用。这些材料在加工中表现出加工硬度大、切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、加工效率低、加工质量不理想等加工问题，属于典型的难加工材料。超精密金刚石切削被广泛应用于光学级表面精密零件加工，但直接对上述难加工材料进行超精密加工非常困难，上述材料的导热性差，在进行超精密单点金刚石的车削加工时，刀尖和工件接触区域的材料会因为切削热的累积形成局部的高温，使材料转变成熔融态的粘性流体，粘刀严重，导致加工后工件的表面质量很差，刀具磨损严重。

为了解决这些精密加工存在的问题，引入外加的物理场成为一种趋势，现在外加物理场辅助的加工方法成为了加工技术研究中的一个前沿和热点问题，设计的物理场包含有磁场、超声振动、离子束、等离子注入、激光等，以及将多个物理场结合辅助加工。这种加工方法目的在于通过将外界能量(磁、振动、热、光)输入到加工区域，辅助或直接形成材料去除，改善传统加工后工件表面质量差的难题，如难加工材料的高效去除、脆性材料的塑性去除、黑色金属的金刚石刀具精密切削等。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁场辅助的超精密加工装置和方法，其目的在于，通过将超精密车削与外加磁场结合，利用磁场辅助超精密切削，以此来解决上述难加工材料加工中所遇到的问题，提高加工表面质量和精度，减少刀具磨损。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁场辅助的超精密加工装置，用于具有顺磁特性的难加工材料的加工，包括机床主体和励磁模块；

所述机床主体包括超精密机床主轴和刀架；

所述励磁模块包括磁体、固定架、调节板以及磁体夹具；

所述调节板通过所述固定架固定于所述机床主体上；两个所述磁体夹具可移动地装设于所述调节板上，两个所述磁体极性为n-s相对放置，且分别安装于两个所述磁体夹具上，以在两个所述磁体夹具之间形成0～0.3t的磁场；

当所述超精密机床主轴装夹工件时，两个所述磁体夹具位于工件两侧，以使工件的加工过程在所述磁场中进行。

进一步地，所述调节板上加工有滑槽，利用螺栓穿过所述滑槽将所述调节板与所述磁体夹具相连，从而通过所述螺栓与所述滑槽的配合，调整两个所述磁体夹具的间距，进而改变工件加工部位的磁场强度。

进一步地，所述磁体为永磁体。

进一步地，所述磁体为电磁铁。

进一步地，调节所述磁体夹具使磁场与工件的轴线夹角为30°～90°，并使工件处于磁场的中心区域。

进一步地，所述调节板上设有两个滚珠丝杠副，两个所述磁体夹具分别固定于两个滚珠丝杠副的动子上，两个滚珠丝杠副通过两个伺服电机分别驱动。

为了实现上述目的，本发明还提供了基于如前任意一项所述的超精密加工装置的超精密加工方法，在超精密机床加工过程中，在工件周围设置0～0.3t的定向磁场。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过磁场辅助超精密加工，能够取得下列有益效果：

1、改善加工表面质量和精度：由于上述具有顺磁特性难加工材料导热系数很低，在超精密单点金刚石连续切削过程中，刀尖部分工件材料会因切削热累积形成局部高温，转变成为熔融态粘性流体，切削时，会出现膨胀/恢复效应：刀具的作用力使材料产生塑性侧向流动，而在材料凝固恢复过程中，又会产生体积膨胀，切槽与刀具半径形状出现误差，这种金属切削回弹现象会影响加工精度和表面质量。在切削时，熔融的粘性流体由悬浮的顺磁粒子和载体流体组成。磁场作用下，顺磁粒子会沿磁场方向整齐排列一致，可作为高效的导热路径，进而提高材料的导热系数，减弱膨胀/恢复效应，获得优异的表面粗糙度和面形精度。

在超精密加工中，最小切削深度会很大程度的决定材料去除时的极限精度，当刀具的切深过小时，工件材料不会出现塑性变形区，此时刀具对工件材料没有去除作用，刀具的后刀面和工件表面的作用为挤压、滑擦和回弹，不能形成切削或者连续的切屑，这是超精密加工中不希望发生的。磁场辅助的超精密加工能够有效改善这一问题：在切削加工时，通常材料的微观颗粒会粘附在刀具和工件接触的临界面上，当施加磁场时，会使得这些颗粒被迅速氧化，这种氧化产物会增加刀具和弹性变形区的摩擦系数，从而减弱刀具和工件表面的滑擦，减小工件材料的最小切削深度，提高材料加工的极限精度。

2、使切削力更加平稳：在超精密单点金刚石切削过程中，材料回弹作用使刀尖会产生高频低幅振动，影响加工精度，表面完整性与刀具寿命。通过施加磁场，顺磁性材料在切削旋转过程中，材料内部会产生涡流，涡流产生的磁场与外加磁场相反，随之产生的斥力被称为洛伦兹力。而斥力与导体的移动速度成正比，可看作给刀具-材料振动系统中引入粘性阻尼器。粘性阻尼器会使一部分振动能量转化为热能，进而消散，减少系统的振动。

3、减小刀具磨损：传统加工方法中，在刀尖和工件接触的局部区域会产生较高的切削温度，同时导致加工过程中金刚石刀具剧烈振动，使得材料在刀具上粘结严重，削弱了金刚石刀具的物理强度，从而导致严重的刀具磨损。施加磁场后，可以在工件旋转时在工件内部产生涡流，涡流进一步产生自身的磁场，其方向与外部磁场方向相反，机械系统中振动的动能将以热的形式耗散。同时，在存在外部磁场的情况下，上述材料内部的顺磁颗粒变趋向于与磁场方向对齐，顺磁颗粒可以充当传递热量的高传导路径，工件的导热性得到了提高，由于材料导热性增强和车削振动减小，工具/工件界面处残留的切削热较小，大部分散发到外部，从而导致在切削刃处熔化和粘附的金属材料体积更少，很大程度的减小了粘附磨损。同时借助涡流效应可以降低工件的振动，工件的运动将连续切平稳，因此熔化的工件材料可通过旋转的工件/夹具产生的空气动力从工具/工件界面流出，也能减少了其在刀具上的粘附，减小刀具的粘附磨损。

4、材料微观组织的改性：在进行单点金刚石车削时工件材料会出现局部熔融，刀具走刀过后，熔融态的金属材料会凝固，凝固过程中依次会发生成核和晶粒长大，促进凝固时成核可以细化晶粒。当施加有磁场时，旋转工件和磁场发生了相对运动，会在金属工件的被加工表面产生涡流，涡流与磁场相互作用会产生洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下，熔融的液体金属会产生往复运动形成振动。这种振动有利于熔融状态金属内部的成核。另一方面，在磁场作用下，再结晶过程中晶界迁移增强，产生小角度晶界，增加了晶界面积，导致晶粒尺寸减小。

由于材料微观组织的改性，使得宏观上材料的力学性能得以改善：通常材料的硬度和延展性是对立的，材料越硬，延展性也会越差，但通过磁场辅助的超精密加工会使得上述材料在硬度增加的同时，延展性也得以提升，这对钛合金、镍合金等难加工材料的加工应用非常有意义，经测试，在磁场0.02t时钛合金工件表面粗糙度ra达到最佳。

5、本发明所提及的装置结构简单，拆装方便，占用空间体积小，成本低，操作便利，克服常用超精密单点金刚石切削机床安装空间不足问题，可有效与现有机床进行结合使用。

附图说明

图1是本发明磁场辅助的超精密加工装置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-机床主轴、2-固定架、3-调节板、4-工件、5-刀架(实施例中含刀具)、6-磁体、7-磁体夹具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明所述磁场辅助超精密加工装置包括：机床主体和励磁模块；

所述机床主体包括：超精密机床主轴1和装有金刚石刀具的刀架5；

所述励磁模块包括磁体6、固定架2、调节板3、磁体夹具7。

所述固定架2的上端与超精密机床的主体结构相连接，固定架下端与所述调节板3通过螺栓固接，调节板上加工有滑槽，利用螺栓穿过滑槽将调节板与所述磁体夹具7相连，滑槽是用来调节两个磁体夹具间的距离，从而改变工件加工部位的磁场强度。在其他实施例中(未图示)，也可以在所述调节板3上设置滚珠丝杠副，将所述磁体夹具7安装在滚珠丝杠副的动子上，滚珠丝杠副通过伺服电机驱动，从而实现所述磁体夹具7间距的自动化控制，从而自动调节磁场强度，无需手动调节。

所述磁体6可以为永磁体或者电磁铁，磁场方向和强度不限定，目的在于在工件区域产生一定强度的磁场。

优选地，本实施例采用永磁体，磁体相对放置并嵌入磁体夹具中，其极性为n-s相对放置，使两极间区域形成一定强度范围的磁场。在其他实施例中，磁体也可以选用电磁铁，从而利用电控方式实现磁场强度的自动调节，电磁铁磁场控制既可以独立使用，也可以与前述滑槽、滚珠丝杠副的距离调节方式结合使用。

优选的，将磁体夹具放在工件的侧面，使磁体表面与工件轴线平行，永磁体位于工件的两侧，使工件处于磁场的中心区域，从而将磁场辅助效果最大化。

上述磁场辅助超精密加工方法包括：

1、装夹刀具。将刀具放置到刀架凹槽上，使用紧定螺钉夹紧，注意要在关机或急停状态下操作；

2、开机，测量刀具圆弧中心。依次打开电源、冷水机、主机电源、系统。将对刀仪架在主轴上，打开对刀仪灯光，打开测量软件，分别移动x轴和z轴使刀具切削刃投影清晰的显示在软件界面上，分别移动x和z轴，在刀具圆弧边缘按顺序选取三个点，通过软件测量出圆弧的中心及半径；

3、装夹工件。将工件插入夹具中，使用紧定螺钉锁紧，夹具置于主轴真空吸附盘中间位置，打开低压吸附开关吸住夹具；

4、找正工件形心。将万分表架在工作台上，红宝石探头调至工件外圆柱面上方，在操作界面上打开万分表测量界面，调整探头使得万分表读数在0附近，旋转主轴，观察测量界面数值，使用橡胶小锤子敲击夹具，调整工件形心，保证旋转一周万分表读数范围不超过4um；

5、装夹磁场辅助装置，找正工件质心。根据设定的磁场强度调整磁场辅助装置，打开动平衡测量界面，调整动平衡，直到动平衡的p-v(peak-valley)值到10nm以下；

6、创建一个对刀程序，完成对刀，接着在软件界面设定工件的工艺参数，该工艺参数包括转速，进给量，切深；

7、进行工件加工，加工完成后，停止主轴旋转，关闭切削液，取下磁场辅助装置和工件，进行工件的测量，清理机床，关机。

然后利用轮廓仪对工件的加工表面进行观测，观察加工效果。

经测试，对于镍基工件加工，采用本发明的方法在磁场强度为0.01t时获得较优表面质量，表面粗糙度的p-v值为0.599μm，小于普通切削的6μm及激光辅助切削的1μm。通过对比磁场辅助、激光辅助和普通车削实验，发现本发明的磁场辅助车削可以提高加工表面质量，抑制其各向异性最优。

本领域的技术人员容易理解，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。