磁化處理對W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具加工質(zhì)量的影響

劉政， 郭頌， 諶慶春

（江西理工大學，a.機電工程學院；b.材料科學與工程學院，江西 贛州341000）

0 引 言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在機械制造中應(yīng)用高強度、高性能的材料日益增多，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)日益迫切.因此切削技術(shù)已由傳統(tǒng)的以機械為基礎(chǔ)的切削技術(shù)發(fā)展到外加能量的特種切削方法，如低溫切削、磁化切削、振動切削、電切削等[1].而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[2]，且正常的切削溫度在650℃以下，因此可以進行帶磁切削.有研究表明[3-4]，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.

機械零件加工表面質(zhì)量直接影響零件的物理、化學及力學性能，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)有學者從數(shù)控加工方面對磁化處理進行研究，并對其加工精度進行了探究，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，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[5-6].

因高速鋼具有良好的綜合性能，尤其是鎢系高速鋼，在現(xiàn)代刀具的制造和使用中占有重要的地位[7].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重要課題.本文就磁化處理對鎢鉬系高速鋼刀具切削性能的影響進行了實驗分析和研究：選擇W6Mo5Cr4V2高速鋼作為研究對象，使用自制的交流磁化裝置對這種高速鋼刀具在不同參數(shù)下進行磁化，并在車床上進行車削45號鋼的實驗，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W6Mo5Cr4V2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間及切削條件（主要是切削速度和進給量）對磁化切削的影響.

1 實驗過程

1.1 實驗設(shè)備及材料

實驗所用的實驗設(shè)備包括自制的交流磁化裝置、C6132A普通車床、SJ-201表面粗糙度測量儀器.實驗對象為W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具，工件材料為45號鋼棒材.

1.2 實驗過程

將W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具放入自制的交流磁化裝置中進行磁化處理，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)處理的刀具在機床上進行車削外圓的實驗，在固定進給量f=0.2 mm/r，切削深度ap=1.5 mm下，分別在切削速度為 v=180 r/min、280 r/min、380 r/min、480 r/min下進行切削（干式切削）.同時在實驗中仔細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)以上實驗結(jié)果，選取最優(yōu)的磁化參數(shù)及切削速度，在不同的進給量下進行切削實驗.在粗加工及半精加工過程中，切削深度比進給量及切削速度對表面粗糙度的影響要小的多，所以在實驗過程中對該參數(shù)沒有進行討論.

2 實驗結(jié)果

實驗進行的主要是粗加工過程，因此測得的表面粗糙度偏大.為探討磁化處理對W6Mo5Cr4V2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床上進行切削實驗，切削條件為f=0.2 mm/r，ap=1.5 mm，實驗結(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.

表1 當切削條件f=0.2 mm/r，a p=1.5 mm時，不同轉(zhuǎn)速下磁化切削與普通切削加工工件的表面粗糙度

圖1 不同轉(zhuǎn)速下磁化切削與普通切削加工工件的表面粗糙度

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要低，且在切削速度較低時更為明顯；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間及相同磁化時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，磁化時間20 s比磁化時間45 s的刀具加工出來的工件的表面粗糙度要低；而在磁化時間均為20 s時，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低.圖1還反映了隨著切削速度的提高，表面粗糙度有降低的趨勢，說明切削速度對加工質(zhì)量也是有影響的.將以上實驗用的4把刀具在光學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.

圖2 未磁化及不同磁化參數(shù)下刀具刀尖處積屑瘤大小情況

為了探究磁化切削在不同進給量時對加工質(zhì)量的影響，在以上實驗研究的基礎(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給量下進行實驗，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給量時對加工質(zhì)量的影響，將表2的實驗結(jié)果用柱狀圖表示，見圖3所示.

表2 當切削條件為v=480 r/min，a p=1.5 mm時不同進給量下磁化切削與普通切削加工工件的表面粗糙度

圖3 不同進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給量的情況下，經(jīng)過磁化處理的W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具切削45號鋼工件的表面粗糙度均比未磁化處理的高速鋼刀具的要低.另外，在高速切削的情況下，進給量對表面粗糙度的影響較大，隨著進給量的增加，經(jīng)兩種刀具加工后的工件表面粗糙度逐漸增大，但是，磁化處理的高速鋼刀具加工表面的粗糙度增加較緩慢，同時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)高速下進行的磁化切削與普通切削相比，加工工件的表面粗糙度仍有所降低但并不如低速時明顯.

3 討 論

本實驗自制的磁化裝置可以通過外接變頻器對磁化過程進行控制并選用不同頻率對刀具進行磁化，磁化頻率及磁化時間的選取是根據(jù)之前對高速鋼刀具磁化后力學性能的實驗結(jié)果而來，通過選用不同磁化頻率及時間從而探索磁化參數(shù)對磁化切削的影響；實驗中還選擇了不同的切削速度（低速、中速、高速）及不同進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[8]，主要包括：刀具幾何角度及刀具材料、切削用量、工件材料性質(zhì)、積屑瘤和鱗刺及切削過程中的振動等方面.因此，在本研究的基礎(chǔ)上，磁化切削對加工質(zhì)量的影響機理主要體現(xiàn)在以下幾個方面.

3.1 刀具剩磁強度的影響

由以上實驗結(jié)果可知，磁化處理可以提高W6Mo5Cr4V2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.同時已有研究表明，磁場強度對磁化切削也有一定影響，在磁化切削時存在一個能夠使加工精度明顯提高的磁場強度[9]，高于此磁場強度時加工精度的提高并不明顯，這可能是因為高速鋼刀具在某一磁場值下達到磁飽和后，再提高外加磁場的強度對其磁性能的影響較小.

3.2 磁化處理能夠使刀具的加工工況得到改善

國外有學者指出刀具經(jīng)磁化處理后磨損有明顯降低[10-11]，國內(nèi)也有研究表明[12-14]，因磁化后高速鋼力學性能的改變及切削過程中摩擦系數(shù)降低，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.還有研究指出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降低，特別是當切削速度達到一定值后，普通切削的主切削力大于磁化切削，徑向切削力更為明顯且交變磁場的切削力又低于恒定磁場的切削力[15]，同時研究還指出磁化切削還能降低切削過程中的切削溫度，而刀具經(jīng)過磁化后硬度也有所提高[16-17]，從而提高了刀具的切削性能和使用壽命.由以上分析可知，磁化切削能夠減小切削過程中的切削力、降低切削溫度及減小切削過程中的摩擦系數(shù)，從而使工件的加工工況得到改善，進而使加工工件的表面粗糙度降低，提高了加工質(zhì)量.

3.3 磁化處理可以抑制刀具積屑瘤的產(chǎn)生

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黏附在刀具近刀尖的前面上形成的[18].而未磁化W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具在中低速切削時易產(chǎn)生積屑瘤[19]，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，降低了工件表面的質(zhì)量；同時由于積屑瘤的存在還容易導致加工表面鱗刺的形成，進一步使工件已加工表面的粗糙度加大，所以刀具在中低速普通切削時加工工件的表面粗糙度比較大.而磁化切削時切削溫度降低，切屑與前刀面的接觸時間少，使黏結(jié)磨損減少[20]，從而抑制了積屑瘤及鱗刺的產(chǎn)生，從而提高了工件的加工質(zhì)量.

綜上所述，W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具經(jīng)磁化處理后，在切削過程中能夠降低加工工件的表面粗糙度并且提高刀具的使用壽命，但在磁化參數(shù)不同時刀具切削性能的改變也不相同.本實驗的研究結(jié)果顯示，W6Mo5Cr4V2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) 論

（1）磁化處理可提高W6Mo5Cr4V2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表面粗糙度，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W6Mo5Cr4V2高速鋼刀具在切削中比普通切削多了磁場強度等要素，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度，以獲得最佳效果.

（3）實驗研究表明，W6Mo5Cr4V2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既能提高生產(chǎn)效益又是環(huán)保無污染的.

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