刀具鈍化
什么是刀具鈍化通過對刀具進(jìn)行去毛刺，平坦，拋光的處理、從而進(jìn)步刀具和延伸使用壽命。刀具在精磨之后，涂層之前的一道工序，其稱號現(xiàn)在-尚不統(tǒng)一，有稱“刃口鈍化”、“刃口強(qiáng)化”、“刃口珩磨”、“刃口預(yù)備”等。為什么要進(jìn)行刀具鈍化經(jīng)一般砂輪或金剛石砂輪刃磨后的刀具刃口，存在程度不同的微觀缺口(即細(xì)小崩刃與鋸口)。在切削進(jìn)程中刀具刃口微觀缺口極易擴(kuò)展，加速刀具磨損和損壞。現(xiàn)代高速切削加工和自動化機(jī)床對刀具功能和穩(wěn)定性提出了更高的要求，-是涂層刀具在涂層前必須通過刀口的鈍化處理，才能-涂層的結(jié)實(shí)性和使用壽命。
高速車削tc4鈦合金硬質(zhì)合金刀片槽型對刀具磨損的影響
tc4鈦合金具有比強(qiáng)度高、高溫?zé)釓?qiáng)性和耐熱功能高、抗腐蝕性好等尤秀功能，因而成為航空航天工業(yè)中應(yīng)用前景極其寬廣的資料。一起，因?yàn)榛瘜W(xué)活性大、變形系數(shù)小、熱傳導(dǎo)率低一級特色又使其成為一種典型的難加工資料。現(xiàn)在，硬質(zhì)合金是切削tc4鈦合金的首要刀具資料，且可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的使用越來越廣泛。在加工過程中，可轉(zhuǎn)位刀片的槽型對切削過程有很大影響，-學(xué)者對刀片槽型對切削加工的影響進(jìn)行了深入的研討，波蘭學(xué)者grzesik對三維槽型刀具切削鋼材的切屑折斷機(jī)理進(jìn)行了研討，發(fā)現(xiàn)對觸摸面的控制是影響切屑折斷的一個重要因素。中山一雄以為:切屑受擠壓而彎曲是因?yàn)閿嘈疾凼┘訌澗匦Ч慕Y(jié)果，并以為斷屑槽型的不同會導(dǎo)致斷屑功能的不同。worthington等人研討了棱帶寬度在切削過程中的斷屑效果，并給出棱帶的寬度范圍，一起給出了切屑彎曲半徑。方寧研討了刀片槽型對斷屑功能的影響，并應(yīng)用多重線性辦法，建立了兩種預(yù)測新型刀片斷屑功能的數(shù)學(xué)模型。
綜上所述，現(xiàn)在對切削加工中槽型對切削影響的研討首要集中在斷屑方向。事實(shí)上，刀片的槽型對刀片本身的磨損也有很大影響，-是高速切削tc4鈦合金時刀具磨損很快，此刻，槽型對刀片磨損的影響就顯得更為-。本文選用山特維克可樂滿cnmg120408刀片的sm和qm兩種槽型進(jìn)行研討，用齒條刀具加工漸開線，通過實(shí)驗(yàn)來比照剖析不同切削速度下兩種槽型刀片的磨損特色。
1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件
1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)選用的是沈陽地一機(jī)床廠出產(chǎn)的數(shù)控車床cak6150(如圖1)，其主軸蕞大轉(zhuǎn)速為1800r/min。
刀片磨損的觀測選用基恩士vhx-1000c型超景深三維顯微體系(如圖2)。
1.2 刀片的幾許參數(shù)及槽型特征
實(shí)驗(yàn)選用刀片的商標(biāo)為h13a，它是山特維克可樂滿公司針對鈦合金及耐熱合金切削開發(fā)的一種新型細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具商標(biāo)，具有-的耐磨粒磨損性和韌性，適用于鈦合金的車削加工。
刀片型號為cnmg120408，其安裝后的刀具幾許參數(shù)如表1。
實(shí)驗(yàn)選用了cnmg120408的兩種槽型，即qm槽型和sm槽型刀片進(jìn)行比照研討。兩種刀片槽型的結(jié)構(gòu)特征如圖3所示，它們的前角均為15°，qm槽型選用波濤形槽背，一起它具有較大的棱帶寬度，寬深比較小。sm槽型的棱帶寬度較小，-可以忽略，因而刀刃比較尖利，槽型較陡峭，寬深比較大。
1.3 實(shí)驗(yàn)方案
tc4鈦合金常用切削速度為40～50m/min，漸開線蝸桿的車削刀具，為深入研討高速車削時刀片槽型對刀具磨損的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)選擇兩種不同的切削速度進(jìn)行比照剖析，其切削速度分別為：95m/min、139m/min。詳細(xì)切削條件如表2所示。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及剖析
2.1 切削速度為95m/min時刀具磨損的形狀
圖4為切削速度95m/min時兩種槽型刀片的磨損情況。在前刀面上，兩種槽型刀片的磨損描摹首要是月牙洼磨損，qm槽型刀片磨損更為-，-察到刀具資料因?yàn)楦邷匕l(fā)生了塑性變形。在后刀面上，因?yàn)殁伜辖鸬幕貜椵^大，后刀面和工件的觸摸應(yīng)力增大，切削區(qū)的溫度升高，因而刀具后刀面的磨損比切削其他資料時要相對-一些。由圖4可知，兩種槽型刀片中qm槽型刀片后刀面磨損比sm槽型刀片-得多，可以顯著觀察到刀具資料高溫軟化后工件資料中的硬質(zhì)點(diǎn)在刀具上劃擦發(fā)生的犁溝，一起可見因?yàn)楦邷厥沟毒哔Y料發(fā)生塑性變形引起的粘結(jié)磨損。sm槽型刀片的后刀面磨損較輕，僅發(fā)生了較小的機(jī)械磨損，未見顯著犁溝
圖5為兩種槽型刀片在切削速度95m/min時的磨損曲線，可以看出，在切削初始階段qm槽型刀片磨損稍大，跟著切削的持續(xù)，sm槽型刀片有很長的一段正常磨損階段，切削旅程到達(dá)1400m后，后刀面磨損量仍小于0.15mm。qm槽型刀片的正常磨損階段要短得多，后刀面磨損量在切削旅程為1300m時到達(dá)0.25mm，此后刀具磨損加重，進(jìn)入急劇磨損階段，切削旅程到達(dá)1400m時后刀面磨損量已-0.5mm。在切削速度為95m/min時sm槽型刀片的磨損顯著小于qm槽型刀片，sm槽型刀片具有-的切削功能。
2.2 切削速度為139m/min時刀具磨損的形狀
圖6為切削速度為139m/min時兩種槽型刀片的磨損情況。兩種槽型刀片在前刀面上的月牙洼磨損均較為-，且均-察到高溫引起的塑性變形。在后刀面上，兩種槽型刀片均能顯著觀察到因?yàn)楦邷匕l(fā)生的粘結(jié)磨損和刀具資料高溫軟化后發(fā)生的犁溝磨損，且sm槽型刀片的后刀面磨損較重。
圖7為兩種槽型刀片在切削速度為139m/min時的磨損曲線，可以看出，在切削初始階段，兩種槽型刀片磨損大致相同，跟著切削的持續(xù)，兩種槽型刀片的磨損均較快，首要原因是高速切削時刀具與工件觸摸頻率增大，刀尖的散熱時刻縮短，導(dǎo)致切削區(qū)的溫度急劇添加，刀具磨損速度加快。與切削速度為95m/min時不同，此刻qm槽型刀片磨損相對較小，切削旅程到達(dá)300m曾經(jīng)刀具的磨損都比較平穩(wěn)，為正常磨損階段，而sm槽型刀片在切削旅程到達(dá)250m時就進(jìn)入了急劇磨損階段，正常磨損階段較短。與切削速度為95m/min時相比，兩種槽型刀片的磨損均敏捷得多。sm槽型刀片的后刀面磨損量到達(dá)0.3mm時，切削旅程不足450m，刀具使用壽命比切削速度為95m/min時大幅下降。qm槽型刀片的后刀面磨損量到達(dá)0.3mm時，切削旅程約為500m，刀具使用壽命不及切削速度為95m/min時的一半。在整個磨損過程中qm槽型刀片的磨損小于sm槽型刀片，此刻qm槽型刀片具有-的切削功能。
2.3 兩種切削速度下兩種槽型刀片功能差異的剖析
比較圖5和圖7不難發(fā)現(xiàn)，兩種槽型刀片在兩種切削速度下的切削功能體現(xiàn)恰好相反。在相對較低的95m/min切削條件下，sm槽型要比qm槽型刀片的切削功能好，而在相對較高的139m/min切削條件下，結(jié)果相反，qm槽型刀片的磨損一向小于sm槽型刀片。
如圖3所示，剖析sm槽型與qm槽型的區(qū)別可知，sm槽型刀片刃口尖利，刀尖體積較小，qm槽型刀片刃口粗鈍，刀尖體積較大。在切削過程中切削區(qū)的溫度是影響刀具磨損機(jī)理與速率的決定性因素，而切削區(qū)的溫度又由切削時切削熱的發(fā)生速率與散出速率一起決定。換言之，切削時單位時刻發(fā)生的熱量經(jīng)切屑、刀具、工件和周圍介質(zhì)散出后，留存在切削區(qū)內(nèi)的熱量決定了其切削溫度，進(jìn)而決定了刀具的磨損機(jī)理與速率。
選用95m/min的切削速度時，因?yàn)閟m槽型刀片刃口尖利，切屑早年刀面流出更順暢，摩擦熱發(fā)生較少，切削區(qū)內(nèi)刀尖處的溫度相對較低，因而sm槽型刀片磨損較少。
當(dāng)選用139m/min的切削速度時，高速切削條件下兩種槽型刀片發(fā)生切削熱的速率均遠(yuǎn)高于較低的95m/min速度時的切削加工，此刻切削區(qū)的散熱條件對切削區(qū)溫度的影響效果-出來。在干切削時切削熱的傳出途徑除掉切屑和工件散熱外，刀具散熱是切削熱傳出的重要途徑，-是關(guān)于導(dǎo)熱性不好的鈦合金零件，其工件散熱較慢，刀具散熱就顯得更為重要。此刻，sm槽型刀片雖然產(chǎn)熱較少，但其散熱條件相對更差，qm槽型刀片雖然產(chǎn)熱較多，但其粗鈍的刃口和較大的刀尖體積大大---了散熱條件，這樣，在切削熱的發(fā)生與散出這對對立中，qm槽型刀片勝出，qm槽型刀片在切削區(qū)內(nèi)刀尖處的溫度低于sm槽型。一起，漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒條刀具齒廓，此刻兩種槽型刀片的切削溫度都遠(yuǎn)高于95m/min時的切削溫度，粘接磨損成為此刻刀具的首要磨損方式。qm槽形刀片刃口粗鈍，更有利于抵抗工件資料的粘接，然后減小刀具的磨損。因而，在切削速度為139m/min時，qm槽形刀片體現(xiàn)出-的切削功能。
刀具經(jīng)過砂輪刃磨后，刃口會存在不同程度的微觀缺陷，在切削過程中，刀具刃口微觀缺口極易擴(kuò)展，加快刀具的磨損和損壞。刃口鈍化是延常刀具壽命的金屬切削配套技術(shù)，能有效減少或消除刃磨后的刀具刃口微觀缺陷，以達(dá)到圓滑平整，提高刀具抗沖擊性能，使刀具刃口鋒利堅(jiān)固。
刃口鈍化方式可分為傳統(tǒng)刃口鈍化和特種刃口鈍化。傳統(tǒng)刃口鈍化方式主要包括磨削鈍化、毛刷鈍化、拖曳鈍化和噴砂鈍化等；特種刃口鈍化方式主要包括激光鈍化、電火花電蝕鈍化、電化學(xué)鈍化和磨料水射流鈍化等。
噴砂是以壓縮空氣為動力，以形成高速噴射束將噴料高速噴射到需要處理的工件表面，實(shí)現(xiàn)對工件表面的加工。由于磨料對工件表面的沖擊和切削作用，漸開線，工件的表面性能和形狀會發(fā)生改變。而微噴砂技術(shù)是以傳統(tǒng)噴砂技術(shù)為基礎(chǔ)，采用微米級尺寸的磨料顆粒來進(jìn)行待加工表面處理的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于材料的表面處理，包括表面清潔、表面鈍化和表面形貌處理。微噴砂處理的材料去除機(jī)理，包括裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的脆性去除和磨料微切削產(chǎn)生的塑性去除。微噴砂技術(shù)在刀具領(lǐng)域主要應(yīng)用在表面處理方面，如涂層刀具。通過對刀具基體表面進(jìn)行相應(yīng)的微噴砂處理，來改變基體的表面形貌，以增加涂層與刀具基體之間的粘結(jié)力，提高刀具的切削壽命。研究表明，對刀具的涂層表面進(jìn)行微噴砂處理可以增加涂層硬度，提高刀具切削壽命。微噴砂技術(shù)在刀具刃口鈍化領(lǐng)域沒有得到廣泛應(yīng)用，理論研究還不充分。
本文通過微噴砂技術(shù)對硬質(zhì)合金刀片yt15進(jìn)行刃口鈍化，研究微噴砂工藝參數(shù)對刃口半徑的影響以及微噴砂處理對刃口的影響，并分析微噴砂處理的材料去除機(jī)理。
1試驗(yàn)步驟
試驗(yàn)以噴砂壓力p、磨料比重w和噴砂時間t為因素，其中磨料比重w為磨料占水和磨料總的比重。每個因素設(shè)4個水平，進(jìn)行64組全因素刃口鈍化試驗(yàn)，因素水平見表1。
表1 微噴砂全因素試驗(yàn)因素水平
采用濕式手動噴砂機(jī)，噴砂角度45°，噴砂距離8mm。磨料為320目白剛玉，微噴砂加工如圖1所示。選用可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片yt15，其尺寸標(biāo)準(zhǔn)為snmn120404，相應(yīng)的材料性能見表2。通過激光共-顯微鏡(lsm，keyence vk-x200k)對微噴砂處理后的刀片刃口進(jìn)行觀測，試驗(yàn)觀測指標(biāo)為刀片刃口半徑r和刃口線粗糙度ra，終結(jié)果為三次測量后的平均值。同時對其刃口形貌進(jìn)行掃描電子顯微鏡鏡(sem)觀察，分析刃口材料去除機(jī)理。
圖1 硬質(zhì)合金刀具yt15微噴砂加工示意圖
表2 硬質(zhì)合金刀具yt15物理力學(xué)性能
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
(1)微噴砂工藝參數(shù)對刃口半徑的影響
圖2為硬質(zhì)合金刀具yt15刃口半徑隨微噴砂各工藝參數(shù)的變化趨勢。圖2a、圖2b、圖2c和圖2d分別是在噴砂時間為20s、30s、40s和50s時刃口半徑隨噴砂壓力的變化圖。對比發(fā)現(xiàn)，在相同的噴砂壓力和磨料比重下，隨噴砂時間的增加，刀具刃口半徑增大，這實(shí)質(zhì)上是材料去除隨著時間累積的結(jié)果。在相同的噴砂時間和磨料比重下，隨噴砂壓力的增加，刀具刃口半徑增大。這是因?yàn)殡S著噴砂壓強(qiáng)的增加，磨料流的出口速度增加，單顆粒磨料速度也相應(yīng)增加。
硬質(zhì)合金可看作是硬脆材料，根據(jù)單顆粒磨料沖蝕模型可知，單顆粒磨料的材料去除量與磨料顆粒的速度的指數(shù)成正比，使得單顆粒磨料的材料去除量增加。同時磨料流速度的增加，使單位時間內(nèi)有效沖擊刀具刃口的磨料顆粒數(shù)量增加，刃口材料的去除量變大。因此，增加噴砂壓力相當(dāng)于既增加磨料比重又增加噴砂時間，兩者的共同作用使刃口半徑增大。
由圖2分析磨料比重對刀具刃口半徑的影響可知，在噴砂壓力為0.2mpa和0.25mpa時，隨著磨料比重的增加，刀具的刃口半徑先增大而后減小；而在噴砂壓力為0.3mpa和0.35mpa時，隨著磨料比重的增加，刀具的刃口半徑呈現(xiàn)一直增大的趨勢。同理，根據(jù)單顆粒磨料沖蝕模型分析可知，當(dāng)噴砂壓力較小時，隨著磨料比重的增加，雖然單顆粒磨料速度減小，但是單位體積內(nèi)磨料顆粒的數(shù)量增加，造成單位時間內(nèi)磨料顆粒對刀具刃口的沖擊次數(shù)增加，所以刃口材料的去除量變大。當(dāng)磨料比重過大時，根據(jù)能量守恒可知，磨料流的速度減小很多，其中磨料顆粒的速度大幅降低，不僅減少了單顆粒磨料材料的去除量，也使單位時間內(nèi)磨料對刀具刃口的沖擊次數(shù)減少，進(jìn)一步減少材料去除量，使得刃口半徑隨著磨料比重的增加先增大后減小。當(dāng)噴砂壓力較大時，隨著磨料比重的增加，在單位時間內(nèi)增加的磨料對刀具刃口的沖擊次數(shù)所增加的材料去除量要多于單顆粒磨料速度降低而減少的材料去除量。總的來說，單位時間內(nèi)材料去除量增加，因此在較大噴砂壓力下，刀具的刃口半徑隨著磨料比重的增加而增加。
(a)t=20s(b)t=30s(c)t=40s(d)t=50s
圖2 刃口半徑隨微噴砂各工藝參數(shù)的變化趨勢
(2)微噴砂處理對刃口線粗糙度的影響
圖3是硬質(zhì)合金刀片yt15經(jīng)過微噴砂刃口鈍化處理前后的切削刃形貌。采用微噴砂工藝參數(shù)：噴砂壓力p=0.2mpa，磨料比重w=0.1，噴砂時間t=30s。通過測量得到切削刃的相關(guān)參數(shù)見表3。
圖3 未處理刀片與微噴砂刃口鈍化刀片的切削刃形貌
可以發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)合金刀片yt15的刃口輪廓由原來的r=6μm銳刃變成r=27μm的圓弧刃口。其切削刃形貌得到---，刃口線粗糙度ra由原來的0.79μm下降到0.5μm，ry則由原來的6μm下降到3μm。這是由于微噴砂處理消除了刀具刃磨時產(chǎn)生的微觀缺陷，---了刃口。
表3 未處理刀片與微噴砂刃口鈍化刀片刃口參數(shù)對比(μm)
圖4是微噴砂全因素試驗(yàn)時硬質(zhì)合金刀片yt15的刃口線粗糙度的分布情況。可以得出，硬質(zhì)合金yt15刀片的刃口線粗糙度為0.3-0.8μm，滿足刀片的刃口粗糙度要求。
圖4 硬質(zhì)合金刀具yt15刃口線粗糙度分布
(3)微噴砂刃口材料去除機(jī)理研究
刀片的微噴砂過程實(shí)質(zhì)上是高速磨料射流沖擊材料表面，實(shí)現(xiàn)材料的去除。其材料去除機(jī)理主要?dú)w結(jié)為磨料顆粒對材料的去除方式。對于脆性材料，其去除機(jī)理往往不只有脆性去除，還包括磨料顆粒的微剪切引起的塑性去除。
圖5是硬質(zhì)合金刀具yt15在噴砂壓力p=0.25mpa、磨料目數(shù)m=320、噴砂時間t=20s和磨料比重w=0.1時的刃口形貌。可以看出，經(jīng)過微噴砂處理后，刀具出現(xiàn)了圓弧刃口，對其圓弧刃口的區(qū)域a進(jìn)行放大，可以觀察刃口材料去除形成的微觀形貌。通過區(qū)域b可以看出，其硬質(zhì)合金中硬質(zhì)相的去除多為由裂紋擴(kuò)展造成的脆性斷裂，這是由于棱角尖銳的磨料顆粒對于硬質(zhì)相的沖擊作用，使之產(chǎn)生徑向裂紋和側(cè)向裂紋，由于磨料顆粒的高頻率沖擊，進(jìn)而造成側(cè)向裂紋的擴(kuò)張形成網(wǎng)狀裂紋，達(dá)到材料的去除。對于c區(qū)域的觀察，也可以發(fā)現(xiàn)刃口材料上存在磨料顆粒的刻劃痕跡，這主要是由于具有鋒利刃口的白剛玉磨料顆粒對工件材料的微切削作用導(dǎo)致。由于刀具材料中除硬質(zhì)相成分外，還包括粘結(jié)相，其微切削作用相對于粘結(jié)相更為明顯，粘結(jié)相材料先于硬質(zhì)相去除，使得硬質(zhì)相成分顯露出來。因此微噴砂處理硬質(zhì)合金刀具yt15的材料去除機(jī)理，包括由磨料沖擊和水楔作用引起裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致硬質(zhì)相材料的脆性去除，還包括磨料顆粒的微切削作用引起的材料塑性去除。
圖5 硬質(zhì)合金刀具yt15微噴砂刃口形貌sem圖
小結(jié)
微噴砂處理可以對硬質(zhì)合金刀具yt15刃口進(jìn)行有效鈍化，形成一定圓弧半徑的刀具刃口。研究表明，刃口圓弧半徑隨著微噴砂時間和噴砂壓力的增加而增大。對于磨料比重而言，在噴砂壓力為0.2mpa和0.25mpa時，隨著磨料比重的增加，刀具刃口半徑先增大而后減小；在噴砂壓力為0.3mpa和0.35mpa時，隨著磨料比重的增加，刀具刃口半徑呈現(xiàn)一直增大的趨勢。微噴砂處理可有效---硬質(zhì)合金刀具yt15的刃口，消除微觀缺陷，降低刃口線粗糙度，在結(jié)構(gòu)上對刀具刃口進(jìn)行鈍化。硬質(zhì)合金刀具yt15刃口材料的去除機(jī)理，包含由裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致硬質(zhì)相材料的脆性去除和微切削作用引起的材料塑性去除。
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