母德強, 呂洪旭*, 趙世彧, 蒼 鵬, 馬松彪, 韓樹濤

(1.長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012;2.中車長春軌道客車有限公司， 吉林 長春 130012)

0 引 言

提高刀具耐用度一直是機械制造業(yè)重點研究問題之一。刀具耐用度的提高，不但可以降低加工成本，而且還能節(jié)省由于刀具的裝卸、刃磨所需的時間，從而提高生產(chǎn)效率。

采用磁化處理技術(shù)對刀具進行處理，是一種較為新穎、有效的刀具處理方式。它是利用磁場對切削刀具進行短時(一般在2 mm左右)處理，在不改變原有加工條件的情況下，可以顯著地提高刀具耐用度，具有成本低、速度快等特點，并得到研究工作者和企業(yè)工程師們的高度重視。

從國內(nèi)外研究成果報道來看[1-8]，美國在理論和應(yīng)用方面的研究領(lǐng)先，研究成果已在機械生產(chǎn)加工中得到了應(yīng)用。而國內(nèi)的大部分成果處于試驗性研究階段，或簡單的現(xiàn)場試驗研究，還沒有能適用于市場的產(chǎn)品，亟待開發(fā)，制約產(chǎn)品應(yīng)用的一些關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決。

文中主要研制一種可用于實際生產(chǎn)中的刀具交流磁化處理裝置。裝置具有成本低、使用簡單的特點，在不改變實際加工條件情況下，對刀具進行優(yōu)化處理參數(shù)分析，最終確定最佳刀具處理參數(shù)。

1 刀具磁化處理裝置設(shè)計

1.1 刀具磁化處理裝置系統(tǒng)總體設(shè)計

文中研制的刀具磁化處理裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 刀具磁化處理裝置電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從圖1可以看出，刀具磁化處理裝置主要包括觸摸屏、核心控制系統(tǒng)、程控變頻電源、磁化處理腔體。刀具磁化處理裝置通過核心控制系統(tǒng)連接的彩色觸摸屏進行磁化處理參數(shù)設(shè)定；之后，核心控制系統(tǒng)對設(shè)定參數(shù)進行分析計算，產(chǎn)生可編程變頻電源的參數(shù)信息；然后，核心控制系統(tǒng)通過RS232通信接口控制可編程變頻電源輸出電壓、頻率、磁化處理時間，以及去磁形式與時間；最后，再確定處理參數(shù)，對磁化處理腔體進行處理。

1.2 磁化處理腔體的設(shè)計

磁化處理腔體采取圓柱腔體式，如圖2所示。

圖2 磁化處理腔體幾何尺寸圖

磁場強度主要由圈內(nèi)半徑R1、線圈銅線直徑d0、圈有效長度L、線圈總層數(shù)m層等因素決定。

參考目前的研究成果[9-14]，文中所設(shè)計的磁化處理腔磁感應(yīng)強度應(yīng)大于60 mT。同時，線圈支架采用非導(dǎo)電材料制成，以消除金屬支架產(chǎn)生的反向感應(yīng)電場對磁化處理的影響。

1.3 程控變頻電源的設(shè)計

程控變頻電源電路原理如圖3所示。

由如圖3可以看出，程控變頻電源電路包括Ⅰ～Ⅶ等七部分及電源控制系統(tǒng)部分組成，其中Ⅰ為電源濾波電路;Ⅱ為AC-DC變換電路;Ⅲ為DC-AC變換電路;Ⅳ輸出電壓檢測電路;Ⅴ為輸出電流檢測電路;Ⅵ為頻率及功率因數(shù)檢測電路;Ⅶ 為通信接口電路;Ⅶ為電源控制系統(tǒng)。

1.4 核心控制系統(tǒng)及觸摸屏

文中設(shè)計的可編程刀具磁化處理儀核心控制系統(tǒng)采用STM32F4開發(fā)系統(tǒng)系統(tǒng)，包括主控制器、RS232接口電路、觸摸屏接口電路等三個主要部分，如圖4所示。

圖3 程控變頻電源電路原理圖

(a) STM32F4開發(fā)系統(tǒng)主控器電路原理圖

(b) STM32F4開發(fā)系統(tǒng)主控系統(tǒng)RS232接口

(c) STM32F4開發(fā)系統(tǒng)主控系統(tǒng)觸摸屏接口圖4 STM32F4開發(fā)系統(tǒng)電路原理圖

圖4(a)中可以看出，主控制器采用STM32F429IGT6型ARM芯片，包括復(fù)位電路、系統(tǒng)時鐘電路、RTC時鐘電路、備份電源接口等。主控芯片通過圖4(b)中電路接口與程控變頻電源相連接，向程控變頻電源發(fā)送控制信息，實現(xiàn)對程控變頻電源的時時控制。主控芯片通過圖4(c)中電路接口與非標式TFT LCD相連接，由TFT LCD觸摸屏獲取觸控信息，實現(xiàn)磁化處理參數(shù)的采集。主控芯片在獲得磁化處理參數(shù)后，通過計算、分析產(chǎn)生程控變頻電源的控制信息，并將控制信息時時發(fā)送給程控變頻電源。

圖4(b)中的RS232接口電路包括RS232的一路9針公頭RS232硬件接口、一路9針母頭RS232硬件接口、RS232轉(zhuǎn)RS485接口電路等。該接口電路實現(xiàn)主控制器與程控變頻電源的連接，控制器通過此接口向程控變頻電源發(fā)送控制信息。

圖4(c)中的觸摸屏接口電路包括一個非標式FMC接口。該接口電路實現(xiàn)主控制器與觸摸屏的連接，控制器通過此接口采集觸摸屏發(fā)送的用戶信息，用于參數(shù)的計算和分析。

2 刀具磁化處理裝置研制與參數(shù)測試

文中的目標是設(shè)計并制作一臺能夠應(yīng)用于實際現(xiàn)場的刀具磁化處理裝置，能夠根據(jù)需要完成刀具磁化處理試驗和生產(chǎn)需求。對刀具磁化處理線圈的制作、刀具磁化處理線圈的快速更換、刀具磁化處理裝置內(nèi)部的磁屏蔽、刀具磁化處理裝置散熱等方面給予了特殊考慮。

2.1 裝置的研制

文中所研制的刀具磁化處理裝置如圖5所示。

圖5 刀具磁化處理裝置

2.2 試驗方案的設(shè)計

研制的刀具磁化處理裝置、磁化處理腔支架采用電木管作為磁化處理線圈骨架，消除反向感應(yīng)電場的影響，參數(shù)如下：

磁化線圈有效半長L=150 mm;磁化處理骨架外半徑R1=22 mm;磁化線圈線徑d0=1.0 mm;磁化線圈層數(shù)m=12層。

磁化處理腔體安裝結(jié)構(gòu)及接線圖如圖6所示。

圖6 磁化處理腔體安裝結(jié)構(gòu)及接線圖

為實現(xiàn)對不同尺寸刀具處理，磁化處理線圈腔體尺寸可以根據(jù)磁化處理刀具尺寸變動，能夠最大限度地滿足不同刀具磁化處理的需求，因此，圖中的刀具交流磁化處理安裝結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)快速更換磁化線圈，磁化處理線圈安裝側(cè)板使用螺栓螺母固定在側(cè)板上，與磁化處理裝置其它部分不發(fā)生關(guān)系，更換時僅需拆卸螺栓螺母就可使磁化腔體與磁化處理裝置分離，磁化線圈采用插拔式連線方式連接到程控變頻電源的輸出端。

為減少磁化處理線圈對主控系統(tǒng)、變頻電源系統(tǒng)的干擾，內(nèi)部采用金屬橫隔板和縱隔板進行分割，將內(nèi)部分割成三個相對獨立部分，每個部分形成一個獨立的完整閉合空間，以削弱相互之間的電磁場或磁場的干擾。

變頻電源在工作時，為輸出足夠電功率，其AC-DC轉(zhuǎn)換、DC-AC轉(zhuǎn)換的功率型IGBT產(chǎn)生大量的熱量，磁化處理線圈也產(chǎn)生一定熱量，為此，在變頻電源功率型IGBT上加有金屬散熱片，在機體側(cè)板變頻電源部分對應(yīng)位置開有排風(fēng)孔，并且在機體后側(cè)加裝兩個散熱風(fēng)扇對其進行主動式風(fēng)冷散熱。刀具磁化處理裝置散熱系統(tǒng)如圖7所。

圖7 刀具磁化處理裝置散熱系統(tǒng)

3 參數(shù)測試與結(jié)果分析

研制的刀具磁化處理裝置處理參數(shù)測試結(jié)果：頻率在45～120 Hz連續(xù)可調(diào)；電壓在0～220 V連續(xù)可調(diào)；最大輸出功率1 kW；磁化處理時間在0～999 s間設(shè)定。此外，消磁處理電壓衰減形式按線性或指數(shù)曲線進行，而且，磁化處理和消磁處理全自動順序完成。

對如圖2所示磁化處理腔體中心點磁場強度進行測量，磁化處理腔體幾何尺寸及參數(shù)為：磁化線圈有效半長L=150 mm;線圈骨架(非導(dǎo)電材料)外半徑R1=22 mm;線圈漆包線線徑d0=1.0 mm;磁化線圈層數(shù)m=12層。頻率分別取45、65、85 Hz；電壓分別取68、100、115、123、146 V。

磁場強度測量結(jié)果和計算結(jié)果見表1。

表1 磁場強度測量結(jié)果和計算結(jié)果

從表1數(shù)據(jù)可以看出，當頻率取45 Hz，電壓取146 V時，刀具磁化處理裝置線圈中所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度可達到80.0 mT，但是，輸出功率僅為412 W，并沒有達到輸出功率的最大值1 kW，因此，只要電流值在漆包線耐熱允許的情況下，仍可以通過提高電壓值來提高磁感應(yīng)強度。

4 結(jié) 語

文中研制的刀具磁化處理裝置可根據(jù)實際刀具工況設(shè)定不同的處理參數(shù)：處理時間在0～999 s間設(shè)定，處理頻率在45～120 Hz間設(shè)定，電壓在0～220 V間設(shè)定，消磁處理電壓衰減形式按線性或指數(shù)曲線進行。

在刀具放入磁化處理腔體,完成參數(shù)設(shè)定后，裝置能夠全自動實現(xiàn)刀具的磁化處理和消磁后期處理，無需人為再次干預(yù)，可顯著提高刀具磁化處理效率和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。此外，該裝置不但可用于實際生產(chǎn)，由于處理參數(shù)連續(xù)可調(diào)，也可以用做實驗研究儀器。