趙雪峰，楊勇，秦浩，宋揚揚

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽 550025)

0 前言

切削刃的幾何形狀對刀具性能及加工表面質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力，從而有效地提高刀具的切削性能。一般對于實際生產的刀具，特別是經過磨削工藝生產的切削刃形狀難以精準控制，并且還存在刃口微崩刃及刀具表面粗糙度過大的問題。因此，在刀具制造環(huán)節(jié)中常常對已生產的刀具進行適當?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力的作用下引導研磨材料對工件進行研磨、整形，因柔性加工的特點廣泛應用于切削刀具的切削刃制備。

CHEUNG等采用磁力拋光的方法對高速鋼鉆頭的刃口進行制備，試驗結果表明刃口制備的效果取決于磨料類型、機械沖擊的嚴重程度和拋光時間，并且與未經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，對硬質合金立銑刀刃口進行整形加工，試驗發(fā)現(xiàn)磁性磨料在加工過程中的位移會導致切削刃變得不均勻，即產生非對稱刃口，同時磨料沿切削刃運動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高速鋼麻花鉆切削刃的微觀幾何形狀和表面質量進行了研究，結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，提高刀具表面質量。YAMAGUCHI等在硬質合金刀具涂層前使用磁性研磨拋光對刀具進行處理，通過減少刀具和切屑之間的摩擦來改善刀具磨損特性，刀具壽命相較于未處理時提升了一倍。

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制是磁性磨粒在磁場力的作用下將刀具材料以刮削、犁耕、剪切的方式去除，其柔性加工的特點使它不僅能夠加工復雜曲面，且加工效率較高。因此，研究該方法對刀具刃口鈍化量的影響規(guī)律以及刀具表面加工質量具有重要意義。

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，磨粒在磁場力的作用下形成柔性磨粒刷，當磨粒與刀具之間發(fā)生相對運動時，起到對刀具刃口的鈍化、整形作用，同時還能降低刀具表面粗糙度。

圖1所示為雙磁盤磁力鈍化設備及鈍化原理。刀具深入至兩磁盤中間，并具有一定的轉速，磁性磨粒在兩磁盤的轉動下也隨之轉動。此時磨粒在磁場力的作用下形成磨粒刷，實現(xiàn)對刀具刃口及表面進行光整處理。同時，隨著刀具的旋轉，刀具與磨粒的相對運動又類似于切削作用，此時磨粒能夠對刀具刃口進行鈍化、整形，并且在雙磁盤的磁力作用下磨粒結合力更大，鈍化效率更高。該設備依然遵從磁力研磨規(guī)律，即改變磁盤間距、刀具與磁盤轉速、鈍化時間、磨粒類型等變量時，鈍化效果也有所區(qū)別。下文將通過試驗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、導磁性能等對鈍化過程有很大影響。為有效地對刀具進行鈍化，磨粒的硬度應大于刀具材料硬度，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合物，其中基質相為100目的鐵粉，硬質相為200目的碳化硅。為簡化試驗及降低成本，采用混合法進行磨粒的制備，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 鈍化試驗與結果分析

2.1 試驗方案

表2 鈍化試驗方案

圖3 刃口形狀因子表征法

2.2 結果與分析

2.2.1 鈍化參數(shù)對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，因此文中只對前、后刀面鈍化值進行討論。對試驗結果進行極差分析，結果如表3所示。各鈍化參數(shù)對前、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果

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

(1)磁盤間距對刃口鈍化量的影響

圖4所示為磁盤間距對前、后刀面鈍化量Δ、Δ的影響規(guī)律。可知：隨著磁盤間距的增大，Δ與Δ均呈減小趨勢。這主要是因為當磁盤間距增大時，磁場力有所減小，進而磁性磨粒之間的結合力也隨之降低，此時隨著刀具的旋轉并切入磨粒，磨粒對刃口的壓力減小，進而對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刀具刃口進行鈍化時，磨粒之間結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)刀具轉速對刃口鈍化量的影響

由圖5可知：刀具轉速對前、后刀面鈍化量的影響規(guī)律不同，隨著刀具轉速的增大，后刀面的鈍化量Δ呈先增大后減小的趨勢，由于刀具轉速增大，磨粒與刀具的接觸摩擦速率也增大，則單位時間內刀具材料的去除速率增大，而刀具鈍化時材料的去除過程類似于刀具的磨損過程，因此也存在3個磨損階段，Δ的減小可以認為此時后刀面的材料去除已經進入穩(wěn)定階段。而Δ隨著刀具轉速的增加呈現(xiàn)出材料去除的3個階段，這也進一步表明刀具轉速對前刀面鈍化值的影響比較大。

(3)磁盤轉速對刃口鈍化量的影響

圖6所示為磁盤轉速對刀具刃口鈍化量的影響規(guī)律?？芍弘S著磁盤轉速的增加，前刀面鈍化量Δ呈先減小后增大的趨勢，后刀面鈍化量Δ呈緩慢增大趨勢。根據(jù)圖1可知，隨著磁盤轉速的增大，磨粒受到的離心力也增大，而磨粒受到的離心力和磁場力為相互作用力，因而磨粒之間的結合力減小。當?shù)毒咔腥肽チＶ袝r，磨粒對前刀面的鈍化作用是靠磨粒之間的結合力作用，因此該力的減小導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，因此隨著磁盤轉速的增加，單位時間內磨粒與刀具的接觸增多，因此鈍化速率變高，前刀面鈍化量在轉速為150 r/min之后也呈增大趨勢也是這個原因導致的。

圖6 磁盤轉速對鈍化量的影響規(guī)律 圖7 鈍化時間對鈍化量的影響規(guī)律

(4)鈍化時間對刃口鈍化量的影響

圖7所示為鈍化時間對刀具刃口鈍化量的影響規(guī)律?？芍呵暗睹驸g化量Δ與后刀面鈍化量Δ隨時間的變化趨勢相同，即都隨著鈍化時間的增大而增大，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，而隨著鈍化時間的進一步增大，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)對前刀面鈍化值的影響由主到次分別為刀具轉速、鈍化時間、磁盤間距、磁盤轉速，并且獲得最大鈍化量的參數(shù)為磁盤間距15 mm、刀具轉速60 r/min、磁盤轉速75 r/min、鈍化時間12 min。對后刀面鈍化值的影響由主到次分別為鈍化時間、磁盤間距、刀具轉速、磁盤轉速,獲得最大鈍化量的參數(shù)為磁盤間距15 mm、刀具轉速45 r/min、磁盤轉速300 r/min、鈍化時間12 min。

為更準確地獲取刃口幾何尺寸以及為以后的鈍化方案提供參考，將試驗結果進行回歸分析，得到前、后刀面鈍化量Δ、Δ及形狀因子與鈍化參數(shù)的經驗模型，分別如式(1)(2)(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：為磁盤間距；為刀具轉速；為磁盤轉速；為鈍化時間。

表4—表6為上述模型的方差分析結果。通過查分布表可知，當=0.05時，=(4,11)=3.36。由表4—6可知，Δ、Δ和的值均大于3.36，這表明上述預測模型是顯著的，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系。

表4 ΔSγ方差分析結果

表5 ΔSα方差分析結果

表6 K值方差分析結果

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，進而會增大切削過程中的切削力、切削溫度等，最終導致刀具壽命降低。而刀具后刀面與已加工表面接觸時，表面粗糙度的增大也會導致加工表面質量降低。采用白光干涉顯微鏡對鈍化前、后的刀具后刀面進行粗糙度分析，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。對沿磨削方向與垂直于磨削方向進行粗糙度分析，結果如圖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)對刀具前、后刀面鈍化量的影響規(guī)律，同時對鈍化前后刀具表面粗糙度進行了研究，得出以下結論：

(1)鈍化參數(shù)對前、后刀面鈍化規(guī)律的影響不同，其中，對前刀面鈍化值的影響由主到次分別為刀具轉速、鈍化時間、磁盤間距、磁盤轉速；對后刀面鈍化值的影響由主到次分別為鈍化時間、磁盤間距、刀具轉速、磁盤轉速；

(2)磁盤間距和鈍化時間對前、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；隨著鈍化時間的增大，鈍化量呈增大趨勢；刀具轉速和磁盤轉速對前、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。