磨粒尺寸對硬質(zhì)合金銑刀刃口鈍化的影響*

張靜波，王 奔，王明海，宋萬萬，龍志凱，圖晨華

(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)

0 引言

刀具在生產(chǎn)制造過程中，經(jīng)砂輪刃磨后的刀具刃口存在較多微觀缺陷，如微缺口、微裂紋等[1]，在切削加工過程中，微缺口擴(kuò)大、微裂紋延展，從而使刃口抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度降低，刀具磨損失效加劇，嚴(yán)重影響刀具壽命和切削性能。刃口鈍化是通過一定的工藝方法去除刃口微觀缺陷，獲得適當(dāng)?shù)娜锌趲缀涡螤詈腿锌诒砻嫘蚊?，消除殘余?yīng)力，提高刃口強(qiáng)度，增加涂層附著力，進(jìn)而提高切削性能，延長刀具使用壽命[2-3]。

磨粒是鈍化的關(guān)鍵。磨粒尺寸對刀具鈍化效果至關(guān)重要，國內(nèi)外學(xué)者利用不同鈍化方法對此展開大量研究。毛智星[4]采用正交試驗(yàn)法研究了微磨粒水射流鈍化螺紋刀片刃口的影響因素，得出磨粒粒度尺寸是影響鈍化效果的最重要因素，小粒度磨粒鈍化刀具質(zhì)量較好。李瑞[5]利用ABAQUS仿真分析了立式旋轉(zhuǎn)法鈍化過程中，不同磨粒尺寸對刀具刃口的應(yīng)力分布和位移、磨粒速度和位移、沖擊體積和沖擊深度等變化規(guī)律。BARLETTA等[6]通過對比試驗(yàn)探究了兩種磨粒對拋光效果的影響，表明采用大磨粒拋光時(shí)，磨粒床輔助的行星輪系拋光方式工件外徑減小量是離心盤拋光的2倍。

剪切增稠拋光液鈍化是一種柔性、環(huán)保、穩(wěn)定的磨粒流鈍化法。近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究了磨粒尺寸對剪切增稠拋光液刀具鈍化的影響。SPAN等[7]研究了不同磨粒剪切增稠拋光液鈍化高速鋼刀具過程中的力響應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)大磨粒鈍化時(shí)體系對刀具作用力較小。CHAN等[8]進(jìn)一步研究了不同磨粒剪切增稠拋光液鈍化高速鋼刀具的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大、小兩種磨?；旌吓c單獨(dú)大磨粒比，可以獲得相對均勻的刃口半徑。LYU等[9-10]采用正交試驗(yàn)探究了剪切增稠拋光液拋光速度、磨粒尺寸、磨粒濃度和夾具傾角對硬質(zhì)合金刀片拋光效果的影響，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。

硬質(zhì)合金刀具具有硬度高，強(qiáng)度大，耐磨性好等一系列優(yōu)良性能，但是這也增加了刀具鈍化難度，對刀具鈍化技術(shù)要求較高。目前，國內(nèi)外學(xué)者利用這種磨粒流鈍化的主要研究對象是高速鋼絲錐、高速鋼刀片等，但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硬質(zhì)合金銑刀刃口鈍化的研究并不多，尤其是針對銑刀刃口鈍圓半徑方面缺乏深入研究。試驗(yàn)探究不同尺寸磨粒剪切增稠拋光液對硬質(zhì)合金銑刀刃口鈍化的影響，分析刃口半徑和切削刃形貌的變化規(guī)律，并探討不同尺寸磨粒鈍化刀具的材料去除機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 剪切增稠拋光液的制備

剪切增稠拋光液制備材料包括淀粉、水、磨粒等。其中，淀粉平均分子直徑15 μm[11]，磨粒尺寸依據(jù)淀粉分子直徑選取，分別約為3.4、15、61 μm。磨粒采用金剛石磨粒。制備過程中，使用超聲振動(dòng)和機(jī)械攪拌的方法促進(jìn)淀粉分子和金剛石磨粒的分散。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選取某公司GU25UF碳化鈷類硬質(zhì)合金刀棒材料，由HELITRONIC POWER五軸數(shù)控磨刀機(jī)磨削加工而成。銑刀主要幾何參數(shù)如表1所示。

表1 銑刀主要幾何參數(shù)

刀具鈍化試驗(yàn)裝置示意圖，如圖1所示。

圖1 刀具鈍化試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 數(shù)據(jù)采集

采用ZOLLER刀具測量儀測量銑刀刃口半徑，在距離刀具底部6 mm處進(jìn)行測量，如圖2所示。采用ZEISS掃描電鏡觀測銑刀刃口形貌。

圖2 測量位置圖

2 鈍化機(jī)理

圖3是剪切增稠拋光液鈍化原理圖。刀具和流體相對運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生較大剪切力，使得剪切增稠拋光液在刀具刃口邊緣產(chǎn)生剪切增稠效應(yīng)，粘度迅速增加，體系的淀粉分子由平衡態(tài)迅速變?yōu)榧羟性龀響B(tài)[12]，如圖3所示。

圖3 剪切增稠拋光液鈍化原理圖

微觀表現(xiàn)為：處于平衡態(tài)游離的淀粉分子瞬間聚集形成大量粒子簇，這些具有剪切增稠效應(yīng)的粒子簇在剪切力作用下對金剛石磨粒具有強(qiáng)大的把持作用，類似于一個(gè)個(gè)“柔性磨具”，在銑刀刃口處不斷地劃擦、滾動(dòng)和碰撞[13]，使刃口輪廓由鋒利的銳刃變得光滑圓潤，刃口鈍圓半徑變大，如圖3中Rβ1增大為Rβ2的過程。同時(shí)去除刃口微缺口、微裂紋等微觀缺陷，獲得抗疲勞的壓應(yīng)力，提高刃口強(qiáng)度。剪切增稠拋光液鈍化使刀具刃口質(zhì)量提高且均勻性變好，對刀具形狀具有良好適應(yīng)性，能夠滿足各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)刀具的鈍化要求。

3 結(jié)果與討論

3.1 刃口半徑變化規(guī)律

金剛石磨粒尺寸為3.4、15、61 μm時(shí)，刃口半徑變化規(guī)律如圖4所示。從圖4可以看出，隨著鈍化時(shí)間的增加，刃口半徑逐漸增大。金剛石磨粒大小為3.4 μm時(shí)，刃口半徑由3.6 μm增大為9.7 μm，鈍化值較大。金剛石磨粒大小為15 μm時(shí)，刃口半徑由4.4 μm增大為6.6 μm。金剛石磨粒大小為61 μm時(shí)，刃口半徑由3.8 μm增大為6.4 μm。

圖4 銑刀刃口半徑變化規(guī)律

采用不同磨粒時(shí)，刃口半徑差別較大。這是因?yàn)殁g化前銑刀刃口存在很多微觀缺口，采用不同尺寸磨粒對微觀缺口處材料去除機(jī)理存在明顯差異，從而導(dǎo)致了鈍化值的差異。銑刀刃口缺口處材料去除機(jī)理如圖5所示，金剛石磨粒尺寸為3.4、15、61 μm分別對應(yīng)圖5a～圖5c。當(dāng)3.4 μm磨粒經(jīng)過時(shí)，由于磨粒較小能夠進(jìn)入到缺口內(nèi)部，對缺口邊緣多余材料去除較多，使得鈍化后刃口半徑擬合圓迅速變大，鈍化值較大；當(dāng)15 μm和61 μm磨粒經(jīng)過時(shí)，由于磨粒較大不能進(jìn)入到缺口內(nèi)部，導(dǎo)致磨粒與刃口的有效接觸面積較小，只是對刃口缺口邊緣材料進(jìn)行微量去除，因此鈍化后刃口半徑擬合圓僅稍微變大，鈍化值相對較小。

(a) 磨粒尺寸為3.4 μm (b) 磨粒尺寸為15 μm

(c) 磨粒尺寸為61 μm

3.2 銑刀刃口形貌

鈍化前，刃口存在較多微觀缺陷，如微缺口、微裂紋等，刃口不平整，表面疏松，刀具質(zhì)量較差，如圖6所示。

圖6 鈍化前銑刀刃口形貌

金剛石磨粒尺寸為3.4、15、61 μm時(shí)，刃口形貌的變化情況如圖7所示，分別對應(yīng)圖7a～圖7c。

(a) 磨粒尺寸為3.4 μm (b) 磨粒尺寸為15 μm

(c) 磨粒尺寸為61 μm

金剛石磨粒大小為3.4 μm時(shí)，鈍化后銑刀刃口整體上變得光滑平整，刃口微觀缺陷減少，前、后刀面光潔度提高。但仍有少量微缺口難以去除，缺陷處鎢鈷類顆粒暴露、脫落[13-14]。這些微缺口主要由磨削過程產(chǎn)生，也有可能是在刀具生產(chǎn)過程的其他工藝中產(chǎn)生。

金剛石磨粒大小為15 μm時(shí)，鈍化后銑刀刃口微缺口、微裂紋等微觀缺陷被去除，前、后刀面磨削產(chǎn)生的磨痕微量去除，表面光潔度提高。刃口由鈍化前不平整的銳刃變得光滑圓潤，損傷較少。

金剛石磨粒大小為61 μm時(shí)，鈍化后銑刀刃口鈍化效果較差，鈍化前銳刃全部被磨掉，刃口由銳刃變成“凹刃”，切削刃前刀面磨損嚴(yán)重。

因此，磨粒尺寸對鈍化效果影響較大。當(dāng)金剛石磨粒大小為15 μm時(shí)，磨粒尺寸和淀粉分子尺寸接近，磨粒在刃口表面的材料去除形式以滾動(dòng)去除為主，剪切增稠拋光液具有較好的鈍化效果；當(dāng)金剛石磨粒大小為3.4 μm時(shí)，磨粒尺寸小于淀粉分子粒徑尺寸，磨粒在刃口表面的材料去除形式以劃擦去除為主，存在少量缺陷未能完全去除；當(dāng)金剛石磨粒大小為61 μm時(shí)，磨粒尺寸大于淀粉分子粒徑尺寸，刃口表面的材料去除形式以碰撞去除為主，容易因?yàn)槿コ^度造成刃口磨損，甚至損壞。

4 結(jié)論

為研究剪切增稠拋光液的磨粒尺寸對銑刀刃口鈍化的影響，以硬質(zhì)合金銑刀為研究對象，采用對比試驗(yàn)，進(jìn)行鈍化效果分析和機(jī)理探究。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)金剛石磨粒和淀粉基剪切增稠液可以實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金銑刀刃口微觀缺陷有效去除，獲得光滑圓潤的鈍圓刃口；

(2)磨粒尺寸對鈍化效果影響較大。當(dāng)磨粒尺寸和淀粉分子尺寸接近時(shí)，磨粒在刃口表面的材料去除形式以滾動(dòng)去除為主，剪切增稠拋光液具有較好的鈍化效果；當(dāng)磨粒尺寸小于淀粉分子粒徑尺寸時(shí)，磨粒在刃口表面的材料去除形式以劃擦去除為主，存在少量缺陷未能完全去除；當(dāng)磨粒尺寸大于淀粉分子粒徑尺寸時(shí)，刃口表面的材料去除形式以碰撞去除為主，容易因去除過度造成刃口磨損；

(3)采用不同磨粒時(shí)，刃口半徑差別較大。金剛石磨粒大小為3.4 μm時(shí)，鈍化值較大，金剛石磨粒大小為15 μm和61 μm時(shí)，鈍化值較小。這是由于磨粒較小能夠進(jìn)入到缺口內(nèi)部，對缺口邊緣多余材料去除較多，使得鈍化后刃口半徑擬合圓迅速變大，鈍化值較大。磨粒較大不能進(jìn)入到缺口內(nèi)部，導(dǎo)致磨粒與刃口的有效接觸面積較小，對刃口缺口邊緣材料進(jìn)行微量去除，鈍化值相對較小。