基于剪切增稠液的高速鋼銑刀刃口修整*

王明海, 張靜波, 龍志凱, 王 奔, 劉 標(biāo), 慈言海

(1.沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 沈陽 110136)(2.沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司, 沈陽 110850)(3.空軍駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室, 沈陽 110083)

新生產(chǎn)出來的刀具刃口有微裂紋、缺口等微觀幾何缺陷，不僅降低刀具的表面質(zhì)量和刃口強(qiáng)度，而且在切削過程中容易擴(kuò)展和延伸，導(dǎo)致刀具的磨損和破損，縮短刀具的使用壽命，降低被加工工件的表面質(zhì)量[1]。刀具修整是通過一定的方法對(duì)刀具進(jìn)行打磨，可有效去除刃口的微觀幾何缺陷，減少刃口損傷，增加刃口強(qiáng)度，提高刀具質(zhì)量，從而延長刀具的使用壽命。常用的方法有磨粒噴射加工、毛刷加工和拖曳式拋光等，其他方法包括磨粒流加工、磨削加工、電火花加工、激光加工和電化學(xué)加工等[2]。本試驗(yàn)采用剪切增稠拋光液(shear thickening fluid, STF)進(jìn)行銑刀刃口的修整，屬于磨粒流加工方法的一種。

剪切增稠液是一種特殊的非牛頓流體，當(dāng)剪切速率超過其臨界值時(shí)，體系的黏度會(huì)迅速增大，呈現(xiàn)類似固體的性質(zhì)[3]。近年來，STF應(yīng)用于精密拋光、刀具修整等各個(gè)領(lǐng)域。在精密拋光領(lǐng)域，李敏等[4]通過STF拋光液實(shí)現(xiàn)了對(duì)單晶硅片的高效精密拋光。NGUYEN等[5]通過STF拋光液提高了合金鋼齒輪的表面質(zhì)量。ZHU等[6]提出了一種新型非牛頓內(nèi)孔拋光工藝，并通過建模和試驗(yàn)證明其具有良好的拋光性能。在刀具修整領(lǐng)域，LYU等[7-8]研究了剪切增稠液的拋光速度、磨料濃度、磨料粒度和夾具傾角對(duì)復(fù)雜形狀硬質(zhì)合金刀具質(zhì)量的影響，并提出一種毛刷輔助剪切增稠拋光方法，提高了復(fù)雜硬質(zhì)合金切削刃表面粗糙度的一致性。SPAN等[9]研究了淀粉基非牛頓流體在表面精加工和刃口珩磨上的應(yīng)用。CHEN等[10]進(jìn)一步研究了淀粉基非牛頓流體在非對(duì)稱刃口和梯度微觀幾何邊緣上的應(yīng)用。

雖然剪切增稠流體體系在刀具修整領(lǐng)域已有廣泛研究，但是在高速鋼銑刀的切削刃修整方面尚有待深入研究。試驗(yàn)探究不同粒度磨料的STF拋光液對(duì)高速鋼銑刀刃口修整的影響，分析刃口半徑和切削刃形貌的變化規(guī)律，并探討刀具在修整過程中的材料去除機(jī)理。

1 STF拋光液的制備

1.1 材料

STF拋光液制備材料包括SiO2微粒、聚乙二醇和碳化硅磨粒。SiO2微粒的原生粒徑為12 nm，由氣相沉積法制備；聚乙二醇的型號(hào)為PEG200，平均相對(duì)分子質(zhì)量為200；a組、b組和c組碳化硅磨?；玖椒謩e約為13.0、3.4、1.6 μm。

1.2 制備工藝

STF拋光液中碳化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，其余為PEG200。制備過程中，使用磁力攪拌、超聲振動(dòng)和機(jī)械攪拌的方法促進(jìn)SiO2微粒的分散。

1.3 磨料分散情況

圖1是顯微鏡觀測的a組碳化硅在STF中的分散情況。可以看出，碳化硅磨料能夠均勻分散于STF中。

圖1 碳化硅在STF中的分散

2 STF修整銑刀的原理

圖2是STF修整銑刀的原理圖。從圖2可以看出：當(dāng)銑刀高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于剪切力的作用，STF拋光液會(huì)在刃口邊緣產(chǎn)生剪切增稠效應(yīng)，黏度迅速增大。于是在刃口與邊界之間形成剪切增稠區(qū)，微觀表現(xiàn)為大量含有磨粒的粒子簇聚集在刃口與邊界之間，形成類似固體的磨具。

圖2 STF修整銑刀原理圖

在與STF流動(dòng)方向相同的剪應(yīng)力Fs和沿邊界作用于刃口方向的法應(yīng)力Fn的共同作用下，粒子簇包裹的磨粒通過在刃口表面不斷地碰撞、劃擦、滾動(dòng)，從而去除刃口尖銳棱角、毛刺、損傷，實(shí)現(xiàn)刀具修整的目的。刃口修整是刃口鈍化與刃口損傷去除同時(shí)進(jìn)行的過程。刀具鈍化使刃口半徑變大，如圖2中Rβ1增大為Rβ2的過程；損傷去除使刃口半徑變小，如圖2中的Rβ3減小為Rβ4的過程。刃口半徑通過這2個(gè)過程的不斷修整，最終由于刃口損傷被去除而趨于穩(wěn)定。通過修整，有效地減少銑刀刃口表面的微觀幾何缺陷和殘余應(yīng)力，增大刃口強(qiáng)度，從而延長刀具的使用壽命。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

高速鋼刀具的修整試驗(yàn)系統(tǒng)由立式加工中心、刀具和裝有STF拋光液的鋼制容器組成。刀具修整試驗(yàn)裝置如圖3所示。刀具采用直徑為14 mm的高速鋼平頭立銑刀。

圖3 試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)前，對(duì)銑刀各個(gè)刃做標(biāo)記，記作1、2、3、4，如圖4所示。

圖4 高速鋼平頭立銑刀

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)，在容器內(nèi)裝滿STF拋光液，主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min。每次試驗(yàn)時(shí)間為5 min，共做4次，試驗(yàn)后測量并記錄銑刀每個(gè)刃的刃口半徑，并用顯微鏡觀測銑刀前刀面、后刀面以及刃口形貌。

為驗(yàn)證STF拋光液對(duì)高速鋼刀具刃口的修整的效果，還設(shè)計(jì)了1組拖拽式鈍化機(jī)對(duì)高速鋼刀具刃口的修整試驗(yàn)，磨料主要由碳化硅、核桃粉等組成。

4 結(jié)果及分析

4.1 刃口半徑

不同參數(shù)的修整銑刀刃口半徑試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，采用不同尺寸碳化硅配制的STF拋光液修整后的刃口半徑變化規(guī)律分別為圖5a、圖5b、圖5c。

a a組Groupa b b組Groupb c c組Groupc圖5 不同參數(shù)修整銑刀刃口半徑變化規(guī)律Fig.5Variationruleofcuttingedgeradiusofmillingcuttertrimmedwithdifferentparameters

從圖5可以看出：修整20 min后，銑刀刃口半徑與修整前相比都有了不同程度的減小，但是減小程度存在很大差異。如圖5a所示，刃口半徑3由19.3 μm減小為11.8 μm，修整后減小了7.5 μm；同組刃口半徑2由17.7 μm減小為17.3 μm，修整后僅減小0.4 μm。這是由不同切削刃初始狀態(tài)的差異性造成的：對(duì)于初始刃口較為完好的切削刃，修整后刃口半徑減小的程度較小；而對(duì)于初始刃口存在損傷的切削刃，修整后損傷去除，刃口半徑減小的程度較大。

在修整過程中，不同參數(shù)修整的銑刀刃口半徑均有增大的情況：如圖5a所示，在5 min時(shí)，刃口半徑1和刃口半徑2增大；如圖5b所示，在10 min時(shí)，刃口半徑1、2、4均增大；如圖5c所示，在5～15 min時(shí)，4個(gè)刃口半徑均有增大的區(qū)間。這是因?yàn)椋诟咚黉摰毒叩募庸み^程中，刃口難以避免加工時(shí)的刃口損傷。刃口修整是刃口損傷去除與刃口鈍化同時(shí)進(jìn)行的過程。刃口損傷去除導(dǎo)致刃口半徑變小，刃口鈍化導(dǎo)致刃口半徑變大。刃口半徑通過這2個(gè)過程的不斷修整，最終由于刃口損傷被去除而趨于穩(wěn)定。

采用拖拽式鈍化機(jī)修整后的刃口半徑變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 拖拽式鈍化機(jī)修整后的刃口半徑變化規(guī)律

從圖6可以看出：拖拽式鈍化機(jī)修整高速鋼銑刀的最佳修整時(shí)間為15 min。此時(shí)，觀測到各個(gè)刃口質(zhì)量較好，而且4個(gè)刃口具有較好的一致性。修整20 min后，容易出現(xiàn)刃口修整過度，如刃口半徑2僅為7.3 μm。盡管該處刃口被修整后質(zhì)量較好，但由于其刃口半徑過小，在切削加工時(shí)，很容易造成刀具磨損。

由于不同切削刃初始狀態(tài)存在差異性，且銑刀4個(gè)刃口半徑不均勻，每把銑刀刃口的半徑取平均值，繪制折線圖，不同參數(shù)銑刀刃口平均半徑修整試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同參數(shù)下的銑刀刃口平均半徑變化

從圖7可以看出：隨著修整時(shí)間的增加，銑刀刃口平均半徑均呈減小趨勢(shì)。對(duì)于鈍化機(jī)試驗(yàn)組，隨著修整時(shí)間的增加，刃口半徑快速減小，各時(shí)間段減小趨勢(shì)基本一致。這是因?yàn)?，鈍化機(jī)試驗(yàn)組是通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)固體磨料與刀具刃口進(jìn)行碰撞摩擦而修整的，這種方式對(duì)刃口的修整較為強(qiáng)烈，效率較高，但切削刃質(zhì)量難以保證。對(duì)于a、b和c試驗(yàn)組，刃口半徑減小趨勢(shì)都是先快速減小，然后趨于平緩，這體現(xiàn)了STF拋光液柔性拋光的特點(diǎn)。當(dāng)銑刀刃口處的大部分損傷被去除后，STF拋光液開始對(duì)銑刀刃口進(jìn)行細(xì)微修整。這種由流體包裹磨料實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具材料的去除的方式，與直接利用固體磨料去除方式比，對(duì)刀具形狀的適應(yīng)性更強(qiáng)，修整后的切削刃質(zhì)量較好。經(jīng)修整，銑刀刃口平均半徑在12.0～16.0 μm范圍之內(nèi)。

試驗(yàn)前后，STF試驗(yàn)組銑刀刃口平均半徑變化如表1所示。從表1可以看出：雖然各組銑刀初始刃口平均半徑不同，但是不同粒度碳化硅修整的銑刀刃口鈍圓半徑變化量存在一定規(guī)律。a組碳化硅STF試驗(yàn)組刃口半徑變化量為4.6 μm，b組碳化硅STF試驗(yàn)組刃口半徑變化量為3.6 μm，c組碳化硅STF試驗(yàn)組刃口半徑變化量為1.9 μm。由此可以分析出：不同粒度磨粒的修整效率不同。相同修整時(shí)間內(nèi)，磨粒的粒度尺寸越大，銑刀刃口半徑變化越明顯。

表 1 STF試驗(yàn)組銑刀刃口平均半徑變化

4.2 銑刀切削刃形貌

通過顯微鏡對(duì)試驗(yàn)前銑刀前刀面、后刀面以及刃口放大觀察，可以看到很多微觀缺陷，例如后刀面損傷、刃口損傷、缺口等微觀幾何缺陷。試驗(yàn)前后銑刀切削刃形貌對(duì)比圖，如圖8、圖9、圖10所示。其中，STF試驗(yàn)組切削刃形貌以a組碳化硅STF為例。

圖8為試驗(yàn)前后銑刀后刀面形貌。通過圖8發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)前后，STF試驗(yàn)組和鈍化機(jī)試驗(yàn)組后刀面表面的磨削痕跡無明顯變化。經(jīng)過2種方式的修整，刀具刃口邊緣的損傷被修整，切削刃處變得光滑平整。從圖8還可以看出：STF試驗(yàn)組的效果相對(duì)較好。從力學(xué)角度分析，STF試驗(yàn)組是通過流體包裹磨料，利用粒子間摩擦力去除刃口表面損傷，這種柔性修整方式保證刃口處與后刀面有良好的過渡，后刀面表面的磨削痕跡沒有發(fā)生改變，而鈍化機(jī)試驗(yàn)組是通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)固體磨料與刀具刃口的碰撞摩擦，對(duì)刃口的修整較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致刃口處的損傷雖被修整，但刃口處與后刀面的過渡性明顯差于STF試驗(yàn)組的。

圖9為試驗(yàn)前后銑刀前刀面形貌。通過圖9發(fā)現(xiàn)：STF試驗(yàn)組和鈍化機(jī)試驗(yàn)組前刀面表面的磨削痕跡，試驗(yàn)前后無明顯變化。從圖9還可以看出：刃口處試驗(yàn)前有缺口、毛刺微觀幾何缺陷，經(jīng)過修整，STF試驗(yàn)組大大改善刃口形貌，鈍化機(jī)試驗(yàn)組也對(duì)銑刀刃口處的缺口有一定修整作用，但效果不如STF試驗(yàn)組的。這是因?yàn)?，固體磨料在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)在一定程度上對(duì)刃口造成損傷。

a 試驗(yàn)前Beforetheexperiment b STF試驗(yàn)組STFexperimentgroup c 鈍化機(jī)試驗(yàn)組Passivationmachineexperimentgroup圖8 后刀面形貌Fig.8Morphologyofthebackcuttersurfaces

a 試驗(yàn)前Beforetheexperiment b STF試驗(yàn)組STFexperimentgroup c 鈍化機(jī)試驗(yàn)組Passivationmachineexperimentgroup圖9 前刀面形貌Fig.9Morphologyofthefrontcuttersurfaces

圖10為試驗(yàn)前后銑刀刃口形貌。通過圖10可以發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)前，由砂輪磨削過的新刀刃口處的損傷比較嚴(yán)重，經(jīng)過STF試驗(yàn)組的修整后，表面損傷被去除，得到了較為光滑平整的切削刃帶；鈍化機(jī)試驗(yàn)組修整后，刃口還會(huì)有一些輕微損傷。這是因?yàn)椋诟咚龠\(yùn)動(dòng)時(shí)，固體磨料會(huì)在一定程度上對(duì)刃口造成損傷，但與試驗(yàn)前比也有了較大改善。因此，這也能突顯STF修整的優(yōu)勢(shì)，由流體包裹磨料實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具材料的去除，與直接利用固體磨料去除方式比，前者對(duì)刀具形狀的適應(yīng)性更強(qiáng)，損傷更小。

a 試驗(yàn)前Beforetheexperiment b STF試驗(yàn)組STFexperimentgroup c 鈍化機(jī)試驗(yàn)組Passivationmachineexperimentgroup圖10 刃口形貌Fig.10Morphologyofthecuttingedge

通過Zoller刀具角度測量儀對(duì)試驗(yàn)前后的刃口進(jìn)行拍攝，刃口形貌如圖11所示。其中，圖11a是修整前銑刀刃口，圖11b是STF試驗(yàn)組修整后銑刀刃口。從圖11可以看出，修整后切削刃刃帶明顯變窄。測量結(jié)果表明，該刃口半徑由19.3 μm變?yōu)?1.8 μm，刃口半徑明顯減小，與觀察結(jié)果一致。

a 修整前銑刀刃口形貌Cuttingedgemorphologyofmillingcutterbeforetrimming b STF試驗(yàn)組修整后銑刀刃口形貌Cuttingedgemorphologyofmillingcutteraftermodificationinexperimentgroup圖11 試驗(yàn)前后刃口形貌Fig.11Morphologyofthecuttingedgebeforeandafterexperiment

5 結(jié)論

(1)修整后，銑刀刃口半徑減小，但由于不同切削刃初始狀態(tài)不同，刃口半徑減小的程度不同，最大變化量為7.5 μm，最小變化量為0.4 μm。

(2)磨料粒度尺寸對(duì)修整效果有一定的影響，粒度尺寸越大，銑刀刃口半徑變化越明顯。a組、b組和c組碳化硅STF試驗(yàn)組修整后,刃口平均半徑分別減小4.6、3.6和1.9 μm。由此可以看出: 在相同時(shí)間內(nèi),粒度最大的a組碳化硅STF試驗(yàn)組的銑刀刃口半徑變化最明顯。

(3)修整試驗(yàn)只是針對(duì)銑刀刃口進(jìn)行修整，銑刀的前、后刀面無明顯變化，磨削痕跡并沒有去除。