圓刀片刃口磨削表面形貌控制研究

錢 超，姚振強(qiáng)

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

硬質(zhì)合金薄壁盤型刀片廣泛用于分切紙張、纖維、橡膠和皮革等自動(dòng)化加工過程[1]。刀具的主要材料為亞微細(xì)WC-Co硬質(zhì)合金，其WC晶粒粒度在0.5～0.81 μm之間。具有較好的機(jī)械性能，刃面主要采用金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工，加工時(shí)磨削工藝對(duì)工件表面和刃口的質(zhì)量影響較大[2-3]。特別是對(duì)于鋒利的刃口，在磨削加工時(shí)，容易產(chǎn)生微觀缺陷[4]。由于加工刃面較寬，工件磨削加工時(shí)，磨粒在工件表面的切削密度不均勻引起工件在徑向的粗糙度和表面形貌相差較大[5]，另外，工件接觸弧長(zhǎng)在磨削加工歷程中變化較大將引起刀刃粗糙度不均勻。不均勻的刃面微結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響刀片的加工精度及使用壽命[6]。

超細(xì)硬質(zhì)合金磨削加工過程中，隨著砂輪粒度和切削深度增大，材料去除方式由塑性去處向脆性斷裂轉(zhuǎn)變[7]。Gao P研究了微觀磨削下的硬質(zhì)合金的刃口的損傷機(jī)理，發(fā)現(xiàn)刀具刃口產(chǎn)生了微坑和微裂紋等損傷，且最大邊緣損傷厚度隨Co粘接劑含量和WC晶粒的尺寸增大而增大[8]。Sun H Q 利用不同的劃擦方式對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行單磨粒劃擦實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)平行劃擦方式和交叉劃擦方式對(duì)硬質(zhì)合金表面結(jié)構(gòu)、粗糙度和材料去除率影響較大[9]。Zhang Q研究了高速磨削下的刃面形貌及表面質(zhì)量的不均勻狀態(tài)，對(duì)于直徑較大的工件，切削點(diǎn)密度的不同和接觸面積不同，將導(dǎo)致材料去除率變化，最終導(dǎo)致不同徑向位置的表面光潔度不均勻[10]。

上述研究系統(tǒng)的研究了硬質(zhì)合金磨削的材料去除機(jī)理和表面質(zhì)量影響因素，研究集中在局部微觀形貌和單磨粒劃擦分析，沒有考慮到刀片加工的工藝和尺度效應(yīng)，本文針對(duì)圓刀片磨削中表面粗糙度和形貌不均勻的問題，建立了切削表面紋理與切削工藝參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型，提出一種改進(jìn)的單區(qū)域磨削方案，對(duì)比了單區(qū)域和多區(qū)域磨削對(duì)表面的影響，研究?jī)煞N加工方案的表面質(zhì)量隨砂輪粒度變化規(guī)律，驗(yàn)證了單區(qū)域磨削方法在提高圓刀片表面質(zhì)量方面的有效性。

1 圓刀片結(jié)構(gòu)、材料及磨削工藝

圓刀片根據(jù)不同的加工需求，存在多種尺寸規(guī)格，其厚度較薄，通常在0.8～2 mm，直徑尺寸通常范圍在100～300 mm。刀具存在多個(gè)刃面需要加工，如圖1典型零件所示，圓刀片的大刀刃刃磨角度為0.5°，刃寬為35 mm，大刀刃需要磨削加工刃面較寬。

圖1 圓刀片工件圖

實(shí)驗(yàn)工件材料為YG13X WC-Co硬質(zhì)合金，YG13X為亞微細(xì)硬質(zhì)合金，與普通的WC-Co硬質(zhì)合金相比，亞微細(xì)硬質(zhì)合金具有跟更高的抗彎強(qiáng)度和硬度，耐磨性和抗氧化性也有顯著提高。

表1 YG13X硬質(zhì)合金機(jī)械性能表

圓刀片磨削加工原理如圖2所示，利用碗狀砂輪端面加工刃面，砂輪主軸提供砂輪進(jìn)給Vs，工件主軸轉(zhuǎn)動(dòng)提供工件進(jìn)給Vw，砂輪沿著導(dǎo)軌移動(dòng)提供切深進(jìn)給a，其中工件轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刃角定位。

圖2 圓刀片磨削原理圖

刃面采用端面磨削的方式進(jìn)行加工，磨削方向?yàn)轫樐?，可有效減小磨粒的磨損和磨削載荷，砂輪為樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，碗裝砂輪的端面為加工面，具體的磨削參數(shù)如表2所示。

表2 磨削加工參數(shù)表

2 加工試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)量設(shè)備

實(shí)驗(yàn)臺(tái)為德國(guó)德馬吉DMU 70V五軸立式加工中心，如圖3所示。碗狀砂輪安裝在電主軸上，由直驅(qū)電機(jī)提供工件進(jìn)給，通過調(diào)整工件平臺(tái)的角度實(shí)現(xiàn)刃磨角度調(diào)整，試驗(yàn)臺(tái)如圖3b所示。

(a) 德瑪吉 DMU 70V (b) 實(shí)驗(yàn)砂輪和工件安裝圖圖3 圓刀片加工試驗(yàn)臺(tái)

對(duì)于加工表面，采用SJ-210粗糙度儀對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，取樣長(zhǎng)度為2.5 mm。利用BX510金相顯微鏡對(duì)表面紋路進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)X200倍。表面形貌采用Alicona光學(xué)三維形貌儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量設(shè)備如圖4所示。其橫向測(cè)量精度為0.64 μm，垂直測(cè)量分辨率為20 nm。

圖4 測(cè)量設(shè)備

3 表面質(zhì)量不均勻現(xiàn)象

用80#砂輪對(duì)圓刀片進(jìn)行磨削試驗(yàn)后，對(duì)工件表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量，在圓刀面的刀刃外圓、刃面中部和刃面內(nèi)圓(圖1)三個(gè)位置分別測(cè)量徑向和切向的工件粗糙度，發(fā)現(xiàn)工件在刃面不同部位出現(xiàn)粗糙度表現(xiàn)差異較大。測(cè)量結(jié)果如圖5所示，刀片在端面加工方式中，刃面的切向粗糙度大于徑向粗糙度。在切向方向，線粗糙度由外而內(nèi)減小，且粗糙度變化較大，對(duì)于徑向粗糙度則表現(xiàn)的比較均勻，由外而內(nèi)變現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。其中靠近內(nèi)圓位置，粗糙度較大。

圖5 80#磨削表面粗糙度變化圖

利用金相顯微鏡對(duì)圓刀面三個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行觀察，表面形貌如圖6所示，在刀面外圓位置，磨粒的切削軌跡為近似平行徑向方向，所以沿切向的線粗糙度大于沿徑向的線粗糙度。在中部位置，切削路徑為交叉網(wǎng)格，線粗糙度在徑向和切向表現(xiàn)為較好的一致性，在刃面內(nèi)圓部分，可以看出切削路徑較為密集，由于刃面角度的存在，內(nèi)圓位置的切削量及切削壓力水平較低，所以該位置粗糙度較低且在徑向和切向保持較好的一致性。刀具表面在徑向不同位置的粗糙度和表面紋理表現(xiàn)為較大的差異。

(a) 刃面外圓 (b) 刃面中部 (c) 刃面內(nèi)圓 圖6 金相顯微鏡下刀片雙區(qū)域磨削表面形貌圖

4 雙區(qū)域磨削運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為了研究圓刀片刃面表面質(zhì)量和紋理差異形成原因，對(duì)圓刀片大刀刃加工采用端面磨削加工方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，由于刀刃加工角度較小，計(jì)算單顆磨粒A對(duì)工件表面的切削軌跡時(shí)，近似認(rèn)為砂輪主軸和工件主軸平行，工件與砂輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型如圖7所示，在垂直砂輪主軸平面內(nèi)，其中工件轉(zhuǎn)動(dòng)軸O1，砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸為O2，工件和砂輪中心距離e=|O1O2|,R為砂輪半徑，假設(shè)砂輪坐標(biāo)系OX1X1為絕對(duì)坐標(biāo)系，工件坐標(biāo)系為OX2X2為相對(duì)坐標(biāo)系，研究砂輪上單個(gè)磨粒對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，固定坐標(biāo)系OXY，其中工件轉(zhuǎn)動(dòng)速度為Vw，砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度為Vs，經(jīng)過時(shí)間t之后工件轉(zhuǎn)角為θ1，砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ2。

圖7 原刀片磨削運(yùn)動(dòng)模型圖

由相對(duì)坐標(biāo)系可知：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

推出磨粒A磨削軌跡坐標(biāo)：

(7)

工件一個(gè)周向進(jìn)給周期內(nèi)，α和β區(qū)域磨削點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。

圖8 雙區(qū)域磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖

對(duì)圖8中工件上的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行提取,得到實(shí)際磨削切削路徑形成模型如圖9所示。在同一次磨削周期中，有兩個(gè)磨削接觸面同時(shí)參與磨削，其中α磨削區(qū)域磨粒由內(nèi)而外切削，β磨削區(qū)域由外向內(nèi)切削，對(duì)加工表面進(jìn)行兩次不同方向的交叉磨削。對(duì)雙接觸區(qū)加工工件，靠近刃面外圓位置，切削路徑近似與刀片徑向平行，但在刀刃中部形成交叉狀網(wǎng)格，砂輪和刀片在刃面內(nèi)圓相切，內(nèi)圓表面的切削路徑近似與徑向垂直。形成了刃面外圓、中部和內(nèi)圓典型的磨削紋理。

圖9 多區(qū)域與單區(qū)域磨削表面紋理形成模型

5 單區(qū)域磨削方法

由于不均勻的粗糙度和表面紋理會(huì)導(dǎo)致不一致的磨擦性能，影響刀具的切削性能和使用壽命，基于雙區(qū)域磨削方法上提出一種單區(qū)域磨削的磨削方案，在原先雙區(qū)域磨削的基礎(chǔ)上，將工件沿圖9b中X軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小角度γ，使得原先雙加工區(qū)域變?yōu)閱渭庸^(qū)域。只保留對(duì)加工表面進(jìn)行α區(qū)域的切出，避免對(duì)加工表面進(jìn)行交叉磨削。

對(duì)圓刀片工件進(jìn)行單區(qū)域磨削試驗(yàn)，加工后的表面如圖10所示，加工面各位置的磨粒的切削路徑基本保持平行，整個(gè)刃面切削路徑具有較好的一致性。

(a) 刃面外圓 (b) 刃面中部 (c) 刃面內(nèi)圓 圖10 金相顯微鏡下刀片單區(qū)域磨削表面形貌圖

由于刃面切削路徑方向變化，單方向測(cè)量局部粗糙度Ra來表征工件的表面質(zhì)量存在較大的誤差，面粗糙度Sa參數(shù)則可以很好的避免切削方向帶來的影響，可以對(duì)局部的表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估：

(8)

其中，Zij是物體表面區(qū)域輪廓采樣點(diǎn)到基準(zhǔn)平面的距離，M、N分別為評(píng)定區(qū)域中相互垂直兩個(gè)方向上的采樣點(diǎn)數(shù)。它表示區(qū)域形貌的算數(shù)平均偏差。利用Alicona光學(xué)三維形貌儀對(duì)單區(qū)域和多區(qū)域磨削的面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

如圖11所示，對(duì)于單區(qū)域和雙區(qū)域磨削的刃面不同的部位的面粗糙度表現(xiàn)的差異較大，其中單區(qū)域磨削的面粗糙度大于雙區(qū)域磨削的面粗糙度，但是單區(qū)域磨削在整個(gè)刃面的面粗糙變化較小，表面一致性表現(xiàn)的較好。對(duì)雙區(qū)域磨削，雖然其具有較低的面粗糙度，但是面粗糙度在徑向方向的變化較大，其中刃面外圓面粗糙度最高，刃面中部和刃面內(nèi)圓的面粗糙度較低，整體刃面的差異較大。

圖11 單區(qū)域切削與多區(qū)域切削面粗糙度變化

由上可知，單區(qū)域磨削相較于雙區(qū)域磨削具有更好的表面一致性，但兩者的粗糙度都出現(xiàn)了不同位置的差異性，為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)單區(qū)域磨削和雙區(qū)域磨削對(duì)表面質(zhì)量的影響，利用Alicona三維光學(xué)形貌儀對(duì)刃面不同位置表面形貌進(jìn)行測(cè)量。

由三維形貌圖12可知，雙區(qū)域磨削表現(xiàn)為更為復(fù)雜的切削路徑，靠近刃面外圓，切削深度最大，刃面中部變現(xiàn)為交錯(cuò)的網(wǎng)格紋路，存在較多高點(diǎn)，而內(nèi)圓則表現(xiàn)為平行于切向的紋路，主要切削路徑的間隔為近似為砂輪的磨粒的間隔，磨粒密度對(duì)雙點(diǎn)磨削表面有較大影響，對(duì)于單區(qū)域磨削，由三維形貌可知，內(nèi)圓的切削深度較大，外圓的切削深度較小，磨削路徑的密度遠(yuǎn)大于砂輪磨粒的密度，表面形貌主要由多次平行切削共同作用形成。

6 切削點(diǎn)密度對(duì)表面質(zhì)量的影響

由上一節(jié)可知磨粒密度對(duì)于雙區(qū)域和單區(qū)域磨削表面形成有較大的影響，為了研究砂輪的切削密度對(duì)工件的表面質(zhì)量的影響，利用80#、150#、280#和1200#樹脂金剛石砂輪分別對(duì)圓刀片進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)。其中80#、150#、280#磨削為粗加工實(shí)驗(yàn)，由毛坯件直接加工至目標(biāo)尺寸。1200#砂輪主要目的研究的是精加工過程，在280#砂輪磨削的基礎(chǔ)上，磨削30 μm切深去除280#磨削加工痕跡。加工完成后，分別測(cè)量工件不同位置的面粗糙度和表面形貌。

(a) 雙區(qū)域外圓 (b) 單區(qū)域外圓

(c) 雙區(qū)域中部 (d) 單區(qū)域中部

(e) 雙區(qū)域內(nèi)圓 (f) 單區(qū)域內(nèi)圓圖12 80#磨削刃面三維形貌圖

結(jié)果如圖13所示，對(duì)于單區(qū)域磨削，磨削刃面的面粗糙度隨砂輪粒度的減小而減小，對(duì)于刃面不同位置，面粗糙度在徑向的波動(dòng)較小，整個(gè)刃面的一致性表現(xiàn)的較好。雙區(qū)域磨削結(jié)果如圖14所示，相對(duì)單區(qū)域磨削，整體的面粗糙度較低，但在刃面徑向波動(dòng)較大，刃面面粗糙度差異明顯，尤其對(duì)于1200#砂輪的精加工，砂輪粒度對(duì)于刃面面粗糙度的的差異性影響加劇，原因是由于雙區(qū)域磨削方式會(huì)對(duì)已加工表面中部進(jìn)行反向的二次磨削，此時(shí)交叉的磨削路徑會(huì)降低表面的面粗糙度。隨著砂輪粒度的減小，單區(qū)域和雙區(qū)域磨削的面粗糙度差距逐漸減小，但是單區(qū)域磨削表現(xiàn)為更好的表面一致性和表面形貌。

圖13 單區(qū)域切削面粗糙度變化 圖14 雙區(qū)域切削面粗糙度變化

調(diào)平被測(cè)量表面后，定義平面的基準(zhǔn)高度為0，對(duì)于磨削表面的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行高度統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如圖15所示，發(fā)現(xiàn)高度分布變現(xiàn)為較好的正態(tài)分布特性，其中φ(Z)為高度為Z的高度點(diǎn)占所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的百分比。

(9)

圖15 單區(qū)域磨削面高度統(tǒng)計(jì)

但是對(duì)于不同的磨削表面的，其高度分布的均方差值σ變現(xiàn)為較大的差異, σ值可體現(xiàn)為表面高度的集中程度，σ越小表面的高度集中在基礎(chǔ)平面附近，由圖16和圖17 可知，單區(qū)域磨削在砂輪粒度較大時(shí)，表面高度分布較為分散，存在較多極值，表面質(zhì)量劣于雙區(qū)域磨削，但隨著砂輪的粒度減小，這種差異逐漸減小，在1200#時(shí)，在外圓和內(nèi)圓位置，均方差值基本一致，但是雙區(qū)域磨削在刃面中部出現(xiàn)σ值較低的狀況，表面不均勻性明顯。

圖16 單區(qū)域磨削刃面均方差σ變化 圖17 雙區(qū)域磨削刃面均方差σ變化

7 結(jié)論

本文建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型揭示了切削表面紋理與切削工藝參數(shù)的關(guān)系，提出的單區(qū)域磨削可有效避免圓刀片表面質(zhì)量不均勻的問題，最終可得到結(jié)論如下：

(1)圓刀片雙區(qū)域磨削的表面形貌沿徑向有明顯的差異，單區(qū)域磨削刃面整體切削紋路保持平行。 (2)單區(qū)域磨削的面粗糙和測(cè)量點(diǎn)高度整體分布均勻。而雙區(qū)域磨削在刃口和內(nèi)部邊緣處粗糙度較大，刃面中部粗糙較小，徑向不同位置差異較大。

(3)隨著磨削粒度減小，單區(qū)域磨削和雙區(qū)域磨削的面粗糙度差異減小，單區(qū)域磨削表面粗糙度在不同位置表現(xiàn)出較好的一致性，精加工階段，采用單區(qū)域磨削加工，可有效的提升硬質(zhì)合金圓刀片的表面質(zhì)量。