（机械电子工程专业论文）脉冲磁化处理提高刀具使用寿命研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 提高刀具的使用寿命是机械制造领域的重要课题之一。脉冲磁化处理作为一项新的 材料处理技术可以改善刀具材料性能从而提高刀具使用寿命，该技术已引起国内外研究 工作者和机械制造企业的广泛关注。 本文探讨了脉冲磁化处理技术机理，并基于电磁驱动原理，依据磁化处理功能及参 数需求，完成了磁化腔体、充、放电电路、定时控制系统、频率调整系统、退磁控制系 统、自动换极控制线路等脉冲磁化装置组成部分设计。使用结果表明：研制脉冲磁化装 置满足设计要求并且能够实现脉冲磁化处理自动化。 在研究中，进行了高速钢材料磨擦系数的测定实验、滚轮及销盘磨损试验、脉冲磁 化对高速钢硬度及冲击韧性的影响试验。分析了脉冲磁化处理对高速钢材料硬度、冲击 韧性、摩擦系数以及磨损量影响。试验结果表明：通过脉冲磁化处理可以提高材料硬度 及冲击韧性、减小摩擦系数及磨损量，有效地改善了高速钢材料性能。 设计并进行了以磁场强度、脉冲频率：脉冲磁化处理时间为因素的高速钢钻头及硬 质合金车刀脉冲磁化处理正交优化实验，确定不同因素水平下高速钢及硬质合金刀具使 用寿命，优化脉冲磁化处理参数。实验结果表明：脉冲磁化处理显著提高高速钢及硬质 合金刀具使用寿命。脉冲磁化处理参数对处理效果的影响的因素水平依次为磁场强度、 脉冲频率及脉冲磁化处理时间。 论文研究结果表明：脉冲磁化处理技术是提高刀具寿命行之有效的方法。该技术操 作简便、工作环境无污染、加工设备成本低且使用效果明显，具有广泛应用前景。 关键词：脉冲磁化；刀具；使用寿命；耐磨性能 r e s e a r c ho np r o l o n g i n gs e r v i c el i f eo fc u t t i n gt o o l st r e a t e d b yp u l s em a g n e t i z a t i o n a b s t r a c t t op r o l o n gt h es e n i c et i m eo fc u t t i n gt o o li st h eo n eo fi m p o r t a n ts u b j e c t si nt h e m a c h i n e r ym a n u f a c t u r e p u l s em a g n e t i z i n gm e t h o di san e wt e c h n o l o g yt op r o m o t et h ew e a l r e s i s t a n c ea n ds e r v i c et i m eo f c u t t i n gt o o lw h i c hh a v ea t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o no f m a n y s c h o l a r sa n dm a n u f a c t u r ec o m p a n i e s n e m a g n e t i z a t i o np r o c e s s i n gm e c h a n i s mw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n da c c o r d i n gt o f u n c t i o n a lm a g n e t i c p a r a m e t e r s a n dd e m a n d , t h ed e s i g n , b a s e do nt h e p r i n c i p l eo f e l e c t r o m a g n e t i cd r i v e , f o ram a g n e t i cd e v i c e sw a sc o m p l e t e di n c l u d i n gm a g n e t i cc a v i t y , c h a r g ea n dt h ed i s c h a r g ec i r c u i t ，t i m i n gc o n t r o ls y s t e m , t h ef i e q u e n c ya d j u s t m e n ts y s t e m , d e m a g n e t i z a t i o nc o n t r o ls y s t e m , a u t o m a t i cc o n t r o lc i r c u i t t h er e s u l t so fu s s h o w e d ：p u l s e m a g n e t i z i u gd e v i c ec o n f o r m e dw i t h t h ed e s i g nr e q u f f e m e n t sa n dp u l s em a g n e t i z a t i o n a u t o m a t i o nw a sa c h i e v e d i no r d e rt o s t u d y , h i g h - s p e e d s t e e lf r i c t i o nc o e 街c i e n tw a sm e a s u r e d t h er o l l e r p i n - o n - d i s cw e a rw a st e s t e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fp u l s em a g n e t i z a t i o nt oh a r d n e s sa n d t o u g h n e s so f h i g h - s p e e ds t e e lw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so f p u l s em a g n e t i z i n gt r e a l m e n tt o h a r d n e s s ，t o u g h n e s s ，f i i c t i o nc o e 佑c i e n ta n dw e a l o f h i g h s p e e ds t e e lm a t e r i a lw e r ea n a l y z e d e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a th a r d n e s sa n dt o u g h n e s sw e r ee n h a n c e da n dc o e f f i c i e n to f f r i c t i o na n dw e a l w e r er e d u c e do f m a t e r i a lw h i c hw a sh e a t e db yp u l s em a g n e t i z a t i o n , a n dt h e p e r f o r m a n c eo f p u l s em a g n e t i z i n gh i g h - s p e e ds t e e lw a si m p r o v e do b v i o u s l y i nt h i s p a p e r , o r t h o g o n a le x p e r i m e n t so fp u l s em a g n e t i z a t i o nw e r ed e s i g n e da n d c o n d u c t e dt ot h eh i g h 一印枷s t e e lb i ta n dc a r b i d ea 1 1 0 y c u t t i n g t o o lt r e a t e db yp u l s e m a g n e t i z a t i o n , i nw h i c hp u l s em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , p u l s ef r e q u e n c y , a n dp u l s e m a g n e t i z a t i o nt i m ew e r ea sf a c t o r s t h es e r v i c et i m eo fs p e e ds t e e la n dc a r b i d et o o lc o u l d b ed e t e r m i n e dw i t h i nd i f f e r e n tf a c t o r sl e v e l a n dp u l s em a g n e t i z a t i o np a r a m e t e r sw o r e o p t i m i z e d n er e s u l t sc o u l db eo b t a i n e da sf o l l o wb ye x p e r i m e n t s ：s e r v i c el i f eo f h i g h - s p e e d s t e e la n dc a r b i d ec u t t i n gt o o lb yp u l s em a g n e t i z i n gc o u l db ee n h a n c e ds i g n i f i c a n t l y a n d o r d e ro f p u l s em a g n e t i z a t i o np a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ee f f e c t so f a l lk i n d so f f a c t o r st od e a l w j t l lw e l et h el e v e lo f m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h , p u l s ef r e q u e n c ya n dp u l s e m a g n e t i cp r o c e s s i n g t i m e 办er e s u l t so fr e s e a r c hs h o w e dt h a tp u l s em a g n e t i z i n gt r e a t m e n tt e c h n o l o g yw a st h e e f f e c t i v ew a yt oe n h a n c et h es e r v i c el i f eo fc u t t i n gt 0 0 1 t 1 l i st e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nt h e i i 大连理工大学硕+ 学位论文 f u t u r eb e c a u s eo fi t ss i m p l eo p e r a t i o n , p o l l u t i o n - f r e ew o r ke n v i r o n m e n t , l o w c o s te q u i p m e n t a n dt h er e m a r k a b l er e s u l t so f a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：p u b em a g n e t i z i n g ；c u t t i n gt 0 0 1 ) s e r v i c el i f e ：w e a rr e s i s t a n c e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：立堕卜日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 盟年月三坠日 大连理工大学硕士学位论文 1 引言 1 1 论文研究背景 提高刀具的耐磨性和寿命是机械制造工程中，一直被人们所关注和研究的课题。 提高刀具的耐磨性和寿命的方法很多。较早期的方法是合理选用刀具材料及其几何 参数和切削用量；后来对刀具材料、刀具表面处理进行较深入的研究，例如氰化、氮化、 磷化、多元共渗、涂层、深冷、溅射、激光处理、电火花强化等对刀具材料及表面的处 理方法；采用导电切削、振动切削、超高速切削、低温切削、加热切削等特种切削工艺， 以及研制高性能刀具材料和切削液等。 近几十年来，航空、航天、汽车等行业使用材料的性能不断提高，轻质强韧材料的 使用日渐增多，加工难度也日益增大，机械加工行业为了降低成本和保护环境，逐步推 广的切削技术也使某些材料的加工难度增加。为了适应现代切削加工技术发展的需要， 提高刀具的耐用度，减少刀具的崩刃、磨损、提高刀具的耐磨性能和工作的可靠性成为 人们普遍关注的问题，这不仅可以降低成本、节省工时、提高劳动生产率，而且可以带 来明显的经济效益和社会效益。而优化刀具结构参数是最古老的方法，已经进行到一定 程度，迸一步研究有一定的难度；刀具的涂层技术设备昂贵，成本高，寿命保持性差； 采用新型刀具如陶瓷材料等，已是一种新的研究领域，但与实用化还有一定距离。七十 年代初，发展起来一种新型的刀具处理方法一磁化处理。磁化处理技术是提高刀具寿 命的最新和行之有效的方法，具有操作简便，工作环境无污染，加工设备成本低，使用 效果明显等特点，是一个颇有前途的重要课题之一，不但具有工程应用价值，而且还有 其理论研究意义。 印度、前苏联、美国、保加利亚和国内不少同行相继对带磁切削进行研究，研究了 各种磁化装置，并初步对带磁切削减磨机理进行探讨。 磁化装置包括机外或机内磁化的带磁切削、交流磁化处理、直流磁化处理和脉冲磁 化处理，而其中以脉冲机外磁化处理为最优处理方案。 以磁场引入切削区的方式的不同可划分为三种带磁切削类型：1 、将工件放在磁场 中进行切削，具体又分为两种，如图1 1 所示；其一是在机床上装置一套电磁铁，通电 后，让他产生磁场，然后把要加工的工件放在磁场中进行切削；其二是激磁线圈绕在工 件上，通以交、直流电源，产生激磁电流，给工件并通过工件给切削区加一稳恒或脉冲 磁场进行切削。2 、使刀台或刀具带磁后进行切削，如图1 2 所示；其一是线圈绕在刀 具夹台上，通电产生磁场进行切削；其二是线圈绕在刀具上，通电产生磁场进行切削。 脉冲磁化处理对刀具使用寿命提高的研究 3 、用带磁的刀具进行切削，一种是在刀具制作时加入磁性材料如稀土钴，刀具出厂时 就带有磁性；另一种是利用磁化装置如脉冲磁化机将普通刀具在切削前磁化，然后用带 剩磁的刀具进行切削。 图1 2 线圈绕在刀具上的带磁切削 f i g 1 2t o o la r o u n dt h ec o i l0 1 1t h em a g n e t i cb e l tc u t t i n g 磁化处理根据所用电源的不同可以分直流、交流与脉冲磁化三种类型：1 、直流磁 化就是对磁化装置的线圈通以直流电进行磁化( 一般5 a 、2 2 0 v ) ，其优点是磁场强度较 易控制，但是磁化时间较长，耗电较多；2 、交流磁化则通以交流电进行磁化，用调压 器调节输出电压，电路结构简单，成本低，但有涡流损耗，耗电大；3 、脉冲磁化是通 以脉冲大电流，耗电量少，磁化时间短。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 国内外同类课题研究现状 1 9 6 5 年，前苏联的g h y a k u n i n ，l lt b a l a k e k o v 等研究了金属切削过程中的磁现 象。d i m i f r o v 研究了磁场作用下高速钢钻头和车刀的磨损特性。结果表明，经磁化处理 的刀具在磁化或退磁状态，在各种切削速度范围内，刀具的寿命可提高1 5 至2 倍。 在强度为3 2 1 05 安米的交变磁场或在5 6 1 0 5 安米的稳恒磁场内磁化处理钻头 和车刀，都可以使刀具寿命增加量在同一数量级范围内i 。s n p o s t n i k o v 等采用1 千 奥斯特的脉冲磁场处理高速钢钻头，刀具寿命提高1 倍左右。b o r o d k i n 等认为刀具材料 被磁化后，产生磁致伸缩强化，经测定原子参数表明，脉冲磁场的影响会使马氏体晶格 参数发生变化，原子间距约减少8 1 0 _ 4 埃刚。在磁场强度3 4 1 0 5 安米的恒定磁场 处理1 1 5 秒的钻头，存放1 6 2 0 小时，其耐用度可提高1 5 2 倍p 7 】。t a l e u 应 用磁化处理刀具进行试验，结果表明，高速钢车刀、钻头、成形车刀及端铣刀的寿命可 提高2 4 倍。用磁化处理的高速钢钻头和加工灰铸铁、高强度铸铁、钢等，结果见 表1 1 所示p j 。 表1 1 t a b 1 i 磁化i i s s 钻头磁化i i s s 钻头 工件材料工件材料 寿命提高寿命提高 cq 4 86 5 k q3 5 1 0 9 2 cq 1 27 蹁k l l 3 5 一l o1 2 0 c q l 58 0 2 0 8 8 bq5 0 2 8 8 4 57 0 bq6 0 28 6 4 0 x1 0 2 bq8 0 一2 1 0 6 3 0 x t c a1 4 8 kq3 0 68 2 i x l 31 2 0 k q3 5 - 1 07 6 1 x 1 51 6 0 他们还研究了高速钢铣刀、丝锥、扩孔钻、铰刀、车刀切削铸铁、钢、青铜和塑料 时的磁化效果，+ 结果明显。d i m i f r o v 总结了他以前研究人员进行磁化处理切削的结果如 表1 2 所示p 6 l 。 其中：木效率判据c t e m ，= 巢鬈宠糕 脉冲磁化处理对刀具使用寿命提高的研究 表1 2 t a b 1 2 刀具型式切削条件效率判据 工件材料 刀具材料 ( 直径m m ) v ( m m i n )f ( r m r e v )q ( ) ( k e m ) 4 0 k h、8 切刀 1 2 0o 1 11 0l3 4 0 k hr 1 2 钻头( 2 2 ) 2 60 2 81 6 4 0 k h r 1 8切刀5 5 6 5 0 1 11 o1 7 吨0 s m 【1 1 1 5r 1 8切刀5 5 - 6 5 0 1 l1 02 3 3 0r 6 船钻头( 2 5 )5 5 6 50 1 1 3 7 4 5r 1 8 钻头( 1 2 ) 5 5 6 50 1 l2 0 s c h l 8 3 6r 6 m 5 钻头( 1 4 ) 5 5 6 50 1 12 6 4 5 r 1 8 k 5切刀 5 0 6 00 41 o2 0 1 6 4 5r 1 8 切刀 8 00 21 02 0 4 5r 9 k 5 切刀 1 1 00 1l 02 o 4 5鹪 钻头( 1 2 5 ) 2 00 1 62 0 4 5t 1 5 k 6 切刀 1 5 0 - 2 3 00 41 0l0 s 4 2 l 一4 0、，l 【6 切刀 1 2 5 - 2 0 0o 10 51 0 前苏联在7 0 年代设计的如图1 3 所示的交直流两用磁化装置和如图1 4 所示的脉 冲磁化装置【3 2 】。 图1 3 苏式交直流两用磁化装置 f i 9 1 3s u a c - d cd u a l - u s e m a g n e t i cd e v i c e s 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 3 所示的装置原理：通过选择组合开关是否连接整流器，当接入整流器得到直 流磁场，否则得到交变磁场。磁场强度大小可由调压器调节。 图1 4 苏式脉冲磁化装置 f i 9 1 4s u p u l a v d m a g n e t i cd m d c 图1 4 所示脉冲磁化装置工作原理：按电钮b k 。t p 通电，t p 的次级线圈为2 4 伏， 按肌，电流通过二极管电桥对c 充电；松开圈，c 对继电器p 线圈放电，l ( p 接通，电 流通过d ，- d 送到电磁螺线管线圈中，继电器的工作时间与电容c 。- c ，的电容量有关， 若电容量为5 0 0 m f ，电容器通过继电器p 线圈的放电时间为1 5 秒，放电时间的长短 可由电容器的不同组合调节。 7 0 年代印度d k p a l 博士和n c d a s g u p t a 教授用磁化处理高速钢钻头切削灰铸铁 及球墨铸铁，结果表明，磁化能提高刀具的寿命，所提高的程度与磁场方向、强度及切 削速度有关1 4 j i 蚰j 。m l n e e m a 和p c p a n d e y 等研究经稳恒磁场处理的高速钢车刀切削 低碳钢，刀具寿命提高2 4 倍；磁场强度增加，刀具寿命增加；刀具切削部分被磁化 为n 极比s 极效果好；磁化切削效果受切削用量影响，低速、小进给量、小切削时磁化 切削效果显著1 2 1 。 福特公司的传动及底盘制造分公司用f l u x a t r o n 处理机处理钻头切削1 0 1 0 钢，钻 头寿命提高1 7 6 0 ；处理钻碳化钨硬质合金( k c - 9 5 0 ) 刀具加工1 0 1 0 钢，刀具的 寿命提高2 5 1 5 0 p s i 。在k u r tm f g 公司，磁化处理t i n 涂层钻头和铰刀切削3 0 3 不锈钢，刀具寿命提高6 6 ；磁化处理六刃m i t s s u b i s m3 2 2 7 硬质合金刀具切削淬火并 镀铬的a i s l l 0 5 0 钢，刀具寿命提高5 3 i 。 脉冲磁化处理对刀具使用寿命提高的研究 近十年，我国一些大学和工厂也对磁化切削效果和机理进行研究。 大连铁道学院i | 9 】研制了p m 2 2 型脉冲磁化机，脉冲频率1 2 5 h z ，磁场强度0 2 2 k o e ，对磁化切削刀具的磨损进行了研究，研究结果如下： l 、在稳恒低磁场下：图1 5 为刀具的剩磁和耐用度的关系曲线，取相同的磨钝标 准，刀具的剩磁越强，则刀具的耐用度越高。 1 r = 0 g s 2 b r = 4 哇0 6 s 3 b r = 5 3 0 6 s 4 b p 嚣8 0 0 6 s 刀具刀刃磁化撮性n 援 v - - 2 8 a l i “ f j o 2 s u 瑚v a p = l a a 于切刺 图1 5 不周剩磁下的h s s 车刀磨损曲线 f i 9 1 5d i f f e r e n tl e n l a n e l l c , eo f h s st o o lw e a r c u r v e 图i 6 为不同进给量下切削速度对刀具耐用度的影响曲线，磁化切削有效的切削速 度o 4 0 m m i n ，进给量偏小为好。 力 鼻 盘 m 石百了i r 西 垡二! 二塑_ _ ! 二_ _ 童 切n 渡：警通乳化渡 贝部磁化掇性：n 搬 图1 6 不同进给量下的切削速度对刀具寿命的影响曲线 f i 9 1 6f c e dr a t eo f t h ec u t t i n gs p e e dt o o ll i f eo f c u r v e 大连理工大学硕士学位论文 2 、在脉冲磁场下，脉冲磁场1 9 q ，脉冲频率1 7 5 h e ，当切削速度接近高速钢的极 限速度5 0 r e r a i n 时，磁化处理仍能使刀具的耐用度提高1 5 倍，说明磁化处理在切削 范围广的情况下仍有效。 南京工学院1 1 q 应用研制的机外磁化与在机磁化装置，分别对高速钢车刀与硬质合 金可转位车刀进行了磁化切削普通切削刀具磨损的对比试验，高速钢车刀磁化切削4 0 c r 的结果表明，v = 2 0 r e r a i n ，磁感应强度5 2 0 g s 时，刀具磨损的减缓率为最大；硬质 合金车刀切削4 0 c r 的结果是，取厂= 0 3 3 5 m m r ，口。= 1 。5 r a m ，母= l o o m m j n ， a n = 1 x 1 0 5 0 安匝时车刀的耐用度提高2 6 7 倍。 1 3 本文研究工作 本文的结构和课题的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 查阅大量文献，充分探讨了国内外磁化处理研究的现状及磁化处理能提高刀具 使用寿命的部分机理。 ( 2 ) 基于电磁驱动原理，分析了高速钢的磁性能和磁化过程以及脉冲磁化处理高 速钢的机理。 ( 3 ) 在现有理论和前期的实验基础上，设计出了脉冲磁化处理装置，该磁化处理 机的重要特点是其磁场强度、磁化时间、频率可调，且磁化处理过程自动化，包括定时 控制系统、频率调整系统，自动换极控制线路以及退磁控制系统等。 ( 4 ) 在验证磁化处理能提高高速钢和硬质合金刀具耐用度和寿命的生产试验基础 上，又从研究刀具的机械性能和高速钢材料出发，进行了高速钢刀具材料磨损试验与材 料性能测定试验，包括测定硬度、摩擦系数、冲击韧性，进一步揭示磁致伸缩的磁化机 理，从固体物理的角度出发，用晶体位错理论补充解释耐磨性机理。 ( 5 ) 通过本脉冲磁化处理装置，选择磁场强度、磁化时间、频率作为目标输出， 设计了现场的正交化优化实验，通过实验验证影响脉冲磁化刀具性能及使用寿命的因素 主次顺序为磁场场强 频率 处理时问 脉冲磁化处理对刀具使用寿命提高的研究 脉冲磁化处理高速钢刀具机理 2 1 高速钢的磁性能 高速刚为铁磁体，它与抗磁、顺磁性和反铁磁性物质大不相同，只要在很小的磁 场作用下就能被磁化到饱合，不但磁化率x 0 ，而且数值大到1 0 , 一1 06 数量级，其磁化强 度m 与磁场强度h 之间的关系是非线性的复杂函数关系，反复磁化时出现磁滞现象， 具有剩余磁化强度，其磁化率都是磁场强度的函数，铁磁物质的一h 曲线和磁滞回线 见图2 1 和图2 2 。 物质内部的原子磁矩是按区域自发平行取向的，当铁磁性物质的温度比某一临界温 度t c 高时，铁磁性将转变成顺磁性，这一磁性转交温度称居里温度，铁磁性物质在磁 化过程中，还表现出磁晶各向异性和磁致伸缩现象，磁晶各向异性是同一铁磁物质的单 晶体，其磁化曲线随晶轴方向不同而有所差别，即磁性随晶轴方向而异，磁致伸缩是铁 磁物质伴随磁化，其体积和长度同时也发生变化p 3 1 。 图2 1 , l 一日曲线 f i 9 2 1 z h c u r v e i 而7 ，o 1 、 ， 之， 图2 2 磁滞回线 f i u 2 2h y s t e r e s i sl o o p 根据分子场假说：铁磁性物质在一定温度范围内( 0 - - , t o ) 存在与外加磁场无关的自 发磁化。导致自发磁化的相互作用力假设为铁磁特质内存在着分子场，这个分子场大小 为1 0 9 a m 数量级，原子磁矩在分子场作用下，自发地平行一致取向。 磁畴假设：自发磁化是按区域分布的，各个自发磁化区域称磁畴。在无外磁场时， 磁畴是自发磁化到饱和，但各磁畴自发磁化的方向有一定分布，使宏观磁体的总磁矩等 于零。 大连理工大学硕士学位论文 基于以上两理论，可以阐明铁磁体的自发磁化理论，解释铁磁物质在外加磁场中的 性质的磁畴理论或技术磁化理论。 铁磁体的磁致伸缩同磁晶各向异性的来源一样，是由于原子或离子的自旋与轨道的 耦合作用而产生，磁致伸缩是由自旋与轨道耦合能和物质的弹性能平衡而产生的。 假若铁磁体是单磁球体在外磁场作用下，磁致伸缩在不同的磁化状态下的表现情 况。在用2 3c a ) 中，t t e 时，单畴球体变成顺磁性球体。若h 司时降低温度，直到 t t e 时，顺磁性球体将转变成铁磁性的单畴。铁磁性的交换作用产生了体积磁致伸缩， 同交换能一样，体积磁致伸缩也是各向同性的。由于各向异性能和退磁场能作用产生了 线磁伸缩和附加的形状效应，其结果使圆球变成了椭球形。所以当其h = 0 ，且t 0 后，h 跃变到一个定值h 。，b 以一定的规律经过一定 ! 时间才趋于稳定值b 。，b = b 。( 1 一pr ) ，当t = 0 时，b z 6 3 2 。 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 2 驰豫过程 f i 9 2 1 2r e l a x a t i o np r o c e s s t 2 3 脉冲磁化处理改善刀具性能机理 综合国内外对磁化切削的研究，磁化切削提高刀具的耐用度的机理可归纳如下： 1 、钢的铁磁体性基体在未磁化状态下分成许多磁畴，在外磁场作用下，磁畴边界 被置换，白发的磁化作用在旋转，这时电子自旋短的方向改变，产生磁致伸缩变形，依 虎克定律，产生弹性应力，由钢的磁致伸缩引起的弹性场与由钢的真实位错结构引起的 弹性场之间的相互作用产生局部过应力。在这些地方，受力的原子间的结合由于热波动 而破裂的可能性剧烈上升，位错的扩大和迁移，以及由此引起的塑性变形区的形成，都 进展的极快，由于位错密度增加，生长中的位错地带使位错越来越难于迁移到其它不属 于这地带的滑动面时，刀具类似于经受某种冷加工，因而变形硬化了，然而，假如高速 钢经受太大的电流和功率的脉冲“锻造”，则在交界面处堆积起大量位错，从而使钢的 耐脆性降低。另外，也可能是显微裂痕的形成，是由平行进行的磁致伸缩作用造成的， 具有口铮转变，大迟滞回线的系统容易具有这一特性。在这种系统内，相到作用的能 量交换可能在很大程度上取决于原子间的距离。正是经磁化后其切削性能得到提高的 钢，显示出马氏体晶格参数的变化，s n p o s t n i k o v 用u r s 5 0 i m 型系统( 铬辐射) ， 经电离化方法得到两组钻头的x 射线结构分析数据，见表2 2 ，参数测定的相对误差是 1 0 - 4 ，显然，脉冲磁场使原子间距离约减少8 x 1 0 - 4 埃p q 。从显微照片证明，在高速钢 磁致伸缩变形的同时，碳化物的尺寸在缩小，且与位错密度增加时主要磁畴的尺寸减少 是一致的。但是此结构的一致性仍然是很好的，因为存在着大量从主要相中析出的致密 脉冲磁化处理对刀具使用寿命提高的研究 碳化物，而主要相在由冲击波引导起的剧烈强化过程中变成暂时稳定的，有报告说，在 局部应力作用下，在所有碳原子上，颗粒和位错边界处可能发生杂质原子的偏析。由于 科垂耳( c o t t r d l ) 气团的形成，沿着位错层的碳原子浓度的变化概率剧烈上升，它使碳 化相的个别粒子形成核心，扩散硬化是对磁化使硬度提高的很好解释。 表2 2r | 8 型钢钻头在磁致伸缩强化中的晶格参数值 t a b 2 2r 1 8s t e e ld r i l lb i ti nm a g n e t o s w i c t i v es 协m g l l l e nt h el a t t i c ep a r a m e t e rv a l u e s 晶格参数( 埃) 钻头号减少量 磁化前磁化后 l3 5 1 5 33 5 1 4 60 0 0 0 7 23 5 1 5 43 5 1 4 5o 0 0 0 9 33 5 1 5 33 5 1 4 60 0 0 0 7 43 5 1 5 33 5 1 4 60 0 0 0 7 高速钢经磁处理，显示出含有大量碳化物且分布更为均匀，碳化物的形状更里球状，引 起了应力集中的作用，基体界面处表面能降低，基体晶格的原子间结合力硬坏的激活功 能增加，使刀具钢的强度特性得到改进。 2 、磁化处理系统能降低摩擦系数，两所美国大学对f l u x a t r o n 设备进行磁化处理 研究，佐治亚工学院的研究人员发现磁化后使铁磁性材料( 铁、镍) 和无氧铜的基本结构 发生变化。新泽西理工学院的r o m a nd u b r o u k y 博士发现磁化处理系统能降低摩擦系数， 使刀具和工件间产生较少的热量，他还研究了轴承的磁化处理磨损，发现降低了磨损速 度，改善了磨损特性，即刀具材料晶粒细化，磨损粒子的体积减小，起水力润滑作用， 减小切削区的摩擦系数，减小切削热。 3 、在稳恒低磁场和脉冲磁场下进行试验，刃磨或重磨后，高速钢刀具工件表面含 有大量的残余奥氏体，刀具的材料经磁化处理，会转变为马氏体，而且马氏体晶格系数 减小，增加结构整体强度，提高刀具耐磨性。 磁致伸缩冷加工是金属整体强化，也能用加热的办法重新软化，特别是用循环加热 的方法。所以当刀具重磨时，高速钢可以很快地丧失其己增加的强度特性，当然，磁处 理也可由于使刀具相继钻一个个的孔造成周期性，不均匀的热而变弱。刀具在最初几次 刃磨后，其寿命下降，这可能与钢的表面层内含有大量的残优质产品奥氏体有关，为使 顺磁性奥氏体转变成铁磁性马氏体，刀具在每一次重磨之后需再作磁处理。 1 6 大连理工大学硕士学位论文 3 脉冲磁化装置的设计 3 1 磁化装置总体组成 根据论文要研究的影响刀具使用寿命而进行磁化的性能的指标，设计本磁化装置， 其中磁化时间、磁化频率及磁场强度大小可调。装置如图3 1 所示，装置的总体组成如 图3 2 所示 图3 1 m t a - i 型脉冲磁化处理装置 f i 9 3 1m t a - ip l l l s c dm a g n e t i ct z a t m e r t td e v i c e 图3 2 磁化装置总体组成 f i 9 3 2o v e r a l lc o m p o s i t i o no f m a g n e t i cd e v i c e s 脉冲磁化处理对刀具使用寿命提高的研究 本磁化装置的总体设计组成见图3 2 。基于实际需求，系统装置各组成部分作用如 下： ( 1 ) 磁化腔体设计：根据实验所需的磁场强度的大小和所处理刀具的尺寸大小， 选定磁化线圈的一些参数，确定线圈外形尺寸 ( 2 ) 充、放电电路设计：设计充电电路，把电网中的电能经过整流装置变成直流 电，送到电容器中储存起来。设计放电电路，完成电能和磁能的转换。 ( 3 ) 定时控制系统：采用5 5 5 定时器，构成顺序定时电路 ( 4 ) 频率调整系统：设计调频电路，调整振荡频率。 ( 5 ) 退磁控制系统：设计交流退磁电路，完成了刀具的退磁 ( 6 ) 自动换极控制线路设计：设计自动换极线路，本控制线路采用自动控制电路 来使脉动磁场换极，完成充磁过程中的充、放电的自动转换过程 3 2 磁化腔体设计 设计内容：根据实验所需，本磁化装置能够产生磁场强度的大小为5 x 1 0 s 、2 x 1 0 s 频率大小为2 l z 、1 h z ，磁化时间4 5 s 、2 5 s 根据所处理刀具的尺寸大小，选定磁化线圈 的一些参数，确定线圈外形尺寸 线圈外形尺寸见图3 3 。 参数：，= 1 0 0 r a m ，d o = 1 0 0 r a m ，d o = 6 0 r a m 线圈每层匝数n ： n = 2 1 d o = 2 0 0 匝层 1 0 层总匝数： = 1 0 n = 1 0 2 0 0 = 2 0 0 0 匝 总线圈厚度t ： f = ( 1 0 一1 ) 鲁压+ = 9 x 去括+ 1 0 = 8 7 9 二上 约化外半径系数a ： 口= 如蜀= ( 焉+ f ) 置= ( 3 0 + 8 7 9 ) 3 0 = 1 2 9 约化半长度口： = ，置= 1 0 0 3 0 = 3 3 3 大连理工大学硕士学位论文 i 马1 日爿鼍 u 、n 、n u 、n u 、n n 、。 一 l 一 线圈电流电阻r ： r ：万n ：竺! 巳 2 f l ( a 一1 ) a r 图3 3 线圈 f i g 3 3c o i l ；石2 0 0 0 2 ! ：兰2 ! 1 5 8 x 1 0 - 6 x 1 。 2 3 3 3 ( 1 2 9 1 1 0 7 5 x 3 0 其中：p 铜的电阻率，p = 1 5 8 x 1 0 “d c m ；五一线圈导体的占空系数，五= 0 7 5 。 线圈电感l ： 瑚取 。旷墨盟i 垫兰l -1 2 2 p + a 一1l il = 。纠枷o o o 哔 黑 1 - i l j j j二y 一l 1 9 脉冲磁化处理对刀具使用寿命提高的研究 1 m 纭万滁 v v ： 图3 4 欠阻尼d ( 1 ，临界阻尼d = l 和过阻尼d l 的比较 f i g 3 4 c o m p a r e f o r t h ed a m p i n g o f o w e 、c r i t i c a la n ds u p e r = i t g 一1 ( t 2 c o l ) k = 粤d 1 s i n m t m l 其中： 啪曲。拓 当d l ，是虚数，电流上升到最大值而后降到零，并不变负。 。= i 1 矿( t 2 k l ) k = d 2 半 其中： 砬= e x p 一c 南一拓 厅：再 1l 七= ( 三c ) 2 ( d - 1 ) 2 ； 当d = 1 ，国扎。= 2 l r ，k = 等= o 7 3 6 u r 。 设：当t = f 。时出现最大场强，达到最大值k ： k = 冬p 一s i n t o t 。 l 大连理工大学硕士学位论文 6 = r | j z l 国= 簖- 8 2 = 1 历 j = r 2 l = 1 0 4 6 2 0 2 6 = 2 0 1 砩= 1 c = 1 4 0 2 6 x 4 0 3 x 1 0 。3 = 3 0 8 9 t a d s 印= 西一艿2 = 3 0 8 9 2 2 0 1 2 = 2 3 4 6 r a d s r 蛳= 扣仁= 去培_ i ( 丝鬻龛警一o 啪s 则。 。= 轰e 吨血 ： ! ! ! 。m ，x o 0 3 ，一4 6 x 0 0 3 ， 2 3 4 6 0 2 6 = 1 8 4 彳 电流密度，： ，： 丝 ：三业! ! ! ：兰：2 0 9 4 a m 埘2 。 2 ( 是一r t ) 1 2 x 8 7 9 x 1 0 0 零阶磁场系数： 胁 ( 口+ 研) ( 1 + 厢) m 。( 口，) = = 3 3 3 1 n ( 1 2 9 + x 1 2 9 2 + 3 3 3 2 ) 1 + i 丽 = 0 2 7 螺线管磁场中点的磁场强度： h ( o ，0 ，o ) = m o ( 口，) r l _ ， = o 2 7 3 0 1 0 - 3 2 0 9 4 1 0 6 = 1 7 2 x 1 05 a m 磁感应强度b ： b = 鳓=