交流磁化處理對(duì)硬質(zhì)合金刀具切削性能的影響*

宗 超，劉 政，王梅華，李澤文

(江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江西 贛州 341000)

0 引言

近年來(lái)，磁場(chǎng)強(qiáng)化處理成為一種具代表性的金屬切削刀具強(qiáng)化新方法，根據(jù)常用的金屬切削刀具都含有大量的鐵磁性材料這一性質(zhì)，通過(guò)磁化處理使刀具內(nèi)部鐵磁性材料發(fā)生疇通過(guò)磁化處理使刀具內(nèi)部鐵磁性材料發(fā)生疇壁位移、磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)、磁致伸縮等效應(yīng)并產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁振動(dòng)，從而改變了材料內(nèi)部微觀組織的結(jié)構(gòu)，宏觀上得到材料力學(xué)性能的改變[1-3]。這種在磁場(chǎng)下進(jìn)行刀具強(qiáng)化的方式完全符合綠色制造新理念，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。研究表明，對(duì)金屬切削刀具進(jìn)行磁化處理可以改變刀具的力學(xué)性能，減小切削過(guò)程中的磨損，延長(zhǎng)刀具使用壽命并提高工件表面質(zhì)量[4-5]。但是，磁場(chǎng)強(qiáng)化處理的影響效果因素眾多，就目前的研究還不能掌握材料改性的機(jī)理和規(guī)律，因此該刀具強(qiáng)化新方法還處于探索階段。

金屬切削加工是切削刀具與工件相互作用的過(guò)程，利用刀具切除毛坯上多余的金屬材料，因此工件表面粗糙度和加工方法有莫大關(guān)系。實(shí)際生產(chǎn)中通常采用改變刀具幾何角度、選擇合理的切削用量等方式改善工件表面粗糙度。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)磁化處理可能改變“刀具-切屑-工件”之間的受力關(guān)系從而影響切削機(jī)理，研究表明[6-9]，磁場(chǎng)輔助切削過(guò)程中切削力和磁場(chǎng)力共同作用可以改變剪切角，進(jìn)而影響切屑形成機(jī)理；也有研究表明[10-11]，磁場(chǎng)可以加速磨損表面的氧化，改變刀具和工件的磨損形式，進(jìn)而改善工件表面粗糙度；還有研究表明[12]，磁化處理可以降低刀具材料的磨損率，減少刀具磨損并延長(zhǎng)刀具使用壽命。但學(xué)術(shù)界對(duì)這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的詳細(xì)過(guò)程和影響機(jī)理沒(méi)有統(tǒng)一的說(shuō)法。

硬質(zhì)合金材料的主要成分是WC和Co，鈷作為鐵磁性材料，受磁場(chǎng)強(qiáng)化效果明顯，因此本工作以含鈷量較多的鎢鈷鈦類(YT5)硬質(zhì)合金銑刀為研究對(duì)象。在自制交流磁化處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)硬質(zhì)合金刀具采用控制變量法進(jìn)行試驗(yàn)，在不同環(huán)境不同磁化參數(shù)下進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)化處理。選取磁化處理后物理性能較好的合金刀具，在數(shù)控加工中心上切削鐵磁性、順磁性兩種不同磁屬性工件，通過(guò)觀察刀具磨損形貌、測(cè)量切削力和工件表面粗糙度三個(gè)方面驗(yàn)證前人的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并分析交流磁場(chǎng)強(qiáng)化處理對(duì)硬質(zhì)合金刀具切削性能的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

本文所采用的試驗(yàn)設(shè)備有自制磁化處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、VMC1060三軸聯(lián)動(dòng)立式數(shù)控加工中心、Kistler-9257B三向動(dòng)態(tài)壓電式測(cè)力儀、J-201表面粗糙度測(cè)量?jī)x。刀具材料為YT5類硬質(zhì)合金四刃立銑刀，刀徑8mm，刃長(zhǎng)20mm，工件材料為塊狀45鋼和2A12 鋁合金，尺寸為220×160mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在自制磁化處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行硬質(zhì)合金刀具材料的磁化處理，為保證磁化效果，將硬質(zhì)合金試樣固定于磁化腔體內(nèi)的載物臺(tái)的邊緣并均勻分布(因?yàn)槔碚撋现行木€上的磁場(chǎng)強(qiáng)度為零)，磁化系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 磁化系統(tǒng)原理圖

通過(guò)調(diào)頻器調(diào)節(jié)磁化頻率為15Hz，磁化時(shí)間60s，高斯計(jì)顯示磁場(chǎng)強(qiáng)度約為900mT。然后把經(jīng)此參數(shù)磁化處理的刀具與未磁化處理刀具在相同的銑削參數(shù)，如表1所示，進(jìn)行銑削試驗(yàn)(干切削)。

表1 銑削實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在銑削過(guò)程中，觀察記錄切削力的大小、排屑方式，切削實(shí)驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算平均切削力，測(cè)量工件表面粗糙度(輪廓算術(shù)平均偏差Ra)，通過(guò)SEM觀察硬質(zhì)合金刀具的磨損形貌。影響工件表面粗糙度的因素眾多，這里采用控制變量法只討論相同切削方式下，磁化處理對(duì)刀具加工不同磁屬性材料切削性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁化處理硬質(zhì)合金刀具銑削力研究

圖2為硬質(zhì)合金銑刀加工45鋼和2A12 鋁合金的銑削力變化曲線。從圖中可以看出，銑削力變化曲線呈周期性變化，且在一個(gè)變化周期內(nèi)受不連續(xù)切削的影響形成多個(gè)波峰和波谷，整個(gè)周期內(nèi)未磁化銑刀與磁化銑刀銑削力曲線的變化趨勢(shì)基本相同。圖2a為加工45鋼的銑削力變化曲線，結(jié)果表明，磁場(chǎng)處理對(duì)硬質(zhì)合金銑刀加工鐵磁性材料的銑削力有較大影響，經(jīng)磁化處理刀具的銑削力相較于未磁化刀具銑削力有所增大，總銑削力平均增加了20N。其原因可能是，未退磁處理的銑刀周圍存在弱磁場(chǎng)，磁場(chǎng)和切屑之間存在相互作用力[13-14]，增加了銑削力。圖2b為加工2A12 鋁合金的銑削力變化曲線，可以看出，在整個(gè)周期內(nèi)未磁化銑刀與磁化銑刀銑削力曲線的整體波形基本重合，銑削力大小無(wú)明顯變化。結(jié)果表明，磁場(chǎng)處理對(duì)硬質(zhì)合金銑刀加工順磁性材料的銑削力無(wú)明顯影響。其原因是鋁合金為順磁性材料，磁化率很低，切屑和刀具周圍的弱磁場(chǎng)間無(wú)相互作用力，不影響切削力的大小。

(a) 45鋼

(b) 2A12鋁合金 圖2 銑削力變化曲線

2.2 磁化處理硬質(zhì)合金刀具磨損形貌

圖3為磁化與未磁化硬質(zhì)合金銑刀加工45鋼材料的刀具磨損形貌。圖3a是未磁化處理刀具刀尖、主后刀面、副后刀面處的磨損形貌，可以看出刀尖處有明顯的粘接磨損[15]，主后刀面和副后刀面均發(fā)生不同程度的塑性形變，出現(xiàn)硬質(zhì)點(diǎn)劃傷和摩擦破損，并有輕微崩刃和片狀區(qū)域剝落。圖3b是磁化處理刀具刀尖、主后刀面和副后刀面的磨損形貌與圖3a的磨損形式基本相同。對(duì)比圖3a和圖3b可以發(fā)現(xiàn)，在刀尖區(qū)域，經(jīng)磁化處理的銑刀刀尖粘結(jié)磨損較嚴(yán)重。在主后刀面上，未經(jīng)磁化處理的銑刀磨損面積較小，程度較淺，而經(jīng)磁化處理的銑刀出現(xiàn)了較大區(qū)域的磨損，程度也較深。在副后刀面上，未經(jīng)磁化處理的銑刀磨損面積較大，程度較深，崩刃和片狀區(qū)域剝落明顯，而經(jīng)磁化處理的銑刀磨損區(qū)域較小，程度也較淺，與主后刀面的情況完全相反。刀具的磨損程度受多因素影響，這里從對(duì)其影響較大的三點(diǎn)進(jìn)行分析：一是在經(jīng)磁化處理的銑刀銑削過(guò)程中存在微弱磁場(chǎng)，這個(gè)微弱磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力對(duì)45#鋼的切屑有吸附作用，導(dǎo)致經(jīng)磁化處理后的刀具刀尖粘接磨損較嚴(yán)重。二是磁化處理增加了刀具材料的硬度，增加材料表面的耐磨性，導(dǎo)致經(jīng)磁化處理后的銑刀副后刀面的磨損相較于未磁化銑刀磨損程度淺，崩刃和片狀區(qū)域剝落不明顯。三是根據(jù)銑削力的研究，相同工況下經(jīng)磁化處理的銑刀切削力增加，刀具磨損增加，再加上磁場(chǎng)對(duì)切屑的吸附作用從而主后刀面產(chǎn)生較大面積的磨粒磨損[16-17]。

(a) 未磁化

(b) 磁化 圖3 加工45鋼后硬質(zhì)合金刀具的磨損形貌圖

圖4為磁化與未磁化硬質(zhì)合金銑刀加工2A12鋁合金材料的刀具磨損形貌。對(duì)比圖4a和圖4b可以發(fā)現(xiàn)，刀具刀尖處沒(méi)有切削45鋼時(shí)的粘接磨損，主要磨損方式為亮白磨損和摩擦磨損。在主后刀面上，可能是受工件材料硬度的影響未磁化處理與磁化處理的銑刀都只出現(xiàn)輕微摩擦磨損和摩擦磨損帶[18]。在副后刀面上，未磁化處理與磁化處理的銑刀均可觀察到粘結(jié)磨損和細(xì)小溝痕，但磁化處理的銑刀磨損面積較少，磨損深度較淺，這與切削45鋼是的情況類似。結(jié)果表明，磁化處理可以降低刀具的磨損率，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

(a) 未磁化

(b) 磁化 圖4 加工2A12鋁合金后硬質(zhì)合金刀具的磨損形貌圖

2.3 磁化處理硬質(zhì)合金刀具表面加工質(zhì)量

圖5所示為磁化與未磁化處理的硬質(zhì)合金銑刀在不同轉(zhuǎn)速下銑削45鋼對(duì)應(yīng)的工件表面粗糙度Ra測(cè)量結(jié)果。從整體上看，隨切削速度的不斷提高，工件表面粗糙度值明顯減小，不同轉(zhuǎn)速下經(jīng)磁化處理的銑刀加工工件表面的粗糙度值均比未磁化銑刀的粗糙度值低。在轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，磁化銑刀加工工件表面糙度Ra為4.6，未磁化處理銑刀的表面糙度Ra為4.3，此工況下磁化處理降低硬質(zhì)合金銑刀加工工件表面粗糙度值最為明顯。結(jié)果表明，磁化處理對(duì)硬質(zhì)合金銑刀加工45鋼的表面質(zhì)量具有優(yōu)化作用。

圖5 加工45鋼表面粗糙度

圖6所示為磁化與未磁化處理硬質(zhì)合金銑刀在不同轉(zhuǎn)速下銑削2A12鋁合金對(duì)應(yīng)的工件表面粗糙度Ra測(cè)量結(jié)果。整體上看與圖5所示工件表面粗糙度值變化趨勢(shì)一致，但經(jīng)磁化處理的銑刀和未磁化銑刀加工工件表面的粗糙度值基本相同，切削鋁合金時(shí)磁化處理沒(méi)有降低工件表面粗糙度值。結(jié)合銑削45鋼的切削力變化曲線、刀具磨損形貌和表面粗糙度值測(cè)量結(jié)果，可以得出結(jié)論，對(duì)工件表面粗糙度Ra影響最大的是切削速度，其次是刀具與工件間切削力和磁場(chǎng)力的相互作用，對(duì)其影響最小的是刀具的磨損。因?yàn)榻Y(jié)合刀具磨損和粗糙度值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，加工鋁合金時(shí)磁場(chǎng)作用雖然減小了刀具的磨損，但并沒(méi)有明顯體現(xiàn)出加工45鋼時(shí)減小工件表面粗糙度Ra的作用。由于45鋼屬于鐵磁性材料，鋁合金屬于順磁性材料，材料本身的屬性使得磁化處理銑刀加工這兩種材料所獲得的工件表面質(zhì)量的不同。另外切削45鋼時(shí)刀具與切屑間有相互作用，而切削鋁合金時(shí)刀具與切屑間無(wú)相互作用，說(shuō)明刀具與工件間的磁場(chǎng)相互作用會(huì)影響工件表面粗糙度[19]。

圖6 加工2A12鋁合金表面粗糙度

3 結(jié)論

經(jīng)磁化處理的刀具周圍存在弱磁場(chǎng)，這種弱磁場(chǎng)影響了銑削力變化曲線，刀具的摩擦磨損和工件表面質(zhì)量，從而改變了刀具切削性能。

(1)磁化處理的刀具在加工鐵磁性材料時(shí)，能增大銑削力；在加工順磁性材料時(shí)，銑削力基本不變。

(2)磁化處理可以在一定程度上增加硬質(zhì)合金刀具的耐磨性，減少刀具磨損，提高刀具使用壽命。

(3)對(duì)工件表面粗糙度Ra影響最大的是切削速度，其次是刀具與工件間切削力和磁場(chǎng)力的相互作用，對(duì)其影響最小的是刀具的磨損。