刀具表面粗糙度對電工鋼剪切質(zhì)量的影響*

李忠榮，張龍強，閻秋生，路家斌

（1.廣州日寶鋼材制品有限公司，廣東廣州 511495； 2.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006）

0 引言

電工鋼剪切加工是變壓器及電機制造中的一道重要工序，剪切質(zhì)量直接決定了電工鋼分切斷面的尺寸精度、形狀精度以及斷面特征等，進而影響后續(xù)產(chǎn)品的加工質(zhì)量、材料利用率和加工效率。由于剪切過程中產(chǎn)生的毛刺會降低疊片系數(shù)，并容易造成鐵芯疊片間短路、增大鐵損和溫升，因此變壓器及電機制造業(yè)對電工鋼的剪切質(zhì)量要求很高[1]。電工鋼的剪切刀具一般采用具有高硬度、抗疲勞性強、耐磨性強的WC-Co硬質(zhì)合金橫剪刀，其刃口鋒銳性直接影響了板材的剪切斷面質(zhì)量。

硬質(zhì)合金刀具刃口鋒銳性在切削過程中對工件表面質(zhì)量的影響，國內(nèi)外很多學者都做了大量研究，普遍認為在微切削中刀具刃口寬度、刃口鋒銳性等對加工表面質(zhì)量影響很大[2]。Taminiau等[3]發(fā)現(xiàn)在金剛石刀具切削過程中，刀具切削角度和刃口幾何參數(shù)對切削力有數(shù)量級的影響。孫濤等[4]經(jīng)過大量的試驗并結(jié)合理論發(fā)現(xiàn)，在金剛石刀具切削過程中，刃口鋒銳性是影響表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。袁哲俊等[5]發(fā)現(xiàn)，當切削深度一定時，隨著刀具刃口鋒利度的增加，加工表面的殘余應力和表面粗糙度會逐漸減小。

電工鋼橫剪加工屬于塑性大應變變形過程[6]，金屬塑性成形過程中的摩擦與待加工的材料和刀具表面的粗糙度有很大關(guān)系[7]。在電工鋼橫剪過程中，剪切變形過程的摩擦主要發(fā)生在硬質(zhì)合金橫剪刀上刀側(cè)面與剪切斷面的接觸部分，由于剪切過程中，板材與刀具基本上處于干摩擦狀態(tài)。因此，刀具表面粗糙度對于剪切過程中的摩擦具有主導性的影響作用。

目前，國內(nèi)外對于金屬板材剪切加工的研究主要集中在加工工藝、仿真分析[8-11]等方面，而對于刀具刃口鋒銳性，尤其是刀具表面粗糙度，少有人研究。本文作者通過對橫剪刀端面和側(cè)面進行研磨，獲得4種不同粗糙度的表面和刃口，在此基礎(chǔ)上對電工鋼進行剪切加工，研究刀具表面粗糙度及刃口鋒銳性對剪切斷面質(zhì)量的影響。

圖1 剪切加工原理

1 斜刃橫剪加工原理及刀具結(jié)構(gòu)

1.1 橫剪加工原理

橫剪加工是采用呈一定角度的上、下直刀對處于其間的板材進行剪切加工，其加工原理和組刀方式如圖1所示。下刀水平且固定，上刀相對下刀傾斜α安置（圖1(a)），上下刀之間保持一定的側(cè)向間隙（圖1(b)），通過上刀的快速運動來完成剪切工作。板材在剪切過程中依次經(jīng)歷彈性變形、彈塑性變形、塑性變形、裂紋產(chǎn)生及擴展、斷裂等狀態(tài)，整個剪切過程如圖1(c)所示。

1.2 橫剪刀結(jié)構(gòu)

橫剪刀由刀座和硬質(zhì)合金刀組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）所示；硬質(zhì)合金刀固定在刀座上，如圖2（a）中圓圈所示；其中剪切刃口由刀具側(cè)面與端面以及二者相交而成的直線刃口組成如圖2（b）所示；側(cè)面指的是剪切過程中與板材表面接觸垂直于刀具移動方向的面；端面指的是與板材剪切斷面接觸且平行于刀具移動方向的面。

圖2 橫剪刀結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 為橫剪刀刃口磨損輪廓變化示意圖，理想情況下刃口鋒利，截面呈直角，但實際上刀具的側(cè)面與端面表面并不是理想的光滑平面，而是具有一定粗糙程度的表面，刀具刃口是由這兩個粗糙表面相交形成的，所以兩個粗糙平面的表面形貌以及交匯處凹凸峰的分布都會影響到刃口鋒銳性及實際輪廓，可以采用刃口處的輪廓曲率半徑（刃口半徑）作為評估刃口鋒銳性的指標。

2 硬質(zhì)合金橫剪刀的制備

2.1 硬質(zhì)合金刀具制備

圖3 橫剪刀刃口磨損輪廓變化示意圖

本實驗采用株洲鉆石股份有限公司生產(chǎn)的YG11C-N型硬質(zhì)合金刀具，屬于鎢鈷類硬質(zhì)合金，是以難熔金屬碳化物（碳化鎢）為基體，采用鈷或者鎳為粘結(jié)劑，用粉末冶金生產(chǎn)的合金材料，力學性能如表1所示。

為了獲得不同表面粗糙度的硬質(zhì)合金橫剪刀具，對硬質(zhì)合金刀具的端面和側(cè)面在研磨機上采用不同研磨工藝獲得不同粗糙度，分別使用4種不同粒徑（W40、W14、W5、W0.5）的金剛石磨料進行研磨，獲得4組不同表面粗糙度Ra（0.010μm、0.052μm、0.102μm、0.209μm）的硬質(zhì)合金橫剪刀具。

表1 YG11C-N的力學性能

2.2 刃口質(zhì)量檢測

研磨后的硬質(zhì)合金刀具，采用激光共聚焦顯微鏡對刃口質(zhì)量進行觀察，采用馬爾粗糙度儀對研磨表面的粗糙度進行檢測，利用威爾刃口輪廓儀對刀具刃口半徑rn進行測量。圖4、5分別為不同表面粗糙度的硬質(zhì)合金刃口附近的形貌以及刀具表面粗糙度R a與刃口半徑rn的關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)合金刀具的刃口半徑rn隨著刀具表面粗糙度Ra的增大而增大。當表面粗糙度達到Ra 0.010μm時，硬質(zhì)合金刀具的刃口非常鋒利，刀具側(cè)面與端面較平滑，刃口呈現(xiàn)出一條直線，刃口半徑rn為24.7μm；當表面粗糙度為Ra 0.052μm時，硬質(zhì)合金刀具的刃口較鈍，側(cè)面與端面都有一些明顯的劃痕，刃口也有細小的鋸齒狀凹缺陷，刃口半徑rn=27.9μm；而當表面粗糙度為Ra 0.209μm時，側(cè)面與端面的劃痕變寬、變深，并且有些在刃口附近匯合，硬質(zhì)合金刀具的刃口很不平整，有較大的鋸齒狀缺陷，刃口半徑rn也增加到31.6μm。由此可見，表面粗糙度較小的硬質(zhì)合金容易獲得較小的刃口半徑，刃口質(zhì)量優(yōu)于表面粗糙度較大的硬質(zhì)合金刀具。

圖5 刀具刃口半徑r n與表面粗糙度Ra的關(guān)系

3 電工鋼橫剪加工試驗設(shè)計

3.1 橫剪加工試驗

剪切加工材料為厚度0.5 mm、寬度30 mm的無取向硅鋼，其力學性能如表2所示。剪切裝置為KYDJ-400型單頭精密數(shù)控剪床，上下刀傾斜角為1.92°，分別使用研磨后得到的4種不同表面粗糙度的硬質(zhì)合金刀具進行剪切加工實驗，實驗條件為：相對剪切間隙5%，剪切速度0.276 m/s。

表2 電工硅鋼材料性能

圖6 斜刃剪切斷面形貌示意圖

電工硅鋼的剪切斷面形貌如圖6所示，從上到下有塌角、剪切帶、斷裂帶、毛刺等特征。剪切斷面形貌特征直接體現(xiàn)剪切質(zhì)量的好壞，當剪切帶大、毛刺、斷裂帶、塌角小時認為剪切質(zhì)量好。由于板材的毛刺較小且在制樣過程中容易脫落，難以測量，因此不考慮毛刺高度，重點針對塌角、剪切帶、斷裂帶等特征高度來評價剪切質(zhì)量。采用線切割機垂直于剪切斷面切割制成截面試樣，鑲嵌、研磨拋光后進行形貌觀察和檢測。利用Keyence VHX600超景深顯微鏡觀察剪切試樣的斷面和截面形貌，測量并記錄各特征帶的高度。

圖7 不同表面粗糙度刀具的剪切斷面形貌

圖8 不同表面粗糙度刀具的剪切截面形貌

3.2 不同表面粗糙度的刀具剪切斷面形貌

圖7 和圖8為使用4種不同表面粗糙度的硬質(zhì)合金橫剪刀剪切電工鋼的剪切斷面和截面形貌。

由圖7、8可知，使用不同表面粗糙度的刀具剪切，剪切斷面都比較平直，且都有明顯的特征帶，各個特征帶的分界也比較明顯。但隨著刀具表面粗糙度的改變，分切斷面明顯不同，使用表面比較光滑（表面粗糙度較小）的刀具剪切，剪切帶明顯較大，斷裂帶和塌角較??；隨著刀具表面粗糙度的增加，剪切帶高度逐漸減小，斷裂帶高度逐漸增加，同時撕裂角和塌角也隨之增加。

使用表面粗糙度為Ra0.010μm的刀具剪切時（圖7（a）、8（a）），斷面幾乎被光亮的剪切帶占滿，而且塌角和撕裂角較小，斷面平直，分切斷面質(zhì)量較好。當?shù)毒弑砻娲植诙萊a0.052μm、Ra0.102μm時（見圖7（b）、8（b）、7（c）、8（c）），剪切斷面的光亮剪切帶高度減小，出現(xiàn)了明顯的斷裂帶，剪切帶與斷裂帶之間分界明顯，此時剪切斷面與板面出現(xiàn)傾斜，剪切尺寸精度下降。當使用表面粗糙度最大（Ra0.209μm）的刀具剪切時（圖7（d）、8（d）），斷裂帶高度繼續(xù)增加，塌角和撕裂角明顯增大，剪切帶表面較為粗糙，斷裂帶表面也出現(xiàn)了明顯的凹坑，塌角和撕裂角進一步增大，剪切斷面取向不穩(wěn)定且斷面質(zhì)量變差。

由此可見，刀具表面粗糙度Ra對橫剪剪切斷面形貌具有一定影響，較小的表面粗糙度有利于剪切斷面質(zhì)量的提高。

為了深入研究刀具表面粗糙度對斷面質(zhì)量性能的影響，對剪切斷面形貌各特征帶進行了檢測統(tǒng)計，得到了不同刀具表面粗糙度下剪切斷面塌角、剪切帶、斷裂帶等特征參數(shù)的變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 不同表面粗糙度的刀具剪切0.5 mm板厚電工鋼斷面特征帶高度

由圖9可以看出剪切斷面的剪切帶的相對高度隨著刀具表面粗糙度Ra的增大而減下，當Ra0.010μm時，剪切帶高度最大，達到338μm，而當增加到Ra0.209μm時，剪切帶高度只有271μm，減小了20%；塌角高度與斷裂帶高度隨著刀具表面粗糙度Ra的增大而增大，為Ra0.010 μm時，塌角高度為41μm，，斷裂帶高度為80μm，而當?shù)毒弑砻娲植诙葹镽a0.209μm時，塌角高度為66μm，斷裂帶高度為141μm，分別增大了60%、76%。

4 結(jié)論

（1）硬質(zhì)合金橫剪刀表面粗糙度直接影響刀具刃口質(zhì)量，隨著刀具表面粗糙度的減小，刀具刃口半徑越小，刃口更加平直，缺陷減少，刃口更加鋒利。

（2）刀具表面粗糙度是影響電工鋼剪切斷面質(zhì)量的重要因素。隨著刀具表面粗糙度的減小，剪切斷面形貌明顯改善，斷面更加平直，剪切帶高度增大，斷裂帶和塌角高度有所下降，斷面更加平直。