硬質(zhì)合金型線銑刀刃口鈍化研究

羅剛，劉文澤，胡劍華，贠慶芳，宋玉玲

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

硬質(zhì)合金型線銑刀刃口鈍化研究

羅剛，劉文澤，胡劍華，贠慶芳，宋玉玲

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章闡述了通過對硬質(zhì)合金型線刀具刃口R不同程度的鈍化處理，改變?nèi)锌谖⑿”廊星闆r，改進刃口狀態(tài)的一致性。通過切削實驗得出一個合適的刃口鈍化R值，在同等加工條件下，使硬質(zhì)合金型線刀具的使用壽命延長50%，產(chǎn)品的加工質(zhì)量達到技術(shù)要求。

硬質(zhì)合金，型線銑刀，刃口鈍化，刃口測量

1 前言

硬質(zhì)合金刀具在汽輪機加工行業(yè)中的運用越來越廣泛，特別是型線銑刀類的硬質(zhì)合金已經(jīng)廣泛運用在葉片葉根與汽輪機轉(zhuǎn)子輪槽加工當(dāng)中。硬質(zhì)合金型線銑刀加工的效率高、表面光潔度與粗糙度都有很大提高，刀具使用的壽命都有很大的提升，工人的工作強度大大減少。但是該類刀具在使用前期表面質(zhì)量并不穩(wěn)定，容易形成振紋，并且其使用壽命有待進一步提高。刃口鈍化作為一門新興的刀具微觀研究學(xué)科，近年來得到了各個刀具加工廠商的響應(yīng)，特別是在穩(wěn)定刀具刃口，提高刀具使用壽命及表面質(zhì)量上得到了廣泛的認(rèn)同，在目前的刀具刃口鈍化的研究過程中比較注重對可轉(zhuǎn)位刀片的刃口鈍化，而對于汽輪機型線銑刀的鈍化研究還處于空白。進一步提高硬質(zhì)合金銑刀的使用壽命及加工表面質(zhì)量是進行這項課題的主要原因。

文章所選擇的刀具為硬質(zhì)合金菌型葉根精加工刀具2270-0119，轉(zhuǎn)子輪槽精加工刀具2226-178。菌型葉根刀具主要用于葉片葉根的切削，轉(zhuǎn)子輪槽刀具用于轉(zhuǎn)子輪槽的加工。相對于常規(guī)的高速鋼刀具來說，硬質(zhì)合金刀具大大提高了使用壽命與加工的表面粗糙度。作為未鈍化硬質(zhì)合金刀具來講，其刃口形態(tài)主要有以下特點：刃口尖銳不規(guī)則，微觀研究發(fā)現(xiàn)刃口呈現(xiàn)鋸齒狀；刃口表面粗糙度差，有加工殘留的磨粒附著在刃口附近。因此在切削初期容易產(chǎn)生振動，并且表面粗糙度降低。在經(jīng)過一段切削過程后再變得平穩(wěn)。葉根刀與輪槽刀具是汽輪機生產(chǎn)的兩大主要刀具，因此本次實驗采用這兩種刀具進行加工具有非常重要的意義。兩種刀具型線結(jié)構(gòu)分別見圖1～2。

圖1 2270-0119菌型銑刀型線圖

圖2 2226-178輪槽銑刀型線圖

從銑刀的結(jié)構(gòu)特性看，銑刀最小齒直徑與最大齒直徑相差比較大，最小直徑處開出前刀面溝槽的時候，此處位置的芯厚強度就顯得比較低，不能經(jīng)受比較大的沖擊載荷。在實際加工過程中真正切削受力部分是刀具的刃口，因此刀具刃口的一致性對切削質(zhì)量的好壞具有非常重要的影響。兩種刀具（未鈍化）的實際使用情況見表1。

表1 使用調(diào)查表

2 方案設(shè)置

本次試驗是一次探索性的實驗過程，對于型線刀具而言，刃口R值究竟多少才是一個最優(yōu)的R值。因此在此次實驗中只有通過對刀具實際使用情況R值進行檢測，結(jié)合刀具在鈍化前及報廢后刀具刃口R的檢測數(shù)據(jù)，得出一組需要進行鈍化的R,然后進行鈍化實驗、試切削，得出最優(yōu)值。

未鈍化刀具刃口R的檢測，檢測順序從小頭齒頂?shù)酱箢^齒頂，檢測結(jié)果見表2和圖3。

表2 未鈍化刃口檢測值

圖3 未鈍化刃口檢測狀況

從檢測結(jié)果來看，硬質(zhì)合金刀具在磨削加工完成后，刀具的刃口基本在5±1 μm左右，變動幅度不大。從檢測圖片來看，刃口有多余雜質(zhì)，刃口不光滑。使用過程中（切削平穩(wěn)后）的刀具刃口R檢測情況見表3和圖4。

表3 刀具使用中刃口檢測值

圖4 刀具使用中刃口檢測情況

硬質(zhì)合金刀具在加工一段時間后，刀具趨于切削平穩(wěn)，在這個過程中刀具刃口R值基本在9± 2 μm，刀具刃口R相對于初始有所增大。從檢測結(jié)果來看，刃口光滑，刃口效果好。

表4 刀具判定報廢后刃口檢測值

圖5 刀具判定報廢后刃口檢測情況

從表4和圖5中可以看出，刀具在判定報廢后，刀具刃口R值并不是很大，這一現(xiàn)象值得在后續(xù)刃口鈍化過程中進一步分析。

3 刃口鈍化

因此，根據(jù)各個時期刀具刃口R的檢測，可以看出未鈍化刃口R大約為5 μm，使用中的刃口R為10 μm。除開報廢刃口R的大小，以5 μm為一個單元，鈍化刃口R值分別為10 μm，15 μm，20 μm加上未鈍化的刃口R，總共做四組實驗方案。

1）MBR間歇產(chǎn)水控制。當(dāng)MBR池液位高于最低液位，產(chǎn)水泵每運行8 min，停止運行2 min。產(chǎn)水泵停止運行期間，MBR池底鋪設(shè)的曝氣裝置將繼續(xù)進行，通過氣水振蕩清洗，緩解MBR周邊的污泥濃度累積，保持MBR表面的清潔。

非標(biāo)型線刀具的鈍化在刀具鈍化領(lǐng)域是一項新課題，刀具鈍化的各種參數(shù)需要實驗者去進行試驗，在刃口鈍化的第一步就必須根據(jù)鈍化機床找到一組最合理的鈍化參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)來達到目標(biāo)設(shè)定的刃口R值。本次試驗條件見表5。

表5 鈍化實驗條件

刃口鈍化正交試驗：在刃口鈍化過程中，影響鈍化因素有磨料、刀具材料、鈍化時間、鈍化轉(zhuǎn)速、插入深度這5種因素，因為在實際操作過程中磨料與刀具材料是一定的，因此鈍化時間、鈍化轉(zhuǎn)速、插入深度將作為本次實驗重要考察對象。本次實驗采用三因素三水平的方案，數(shù)學(xué)模型為L9（33），見表6。

表6 正交試驗?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)上述九種實驗方案，選用9把同樣的硬質(zhì)合金刀具，鈍化結(jié)果如表7。

表7 正交試驗結(jié)果

通過對表7各因素對應(yīng)于各水平試驗結(jié)果之和進行計算，用R（極差）來對結(jié)果進行說明。R極差計算結(jié)果見表8。

表8 R極差計算結(jié)果

對于1齒頂來說，B＞C＞A,說明影響鈍化結(jié)果的先后順序應(yīng)該是轉(zhuǎn)速、插入深度、時間；對于2齒頂來說，B＞A＞C，說明影響鈍化結(jié)果的先后順序應(yīng)該是轉(zhuǎn)速、時間、插入深度；對于3齒頂來說，B＞A=C，說明影響鈍化結(jié)果的先后順序應(yīng)該是轉(zhuǎn)速、時間與插入深度；對于4齒頂來說，B＞C＞A，說明影響鈍化結(jié)果的先后順序應(yīng)該是轉(zhuǎn)速、插入深度、時間。

基于對試驗結(jié)果的分析可以得出如下3點結(jié)論：（1）轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越快鈍化越容易到達。（2）插入深度，特別是對于1齒頂 （小齒）結(jié)果極其明顯。（3）鈍化時間。

通過對正交試驗的結(jié)果，在這樣一組數(shù)據(jù)作為參考的情況下，選用轉(zhuǎn)速40 m/min，插入深度385 mm，進行本次實驗，即在轉(zhuǎn)速與插入深度一樣的情況下得出各齒鈍化刃口R與鈍化時間的關(guān)系，見表9。

表9 時間-鈍化R統(tǒng)計表

通過表9可以很快查找出各齒達到鈍化R值需要的時間，對于鈍化實驗具有參考意義，當(dāng)然在實際測量過程中根據(jù)刀具各部位直徑，刀具長度可以通過刃口的測量來達到所需要的結(jié)果。

4 刀具型線精度檢測

型線刀具的型線精度是刀具重要指標(biāo)。刃口鈍化在實驗過程中實際上是一種去量的過程，在實驗過程中鈍化是否會影響刀具的型線，特別是對于精加工刀具，刀具的公差都在很小范圍內(nèi)，因此必須對型線刀具鈍化前后進行試驗測量，保證鈍化后刀具要能滿足加工的基本尺寸要求。圖6～9是對2270-0119鈍化刀具前后型線檢測結(jié)果的比較。

圖6 型線刀1鈍化前刀具型線精度

圖7 型線刀1鈍化刃口R為0.01后型線精度

圖8 型線刀2鈍化前刀具型線精度

圖9 型線刀2鈍化刃口R為0.02 mm后型線精度

上圖4種結(jié)果是通過ZOLLER測量出來的結(jié)果，其檢測的部位分別是節(jié)距部分與型線部分。從圖6～7來看節(jié)距最大變化為0.001 5 mm，輪廓為0.002 mm；從圖8～9來看節(jié)距最大變化0.000 5 mm，輪廓為0.004 mm。因此可以得出的結(jié)論是在刃口R鈍化為0.02 mm以下，是不影響型線檢測精度的。

5 切削實驗

本次切削實驗采用4把2270-0119硬質(zhì)合金刀具來進行切削實驗，4把刀具的刃口R為5 μm（未鈍化）10 μm15 μm20 μm。

①實驗?zāi)康模簻y試鈍化刃口不同R值對刀具使用壽命的影響。

②實驗條件：2270-0119硬質(zhì)合金刀具4把（按不同R值鈍化），X718立式數(shù)控銑床、Φ250 1Cr12Mo-5棒料、振動測量儀一臺。

③實驗方法：先用錐度刀及粗加工刀具開出槽，裝夾上實驗用刀具，直線來回銑削，直到加工長度為12 m。

④機床參數(shù)：轉(zhuǎn)速n=580 r/min；進給速度Vf=44 mm/min；背吃刀量Ap=0.25 mm.

⑤試驗結(jié)果：振動量為0～0.03 mm，可判定基本無振動。

圖10 刃口R為5 μm（未鈍化）刃口磨損情況

圖11 鈍化刃口R為10 μm刃口磨損情況

圖12 鈍化刃口R為15 μm刃口磨損情況

圖13 鈍化刃口R為20 μm刃口磨損情況

圖14 未鈍化刃口形狀

圖15 鈍化15 μm刃口形狀

圖10～15主要是對幾種不同情況的鈍化R值在經(jīng)歷同樣銑削工作量后，小齒的齒頂進行刃口檢測的圖例，從磨損情況來看未鈍化及鈍化10 μm的刀具 （圖10～11）在前刀面有明顯的磨損凹痕，這樣的情況將會急劇加速刀具刃口的磨損，使刀具的刃口越來越尖 （見圖14），這也是在第二章里面提到的刀具在報廢后刃口R檢測結(jié)果并不大，報廢的主要原因就是前刀面的磨損，導(dǎo)致刀具刃口R越來越小，形成了大量微小的崩刃，導(dǎo)致被加工產(chǎn)品的表面粗糙度變差；從圖12～13來看刀具的前刀面沒有形成加劇刀具報廢的凹痕，而通過對后刀面的觀察，發(fā)現(xiàn)鈍化15 μm與20 μm的后刀面磨損情況不一樣，從圖中表示的線條長度來看，20 μm的磨損寬度要長的多，15 μm的磨損寬度相應(yīng)要短。因此可以試探性得出硬質(zhì)合金刀具在切削過程中15 μm的鈍化值能夠產(chǎn)生最好的切削效果，刀具的使用壽命及表面粗糙度都能得到最大的提高。

6 使用壽命應(yīng)用效果

在試驗效果的收集中，對兩種刀具進行了效果跟蹤，2270-0119加工葉根長度為70 mm，其加工效果如表10所示。

從表10可以看出，在同等加工條件下，未鈍化刀具加工葉根長度為7.7 m，而鈍化為15 μm后加工葉根的長度為12.6 m，壽命提高63%。

表10 2270-0119鈍化前后刀具使用對比

7 結(jié)論

在刀具日益使用硬質(zhì)合金的大前提下，提高硬質(zhì)合金刀具使用壽命及表面粗糙度是刀具刃口鈍化研究的重點，特別是在高轉(zhuǎn)速、復(fù)雜切削情況下對刀具刃口鈍化會產(chǎn)生很好的效益。本文在此基礎(chǔ)上著重研究刀具刃口鈍化對上述兩者的影響，通過此次實驗可以得出如下3個結(jié)論：（1）刃口鈍化能夠有效延長型線刀具的使用壽命，特別是對刀具一些微小的尖刃起到去除與拋光的作用。（2）鈍化過程中磨料、鈍化速度、時間、插入深度將影響刃口鈍化R值的大小。 （3）鈍化刃口不影響刀具本身型線的精度，并且不同的R值使用的壽命不同。

此次實驗是對刀具刃口鈍化的一次摸索，在實際使用中也得到了驗證，取得了很好的效果。但是刀具刃口鈍化是一項復(fù)雜的工作，特別是對其微觀機理的分析，以及刀具材料、使用情況的綜合分析是下一步工作的重點，特別是在切削過程中刃口磨損報廢的實驗?zāi)M將對整個刀具刃口鈍化的探討有著決定性的意義。

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Edge Passivation Research of Carbide-type Milling Cutter

Luo Gang，Liu Wenze，Hu Jianhua，Yun Qingfang，Song Yuling

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In this paper,the consistency of the edge states of the cutting edge is improved by changing the carbide tool edge profile R of passivation,a suitable edge passivation value R is obtained by cutting experiment,under the same processing conditions,the service life of carbide type line tool is extended by 50%,the quality of processed products meets the technical requirements.

carbide，type line milling cutter，edge passivation，edge measurement

TK262

A

1674-9987（2017）01-042-07

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.009

羅剛 （1983-），男，工程師，2005年畢業(yè)于西華大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事汽輪機復(fù)雜型線刀具的設(shè)計、制造技術(shù)工作。