交流磁化處理對高速鋼刀具加工質(zhì)量的影響

劉 政 郭 頌 諶慶春

(①江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000；②江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)械制造中應(yīng)用的高強(qiáng)度、高性能材料日益增多，對加工質(zhì)量的要求也越來越高；從而使企業(yè)尋求能夠提高加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本的切削技術(shù)的需求日益迫切；故切削技術(shù)已由傳統(tǒng)的以機(jī)械為基礎(chǔ)的切削技術(shù)發(fā)展到外加能量(如低溫切削、磁化切削、振動切削、電切削等)的特種切削方法。高速鋼是鐵磁性材料，具有較高的剩磁感應(yīng)和較大的矯頑磁力[1]，且正常的切削溫度在650℃以下，因此可以進(jìn)行帶磁切削。有研究表明[2]，通過磁化處理可以提高刀具的切削性能，延長使用壽命，提高加工質(zhì)量。

機(jī)械零件加工表面質(zhì)量直接影響零件的物理、化學(xué)及力學(xué)性能，而產(chǎn)品的工作性能及壽命很大程度上取決于主要零件的表面質(zhì)量。粗糙度是表示零件加工質(zhì)量的一個(gè)重要因素，因此尋求改善零件表面粗糙度的方法具有重要意義。近年國內(nèi)有學(xué)者從數(shù)控加工方面對磁化處理進(jìn)行研究，并對其加工精度進(jìn)行了探究，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的改善表面粗糙度的方式(如選擇合理的刀具幾何角度、選擇合理的切削用量)相比，帶磁切削的方式更為簡單經(jīng)濟(jì)，而且還可以與傳統(tǒng)方式相結(jié)合而得到更好的加工質(zhì)量[3-4]。

因高速鋼刀具具有良好的綜合性能，使其在現(xiàn)代刀具的制造和使用中仍占有重要的地位。因此，對提高高速鋼刀具切削性能方法的研究仍是現(xiàn)代切削加工研究中的一個(gè)重要課題。本文就磁化處理對高速鋼刀具切削性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和研究：通過自制的交流磁化裝置對高速鋼刀具(W6Mo5Cr4V2)在不同參數(shù)下進(jìn)行磁化，并在車床上進(jìn)行車削45#鋼的實(shí)驗(yàn)，通過測定已切削工件的表面粗糙度的變化，初步探究了磁化處理對高速鋼刀具加工質(zhì)量的影響，并探討了磁化頻率和磁化時(shí)間及切削條件(主要是切削速度和進(jìn)給量)對磁化切削的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括自制的交流磁化裝置、普通車床(型號為C6132A，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1 100 r/min)、表面粗糙度測量儀器(型號為SJ-201)。實(shí)驗(yàn)所用刀具材料為高速鋼刀具(W6Mo5Cr4V2)，工件材料為45#鋼棒材。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

將準(zhǔn)備好的高速鋼刀具放入自制的交流磁化裝置中進(jìn)行磁化處理，處理參數(shù)分別為2 Hz，20 s；2 Hz，45 s和30 Hz，20 s。然后用未磁化的刀具及經(jīng)以上參數(shù)處理的刀具在機(jī)床上進(jìn)行車削外圓的實(shí)驗(yàn)，在固定進(jìn)給量f=0.2 mm/r，切削深度ap=1.5 mm下，分別在切削速度為v=180、280、380、480 r/min下進(jìn)行切削(干式切削)。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中仔細(xì)觀察切削過程及切屑在刀具上的滯留情況，收集切屑并做好記錄。切削完成后測量被切棒料的表面粗糙度(Ra輪廓算術(shù)平均差)，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取最優(yōu)的磁化參數(shù)及切削速度，在不同的進(jìn)給量下進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。在粗加工及半精加工過程中，切削深度比進(jìn)給量及切削速度對表面粗糙度的影響要小的多，所以在實(shí)驗(yàn)過程中對該參數(shù)沒有進(jìn)行討論。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的主要是粗加工過程，因此測得的表面粗糙度值偏大。為探討磁化處理對高速鋼刀具加工質(zhì)量的影響，將相同規(guī)格的未經(jīng)磁化處理的刀具及經(jīng)磁化處理后的刀具在機(jī)床上進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，切削條件為f=0.2 mm/r，ap=1.5 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。為了更好地比較不同轉(zhuǎn)速下未經(jīng)磁化處理的刀具及經(jīng)磁化處理后的刀具的切削質(zhì)量，將表1的結(jié)果用柱狀圖表示，見圖1所示。

由表1和圖1可以看出，經(jīng)磁化處理后的刀具(不論磁化參數(shù)如何)比未磁化刀具加工工件的表面粗糙度值要小，且在切削速度較低時(shí)更為明顯；查光潔度與粗糙度Ra的換算表可知普通切削加工工件的表面光潔度大約為▽3級，而磁化切削的表面光潔度大約為▽4級，因此磁化切削比普通切削的加工質(zhì)量提高約1級。通過觀察被加工工件的已加工表面發(fā)現(xiàn)，普通切削工件的加工表面在切削速度較低時(shí)有明顯的磷刺和走刀痕跡，而磁化切削則基本無法辨出。

通過圖1還可發(fā)現(xiàn)：在相同磁化頻率不同磁化時(shí)間及相同磁化時(shí)間不同磁化頻率下處理的刀具對工件表面加工質(zhì)量的影響也不相同。在磁化頻率同為2 Hz時(shí)，磁化時(shí)間20 s比磁化時(shí)間45 s的刀具加工出來的工件的表面粗糙度值要小；而在磁化時(shí)間均為20 s時(shí)，磁化頻率為2 Hz要比磁化頻率為30 Hz處理的刀具加工出來的工件的表面粗糙度值小。圖1還反映了隨著切削速度的提高，表面粗糙度值有減小的趨勢，說明切削速度對加工質(zhì)量也是有影響的。將以上實(shí)驗(yàn)用的4把刀具在光學(xué)顯微鏡下觀察并拍照如圖2所示，通過觀察可明顯發(fā)現(xiàn)，刀具經(jīng)磁化后刀尖處的積屑瘤要比未磁化刀具的小。

為了探究磁化刀切削在不同進(jìn)給量時(shí)對加工質(zhì)量的影響，在以上實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，選取了未磁化刀具及磁化參數(shù)為2 Hz、20 s處理過的刀具在不同進(jìn)給量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，切削條件為v=480 r/min，ap=1.5 mm。

結(jié)果如表2所示。同樣，為了更直觀地比較磁化刀具與未磁化刀具在不同進(jìn)給量時(shí)對加工質(zhì)量的影響，將表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果用柱狀圖表示，見圖3所示。

表2 不同進(jìn)給量下磁化切削與普通切削加工工件的表面粗糙度

由圖3可知，無論是較小或較大進(jìn)給量的情況下，經(jīng)過磁化處理的高速鋼刀具切削45鋼工件的表面粗糙度值均比未磁化處理的高速鋼刀具的要小。另外，在高速切削的情況下，進(jìn)給量對表面粗糙度的影響較大，隨著進(jìn)給量的增加，經(jīng)兩種刀具加工后的工件表面粗糙度值逐漸增大，但是，磁化處理的高速鋼刀具加工表面的粗糙度值增大較緩慢，見表2和圖3所示。同時(shí)觀察已加工工件的表面，發(fā)現(xiàn)加工表面的磷刺及走刀痕跡均不明顯；由圖3及圖1還可發(fā)現(xiàn)高速下進(jìn)行的磁化刀切削與普通刀切削相比，加工工件的表面粗糙度值仍有所減小但并不如低速時(shí)明顯。

3 討論

本實(shí)驗(yàn)自制的磁化裝置可以通過外接變頻器對磁化過程進(jìn)行控制并選用不同頻率對刀具進(jìn)行磁化，磁化頻率及磁化時(shí)間的選取是根據(jù)之前對高速鋼刀具磁化后力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而來，通過選用不同磁化頻率及時(shí)間從而探索磁化參數(shù)對磁化切削的影響；實(shí)驗(yàn)中還選擇了不同的切削速度(低速、中速、高速)及不同進(jìn)給量來觀察磁化處理對刀具切削質(zhì)量的影響，從而在切削用量及加工方式方面探究了磁化切削與普通切削的不同。影響工件已加工表面粗糙度的因素有很多[5]，主要包括：刀具幾何角度及刀具材料的影響、切削用量的影響、工件材料性質(zhì)的影響、積屑瘤和鱗刺的影響及切削過程中的振動等方面。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，磁化處理可以提高高速鋼刀具的加工質(zhì)量，且在切削速度較低的情況下效果更加明顯，而高頻磁化的效果則不如低頻的效果好。仔細(xì)觀察高頻磁化刀具的切削過程可以發(fā)現(xiàn)，在切削過程中切屑斷裂后并沒有從刀具上脫落，而是由于刀具本身的剩磁強(qiáng)度太大而被吸附在刀具上，這就使得切削過程中刀具及工件的摩擦增大，切削熱增多，同時(shí)也使得切屑更容易劃傷已加工表面，從而使工件的加工表面質(zhì)量下降。而未磁化高速鋼刀具在中低速切削時(shí)易產(chǎn)生積屑瘤[6]，積屑瘤形成后便穩(wěn)定的冷焊在前刀面上從而代替主切削刃進(jìn)行切削，而積屑瘤的表面輪廓并不均勻，因此會在加工表面切出一道道深淺和寬窄不同的犁溝，從而增大了工件表面的粗糙度值，降低了工件表面的質(zhì)量；同時(shí)由于積屑瘤的存在還容易導(dǎo)致加工表面鱗刺的形成，進(jìn)一步使工件已加工表面的粗糙度值加大，所以刀具在中低速普通切削時(shí)加工工件的表面粗糙度值比較大。積屑瘤是在加工過程中切屑對刀具的前面產(chǎn)生有很大的壓力，并且摩擦生成大量的切削熱從而使部分切屑粘附在刀具近刀尖的前面上形成的。由于磁化處理后剩磁的作用使得高速鋼內(nèi)部磁疇的變化在切削過程中可使切削力減小[7]，從而使切削溫度下降并使加工系統(tǒng)的相對變形減小，剛度提高。由于切削力的減小、切削溫度的降低及摩擦系數(shù)的減小阻礙了切削過程中積屑瘤的形成從而使加工工件的表面粗糙度值減小，提高了加工質(zhì)量。因此中低速切削時(shí)磁化切削的效果最明顯。國外也有學(xué)者指出刀具經(jīng)磁化處理后磨損有明顯降低[8-9]，國內(nèi)也有研究表明[10-11]，因磁化后高速鋼力學(xué)性能的改變及切削過程中摩擦系數(shù)減小，切削熱減少，從而磁化處理還可以提高高速鋼刀具的使用壽命。

綜上所述，高速鋼刀具經(jīng)磁化處理后，在切削過程中能夠減小加工工件的表面粗糙度值并且提高刀具的使用壽命，但在磁化參數(shù)不同時(shí)刀具切削性能的改變也不相同。本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果顯示，高速鋼刀具經(jīng)過低頻磁化處理，其切削效果較好。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)選擇合理的磁化參數(shù)來改善高速鋼刀具的加工質(zhì)量，以提高經(jīng)濟(jì)效益。此外，由于切削用量對切削質(zhì)量有很大影響，因此可以通過結(jié)合磁化處理及改變切削條件而獲得更好的切削質(zhì)量。

4 結(jié)語

(1)磁化處理可提高高速鋼刀具的加工質(zhì)量，主要表現(xiàn)在可以減小被加工工件的表面粗糙度值，其原因是經(jīng)過磁化處理后，刀具性能得到改善，使刀具切削過程的切削力和切削振動也有所變化。

(2)經(jīng)磁化處理的高速鋼刀具在切削中比普通切削多了磁場強(qiáng)度等要素，而在一定切削速度下，存在著使加工精度明顯提高的磁場值，一般以低頻磁化為佳；由于高頻磁化后刀具對切屑的吸附而使加工質(zhì)量下降刀具磨損加快，因此需要把握好合適的磁場強(qiáng)度，以獲得最佳效果。

(3)通過以上實(shí)驗(yàn)證明，高速鋼刀具的磁化處理操作簡單、有效，不需要額外增加昂貴的專用設(shè)備，且磁化處理主要應(yīng)用的是磁能，因此磁化處理的方法是既能提高生產(chǎn)效益又是環(huán)保無污染的。

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