硬質(zhì)合金麻花鉆的剪切增稠拋光試驗(yàn)研究

黃向明 ，曾清 ，李希揚(yáng) ，周輝 ，李鴻宇 ，王熔 ，何洪

（1.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.中航動(dòng)力株洲航空零部件制造有限公司，湖南 株洲 412007）

機(jī)械制造業(yè)中鉆削刀具作為加工孔的工具起著十分重要的作用.隨著科技的發(fā)展，制造業(yè)對(duì)孔的加工要求越來(lái)越高，如航空航天中不同構(gòu)件間的連接孔，醫(yī)學(xué)中的骨鉆削，電子信息行業(yè)中的電路板微孔等［1-3］.硬質(zhì)合金由于硬度高、耐熱耐腐蝕等優(yōu)良性能，被廣泛用作鉆削刀具［4］.硬質(zhì)合金麻花鉆作為鉆削刀具，主要通過(guò)磨削加工實(shí)現(xiàn)，往往會(huì)出現(xiàn)一些微觀缺陷［5］.硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行拋光后，刀具表面粗糙度降低，刀具與切屑和孔壁的摩擦力減?。?-8］，切削力和切削熱減小，切削和排屑過(guò)程更為順暢，同時(shí)拋光后的刀具刃口缺陷減少，變得平直鋒利，工件表面殘余應(yīng)力降低，刀具的使用壽命延長(zhǎng).

目前，對(duì)硬質(zhì)合金刀具拋光的研究主要集中在加工簡(jiǎn)單形狀刀片的材料去除機(jī)理及工藝優(yōu)化.Wang 等［8-9］利用超聲波拋光對(duì)硬質(zhì)合金刀片材料進(jìn)行拋光，獲得了Ra=7.60 nm 的表面粗糙度.袁巨龍等［10］分析了硬質(zhì)合金在酸性拋光液中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，建立硬質(zhì)合金刀片化學(xué)機(jī)械拋光的材料去除率模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型的正確性.然而，對(duì)硬質(zhì)合金麻花鉆的拋光研究較少，由于硬質(zhì)合金麻花鉆曲面復(fù)雜，傳統(tǒng)的拋光方法很難得到均勻且高的表面質(zhì)量.

剪切增稠拋光（Shear Thickening Polishing，STP）是一種新型流體拋光方法，它利用具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓冪律流體作為拋光液對(duì)工件進(jìn)行加工［11-14］.這種拋光方法對(duì)曲面有良好的適應(yīng)性，拋光液配制簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求低，可實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量、低成本加工.李敏等［15-17］采用STP 方法對(duì)Si3N4陶瓷、單晶硅、氧化鋯等材料進(jìn)行拋光加工研究，研究表明，STP 能實(shí)現(xiàn)這幾種材料的高效精密拋光，且建立了STP 的材料去除模型.Fan等［18］利用剪切增稠拋光方法實(shí)現(xiàn)了Ti-6Al-4V 表面的精密加工.Lü 等［19］采用STP 對(duì)硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行加工，探究了拋光速度、磨粒濃度及磨粒粒徑等參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律.目前的研究主要集中在平面或者是圓柱簡(jiǎn)單的曲面零件加工，而采用STP 方法加工硬質(zhì)合金麻花鉆復(fù)雜曲面的研究尚未見相關(guān)報(bào)道.

本文使用STP 方法對(duì)硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行拋光試驗(yàn)，分析麻花鉆的剪切增稠拋光原理，通過(guò)對(duì)麻花鉆表面粗糙度、材料去除率以及表面形貌的分析，研究拋光槽轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速對(duì)麻花鉆表面質(zhì)量的影響規(guī)律.

1 麻花鉆的剪切增稠拋光原理

麻花鉆鉆頭結(jié)構(gòu)及刃帶和刃背受力圖如圖1 所示.當(dāng)拋光液以一定的速度v流經(jīng)麻花鉆時(shí)，麻花鉆表面在高剪切速率下受流體動(dòng)力FH影響較大，流體動(dòng)力可分解為法向力Fn和切向力Ft.麻花鉆所有點(diǎn)所受法向力和切向力大小都不同，材料去除程度也就不一樣.因此，拋光時(shí)麻花鉆需同時(shí)作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)麻花鉆表面質(zhì)量均勻.

圖1 麻花鉆鉆頭結(jié)構(gòu)及刃帶和刃背受力圖Fig.1 Configuration of the twist drill and force diagram of blade and blade back of twist drill

麻花鉆刃帶及刃背處STP 的加工原理如圖2 所示.加工時(shí)麻花鉆在流動(dòng)的拋光液中自轉(zhuǎn)，此時(shí)拋光液與麻花鉆刃背、刃帶處有相對(duì)運(yùn)動(dòng).麻花鉆螺旋槽是一種雙螺旋結(jié)構(gòu)，當(dāng)麻花鉆逆其自身螺旋方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，一方面推動(dòng)液體克服摩擦作圓周運(yùn)動(dòng)，另一方面推動(dòng)液體軸向前進(jìn)，使得拋光液與麻花鉆螺旋槽表面發(fā)生劃擦.此時(shí)與麻花鉆表面相接觸的拋光流體受剪切作用產(chǎn)生剪切增稠現(xiàn)象，形成高黏度的拋光膜，分散相與磨粒聚集成“粒子簇”，增強(qiáng)了分散相對(duì)磨粒的夾持作用，從而產(chǎn)生較大的剪切力，與流體動(dòng)壓力共同作用于麻花鉆表面，從而對(duì)工件表面凸峰進(jìn)行微切削形成切屑產(chǎn)生材料去除，實(shí)現(xiàn)對(duì)麻花鉆的精密加工.

圖2 麻花鉆刃帶及刃背處STP的加工原理圖Fig.2 The principle diagram of STP at blade and blade back of twist drill

2 拋光液的配制與流變測(cè)試

2.1 拋光液的配制

拋光液配制選用去離子水為分散劑，玉米淀粉和金剛石磨粒為分散相.選用的可降解玉米淀粉呈球狀，平均粒徑為10 μm，金剛石磨粒平均粒徑為 3 μm，如圖3 所示.首先，配制不同比例的淀粉-去離子水拋光基液，同時(shí)加入一定量的分散劑與防腐劑防止沉淀及變質(zhì).使用MCR302 旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試其流變特性，當(dāng)?shù)矸叟c去離子水的質(zhì)量比例為51∶49 時(shí)，拋光基液具有明顯的剪切增稠效應(yīng)且流動(dòng)性良好.然后，配制剪切增稠拋光液（Shear Thickening Polishing Slurry，STPS）.先將淀粉和去離子水以51∶49 的質(zhì)量比混合，機(jī)械攪拌30 min 配制成拋光基液；再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%及25%的金剛石粉末和添加劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%分散劑、0.2%防腐劑），機(jī)械攪拌30 min 后配制成5種不同的STPS.

圖3 拋光液成分SEM形貌圖Fig.3 SEM morphology of polishing liquid ingredients

2.2 拋光液流變測(cè)試與分析

應(yīng)用旋轉(zhuǎn)流變儀在室溫下分別測(cè)試含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)金剛石的STPS 的流變特性.本次測(cè)試采用穩(wěn)態(tài)應(yīng)變頻率掃描方式，剪切速率為0～1 000 s-1，設(shè)置42個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)試完成后輸出每個(gè)點(diǎn)的拋光液黏度、剪切應(yīng)力和剪切速率值，分別得到拋光液黏度和剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線.STPS 流變特性與金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系如圖4所示.

圖4 STPS流變特性與金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between STPS rheological properties and diamond mass fraction

從圖4（a）可看出，每種拋光液的黏度隨剪切速率的增加都呈現(xiàn)出先減小后增大然后再減小的趨勢(shì)，表現(xiàn)為3 個(gè)區(qū)間：剪切變稀區(qū)，剪切增稠區(qū)和剪切變稀區(qū).隨著磨粒濃度的增加，拋光液臨界剪切速率減小，而黏度和剪切應(yīng)力增大.金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～ 20%時(shí)，拋光液黏度與剪切應(yīng)力變化幅度較?。唤饎偸|(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%時(shí)，拋光液流變特性曲線出現(xiàn)較明顯的整體上升.配制的5 種拋光液剪切增稠效應(yīng)都比較明顯，在后續(xù)的拋光加工中，基于拋光效率與成本的考慮，選擇金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的拋光液進(jìn)行加工試驗(yàn).

3 拋光試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 拋光試驗(yàn)裝置

在現(xiàn)有磨床上搭建STP 加工試驗(yàn)平臺(tái)如圖5 所示.工件裝夾在磨床主軸上，通過(guò)x，y軸調(diào)整麻花鉆的水平位置，通過(guò)z軸控制麻花鉆浸沒在拋光液中的深度.拋光槽外圓直徑D1=400 mm，內(nèi)圓直徑D2=170 mm，高H=120 mm，拋光槽轉(zhuǎn)速n1最高可達(dá)200 r/min.

圖5 STP加工試驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 STP processing experimental platform

裝夾工件時(shí)使麻花鉆浸沒在拋光液的部分達(dá)到麻花鉆工作部分的1/2，加工時(shí)麻花鉆以n2轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn).麻花鉆裝夾位置示意圖如圖6 所示，位于距拋光槽側(cè)邊d=15 mm和底部5 mm處.

圖6 麻花鉆裝夾位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of twist drill clamping position

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所采用的工件為直徑D=10 mm 的YK30F硬質(zhì)合金麻花鉆.麻花鉆表面粗糙度測(cè)量點(diǎn)位置如圖7 所示，距橫刃軸向距離20 mm 刃背處為PA點(diǎn)，同一高度刃帶處為PB點(diǎn)，靠近切削刃的螺旋槽處為PC點(diǎn).使用Wyko NT9100 光學(xué)表面輪廓儀測(cè)量表面粗糙度，測(cè)量3 次取其平均值，麻花鉆表面PA、PB、PC3點(diǎn)的初始表面粗糙度分別為（310±30）nm、（450±50）nm和（270±30）nm.

圖7 麻花鉆表面粗糙度測(cè)量點(diǎn)位置Fig.7 Position of measuring point for surface roughness of twist drill

本次試驗(yàn)探究拋光槽轉(zhuǎn)速n1和工件轉(zhuǎn)速n2對(duì)麻花鉆上PA、PB、PC3點(diǎn)表面質(zhì)量的影響，試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1 所示.拋光槽轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速影響拋光液的剪切速率和剪切增稠效果，從而影響麻花鉆的拋光效果.如公式（1）所示，拋光液的剪切速率γ˙主要跟拋光液速度v及麻花鉆右側(cè)到拋光槽的距離d有關(guān)，加工時(shí)麻花鉆距拋光槽d=15 mm 處拋光液的剪切速率γ˙隨n1和n2的增加而增加.將參數(shù)代入計(jì)算可得，7 組拋光液（表1）的γ˙為101～258 s-1.對(duì)照?qǐng)D4（a），本次所有試驗(yàn)組拋光液都落在黏度特性曲線的剪切增稠區(qū)間.

表1 試驗(yàn)工藝參數(shù)Tab.1 Experimental process parameters

使用光學(xué)表面輪廓儀測(cè)量拋光前、后麻花鉆表面粗糙度Ra0和Ra1，并計(jì)算拋光前、后表面粗糙度的變化率ΔRa，計(jì)算方法如式（2）所示.每隔15 min 使用FA2004A 電子分析天平測(cè)量麻花鉆的質(zhì)量，計(jì)算材料去除率.使用基恩士VHX-5000 超景深三維顯微鏡檢測(cè)拋光前、后麻花鉆的表面形貌.

4 結(jié)果與討論

4.1 表面粗糙度分析

4.1.1 刃背表面粗糙度

圖8 為拋光速度參數(shù)對(duì)點(diǎn)PA處Ra的影響.在加工60 min后，7組試驗(yàn)的麻花鉆Ra分布在11～229 nm.如圖8（a）所示，隨著拋光槽轉(zhuǎn)速的增加，點(diǎn)PA處Ra先減小后增大，在n1=90 r/min時(shí)點(diǎn)PA表面粗糙度達(dá)到最小值120 nm.拋光槽轉(zhuǎn)速較低時(shí)，根據(jù)式（1）可知，拋光液剪切速率低，剪切增稠效果不明顯，且無(wú)法提供拋光液較高的流體動(dòng)力，導(dǎo)致拋光效果不明顯.當(dāng)拋光槽轉(zhuǎn)速增加時(shí)，剪切增稠效應(yīng)增強(qiáng)，Ra慢慢降低.然而拋光槽轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，由于過(guò)大的離心力，流體中的粒子越來(lái)越貼近拋光槽壁，參與拋光的磨粒越來(lái)越少，從而使得麻花鉆表面粗糙度變化率ΔRa反而有所降低.

圖8 拋光速度參數(shù)對(duì)點(diǎn)PA處Ra的影響Fig.8 The influence of polishing speed parameters on the Ra at point PA

由圖8（b）可知，點(diǎn)PA表面粗糙度隨工件轉(zhuǎn)速的增加而減小.當(dāng)工件轉(zhuǎn)速增大到3 500 r/min 時(shí)，剪切速率γ˙超過(guò)了205 s-1，剪切應(yīng)力較大，此時(shí)拋光液將產(chǎn)生較明顯的剪切增稠效應(yīng)，同時(shí)又有相對(duì)較多的磨粒參與拋光，經(jīng)過(guò)60 min 加工后麻花鉆Ra可達(dá)到納米級(jí)，基本穩(wěn)定在12 nm 左右，表面粗糙度變化率ΔRa最高達(dá)96.77%.

4.1.2 刃帶表面粗糙度

圖9 為拋光速度參數(shù)對(duì)點(diǎn)PB處Ra的影響.由圖9（a）可知，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速不變，點(diǎn)PB處Ra隨拋光槽轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)拋光槽轉(zhuǎn)速為90 r/min 時(shí)，Ra達(dá)到最低值323 nm.由圖9（b）可知，Ra隨工件轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速為3 500 r/min 時(shí)，達(dá)到最低值309 nm.從整體上看，經(jīng)過(guò)60 min 的拋光加工后，7 組試驗(yàn)的麻花鉆刃帶點(diǎn)PB處ΔRa全部小于35%，處于一個(gè)比較低的水平.通過(guò)分析麻花鉆結(jié)構(gòu)可知，刃帶與刃背都是圓柱形外表面，且曲率和空間位置差別不大，說(shuō)明點(diǎn)PB和PA處表面粗糙度變化的巨大差異與其形狀和位置無(wú)關(guān)系.通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)麻花鉆刃背處表面刀痕沿麻花鉆表面呈螺旋線狀，而刃帶處刀痕為水平方向，恰好與拋光時(shí)磨粒運(yùn)動(dòng)方向一致.當(dāng)磨粒去除刃帶點(diǎn)PB處表面凸峰材料時(shí)，也會(huì)對(duì)凹陷處的材料進(jìn)行去除，導(dǎo)致ΔRa比較小.

圖9 拋光速度參數(shù)對(duì)點(diǎn)PB處Ra的影響Fig.9 The influence of polishing speed parameters on the Ra at point PB

4.1.3 螺旋槽表面粗糙度

圖10 為拋光速度參數(shù)對(duì)點(diǎn)PC處Ra的影響.與點(diǎn)PB相比，點(diǎn)PC的表面粗糙度變化率整體要更加低一點(diǎn)，為1.85%～26.67%.而Ra隨拋光槽和工件轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)與點(diǎn)PB基本一致，當(dāng)拋光槽轉(zhuǎn)速增大至90 r/min 時(shí)，Ra達(dá)到最低，為224 nm；當(dāng)工件轉(zhuǎn)速增大至3 500 r/min時(shí)，Ra達(dá)到最低，為193 nm.

圖10 拋光速度參數(shù)對(duì)點(diǎn)PC處Ra的影響Fig.10 The influence of polishing speed parameters on the Ra at point PC

點(diǎn)PB位于麻花鉆螺旋槽處，當(dāng)麻花鉆迎著拋光液旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槽阻礙了拋光液的流動(dòng)，使得拋光液速度下降，剪切應(yīng)力降低，剪切增稠效應(yīng)大大減弱，從而導(dǎo)致沒有足夠的切削力去除工件材料，ΔRa比較低.

4.2 材料去除率分析

Preston 方程是廣泛用于拋光領(lǐng)域的材料去除經(jīng)驗(yàn)公式，剪切增稠拋光材料去除率M（Material Removal Rate）修正后公式為［14］：

式中：k0為修正系數(shù)；U為流體速度；n和K是拋光流體本構(gòu)方程中的參數(shù)；R和f（n，φ）是與工件尺寸相關(guān)的參數(shù)；h0為剪切彈性層最小厚度，與剪切應(yīng)力和黏度相關(guān).

材料去除率為單位時(shí)間內(nèi)去除材料的深度/高度，可以通過(guò)測(cè)量并計(jì)算拋光前、后麻花鉆的質(zhì)量差再除以麻花鉆密度、表面積和時(shí)間求得.然而麻花鉆表面積計(jì)算較為復(fù)雜，文中使用質(zhì)量變化率來(lái)表示工件的材料去除率.圖11 為不同拋光槽轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速情況下，拋光時(shí)間對(duì)材料去除率的影響.由圖11（a）可知，當(dāng)拋光槽轉(zhuǎn)速增大時(shí)，拋光液相對(duì)于麻花鉆速度越大，同時(shí)拋光液剪切增稠效果更明顯，流體的剪切速率高，磨粒對(duì)麻花鉆的動(dòng)壓力也越大，根據(jù)式（3）可知，麻花鉆材料去除率也增大.從整體上看，麻花鉆的材料去除率為0.025～0.250 mg/min，隨時(shí)間變化存在波動(dòng)，在拋光過(guò)程最后15 min 有所降低.

圖11 不同拋光槽轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速情況下，拋光時(shí)間對(duì)材料去除率的影響Fig.11 Effect of polishing time on material removal rate under different rotating speed of polishing groove and workpiece

由圖11（b）可知，工件轉(zhuǎn)速越大，麻花鉆的材料去除率也越大.當(dāng)工件轉(zhuǎn)速較低，分別為500 r/min和2 000 r/min 時(shí)，工件材料去除率也較低，且隨時(shí)間變化不大；當(dāng)工件轉(zhuǎn)速較高，分別為3 500 r/min和5 000 r/min 時(shí)，工件材料去除率較高，最高達(dá)1.03 mg/min，整體隨時(shí)間變化趨勢(shì)為前期略有波動(dòng)而后期有所減小.當(dāng)工件轉(zhuǎn)速較高時(shí)，拋光液與麻花鉆相對(duì)速度大大增加，剪切增稠效應(yīng)增強(qiáng)，“粒子簇”對(duì)麻花鉆的動(dòng)壓力增大，根據(jù)式（3）可知，工件材料去除率大大增加.在前45 min，麻花鉆表面凸峰處被去除，表面粗糙度大幅度降低，工件材料去除率也較高；45 min 后，麻花鉆表面已經(jīng)較為平整，此時(shí)需要更大的壓力才能產(chǎn)生材料去除，導(dǎo)致工件材料去除率下降.

4.3 優(yōu)化工藝參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)前面的分析確定較優(yōu)拋光工藝參數(shù)組合：拋光槽轉(zhuǎn)速90 r/min，工件轉(zhuǎn)速3 500 r/min.經(jīng)過(guò)60 min拋光加工后，PA、PB和PC3點(diǎn)的Ra分別達(dá)到了10 nm、243 nm和15 nm.

圖12 為麻花鉆刃背表面三維輪廓圖.加工前麻花鉆刃背表面布滿了經(jīng)磨削加工而產(chǎn)生的方向性凹凸不平的溝痕，并伴有明顯的凹坑缺陷.經(jīng)過(guò)60 min 拋光后，麻花鉆刃背表面已經(jīng)變得十分光滑，表面粗糙度下降至10 nm，表面質(zhì)量得到了極大的提高.

圖12 麻花鉆刃背表面三維輪廓圖Fig.12 3D surface profile of body clearance of twist drill

圖13 為麻花鉆螺旋槽刀刃處表面形貌圖.由圖13 可知，螺旋槽刃口處缺陷被去除，光滑一致性較好.圖14 為麻花鉆表面拋光前、后對(duì)比圖.由圖14 可知，拋光后的麻花鉆變得十分光亮，這表明剪切增稠拋光對(duì)硬質(zhì)合金麻花鉆具有顯著的拋光效果.

圖13 麻花鉆螺旋槽刀刃處表面形貌圖Fig.13 Surface topography on the cutting edge of twist drills

圖14 麻花鉆表面拋光前（左）、后（右）對(duì)比圖Fig.14 The contrast of twist drill surface before（left）and after（right）polishing

5 結(jié)論

1）麻花鉆表面粗糙度隨拋光槽轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大，隨工件轉(zhuǎn)速的增加先減小后基本不變或略有增加.

2）麻花鉆拋光材料去除率隨拋光槽轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨工件轉(zhuǎn)速的增大同樣也增大；在工件轉(zhuǎn)速3 500r/min 下加工工件材料去除率最高可達(dá)1.03 mg/min.

3）優(yōu)化拋光工藝參數(shù)：拋光槽轉(zhuǎn)速90 r/min，工件轉(zhuǎn)速3 500 r/min，拋光加工60 min 后，麻花鉆刃背、刃帶和螺旋槽Ra分別由初始的310 nm、450 nm和270 nm 下降至10 nm、243 nm 和15 nm.

4）利用本文所配置的STP 溶液，通過(guò)優(yōu)化拋光槽轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了硬質(zhì)合金麻花鉆的高表面質(zhì)量拋光.