趙雪峰，楊勇，秦浩，宋揚(yáng)揚(yáng)

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025)

0 前言

切削刃的幾何形狀對(duì)刀具性能及加工表面質(zhì)量都有著重要的影響。合適的切削刃形狀能夠提高刀具壽命、降低切削力及加工表面殘余應(yīng)力，從而有效地提高刀具的切削性能。一般對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)的刀具，特別是經(jīng)過(guò)磨削工藝生產(chǎn)的切削刃形狀難以精準(zhǔn)控制，并且還存在刃口微崩刃及刀具表面粗糙度過(guò)大的問(wèn)題。因此，在刀具制造環(huán)節(jié)中常常對(duì)已生產(chǎn)的刀具進(jìn)行適當(dāng)?shù)拟g化處理，從而獲得所需的刃口幾何形狀。目前常用的刃口處理方法主要有拋光、刷涂、噴砂、研磨和磨料流加工，其中磁力研磨加工是在磁場(chǎng)力的作用下引導(dǎo)研磨材料對(duì)工件進(jìn)行研磨、整形，因柔性加工的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于切削刀具的切削刃制備。

CHEUNG等采用磁力拋光的方法對(duì)高速鋼鉆頭的刃口進(jìn)行制備，試驗(yàn)結(jié)果表明刃口制備的效果取決于磨料類型、機(jī)械沖擊的嚴(yán)重程度和拋光時(shí)間，并且與未經(jīng)處理的鋒利鉆頭相比，刀具壽命有顯著提高。DENKENA等基于磁性研磨工藝的特點(diǎn)，對(duì)硬質(zhì)合金立銑刀刃口進(jìn)行整形加工，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁性磨料在加工過(guò)程中的位移會(huì)導(dǎo)致切削刃變得不均勻，即產(chǎn)生非對(duì)稱刃口，同時(shí)磨料沿切削刃運(yùn)動(dòng)是獲得光滑切削刃表面的最佳方法。KARPUSCHEWSKI等采用磁研磨加工的方法對(duì)高速鋼麻花鉆切削刃的微觀幾何形狀和表面質(zhì)量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該方法可以再現(xiàn)鉆頭切削刃和角刃的規(guī)定半徑，提高刀具表面質(zhì)量。YAMAGUCHI等在硬質(zhì)合金刀具涂層前使用磁性研磨拋光對(duì)刀具進(jìn)行處理，通過(guò)減少刀具和切屑之間的摩擦來(lái)改善刀具磨損特性，刀具壽命相較于未處理時(shí)提升了一倍。

本文作者提出雙磁盤磁力刀具鈍化方法。該方法的材料去除機(jī)制是磁性磨粒在磁場(chǎng)力的作用下將刀具材料以刮削、犁耕、剪切的方式去除，其柔性加工的特點(diǎn)使它不僅能夠加工復(fù)雜曲面，且加工效率較高。因此，研究該方法對(duì)刀具刃口鈍化量的影響規(guī)律以及刀具表面加工質(zhì)量具有重要意義。

1 磁力鈍化原理

1.1 雙磁盤磁力鈍化原理

雙磁盤磁力刀具鈍化方法是基于磁力研磨技術(shù)提出的,即在刀具與磁盤的工作間隙加入磁性磨粒，磨粒在磁場(chǎng)力的作用下形成柔性磨粒刷，當(dāng)磨粒與刀具之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，起到對(duì)刀具刃口的鈍化、整形作用，同時(shí)還能降低刀具表面粗糙度。

圖1所示為雙磁盤磁力鈍化設(shè)備及鈍化原理。刀具深入至兩磁盤中間，并具有一定的轉(zhuǎn)速，磁性磨粒在兩磁盤的轉(zhuǎn)動(dòng)下也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)磨粒在磁場(chǎng)力的作用下形成磨粒刷，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具刃口及表面進(jìn)行光整處理。同時(shí)，隨著刀具的旋轉(zhuǎn)，刀具與磨粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)又類似于切削作用，此時(shí)磨粒能夠?qū)Φ毒呷锌谶M(jìn)行鈍化、整形，并且在雙磁盤的磁力作用下磨粒結(jié)合力更大，鈍化效率更高。該設(shè)備依然遵從磁力研磨規(guī)律，即改變磁盤間距、刀具與磁盤轉(zhuǎn)速、鈍化時(shí)間、磨粒類型等變量時(shí)，鈍化效果也有所區(qū)別。下文將通過(guò)試驗(yàn)探究這些變量與鈍化效果之間的規(guī)律。

圖1 雙磁盤磁力鈍化設(shè)備

1.2 磁性磨粒的制備

由上述雙磁盤磁力刀具鈍化原理可知，刀具材料的去除是由磨粒以刮削、剪切、擠壓等方式去除，因此磨粒的硬度、粒度、導(dǎo)磁性能等對(duì)鈍化過(guò)程有很大影響。為有效地對(duì)刀具進(jìn)行鈍化，磨粒的硬度應(yīng)大于刀具材料硬度，并且有研究表明，隨著磨粒硬度的增大，材料的去除效率也隨之增大。如圖2所示，文中制備的磁性磨粒為鐵磁材料和磨料材料的復(fù)合物，其中基質(zhì)相為100目的鐵粉，硬質(zhì)相為200目的碳化硅。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)及降低成本，采用混合法進(jìn)行磨粒的制備，即將鐵粉和碳化硅以6∶1的比例充分混合，并采用油酸作為黏合劑。其中，所使用的鐵粉及碳化硅參數(shù)如表1所示。

圖2 磁性磨粒

表1 磨粒成分參數(shù)

2 鈍化試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案

表2 鈍化試驗(yàn)方案

圖3 刃口形狀因子表征法

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 鈍化參數(shù)對(duì)刃口幾何形狀的影響

根據(jù)上述刃口的形狀因子表征法可知，形狀因子為前、后刀面鈍化值的比值，因此文中只對(duì)前、后刀面鈍化值進(jìn)行討論。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表3所示。各鈍化參數(shù)對(duì)前、后刀面鈍化值的影響規(guī)律分別如圖4—圖7所示。

表3 前、后刀面鈍化值極差分析結(jié)果

圖4 磁盤間距對(duì)鈍化量的影響規(guī)律 圖5 刀具轉(zhuǎn)速對(duì)鈍化量的影響規(guī)律

(1)磁盤間距對(duì)刃口鈍化量的影響

圖4所示為磁盤間距對(duì)前、后刀面鈍化量Δ、Δ的影響規(guī)律?？芍弘S著磁盤間距的增大，Δ與Δ均呈減小趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楫?dāng)磁盤間距增大時(shí)，磁場(chǎng)力有所減小，進(jìn)而磁性磨粒之間的結(jié)合力也隨之降低，此時(shí)隨著刀具的旋轉(zhuǎn)并切入磨粒，磨粒對(duì)刃口的壓力減小，進(jìn)而對(duì)刃口的鈍化效果有所減弱。不僅如此，磁性磨粒在以柔性磨粒刷的方式對(duì)刀具刃口進(jìn)行鈍化時(shí)，磨粒之間結(jié)合力的降低也直接影響鈍化效率，因此鈍化量隨著磁盤間距的增大而減小。

(2)刀具轉(zhuǎn)速對(duì)刃口鈍化量的影響

由圖5可知：刀具轉(zhuǎn)速對(duì)前、后刀面鈍化量的影響規(guī)律不同，隨著刀具轉(zhuǎn)速的增大，后刀面的鈍化量Δ呈先增大后減小的趨勢(shì)，由于刀具轉(zhuǎn)速增大，磨粒與刀具的接觸摩擦速率也增大，則單位時(shí)間內(nèi)刀具材料的去除速率增大，而刀具鈍化時(shí)材料的去除過(guò)程類似于刀具的磨損過(guò)程，因此也存在3個(gè)磨損階段，Δ的減小可以認(rèn)為此時(shí)后刀面的材料去除已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定階段。而Δ隨著刀具轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出材料去除的3個(gè)階段，這也進(jìn)一步表明刀具轉(zhuǎn)速對(duì)前刀面鈍化值的影響比較大。

(3)磁盤轉(zhuǎn)速對(duì)刃口鈍化量的影響

圖6所示為磁盤轉(zhuǎn)速對(duì)刀具刃口鈍化量的影響規(guī)律。可知：隨著磁盤轉(zhuǎn)速的增加，前刀面鈍化量Δ呈先減小后增大的趨勢(shì)，后刀面鈍化量Δ呈緩慢增大趨勢(shì)。根據(jù)圖1可知，隨著磁盤轉(zhuǎn)速的增大，磨粒受到的離心力也增大，而磨粒受到的離心力和磁場(chǎng)力為相互作用力，因而磨粒之間的結(jié)合力減小。當(dāng)?shù)毒咔腥肽チＶ袝r(shí)，磨粒對(duì)前刀面的鈍化作用是靠磨粒之間的結(jié)合力作用，因此該力的減小導(dǎo)致了前刀面鈍化效率的降低。而磨粒如磨粒刷一般始終與后刀面保持接觸，因此隨著磁盤轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)磨粒與刀具的接觸增多，因此鈍化速率變高，前刀面鈍化量在轉(zhuǎn)速為150 r/min之后也呈增大趨勢(shì)也是這個(gè)原因?qū)е碌摹?/p>

圖6 磁盤轉(zhuǎn)速對(duì)鈍化量的影響規(guī)律 圖7 鈍化時(shí)間對(duì)鈍化量的影響規(guī)律

(4)鈍化時(shí)間對(duì)刃口鈍化量的影響

圖7所示為鈍化時(shí)間對(duì)刀具刃口鈍化量的影響規(guī)律。可知：前刀面鈍化量Δ與后刀面鈍化量Δ隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相同，即都隨著鈍化時(shí)間的增大而增大，但可以看出在鈍化初始階段即9 min之前的鈍化速率較高。這主要是由于該階段刀具刃口較為尖銳，承受載荷能力較小，因此在磨粒的作用下很快被鈍化，而隨著鈍化時(shí)間的進(jìn)一步增大，刃口承受載荷的能力也隨著鈍化程度的增大而增大，因此在第12 min時(shí)鈍化速率有所降低。

根據(jù)以上分析及表3可知，鈍化參數(shù)對(duì)前刀面鈍化值的影響由主到次分別為刀具轉(zhuǎn)速、鈍化時(shí)間、磁盤間距、磁盤轉(zhuǎn)速，并且獲得最大鈍化量的參數(shù)為磁盤間距15 mm、刀具轉(zhuǎn)速60 r/min、磁盤轉(zhuǎn)速75 r/min、鈍化時(shí)間12 min。對(duì)后刀面鈍化值的影響由主到次分別為鈍化時(shí)間、磁盤間距、刀具轉(zhuǎn)速、磁盤轉(zhuǎn)速,獲得最大鈍化量的參數(shù)為磁盤間距15 mm、刀具轉(zhuǎn)速45 r/min、磁盤轉(zhuǎn)速300 r/min、鈍化時(shí)間12 min。

為更準(zhǔn)確地獲取刃口幾何尺寸以及為以后的鈍化方案提供參考，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到前、后刀面鈍化量Δ、Δ及形狀因子與鈍化參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分別如式(1)(2)(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：為磁盤間距；為刀具轉(zhuǎn)速；為磁盤轉(zhuǎn)速；為鈍化時(shí)間。

表4—表6為上述模型的方差分析結(jié)果。通過(guò)查分布表可知，當(dāng)=0.05時(shí)，=(4,11)=3.36。由表4—6可知，Δ、Δ和的值均大于3.36，這表明上述預(yù)測(cè)模型是顯著的，因此在一定條件下該模型能夠反映鈍化參數(shù)與前、后刀面鈍化量及形狀因子之間的關(guān)系。

表4 ΔSγ方差分析結(jié)果

表5 ΔSα方差分析結(jié)果

表6 K值方差分析結(jié)果

2.2.2 刀具刃口表面粗糙度

圖8和圖9所示分別為刀具鈍化前、后刃口及表面形貌。由圖8(a)可以看出未經(jīng)鈍化處理的刀具刃口較為鋒利，并且刃口表面有不均勻的凸起，判斷這可能是磨削產(chǎn)生的刃口微崩刃。相比之下，采用雙磁盤磁力鈍化處理后的刀具刃口較為平滑，未見刃口崩刃，如圖9(a)所示。此外，與鈍化前相比，鈍化后的刀具表面磨削痕跡也得到有效去除(圖9(a))。刀具表面的磨削劃痕將增大刀具表面粗糙度，進(jìn)而會(huì)增大切削過(guò)程中的切削力、切削溫度等，最終導(dǎo)致刀具壽命降低。而刀具后刀面與已加工表面接觸時(shí)，表面粗糙度的增大也會(huì)導(dǎo)致加工表面質(zhì)量降低。采用白光干涉顯微鏡對(duì)鈍化前、后的刀具后刀面進(jìn)行粗糙度分析，表面形貌分別如圖8(b)、9(b)所示，在顯微鏡下可以更清楚地看出未鈍化的刀具表面有明顯的磨削劃痕，相比之下，鈍化后的刀具表面較為平整。對(duì)沿磨削方向與垂直于磨削方向進(jìn)行粗糙度分析，結(jié)果如圖10所示?？芍衡g化使得刀具表面粗糙度沿磨削方向由0.235 μm降低至0.814 μm，垂直于磨削方向由0.313 μm降低至0.215 μm。

圖8 鈍化前刃口形貌

圖 9 鈍化后刃口形貌

圖10 沿不同方向的刀具后刀面表面粗糙度

3 結(jié)論

本文作者基于磁力拋光原理提出刀具雙磁盤磁力鈍化的方法，并探究了鈍化參數(shù)對(duì)刀具前、后刀面鈍化量的影響規(guī)律，同時(shí)對(duì)鈍化前后刀具表面粗糙度進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)鈍化參數(shù)對(duì)前、后刀面鈍化規(guī)律的影響不同，其中，對(duì)前刀面鈍化值的影響由主到次分別為刀具轉(zhuǎn)速、鈍化時(shí)間、磁盤間距、磁盤轉(zhuǎn)速；對(duì)后刀面鈍化值的影響由主到次分別為鈍化時(shí)間、磁盤間距、刀具轉(zhuǎn)速、磁盤轉(zhuǎn)速；

(2)磁盤間距和鈍化時(shí)間對(duì)前、后刀面鈍化量的影響規(guī)律相同，即隨著磁盤間距的增大，鈍化量呈減小趨勢(shì)；隨著鈍化時(shí)間的增大，鈍化量呈增大趨勢(shì)；刀具轉(zhuǎn)速和磁盤轉(zhuǎn)速對(duì)前、后刀面鈍化量的影響規(guī)律有所不同；

(3)雙磁盤磁力鈍化能夠顯著降低刀具表面粗糙度，其中刀具后刀面沿磨削方向表面粗糙度由0.235 μm降低至0.814 μm，垂直于磨削方向由0.313 μm降低至0.215 μm。