鈍化參數(shù)對刀具刃口鈍圓半徑影響的研究

趙雪峰，杜宇超，吳志鵬

（貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

1 引言

刀具是現(xiàn)代切削加工中極其重要的基礎(chǔ)工具，其性能直接影響加工的效率和已加工零件的表面質(zhì)量[1]。即使對刀具刃口進行仔細的磨削，刀具刃區(qū)的形貌依然會存在細小缺陷，從而降低刀具的壽命和加工質(zhì)量[2]。因此，近年來刀具鈍化技術(shù)越來越受到重視。刀具刃口鈍化能使刀具刃口上細小的微觀缺陷得以去除、改變了刀具切削刃的輪廓和提升了刀具切削刃口的表面光潔度，從而使切削加工中刀具的壽命、切削的穩(wěn)定性和已加工工件的表面質(zhì)量等都有不同程度的延長和提高，通過對刀具進行鈍化處理，可以使刀具的使用壽面延長（20～300）%。因此，如何對刀具刃口進行高效鈍化，已經(jīng)變成了切削加工中需要研究的重大問題。目前，刀具鈍化技術(shù)已經(jīng)在國外的刀具廠廣泛應(yīng)用，從國外引進的數(shù)控機床或者生產(chǎn)線所使用的刀具，其刃口已經(jīng)全部經(jīng)過鈍化處理，不僅對已加工零件的表面質(zhì)量有提升，降低刀具使用的成本，同時也得到了巨大的經(jīng)濟效益[3]。

對刀具進行鈍化有很多種方式，有振動鈍化、磨粒尼龍刷法鈍化、磁化法鈍化和立式旋轉(zhuǎn)鈍化。立式旋轉(zhuǎn)鈍化方法是成組刀具在磨粒中進行行星運動，使刀具各個刃口受到同等的鈍化，因此應(yīng)用非常廣泛，不僅應(yīng)用于刀具鈍化，還廣泛應(yīng)用于工件拋光。目前，國內(nèi)外對刀具刃口鈍化技術(shù)的研究越來越多，主要是鈍圓半徑對切削過程中的切削力、切屑、溫度、刀具壽命、粗糙度等的影響[4-6]。但對立式旋轉(zhuǎn)鈍化的研究還比較少。文獻[7]選擇了兩種不同粒度的磨粒，通過實驗驗證了磨粒床輔助的行星輪系拋光比離心盤拋光能在相對較短的時間內(nèi)獲得更好的拋光性能。文獻[8]在采用行星輪系的流化床上進行拋光實驗，研究主要工藝變量對拋光后工件表面粗糙度的影響規(guī)律，在最佳操作條件下，表面粗糙度降低到0.0267。文獻[9]對微切削刀具進行鈍化實驗，驗證了鈍化時間與鈍圓半徑之間的關(guān)系，并通過切削實驗驗證了適當?shù)牡毒呷锌阝g圓半徑可以減少刀具在切削過程中的磨損狀況。文獻[10]對涂層刀具進行鈍化處理，通過實驗探究了刃口鈍圓半徑對切削過程中刀具的磨損、被加工零件的表面質(zhì)量和切削過程中切屑的影響規(guī)律。文獻[11]采用切削實驗探究了鈍化后的刀具在不同的切削參數(shù)下切削工件時，產(chǎn)生的切削力和被加工零件的表面質(zhì)量隨切削參數(shù)變化而變化的規(guī)律。文獻[12]采用了7種不同的鈍化工藝對硬質(zhì)合金刀具進行鈍化處理，其中包括立式旋轉(zhuǎn)鈍化法，并通過實驗探究了不同鈍化方式對硬質(zhì)合金刀具壽命的影響。文獻[13]對螺紋梳刀進行鈍化，并通過仿真和切削試驗對不同刃口鈍化結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面質(zhì)量完整性和切削性能進行研究。采用硬質(zhì)合金立銑刀，在立式旋轉(zhuǎn)鈍化機上進行鈍化處理，通過鈍化實驗探究了立銑刀刃口鈍圓半徑隨不同鈍化時間和刀具轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，為優(yōu)化刀具鈍化工藝參數(shù)和提高刀具刃口鈍化效率提供依據(jù)。

2 刀具刃口鈍化實驗設(shè)備

（1）刀具刃口鈍化設(shè)備。刀具在立式旋轉(zhuǎn)鈍化機上進行鈍化，如圖 1（a）所示。

圖1 刀具刃口鈍化設(shè)備Fig.1 Drag Finishing

立式旋轉(zhuǎn)鈍化系統(tǒng)由兩級行星運動組成，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，可將其進行簡化，如圖1（b）所示。刀具刃口鈍化機采用兩級行星輪系傳動機構(gòu)。電動機通過聯(lián)軸器與O1軸相連。第一級行星減速輪系由齒輪Z1、Z2、Z3以及行星架H1組成，動力輸入軸為與齒輪Z1相連接的軸O1，動力輸出軸為與齒輪Z2相連接的軸O2，將動力傳遞至下一級的齒輪Z4。第二級行星減速輪系由齒輪Z4、Z5、Z6以及行星架H2組成，動力輸入軸為與齒輪Z4相連接的軸O2，動力輸出軸為與齒輪Z5相連接的軸O3。軸O3作為刀具主軸，連接齒輪Z5與立銑刀刀架，將電動機通過兩級行星減速輪系后的動力傳遞至立銑刀。刀具一級行星運動鈍化是在齒輪Z4、Z5、Z6以及行星架H2組成的第二級行星輪系中，刀具在繞軸O3繞軸進行自轉(zhuǎn)運動的同時，軸O3繞軸O2以行星架H2為中心距做一級公轉(zhuǎn)運動，刀具兩級行星運動鈍化是立銑刀在做一級行星運動鈍化的同時，軸O2繞軸O1以以行星架H1為中心距為做二級公轉(zhuǎn)運動。由碳化硅、棕剛玉以及核桃粉按照一定配比組合成的分散固體磨粒裝在磨粒桶中。刀具裝夾在刀盤上，刀盤固定在主軸上，刀具即可在磨粒桶內(nèi)進行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動。刀具在由碳化硅、棕剛玉以及核桃粉按照一定配比組合成的磨粒中進行兩級行星運動，磨粒不斷地對刀具刃口進行沖擊，刀具刃區(qū)微觀形貌上的缺陷得到去除，達到高效鈍化的目的。刀具是沿著一定的軌跡進行運動，而磨粒的運動規(guī)律是隨機的。因此，刀具刃口在分散固體組成的磨粒中進行鈍化過程是非常復(fù)雜的行為，刀具刃口各齒的運動軌跡，如圖2所示。

（2）刀具。采用規(guī)格號為ZX040的硬質(zhì)合金立銑刀。刀具前角 14°，后角 15°，刃長 25mm，直徑 10mm，柄長 75mm。

（3）磨粒。采用40目碳化硅顆粒。

（4）檢測設(shè)備。采用德國蔡司公司生產(chǎn)的型號為SUPRA40的掃描電子顯微鏡。

圖2 刀具轉(zhuǎn)速為40r/min的刀具刃口運動軌跡Fig.2 Tool Edge Motion Path With Speed 40r/min

采用掃描電鏡（SEM）檢測的刀具刃口輪廓在鈍化前和鈍化后的形貌，如圖3所示。通過掃描電子顯微鏡觀察可知，鈍化前立銑刀刃口部分在砂輪加工過程中，由于金剛石顆粒的不規(guī)則性，導(dǎo)致立銑刀前后刀面存在著深淺不一的加工痕跡，同時切削刃口部分存在著明顯的鋸齒現(xiàn)象，由于刀具刃口的結(jié)構(gòu)特性，在加工過程中刃口部分承受大部分的切削力，而這些微觀缺陷將加劇刀具刃口的磨損，甚至發(fā)生崩刃，降低被加工工件的表面質(zhì)量，降低刀具耐用度，縮短刀具使用壽命。鈍化后的刀具刃口，通過掃描電鏡檢測，觀察鈍化后的立銑刀刃口部分掃描電子圖像，立銑刀前后刀面在砂輪加工過程中殘留的深淺不一的加工痕跡基本消失，降低了刀具的表面粗糙度，刃口部分明顯的鋸齒現(xiàn)象完全消失。鈍化前鋒利刃口部分經(jīng)過鈍化后變得圓滑，大大降低了刃口部分的微小缺陷，雖然降低了一定的鋒利程度，但圓滑的刃口不易磨損，從而提高了刀具的耐用度以及被加工工件的表面質(zhì)量，提升了切削加工的穩(wěn)定性，延長了刀具的使用壽命。

圖3 刀具鈍化形貌Fig.3 Tool Edge Contour

3 刀具刃口鈍化實驗結(jié)果及分析

3.1 刀具刃口鈍化實驗結(jié)果

采用二因素三水平的全實驗，研究刃口鈍圓半徑隨不同鈍化時間和刀具轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。實驗設(shè)計，如表1所示。通過掃描電子顯微鏡測出各組實驗后的鈍圓半徑，其結(jié)果如表2所示。

表1 刀具刃口鈍化實驗Tab.1 Edge Preparation Test

表2 刀具刃口鈍圓半徑實驗結(jié)果Tab.2 Edge Preparation Test Result

3.2 鈍化時間對鈍圓半徑的影響規(guī)律

刀具速度采為20r/min、30r/min、40r/min時，刀具刃口鈍圓半徑隨鈍化時間變化的結(jié)果，如圖4所示。由圖4可隨著鈍化時間的增大，立銑刀刃口與碳化硅磨粒接觸碰撞時間也隨之增加，使得立銑刀刃口部分材料去除量增加，刀具刃口鈍圓半徑增大。

圖4 鈍化時間對鈍圓半徑的影響Fig.4 Influence of the Time on the Radius

3.3 刀具轉(zhuǎn)速對鈍圓半徑的影響規(guī)律

刀具鈍化時間分別為15min、30min、45min時，刀具刃口鈍圓半徑隨刀具轉(zhuǎn)速的變化結(jié)果，如圖5所示。由圖可知，隨著刀具轉(zhuǎn)速的增大，立銑刀刃口與碳化硅磨粒的相對速度越大，磨粒顆粒的動能越大，同時碳化硅磨粒與立銑刀刃口的碰撞次數(shù)越多，立銑刀刃口部分材料去除量增加，刀具刃口鈍圓半徑增大。

圖5 刀具轉(zhuǎn)速對鈍圓半徑的影響Fig.5 Influence of the Speed on the Radius

4 結(jié)論

基于立式旋轉(zhuǎn)鈍化特點，獲得了刀具刃口運行軌跡的方程。將硬質(zhì)合金立銑刀在立式旋轉(zhuǎn)鈍化機上進行鈍化，通過對比不同鈍化參數(shù)下的刀具刃口鈍圓半徑值可知，刀具刃口鈍圓半徑隨著鈍化時間的增加和刀具轉(zhuǎn)速的加快而不斷增大。