基于彈性噴砂的拉刀刃口鈍化技術研究

吳志正，張玉華，萬禮揚，翁劍，莊可佳

1. 武漢理工大學機電工程學院 湖北武漢 430070

2. 中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

吳志正

1 序言

榫槽在航空發(fā)動機中用于連接各個部件，是航空發(fā)動機的重要組成部分。榫槽的質(zhì)量對發(fā)動機的穩(wěn)定性、安全性和壽命有著顯著的影響。榫槽一般由拉刀（見圖1）進行加工，拉刀經(jīng)過微刃磨削后，切削刃刃口鈍圓半徑減小，使得切削刃變得尖銳，并且由于砂輪磨粒和刀具材料本身的不均勻性，刀具刃口處還會產(chǎn)生細小的微觀缺陷。

圖1 榫槽拉刀

拉刀的刃口表面質(zhì)量控制是保證榫槽廓形精度的關鍵手段。大量經(jīng)驗表明，刀具刃口過于尖銳會使其剛度降低，加工過程中容易發(fā)生崩缺，造成刀具報廢。而微觀缺陷不僅會影響刀具切削性能，加速刀具在切削過程中的磨損，還會直接影響工件的表面質(zhì)量。

為了保證航空發(fā)動機榫槽的質(zhì)量，針對航空發(fā)動機用榫槽拉刀選用合適的刃口處理方法是一個關鍵問題。目前常使用鈍化處理對刀具刃口進行強化，鈍化處理是指對尖銳鋒利的刀具進行加工，使其切削刃的刃口獲得一定半徑的圓角，消除刀具刃口的毛刺、劃痕等微觀缺陷，可以有效提高刀具表面質(zhì)量、刀具刃口強度以及刀具工作壽命，同時還能使得加工過程變得更加平穩(wěn)。目前常用的鈍化方法有磁力研磨處理方法、磨粒水射流處理方法、噴砂處理方法和電化學處理方法等[1-3]。

鈍化處理除了能夠?qū)⒌毒呷锌谟射J刃鈍化為圓弧形的刃口外，還能夠進一步改變刀具鈍圓刃口的形狀，DENKENA等學者[4]提出了一種用前刀面鈍化值Sγ和后刀面鈍化值Sα的比值來描述刀具刃口形狀的表示方式，用形狀因子K表示，K＝Sγ/Sα。不同的刃口形狀和尺寸對應不同的切削材料和切削工況，刃口尺寸和形狀的選擇對刀片性能的影響十分關鍵[5，6]。鈍化處理可改變刀具刃口形狀使得刀具能夠適用于不同的工況。

本文使用彈性噴砂對航空發(fā)動機用榫槽拉刀進行鈍化處理，彈性噴砂屬于噴砂中的一種方法，利用彈性磨料隨著高速氣流沖刷刀具刃口，去除較為尖銳的刃口材料，將刀具切削刃的刃口鈍化為鈍圓形，實現(xiàn)對刃口的鈍化處理從而提高刀具壽命和加工性能。

作為一種新型刀具刃口鈍化技術，目前針對彈性噴砂對刀具刃口鈍化效果的影響規(guī)律還尚未明了，研究該方法對于刀具的刃口鈍化處理具有重要意義。

2 鈍化處理與彈性噴砂

噴砂是一種常用的鈍化處理方式，噴砂利用壓縮氣體加速磨料顆粒，通過產(chǎn)生的高速磨料束來沖擊待加工表面并去除材料，以此來加工刀具刃口及表面。磨料的沖擊和切削作用能使工件表面質(zhì)量得到改善。

按照磨料介質(zhì)的不同，噴砂可被分為干噴砂和濕噴砂，干噴砂以空氣作為介質(zhì)，濕噴砂以液體作為介質(zhì)。彈性噴砂屬于干噴砂中的一種，傳統(tǒng)的干噴砂工藝一般采用碳化硅或白剛玉顆粒等硬質(zhì)材料作為磨料，彈性噴砂作為一種新型的干噴砂方法，采用彈性磨料對工件進行處理。

2.1 彈性磨料制備

彈性磨料制備流程如圖2所示，彈性磨料上是由特定工藝制成的多元素聚合物微粒，其制備過程主要可分為以下步驟。

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圖2 彈性磨料制備流程

1）將聚氨酯、硅橡膠、碳化硅和偶聯(lián)劑在攪拌器的作用下均勻混合，然后加入固化劑，形成粘膠混合物。

2）將粘膠混合物放入高溫容器中加熱一段時間。

3）在加熱后的粘膠混合物中加入纖維并進行攪拌，使纖維均勻混合在粘膠混合物中。

4）將粘膠混合物倒入增壓容器后進行烘烤和固化，獲得彈性磨料的基底顆粒。

5）將彈性磨料的基底顆粒通入高壓噴槍的磨料管道，將一定比例的金剛石微粉通入噴槍的空氣管道，在高壓氣流的作用下，金剛石微粉被固定在彈性磨料基底顆粒上，最終在噴嘴處得到彈性磨料。

2.2 彈性噴砂特點

通過上述工藝生產(chǎn)出的彈性磨料顆粒近似球形，沒有尖銳的邊緣，這與主要依靠尖銳邊緣去除材料的硬質(zhì)磨料截然不同。單個彈性磨料顆粒的平均尺寸約為1mm。圖3a為使用Zeiss Sigma 500電子掃描顯微鏡在100倍放大倍數(shù)下觀察到的單個彈性磨料顆粒，當放大到2000倍觀察時，可以在彈性磨料顆粒表面觀察到金剛石顆粒，這是彈性磨料能夠去除工件材料的原因。

圖3 彈性磨料顯微電子掃描圖像

與傳統(tǒng)的硬質(zhì)噴砂方法相比，采用彈性磨料的彈性噴砂具有諸多優(yōu)點。當彈性磨料沖擊工件表面時，金剛石顆粒首先接觸到工件表面并對工件表面進行切削直至彈性磨料顆粒完全撞擊至工件表面；當彈性磨料顆粒完全撞擊至工件表面后，由于彈性磨料基底顆粒的彈性，彈性磨料會迅速從工件表面反彈開，不會對工件表面長時間切削，從而不會損傷工件表面，降低了對工件本身精度的影響。并且由于彈性噴砂的材料去除率低，所以在彈性噴砂過程中工件的表面溫度接近室溫，降低了溫度對于鈍化效果的影響。

彈性磨料接觸到工件表面的每一粒金剛石顆粒都相當于一個切削刃，而硬質(zhì)磨料只有接觸到工件表面的尖銳處才能對工件進行切削，與硬質(zhì)噴砂相比，彈性噴砂加工后的工件表面粗糙度值更低且更加均勻。

當磨料沖擊在工件表面時，常用的硬質(zhì)磨料易發(fā)生碎裂，在投入使用時間過長后其加工效果會嚴重減弱。而彈性磨料由于具有彈性，不易碎裂，因此對工件表面的加工效果幾乎不隨時間變化。

3 試驗方案

為了驗證彈性噴砂對航空發(fā)動機用榫槽拉刀的加工效果，需要對航空發(fā)動機用榫槽拉刀進行噴砂試驗。拉刀具有多個切削齒，在本試驗中，每組試驗對拉刀的單個齒進行彈性噴砂處理，每組試驗采用不同的噴砂參數(shù)。

鈍化處理加工效果的影響因素主要有噴砂壓強、噴砂時間、噴砂距離和噴砂角度等，其中噴砂壓強、噴砂時間對鈍化加工后刀具刃口鈍圓半徑的影響尤為明顯。為了驗證彈性噴砂對拉刀切削刃的刃口鈍圓半徑以及表面粗糙度的鈍化效果，本文以噴砂壓強與噴砂時間作為變量進行噴砂試驗。其中噴砂壓強設置4個數(shù)值，分別為230kPa、280kPa、330kPa和380kPa，每種噴砂壓強設置3種噴砂時間，分別為10s、20s和30s，共12組試驗，每組試驗保持噴砂角度與噴砂距離固定，設置噴砂角度為0°，即噴槍口對準每組試驗參數(shù)對應的切削齒刃口，使噴砂方向與切削齒前刀面和后刀面的中軸線重合，控制噴槍口與拉刀切削刃之間的距離為30mm。試驗后使用Alicona InfiniteFocus三維表面測量儀（見圖4）觀測各組試驗對應刀齒的刃口鈍圓半徑以及表面粗糙度。具體試驗參數(shù)設置見表1。

圖4 Alicona InfiniteFocus三維表面測量儀

表1 彈性噴砂鈍化試驗參數(shù)

為研究噴砂角度對拉刀刃口形狀的影響規(guī)律，另外設置3組試驗，如圖5所示?？刂聘鹘M試驗的噴砂壓強、噴砂時間和噴砂距離相同，在噴砂角度分別為0°、-18°和18°時對拉刀的切削刃進行彈性噴砂，試驗后使用Alicona InfiniteFocus三維表面測量儀觀測拉刀刃口形狀。

圖5 彈性噴砂拉刀刃口試驗示意

本試驗在自主研發(fā)的基于彈性噴砂原理設計的智能彈性噴砂設備（見圖6）中進行。該設備采用六自由度機器人手臂控制噴槍位置，基于機械臂優(yōu)秀的精度與靈活性，固定在機械臂上的噴嘴可以迅速而精確地加工刀具。噴砂壓強與噴砂時間可在設備操作面板上設置，設備內(nèi)部安放有用于放置工件的工作臺。在試驗過程中，將拉刀放置于智能彈性噴砂設備中的工作臺上，將噴槍口對準待噴砂處理的切削齒，并控制機械臂操縱噴槍沿著切削齒的切削刃來回往復運動使切削刃被均勻加工，同時在加工時遮擋住拉刀上其余的切削齒以避免二次噴砂造成干擾。

圖6 智能彈性噴砂設備

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 彈性噴砂對刃口鈍圓半徑的影響

經(jīng)過彈性噴砂處理后，由Alicona InfiniteFocus三維表面測量儀測得原始刃口鈍圓半徑為8.602μm，各組試驗對應切削刃的刃口半徑結(jié)果如圖7所示。

圖7 刃口鈍圓半徑試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果中可以看出，經(jīng)過噴砂處理后，各組切削刃的刃口鈍圓半徑相較于原始刃口鈍圓半徑均有提升，且相同噴砂時間內(nèi)，噴砂壓強越大，刃口鈍圓半徑越大；相同噴砂壓強下，噴砂時間越長，刃口鈍圓半徑越大。

從微觀層面分析，這是由于噴砂壓強越大，每顆彈性磨料所攜帶的動能就越大，沖擊在拉刀切削刃表面上時彈性磨料表面金剛石顆粒切削的材料越多，同時沖擊在切削刃表面所造成的塑性變形也更明顯，使得相同噴砂時間內(nèi)，噴砂壓強越大，刃口鈍圓半徑越大；噴砂時間越長，單次加工過程中沖擊在拉刀切削刃上的彈性磨料顆粒就越多，彈性磨料顆粒在拉刀切削刃上切削掉的材料越多，同時沖擊在切削刃表面的彈性磨料顆粒數(shù)量越多，所造成的塑性變形也更明顯，使得相同噴砂壓強下，噴砂時間越長，刃口鈍圓半徑越大。

4.2 彈性噴砂對刃口表面粗糙度的影響

對比電子顯微鏡拍攝出的經(jīng)彈性噴砂處理前后的拉刀刃口處的表面形貌（見圖8）可以看出，經(jīng)彈性噴砂處理后拉刀表面的平整度大幅提高。由Alicona InfiniteFocus三維表面測量儀測得的表面粗糙度值數(shù)據(jù)如圖9所示。圖9中彈性噴砂處理前拉刀刃口表面粗糙度值Ra為0.416μm，經(jīng)彈性噴砂處理后，最低降至了0.119μm。由試驗結(jié)果可看出，隨著噴砂壓強與噴砂時間的增大，拉刀切削齒刃口的表面粗糙度值整體呈現(xiàn)降低的趨勢。

圖8 彈性噴砂前后拉刀表面形貌對比

圖9 表面粗糙度值試驗結(jié)果

4.3 彈性噴砂對刃口形狀的影響

圖10是由Alicona InfiniteFocus三維表面測量儀觀測到的不同噴砂角度下彈性噴砂后的拉刀刃口形貌，結(jié)合表2中的拉刀形狀因子數(shù)據(jù)可知，經(jīng)不同噴砂角度加工后的拉刀切削刃刃口形狀也有所不同。噴砂角度為0°時，前、后刀面鈍化值基本一致，刃口的形狀因子K＝1.016，刃口為均勻的圓弧形刃口；噴砂角度為-18°時，前刀面鈍化值Sγ比后刀面鈍化值Sα小，刃口形狀因子K＝0.745，刃口形狀偏向后刀面的瀑布型刃口；噴砂角度為18°時，前刀面鈍化值Sγ比后刀面鈍化值Sα大，刃口形狀因子K＝1.345，刃口形狀偏向前刀面的瀑布型刃口。

圖10 不同噴砂角度下拉刀刃口形貌

表2 不同噴砂角度下拉刀形狀因子

結(jié)合彈性噴砂原理可知，當噴砂角度為0°時，噴砂射流方向與切削齒的前刀面和后刀面的中軸線重合，此時彈性磨料均勻沖擊前刀面與后刀面，使得彈性噴砂加工后的拉刀切削齒刃口的前刀面鈍化值Sγ和后刀面鈍化值Sα基本一致，刃口形狀為均勻的圓弧形刃口。

當噴砂角度為-18°時，噴砂射流方向相對于切削齒的前刀面和后刀面的中軸線沿后刀面方向偏轉(zhuǎn)了18°，此時彈性磨料主要沖擊后刀面，后刀面被去除的材料較多，使得彈性噴砂加工后的拉刀切削齒刃口的前刀面鈍化值Sγ比后刀面鈍化值Sα小，刃口形狀因子K＜1，刃口形狀為偏向后刀面的瀑布型刃口。

當噴砂角度為18°時，噴砂射流方向相對于切削齒的前刀面和后刀面的中軸線沿前刀面方向偏轉(zhuǎn)了18°，此時彈性磨料主要沖擊前刀面，前刀面被去除的材料較多，使得彈性噴砂加工后的拉刀切削齒刃口的前刀面鈍化值Sγ比后刀面鈍化值Sα大，刃口形狀因子K＞1，刃口形狀為偏向前刀面的瀑布型刃口。

上述試驗數(shù)據(jù)以及分析說明彈性噴砂是一種有效的航空發(fā)動機用榫槽拉刀的鈍化處理方式，經(jīng)彈性噴砂后，拉刀切削刃刃口鈍圓半徑增大，能夠減少由于拉刀切削刃過于尖銳導致加工過程中崩刃情況的發(fā)生；當采用不同的噴砂角度處理拉刀時，能夠得到不同形狀的刃口，可根據(jù)實際工況選擇合適的參數(shù)加工出理想的刃口形狀。此外，彈性噴砂可改善拉刀切削刃的表面質(zhì)量，去除切削刃上及周邊的毛刺、劃痕等微觀缺陷并降低刃口的表面粗糙度值，能夠改善拉刀加工出的榫槽的質(zhì)量。

5 結(jié)束語

本文針對航空發(fā)動機用榫槽拉刀切削刃刃口過于尖銳以及刃口表面存在微觀缺陷等問題，使用彈性噴砂技術對拉刀進行了一系列的鈍化處理試驗，檢測了彈性噴砂處理后各組試驗對應切削齒的刃口鈍圓半徑、表面形貌以及表面粗糙度，并且觀測了各組切削齒刃口的刃口形狀。通過對這些數(shù)據(jù)進行分析，最終得到以下結(jié)論，證明了彈性噴砂能夠有效提升航空發(fā)動機用榫槽拉刀的表面質(zhì)量以及切削性能。

1）彈性噴砂能夠有效鈍化航空發(fā)動機用榫槽拉刀，在噴砂角度和噴砂距離固定的情況下，噴砂壓強與噴砂時間越長，彈性噴砂加工后的拉刀切削刃刃口的鈍圓半徑越大。

2）在噴砂壓強、噴砂時間和噴砂距離不變的情況下，通過調(diào)整噴砂角度能改變拉刀切削刃刃口的形狀。

3）經(jīng)彈性噴砂處理后，拉刀切削齒的表面質(zhì)量有明顯的提升，能改善表面質(zhì)量和平整度。并且隨著噴砂壓強與噴砂時間的增大，拉刀切削齒刃口的表面粗糙度值逐漸降低。