黃向明 ，曾清 ，李希揚 ，周輝 ，李鴻宇 ，王熔 ，何洪

（1.湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082；2.中航動力株洲航空零部件制造有限公司，湖南 株洲 412007）

機械制造業(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)對孔的加工要求越來越高，如航空航天中不同構件間的連接孔，醫(yī)學中的骨鉆削，電子信息行業(yè)中的電路板微孔等［1-3］.硬質合金由于硬度高、耐熱耐腐蝕等優(yōu)良性能，被廣泛用作鉆削刀具［4］.硬質合金麻花鉆作為鉆削刀具，主要通過磨削加工實現，往往會出現一些微觀缺陷［5］.硬質合金刀具進行拋光后，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，切削和排屑過程更為順暢，同時拋光后的刀具刃口缺陷減少，變得平直鋒利，工件表面殘余應力降低，刀具的使用壽命延長.

目前，對硬質合金刀具拋光的研究主要集中在加工簡單形狀刀片的材料去除機理及工藝優(yōu)化.Wang 等［8-9］利用超聲波拋光對硬質合金刀片材料進行拋光，獲得了Ra=7.60 nm 的表面粗糙度.袁巨龍等［10］分析了硬質合金在酸性拋光液中的化學反應機理，建立硬質合金刀片化學機械拋光的材料去除率模型，通過實驗驗證了所建模型的正確性.然而，對硬質合金麻花鉆的拋光研究較少，由于硬質合金麻花鉆曲面復雜，傳統的拋光方法很難得到均勻且高的表面質量.

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的非牛頓冪律流體作為拋光液對工件進行加工［11-14］.這種拋光方法對曲面有良好的適應性，拋光液配制簡單，對設備要求低，可實現高效、高質量、低成本加工.李敏等［15-17］采用STP 方法對Si3N4陶瓷、單晶硅、氧化鋯等材料進行拋光加工研究，研究表明，STP 能實現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現了Ti-6Al-4V 表面的精密加工.Lü 等［19］采用STP 對硬質合金刀片進行加工，探究了拋光速度、磨粒濃度及磨粒粒徑等參數對表面質量的影響規(guī)律.目前的研究主要集中在平面或者是圓柱簡單的曲面零件加工，而采用STP 方法加工硬質合金麻花鉆復雜曲面的研究尚未見相關報道.

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

1 麻花鉆的剪切增稠拋光原理

麻花鉆鉆頭結構及刃帶和刃背受力圖如圖1 所示.當拋光液以一定的速度v流經麻花鉆時，麻花鉆表面在高剪切速率下受流體動力FH影響較大，流體動力可分解為法向力Fn和切向力Ft.麻花鉆所有點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，拋光時麻花鉆需同時作自轉運動，以實現麻花鉆表面質量均勻.

圖1 麻花鉆鉆頭結構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.加工時麻花鉆在流動的拋光液中自轉，此時拋光液與麻花鉆刃背、刃帶處有相對運動.麻花鉆螺旋槽是一種雙螺旋結構，當麻花鉆逆其自身螺旋方向旋轉時，一方面推動液體克服摩擦作圓周運動，另一方面推動液體軸向前進，使得拋光液與麻花鉆螺旋槽表面發(fā)生劃擦.此時與麻花鉆表面相接觸的拋光流體受剪切作用產生剪切增稠現象，形成高黏度的拋光膜，分散相與磨粒聚集成“粒子簇”，增強了分散相對磨粒的夾持作用，從而產生較大的剪切力，與流體動壓力共同作用于麻花鉆表面，從而對工件表面凸峰進行微切削形成切屑產生材料去除，實現對麻花鉆的精密加工.

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，同時加入一定量的分散劑與防腐劑防止沉淀及變質.使用MCR302 旋轉流變儀測試其流變特性，當淀粉與去離子水的質量比例為51∶49 時，拋光基液具有明顯的剪切增稠效應且流動性良好.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 的質量比混合，機械攪拌30 min 配制成拋光基液；再加入質量分數分別為5%、10%、15%、20%及25%的金剛石粉末和添加劑（質量分數為0.2%分散劑、0.2%防腐劑），機械攪拌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 拋光液流變測試與分析

應用旋轉流變儀在室溫下分別測試含不同質量分數金剛石的STPS 的流變特性.本次測試采用穩(wěn)態(tài)應變頻率掃描方式，剪切速率為0～1 000 s-1，設置42個測量點，測試完成后輸出每個點的拋光液黏度、剪切應力和剪切速率值，分別得到拋光液黏度和剪切應力隨剪切速率的變化曲線.STPS 流變特性與金剛石質量分數關系如圖4所示.

圖4 STPS流變特性與金剛石質量分數關系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出先減小后增大然后再減小的趨勢，表現為3 個區(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，而黏度和剪切應力增大.金剛石質量分數為5%～ 20%時，拋光液黏度與剪切應力變化幅度較?。唤饎偸|量分數達到25%時，拋光液流變特性曲線出現較明顯的整體上升.配制的5 種拋光液剪切增稠效應都比較明顯，在后續(xù)的拋光加工中，基于拋光效率與成本的考慮，選擇金剛石質量分數10%的拋光液進行加工試驗.

3 拋光試驗設計

3.1 拋光試驗裝置

在現有磨床上搭建STP 加工試驗平臺如圖5 所示.工件裝夾在磨床主軸上，通過x，y軸調整麻花鉆的水平位置，通過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，內圓直徑D2=170 mm，高H=120 mm，拋光槽轉速n1最高可達200 r/min.

圖5 STP加工試驗平臺Fig.5 STP processing experimental platform

裝夾工件時使麻花鉆浸沒在拋光液的部分達到麻花鉆工作部分的1/2，加工時麻花鉆以n2轉速旋轉.麻花鉆裝夾位置示意圖如圖6 所示，位于距拋光槽側邊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 試驗方案設計

試驗所采用的工件為直徑D=10 mm 的YK30F硬質合金麻花鉆.麻花鉆表面粗糙度測量點位置如圖7 所示，距橫刃軸向距離20 mm 刃背處為PA點，同一高度刃帶處為PB點，靠近切削刃的螺旋槽處為PC點.使用Wyko NT9100 光學表面輪廓儀測量表面粗糙度，測量3 次取其平均值，麻花鉆表面PA、PB、PC3點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量點位置Fig.7 Position of measuring point for surface roughness of twist drill

本次試驗探究拋光槽轉速n1和工件轉速n2對麻花鉆上PA、PB、PC3點表面質量的影響，試驗工藝參數如表1 所示.拋光槽轉速和工件轉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及麻花鉆右側到拋光槽的距離d有關，加工時麻花鉆距拋光槽d=15 mm 處拋光液的剪切速率γ˙隨n1和n2的增加而增加.將參數代入計算可得，7 組拋光液（表1）的γ˙為101～258 s-1.對照圖4（a），本次所有試驗組拋光液都落在黏度特性曲線的剪切增稠區(qū)間.

表1 試驗工藝參數Tab.1 Experimental process parameters

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

4 結果與討論

4.1 表面粗糙度分析

4.1.1 刃背表面粗糙度

圖8 為拋光速度參數對點PA處Ra的影響.在加工60 min后，7組試驗的麻花鉆Ra分布在11～229 nm.如圖8（a）所示，隨著拋光槽轉速的增加，點PA處Ra先減小后增大，在n1=90 r/min時點PA表面粗糙度達到最小值120 nm.拋光槽轉速較低時，根據式（1）可知，拋光液剪切速率低，剪切增稠效果不明顯，且無法提供拋光液較高的流體動力，導致拋光效果不明顯.當拋光槽轉速增加時，剪切增稠效應增強，Ra慢慢降低.然而拋光槽轉速過高時，由于過大的離心力，流體中的粒子越來越貼近拋光槽壁，參與拋光的磨粒越來越少，從而使得麻花鉆表面粗糙度變化率ΔRa反而有所降低.

圖8 拋光速度參數對點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PA表面粗糙度隨工件轉速的增加而減小.當工件轉速增大到3 500 r/min 時，剪切速率γ˙超過了205 s-1，剪切應力較大，此時拋光液將產生較明顯的剪切增稠效應，同時又有相對較多的磨粒參與拋光，經過60 min 加工后麻花鉆Ra可達到納米級，基本穩(wěn)定在12 nm 左右，表面粗糙度變化率ΔRa最高達96.77%.

4.1.2 刃帶表面粗糙度

圖9 為拋光速度參數對點PB處Ra的影響.由圖9（a）可知，當工件轉速不變，點PB處Ra隨拋光槽轉速的增大呈現先減小后增大的趨勢，當拋光槽轉速為90 r/min 時，Ra達到最低值323 nm.由圖9（b）可知，Ra隨工件轉速的增大先減小后增大，當工件轉速為3 500 r/min 時，達到最低值309 nm.從整體上看，經過60 min 的拋光加工后，7 組試驗的麻花鉆刃帶點PB處ΔRa全部小于35%，處于一個比較低的水平.通過分析麻花鉆結構可知，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，說明點PB和PA處表面粗糙度變化的巨大差異與其形狀和位置無關系.通過觀察，發(fā)現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，恰好與拋光時磨粒運動方向一致.當磨粒去除刃帶點PB處表面凸峰材料時，也會對凹陷處的材料進行去除，導致ΔRa比較小.

圖9 拋光速度參數對點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 為拋光速度參數對點PC處Ra的影響.與點PB相比，點PC的表面粗糙度變化率整體要更加低一點，為1.85%～26.67%.而Ra隨拋光槽和工件轉速的變化趨勢與點PB基本一致，當拋光槽轉速增大至90 r/min 時，Ra達到最低，為224 nm；當工件轉速增大至3 500 r/min時，Ra達到最低，為193 nm.

圖10 拋光速度參數對點PC處Ra的影響Fig.10 The influence of polishing speed parameters on the Ra at point PC

點PB位于麻花鉆螺旋槽處，當麻花鉆迎著拋光液旋轉時，螺旋槽阻礙了拋光液的流動，使得拋光液速度下降，剪切應力降低，剪切增稠效應大大減弱，從而導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域的材料去除經驗公式，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；U為流體速度；n和K是拋光流體本構方程中的參數；R和f（n，φ）是與工件尺寸相關的參數；h0為剪切彈性層最小厚度，與剪切應力和黏度相關.

材料去除率為單位時間內去除材料的深度/高度，可以通過測量并計算拋光前、后麻花鉆的質量差再除以麻花鉆密度、表面積和時間求得.然而麻花鉆表面積計算較為復雜，文中使用質量變化率來表示工件的材料去除率.圖11 為不同拋光槽轉速和工件轉速情況下，拋光時間對材料去除率的影響.由圖11（a）可知，當拋光槽轉速增大時，拋光液相對于麻花鉆速度越大，同時拋光液剪切增稠效果更明顯，流體的剪切速率高，磨粒對麻花鉆的動壓力也越大，根據式（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，隨時間變化存在波動，在拋光過程最后15 min 有所降低.

圖11 不同拋光槽轉速和工件轉速情況下，拋光時間對材料去除率的影響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，工件轉速越大，麻花鉆的材料去除率也越大.當工件轉速較低，分別為500 r/min和2 000 r/min 時，工件材料去除率也較低，且隨時間變化不大；當工件轉速較高，分別為3 500 r/min和5 000 r/min 時，工件材料去除率較高，最高達1.03 mg/min，整體隨時間變化趨勢為前期略有波動而后期有所減小.當工件轉速較高時，拋光液與麻花鉆相對速度大大增加，剪切增稠效應增強，“粒子簇”對麻花鉆的動壓力增大，根據式（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，麻花鉆表面已經較為平整，此時需要更大的壓力才能產生材料去除，導致工件材料去除率下降.

4.3 優(yōu)化工藝參數試驗結果分析

通過前面的分析確定較優(yōu)拋光工藝參數組合：拋光槽轉速90 r/min，工件轉速3 500 r/min.經過60 min拋光加工后，PA、PB和PC3點的Ra分別達到了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磨削加工而產生的方向性凹凸不平的溝痕，并伴有明顯的凹坑缺陷.經過60 min 拋光后，麻花鉆刃背表面已經變得十分光滑，表面粗糙度下降至10 nm，表面質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硬質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）對比圖Fig.14 The contrast of twist drill surface before（left）and after（right）polishing

5 結論

1）麻花鉆表面粗糙度隨拋光槽轉速的增大先減小后增大，隨工件轉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速的增大而增大，隨工件轉速的增大同樣也增大；在工件轉速3 500r/min 下加工工件材料去除率最高可達1.03 mg/min.

3）優(yōu)化拋光工藝參數：拋光槽轉速90 r/min，工件轉速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，通過優(yōu)化拋光槽轉速和工件轉速，實現了硬質合金麻花鉆的高表面質量拋光.