脉冲电磁处理参数对硬质合金服役寿命的影响
1 引言
刀具材料的性能、质量和可靠性将直接影响整个机械制造业生产技术水平和经济效益的高低［1］。每年刀具磨损给全球经济带来的损失高达数千亿美元，因此充分挖掘刀具的切削性能和服役寿命提高刀具的加工能力，已得到越来越多的关注。采用新型材料如金刚石、PCBN、陶瓷是提高刀具使用寿命的有效途径之一，但由于价格较高，且加工受限因素较多，其实用化程度不高；涂层刀具虽然可以提高刀具的使用寿命，但价格偏高，涂层对环境也有一定污染。而外场技术是制造领域的新兴技术，包括了磁场、电场、微波场、超声波等［2］，刀具的磁化处理是将刀具置于磁场中，使刀具内部产生磁致伸缩效应，改变刀具内部的位错形态分布，释放残余应力，从而提高刀具使用寿命。电脉冲处理则是外场强化刀具的另一个较为热门的方法，由于外加高能电流的引入，材料内部原子运动能提高，位错激活能降低，加速位错运动，使得材料表现出较高的塑性和室温变形能力［3］。而脉冲电磁处理是让这两种外场同时作用，使刀具获得更好的切削性能和服役寿命。脉冲电磁处理具有操作简单、处理时间短、成本低的优点，但该技术还处在起步阶段，距离工业应用还有一定距离，主要原因是脉冲电磁处理使材料性能提升的机理尚未完全揭示，并且，对于不同刀具材料应当使用更合适的电磁处理参数使其服役寿命得到最大提升等问题也还有待深究。
本文在前期使用COMSOL Multiphysics对脉冲电磁处理装置进行仿真分析的基础上，通过正交试验得到使YT15硬质合金具有最大服役寿命的电磁处理参数，并分析切削过程的切削力和磨损量。
2 脉冲电磁处理原理及磁场分布仿真
2.1 脉冲电磁处理原理
采用自主设计研制的电磁处理仪器（见图1）对刀具进行电场和磁场的耦合处理，主要包括磁脉冲发生装置和电脉冲发生装置。磁脉冲发生装置主要由励磁线圈和电容放电组组成，电容组充电完成后瞬间放电产生的电流通过励磁线圈产生了脉冲磁场。电脉冲发生装置主要由电源系统和数控脉冲系统组成，电源系统将380V、50Hz的交流电整流输出为0～10V的直流电。数控脉冲系统主要通过PLC编程产生，可以改变脉冲电流的波形大小以及输出方向。
图1 脉冲电磁处理原理
2.2 脉冲电磁处理磁场分布仿真
在COMSOL Multiphysics软件中对处理过程进行有限元仿真［4］，得到励磁电流峰值时磁通密度空间分布特征（见图2）。如图3所示，以励磁线圈轴线为Z轴，可得到沿Z轴的磁通密度分布可知其磁场对称分布，且中心处磁场最强。
图2 励磁电流峰值时磁通密度空间分布
图3 励磁线圈轴线磁场分布曲线
3 正交试验分析
3.1 车削试验条件
在CAK6132数控机床上进行外圆干式车削试验，刀具为YT15硬质合金，工件为40Cr，刀具几何参数及工件力学性能见表1和表2。工艺参数：背吃刀量ap＝0.5mm，转速n＝540r/min，进给量f＝81mm/min。选用瑞士产Kistler9257B三相测力仪实时监测切削力，使用VMS-3020影像测试仪对刀具的磨损量进行判定，以后刀面磨损值VB＝0.3mm作为刀具失效标准，以此时的切削时间作为刀具服役寿命，车削试验平台见图4。
表1 刀具几何参数刀具型号 前角 后角 副后角主偏角过渡棱宽度排屑槽宽度刀尖圆弧半径YT15 6° 6° 7° 90° 0.2mm 5mm 0.3mm
表2 工件力学性能工件牌号 硬度（HBS）抗拉强度 屈服强度 延长率40Cr 230 980MPa 700MPa 9%
图4 外圆车削试验平台
3.2 正交试验设计
影响脉冲电磁处理效果的因素较多，考虑到设备的可调性，选取了磁通密度、磁脉冲个数、脉冲电压及电脉冲组数4个因素［5］，并在前期研究的基础上确定各水平取值，构建四因素三水平的正交试验表（见表3）。
表3 脉冲电磁处理正交试验表因素磁参数 电参数磁通密度（T） 磁脉冲个数 脉冲电压（V）电脉冲组数试样1 1 5 0.8 10试样2 1.5 10 0.8 20试样3 2 15 0.8 30试样4 1 10 1.2 30试样5 1.5 15 1.2 10试样6 2 5 1.2 20试样7 1 15 1.6 20试样8 1.5 5 1.6 30试样9 2 10 1.6 10
4 试验结果
（1）正交试验结果
未经过脉冲电磁处理的试样其刀具服役时间平均值为2700s。处理后的刀具服役寿命见表4。可见，脉冲电磁处理后，各试样的刀具服役寿命均明显提高，与未处理试样相比最大提升了57.2%，另外从极差分析结果可以看出，磁通密度对刀具服役寿命的影响最大，磁脉冲个数次之，电压强度和电脉冲组数对其影响较小，在该正交试验参数范围内，提高YT15硬质合金刀具服役寿命的最佳参数为磁通密度2T，磁脉冲个数10个，脉冲电压0.8V，电脉冲组数20个。
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