[发明专利]铁基材料磁场辅助加工机床及加工方法

说明书

一种铁基材料磁场辅助加工机床及加工方法，铁基材料磁场辅助加工机床包括主轴、安装架、金刚石刀具和线圈组件，所述主轴和所述安装架相对设置，所述金刚石刀具安装在所述主轴和所述安装架的其中一者，其余一者用于安装工件，所述线圈组件用于套设在所述工件的外周，所述线圈组件产生磁场，所述金刚石刀具在所述磁场中切削所述工件。通过在工件的外周设置线圈组件，线圈组件通电产生磁场，金刚石刀具在磁场中切削工件，能够较好地抑制了金刚石刀具的石墨化，有效降低了金刚石刀具的磨损，而且成本较低，工艺也较为简单，能够应用于长距离切削。

技术领域

本发明属于铁基材料加工技术领域，尤其涉及一种铁基材料磁场辅助加工机床和铁基材料磁场辅助加工方法。

背景技术

铁及其合金等铁基材料因为其优良的力学性能而被广泛应用在工业生产中，但因其与碳元素的亲和性，因此在超精密切削中应用金刚石刀具切削铁基材料极易使刀具石墨化。金刚石刀具的石墨化会给锋锐的金刚石刀具带来灾难性的刀具磨损，因此刀具使用寿命大大降低，不仅会因为消耗金刚石带来高昂的加工成本，而且以车代磨加工出光学级镜面使的方案无法实现。

目前抑制金刚石刀具石墨化的技术手段主要有以下三种：

①工件表面渗氮，渗氮工艺是利用在渗氮的过程，氮元素会与铁元素中未配对的d电子产生键合形成化合物，进而降低铁元素与碳元素的亲和性，减弱铁基材料对金刚石刀具石墨化的催化作用。为获得微米级别稳定厚度的渗氮层，工件表面渗氮方案多采用离子渗氮工艺，这有利于在超精密加工中获得光学级镜面的表面粗糙度。虽然采用表面渗氮工艺可以实现工件加工表面粗糙度Ra＜10nm，但渗氮过程的高温所导致的工件不均匀热变形以及渗氮层的复杂性与不均匀性会影响超精密加工精度，渗氮层内氮化物硬点会加大金刚石刀具的磨粒磨损与崩刃。

②金刚石刀具离子注入，金刚石刀具离子注入工艺源自于天然金刚石刀具中的杂质元素会对金刚石石墨化产生影响，由此诞生了金刚石元素注入方案。在注入元素选取方面，采用氮离子注入金刚石刀具加工钢材，实验结果表明可以显著提高刀具耐磨性。采用铬离子注入金刚石刀具加工碳钢，但却加重了刀具磨损。采用镓离子注入金刚石刀具加工铁基合金可以获得10nm以下的表面粗糙度，金刚石刀具未见明显磨损，但其加工距离只有50m，无法进行长距离切削。与材料表面渗氮原理相似，金刚石刀具离子注入方案的本质也是为了降低铁元素与碳元素的亲和性，减弱铁基材料对金刚石石墨化的催化作用。离子注入工艺会对金刚石晶格结构会造成永久性损伤，影响金刚石的硬度属性，因此对超精密加工精度方面有负面影响。

③超声振动辅助切削，是一种沿切削方向高速振动的一种特种切削技术，其切削钢铁材料试验表明，超声振动辅助金刚石切削黑色金属使金刚石刀具磨损明显减少并提高了工件表面质量。然而，金刚石刀具磨损只是在一定程度上减轻了并非完全得到了抑制，随着切削时间或切削距离的加长，金刚石石墨化和积屑瘤的迹象依然存在。

因此上述三种方案虽然在一定程度上抑制了金刚石刀具切削铁基材料的磨损，但抑制效果仍然不如人意，且不能应用于长距离切削，均需要复杂的工艺要求和昂贵的设备，导致成本也较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁基材料磁场辅助加工机床及方法，能够明显地抑制金刚石刀具的磨损，同时成本较低，工艺较为简单，能够应用于长距离切削。

为实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种铁基材料磁场辅助加工机床，铁基材料磁场辅助加工机床包括主轴、安装架、金刚石刀具和线圈组件，所述主轴和所述安装架相对设置，所述金刚石刀具安装在所述主轴和所述安装架的其中一者，其余一者用于安装工件，所述线圈组件用于套设在所述工件的外周，所述线圈组件通电产生磁场，所述金刚石刀具在所述磁场中切削所述工件。

一种实施方式中，所述铁基材料磁场辅助加工机床还包括控制器以及为所述线圈组件通电的电源装置，所述控制器控制所述电源装置输出的电流的强度和方向。