精切刀具柔性磨粒射流拋光(鈍化)工藝研究*

師潤(rùn)平 韓彥良 韓春鈺

(①賀州學(xué)院，廣西 賀州 542899；②深圳市航天精密刀具有限公司，廣東 深圳 518109)

刃口處理技術(shù)被稱(chēng)為除刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)及刀具涂層技術(shù)之外，影響刀具性能和壽命的第四因素。刃口處理(edge and surface conditioning，ESC)工藝是對(duì)切削刃進(jìn)行強(qiáng)化，并對(duì)切削刃區(qū)(包括前、后刀面)表面進(jìn)行光滑處理處理的綜合工藝方法。通過(guò)ESC，可以增強(qiáng)刀具刃口強(qiáng)度，去除微崩口，獲得光滑、均勻的刃口形貌，改善表面應(yīng)力狀態(tài)，降低表面粗糙度值，提高刀具耐用度1～4倍[1]。

除壽命要求外，精切銑刀對(duì)刃口質(zhì)量也有很高要求。刃口質(zhì)量用切削刃的完整性、光滑性、均勻性和鋒銳性等指標(biāo)衡量。完整性是指切削刃上無(wú)崩刃和掉塊等缺陷；光滑性是去除寬度較小的崩刃和寬度較大的崩刃去銳后的狀態(tài)；均勻性是指切削刃上刃口形狀、半徑的一致性。鋒銳性是指可實(shí)現(xiàn)的最小刃口圓弧半徑，刃口半徑影響切削力、切削溫度、冷作硬化層、殘余應(yīng)力和最小切削厚度等。影響切削刃完整性和光滑性的主要是崩刃，通常采用刃口拋光鈍化處理來(lái)降低崩口深度和去除銳界，但過(guò)度拋光鈍化會(huì)加大刃口圓弧半徑，降低刃口的鋒銳性。刃口的均勻性影響殘余應(yīng)力和加工硬化層的分布狀態(tài)。

刀具刃口處理方法很多，但目前用于工業(yè)生產(chǎn)的方法是磨料毛刷法、立式旋轉(zhuǎn)法(也稱(chēng)拖拽式)、微磨料噴砂法和磁粉鈍化法，其中磨料毛刷法鈍化刀片、立式旋轉(zhuǎn)法鈍化回轉(zhuǎn)類(lèi)硬質(zhì)合金刀具效果較好，微磨料噴砂鈍化技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金刀具刀片涂層前處理[2-5]。存在的具體問(wèn)題包括：毛刷法鈍化回轉(zhuǎn)刀具會(huì)產(chǎn)生刃口半徑不均勻的缺陷，鈍化質(zhì)量不夠穩(wěn)定；立式旋轉(zhuǎn)法也存在刃口半徑沿軸向不均勻現(xiàn)象，而且對(duì)超硬刀具的拋光作用有限，刀具表面拋光不均勻；微磨料干濕式噴砂(包括磨料水射流)會(huì)對(duì)超硬材料刀具表面產(chǎn)生刻蝕，降低表面光滑度；磁粉法鈍化不了輪廓刀，對(duì)刀具外徑尺寸改變大，價(jià)格高。沒(méi)有能兼顧硬質(zhì)合金和超硬材料回轉(zhuǎn)刀具、集鈍化與拋光一體且質(zhì)量均勻穩(wěn)定的技術(shù)。

毛刷法實(shí)際上是一種柔性接觸拋光法，適合PCD等超硬材料刀具拋光鈍化；微磨料噴砂法可以形成表面壓應(yīng)力；拖拽式可以實(shí)現(xiàn)成型刀具刀刃和溝槽表面的一體鈍化拋光；金剛石微粉適合硬質(zhì)合金、金剛石、立方氮化硼和陶瓷等各種材料刀具的拋光。為了解決目前刀具拋光存在的問(wèn)題，在綜合各種方法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的拋光方法——刀具旋轉(zhuǎn)柔性磨粒射流拋光(rotating flexible abrasive jet polishing，R-FAJP)。

1 R-FAJP拋光原理

1.1 柔性磨粒射流拋光原理

柔性磨粒射流拋光原理如圖1所示，采用柔性顆粒為基體，固定、支撐金剛石微粉作為拋光磨粒，形成復(fù)合顆粒，以一定的速度和壓力在被加工件表面上劃擦、翻滾和耕犁，對(duì)表面材料進(jìn)行微細(xì)去除，從而降低被加工表面的粗糙度。拋光過(guò)程中，金剛石微粉以一定角度沖擊表面產(chǎn)生的沖擊作用和剪切作用有著不同的影響，沖擊作用引起脆性裂紋和材料的脆性斷裂去除，剪切作用引起材料的塑性變形和表面材料的微切削去除。脆性斷裂會(huì)對(duì)材料造成亞表面損傷，影響拋光質(zhì)量。采用柔性磨粒射流拋光，垂直于表面的沖擊動(dòng)能被柔性橡膠基體吸收，可以減小甚至避免破碎去除和亞表面損傷[6]。

1.2 R-FAJP裝置

刀具旋轉(zhuǎn)柔性金剛石粉末射流拋光裝置如圖3、4所示，將刀具裝夾在空心軸中，皮帶輪帶動(dòng)空心軸旋轉(zhuǎn)，柔性磨粒從上端進(jìn)入拋光桶，穿過(guò)刀具與空心軸的縫隙，落入接料盤(pán)，循環(huán)利用。在噴射壓力和刀具旋轉(zhuǎn)推擠作用下，柔性磨料從刀具表面滑過(guò)，與刀具表面形成劇烈滑擦，達(dá)到鈍化刃口、消除崩口及去除磨削紋路的目的。

1.3 柔性磨粒的制備

制備柔性磨粒是通過(guò)一種旋轉(zhuǎn)混料裝置將金剛石微粉鑲嵌到柔性顆粒基體表面，既要露出金剛石切削刃，又要保證足夠的結(jié)合力，使其在噴射拋光過(guò)程中具有良好的加工特性而又不輕易脫落。通過(guò)旋轉(zhuǎn)攪拌，金剛石微粉鋒利的棱角刺入柔性顆粒，鑲嵌在柔性顆粒表面。

參照毛刷拋光工藝經(jīng)驗(yàn)，選金剛石微粉粒度號(hào)為200#～270#，直徑約33～54 μm，柔性基體采用小顆粒橡膠，顆粒的直徑大小約為金剛石微粉的10倍——0.5 mm。按質(zhì)量比1：50將金剛石微粉和橡膠顆粒混合，在適當(dāng)轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)擠壓和攪拌下，二者均勻相間并鑲嵌，直至觀察到混合情況不再有明顯變化的飽和鑲嵌狀態(tài)[7]。

2 R-FAJP工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

試驗(yàn)采用磨制加工的兩刃硬質(zhì)合金螺旋立銑刀，螺旋角25°，銑刀后刀面表面粗糙度Ra=0.535～0.675 μm。根據(jù)微磨料噴砂拋光工藝研究經(jīng)驗(yàn)[8-10]，選取對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的4個(gè)拋光參數(shù)(噴射壓力、縫隙距離、加工時(shí)間和旋轉(zhuǎn)速度)作為影響因素，并采用L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)。需要說(shuō)明的是，刀具外緣與空心軸孔壁之間的縫隙距離既影響磨粒的通暢性，也會(huì)影響磨粒與刀具后刀面的劃擦機(jī)會(huì)，因此作為主要試驗(yàn)參數(shù)，金剛石微粉的粒度已有工藝研究經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在此試驗(yàn)中磨料濃度是橡膠顆粒與金剛石微粉的比例，取決于制粒時(shí)的攪拌效果。各影響因素水平值的選取見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

從表2可知，最佳工藝參數(shù)組合是噴射壓力P=1.5 MPa、拋光時(shí)間T=30 min、刀具與孔壁縫隙距離G=0.6 mm(約為磨粒直徑的1.2倍)和刀具旋轉(zhuǎn)速度S=60 r/min。4項(xiàng)參數(shù)對(duì)刀具后刀面粗糙度的影響程度大小的順序?yàn)? 噴射壓力A>刀具轉(zhuǎn)速D>加工時(shí)間C>縫隙距離B。

表2 刀R-FAJP正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5a顯示噴射壓力與刀具后刀面粗糙度值近似呈線性關(guān)系，壓力越大拋光效果越好，原因在于壓力大，磨粒流動(dòng)速度快攜帶的動(dòng)能也大。

圖5b顯示前15～20 min內(nèi)刀具后刀面粗糙度值下降較快近似線性變化，20～30 min下降變得緩慢，30 min以后變化更小，即粗糙度值達(dá)到一定程度后，拋光時(shí)間對(duì)粗糙度影響很小，這時(shí)應(yīng)主要考慮拋光效率。

圖5c顯示當(dāng)?shù)毒吲c孔壁縫隙距離逐漸增大時(shí)，刀具后刀面粗糙度值增大，原因在于縫隙距離過(guò)大時(shí)，柔性磨粒對(duì)刀具表面的刮擦作用減弱，但縫隙過(guò)小會(huì)影響磨料的流動(dòng)性，磨粒堵塞反而會(huì)影響拋光效果。

圖5d顯示刀具轉(zhuǎn)速在60 r/min內(nèi)，刀具后刀面粗糙度隨轉(zhuǎn)速的增加而快速降低，轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(shí)，粗糙度值下降不明顯。

圖6是同批刀具兩種拋光方法在相同時(shí)間下的加工效果對(duì)比，可以看出R-FAJP拋光效果明顯好于拖拽式拋光，而且時(shí)間越長(zhǎng)，差別越大。

2.2 刀具拋光表面形貌對(duì)比分析

利用Keyence 3D輪廓測(cè)量?jī)x，對(duì)刀具表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量分析。

圖7a顯示，拋光前的刀具表面分布有砂輪磨削而形成的磨削紋路，特別清晰，導(dǎo)致表面較為粗糙，是刀具表面粗糙度的主要影響因素，而且均勻分布在整個(gè)刀具表面，具有一定的寬度和深度，同時(shí)刀具刃口的鋸齒狀微觀缺陷清晰可見(jiàn)，也是由砂輪磨削形成的(圖7c)。經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)柔性射流拋光后，刀具表面粗糙度減小，磨削紋路被逐漸去除，表面呈現(xiàn)光滑狀態(tài)(見(jiàn)圖7b)。拋光30 min后刀具表面粗糙度由0.635 μm減小到0.175 μm，刀具刃口鋸齒狀的微崩口也被去除，刃口變得光滑均勻(見(jiàn)圖7d)。說(shuō)明R-FAJP工藝對(duì)刀具的拋光性能較好。此外，R-FAJP工藝兼顧了PCD等超硬材料刀具的軟拋光要求，而磨料噴射拋光工藝也非常適于刀片的拋光，只不過(guò)需要將拋光桶裝置換成旋轉(zhuǎn)盤(pán)，因此R-FAJP是一種效果好、適用廣的刀具精化新工藝。

3 R-FAJP對(duì)PCD銑刀切削性能的影響試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)工件材料是鈦合金TC4(Ti6Al4V)。

(2)試驗(yàn)用PCD刀具的基體材質(zhì)是硬質(zhì)合金棒料，PCD是英國(guó)元素六CTH010復(fù)合片(金剛石平均粒徑為10 μm)。刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)見(jiàn)表3和表4。

表3 刀具幾何參數(shù)

表4 切削參數(shù)

(3)試驗(yàn)方案

①采用R-FAJP對(duì)PCD刀具進(jìn)行鈍化。通過(guò)調(diào)整拋光時(shí)間、噴射壓力和刀具轉(zhuǎn)速控制刃口鈍化值。用KeyenceVK-X激光掃描顯微鏡測(cè)量PCD刀具鈍化值。

②在德國(guó)米克朗HSM800高速銑加工中心上進(jìn)行PCD刀具銑削鈦合金試驗(yàn)。

由表5可知，用未拋光刀具切削加工TC4，刀具的平均壽命為2.8 m,被加工表面粗糙度平均值Ra0.48 μm；拋光后的刀具的平均壽命為4.5 m，被加工表面粗糙度平均值Ra0.24 μm，在相同切削條件下，刀具壽命大幅提高，被加工表面粗糙度明顯降低。經(jīng)過(guò)拋光鈍化的刃口被強(qiáng)化、鋸齒形微崩口等缺陷被去除，刀具后刀面粗糙度降低，減小了刀具后刀面與已加工表面之間的摩擦，這些因素都有利于刀具壽命的提高，同時(shí)鈍化后形成了切削刃部位小的圓弧結(jié)構(gòu),對(duì)工件表面起到修光作用。

表5 切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)與拖拽式刀具拋光相比，R-FAJP對(duì)硬質(zhì)合金刀具的拋光效率更高、可實(shí)現(xiàn)更低的刀具后刀面粗糙度。

(2)對(duì)刀具后刀面粗糙度的影響程度大小的順序?yàn)?噴射壓力、刀具轉(zhuǎn)速、加工時(shí)間和刀具與孔壁的縫隙距離，最優(yōu)工藝參數(shù)組合是P=1.5 MPa、T=30 min、G=0.6 mm(約為磨粒直徑的1.2倍)和S=60 r/min。

(3)R-FAJP兼顧了PCD等超硬材料刀具的軟拋光要求，而磨料射流拋光工藝也適于刀片的拋光，因此R-FAJP是一種效果好、適用廣的刀具精化新工藝。

(4)在相同切削條件下，經(jīng)過(guò)R-FAJP處理的PCD刀具切削TC4鈦合金，刀具壽命大幅延長(zhǎng)，被加工表面粗糙度明顯降低。