彈性磨粒噴砂刃口鈍化工藝研究

李鑄宇,任泊銘,黃升莉,薛倩,付連宇

1金洲精工科技(昆山)有限公司;2深圳市金洲精工科技股份有限公司

1 引言

鈍化能有效消除硬質(zhì)合金刀具刃口的微觀缺陷,提高刀具的耐用度,同時(shí)降低前、后刀面的粗糙度值,預(yù)防并減小前刀面上積屑瘤的產(chǎn)生,提高被加工表面質(zhì)量[1]。常用鈍化方法包括毛刷式[2]和拖拽式[3],兩種方法都需要將刀尖埋入磨料,整體去除刀具前部硬質(zhì)合金,鈍化效率低,鈍化尺寸一致性難以保證。近年來磁力[4]、磨料流[5]、激光[6]和電化學(xué)方法[7]等特種刃口鈍化工藝涌現(xiàn),但設(shè)備成本高,難以在生產(chǎn)中推廣,其中噴砂工藝的應(yīng)用引起廣泛關(guān)注[8]。

噴砂是適合復(fù)雜形狀零件清潔和表面處理的一種普遍而廉價(jià)的方法,利用壓縮空氣將固體顆粒噴射到零件表面,磨料對(duì)零件表面的沖擊會(huì)導(dǎo)致材料去除(形成碎屑)或輕微的表面斷裂[9]。研究表明,采用噴砂方法對(duì)涂層刀具進(jìn)行表面預(yù)處理和后處理可以大幅提高刀具使用性能[10],且磨粒從軟管中噴射很容易到達(dá)零件的各個(gè)角落,適合刃口形狀復(fù)雜的刀具。針對(duì)不同的被加工材料,選擇合適的磨料是噴砂工藝成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

部分研究將Al2O3、ZrO2、SiC、玻璃微粒、核桃粉選作磨料[11,12]。日本磨料協(xié)會(huì)報(bào)道,采用橡膠彈性顆粒作為磨料[13,14],外面包裹金剛石和碳化硅微粒,以一定速度噴射刃口,由于彈性磨粒沖擊刃口時(shí)自身會(huì)發(fā)生彈性變形,并不會(huì)使刃口崩缺,而是快速在刃口處產(chǎn)生微觀圓角,因此該工藝成為一種高效而且適應(yīng)曲線刃口的刀具鈍化新方法,具有廣泛應(yīng)用前景。國內(nèi)正在研發(fā)彈性磨料噴砂的相關(guān)裝備,但目前缺乏對(duì)其工藝參數(shù)的研究。本文通過分析刀具刃口鈍化半徑和前刀面粗糙度值隨噴砂壓強(qiáng)、噴砂時(shí)間、刀具正反轉(zhuǎn)時(shí)間比三個(gè)工藝參數(shù)的變化規(guī)律,為彈性磨粒噴砂工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)裝備和材料

采用東莞戴克精密公司的XY-C刃口鈍化機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其加工原理見圖1。刀具豎直固定在夾頭上,電機(jī)帶動(dòng)夾頭使刀具繞自身軸線以30r/min的速度旋轉(zhuǎn),順時(shí)針方向?yàn)檎?。在單個(gè)工位同時(shí)安裝兩個(gè)噴嘴并與夾持的刀具相距70mm,其中一個(gè)噴嘴和刀具軸線垂直,另一個(gè)噴嘴和刀具軸線呈40°夾角。噴嘴在加工的過程中由工作臺(tái)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。加工時(shí)磨粒隨高速氣流運(yùn)動(dòng)從噴嘴射向刀具表面,由PLC控制刀具的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)間比。

圖1 XY-C刃口鈍化機(jī)和工作原理

磨粒由金剛石磨粒和碳化硅磨?；鞜挾?質(zhì)量百分比為每1000g丁晴膠加入30g顯微粒度為3μm的金剛石磨粒和30g碳化硅磨粒。橡膠顆粒長度在1mm左右,呈多棱邊形(見圖2)。

設(shè)計(jì)三因數(shù)三水平全因素實(shí)驗(yàn),共計(jì)27組。實(shí)驗(yàn)的因素水平取值如表1所示,考察噴砂壓強(qiáng)、噴砂時(shí)間及正反轉(zhuǎn)時(shí)間比三個(gè)因素對(duì)鈍化量的影響。實(shí)驗(yàn)刀具為直徑6mm、牌號(hào)K10的硬質(zhì)合金四刃右旋立銑刀,刃長15mm,前角8°,后角20°,其材料物理特性如表2所示。采用Alicona Infinite Focus SLl輪廓測量儀對(duì)鈍化后的刀具刃口半徑進(jìn)行檢測,用Denkena B.等[2]提出的形狀因子定義刃口形狀(見圖3),包括鈍化半徑r、前刀面鈍化值Sγ、后刀面鈍化值Sα和形狀因子K。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平

表2 K10硬質(zhì)合金材料物理特性

圖3 刃口鈍化輪廓形狀因子K[2]

3 鈍化實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

3.1 鈍化參數(shù)對(duì)鈍化量的影響

圖4為刃口鈍化半徑隨噴砂工藝參數(shù)的變化趨勢(shì),噴砂壓強(qiáng)分別設(shè)為0.2MPa,0.3MPa,0.4MPa。當(dāng)鈍化時(shí)間T=10s時(shí),刃口鈍化半徑隨噴砂壓強(qiáng)的變化不明顯;當(dāng)鈍化時(shí)間增大到T=20s時(shí),隨著噴砂壓強(qiáng)從0.2MPa增大到0.3MPa,刃口鈍化半徑隨噴砂壓強(qiáng)的增大而增大;當(dāng)鈍化時(shí)間增大到T=30s時(shí),噴砂壓強(qiáng)增大到0.4MPa的過程中,刃口鈍化半徑隨噴砂壓強(qiáng)的增大反而減小。這是因?yàn)閲娚皦簭?qiáng)增大后,磨料對(duì)刃口的沖蝕作用明顯,由圖5 Alicona輪廓測量儀觀察的刃口橫截面可以明顯看出,前刀面和后刀面的硬質(zhì)合金材料同時(shí)被去除(虛線部分),刀具的楔形角減小,刃口半徑減小。

(a)T=10s

P=0.3MPa,Q=1：2,T=20s

趙雪峰等[15]提出,磨粒流沖擊刀具刃口時(shí),法向累積能量大于切向累積能量,磨粒以沖蝕作用為主,磨削作用相對(duì)較弱。如圖6所示,噴嘴在左側(cè)對(duì)準(zhǔn)刀尖噴射,刀具逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(正轉(zhuǎn))時(shí),前刀面先進(jìn)入噴射區(qū),此時(shí)主要是前刀面受到?jīng)_蝕;隨著刀具轉(zhuǎn)角增大,前刀面逐漸離開噴射區(qū),后刀面逐漸進(jìn)入噴射區(qū);當(dāng)?shù)毒唔槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(反轉(zhuǎn))時(shí),情況正好相反。因此,可以通過控制刀具正反轉(zhuǎn)時(shí)間比例得到不同的刃口形狀因子K,形成非對(duì)稱形刃口。

(a)前刀面進(jìn)入噴射區(qū) (b)前刀面離開噴射區(qū)

如圖7所示,當(dāng)正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=1：2時(shí),刀具的前刀面受到?jīng)_蝕更明顯,Sγ>Sα,刃口的形狀因子K最大為1.15;當(dāng)正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=1：1時(shí),形狀因子K接近1;當(dāng)正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=2：1時(shí),形狀因子K隨噴砂壓強(qiáng)的變化波動(dòng)較大,這可能是因?yàn)椴煌膰娚皦簭?qiáng)下磨粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)未達(dá)到平衡,磨粒之間的速度波動(dòng)影響刃口鈍化效果。

T=20s

在壓強(qiáng)0.3MPa、正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=1：1條件下,測量出鈍化半徑隨鈍化時(shí)間的變化接近線性(見圖8),為了方便生產(chǎn)使用,用最小二乘法擬合得到直線方程為

P=0.3MPa,Q=1：1

r=0.1825T+2.3173

(1)

式中,r為刃口鈍化半徑;T為鈍化時(shí)間。相關(guān)系數(shù)R2=0.9787。

從圖4可以看出,若鈍化時(shí)間T>20s,鈍化半徑隨鈍化時(shí)間的變化呈非線性關(guān)系,因此式(1)只適合T≤20s的情況。

3.2 鈍化參數(shù)對(duì)粗糙度的影響

圖9為鈍化時(shí)間T=20s時(shí)刃口附近前刀面的粗糙度值。當(dāng)正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=1：2時(shí),粗糙度值隨噴砂壓強(qiáng)的增大急劇下降;但當(dāng)正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=2：1時(shí),粗糙度值隨噴砂壓強(qiáng)的增大呈增大趨勢(shì),這說明噴砂壓強(qiáng)增大后,前、后刀面的沖蝕作用更加明顯,過大的噴砂壓強(qiáng)并不能提高噴砂后刀具表面的質(zhì)量。

T=20s

用Alicona輪廓測量儀進(jìn)一步觀察鈍化前、后(鈍化參數(shù)P=0.3MPa,Q=1：1,T=20s)刃口和表面形貌(見圖10和圖11)。鈍化前,刀具前、后刀面上的磨削紋路明顯,表面粗糙度Ra=0.370μm;噴砂鈍化后的刃口平整,刀具表面的磨削痕跡減小,前刀面粗糙度值Ra=0.189μm。表明噴砂鈍化對(duì)刃口表面質(zhì)量提高明顯。

(a)刃口 (b)刃口附近前刀面三維微觀形貌

(a)刃口 (b)刃口附近前刀面三維微觀形貌

3.3 彈性磨粒噴砂鈍化后的刀具銑削實(shí)驗(yàn)

比較拖拽鈍化和噴砂鈍化后銑刀的切削性能,拖拽鈍化采用粒度400#的SiC磨粒對(duì)K10硬質(zhì)合金銑刀刃口鈍化8min,正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=1：1,刀具自轉(zhuǎn)速度120r/min,公轉(zhuǎn)速度35r/min,鈍化后的刃口半徑為3.677μm;彈性磨粒噴砂鈍化的條件下,噴砂壓強(qiáng)P=0.2MPa,噴砂時(shí)間T=20s,正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=1：2,鈍化后的刃口半徑為3.74μm。

從生產(chǎn)效率上看,要達(dá)到同樣的鈍化量,噴砂鈍化的時(shí)間比拖拽鈍化縮短23倍。相比傳統(tǒng)的刀具刃口鈍化方式,噴砂鈍化極大提高了刃口鈍化工藝的生產(chǎn)效率。

采用Fanuca-D14MIA三軸加工中心銑削加工1Cr18Ni9Ti不銹鋼,如圖12所示,在切削120min時(shí)(銑削長度264m),兩支銑刀周刃的磨損量為0.06mm,差異不明顯;繼續(xù)切削到240min(銑削長度528m),拖拽鈍化處理的銑刀后刀面出現(xiàn)黏著磨損,磨損量達(dá)到0.174mm,而噴砂鈍化后的銑刀磨損量為0.069mm,磨損量的增長緩慢。這表明噴砂鈍化后刃口表面質(zhì)量更好,銑刀的耐用度得到提升。

(a)拖拽鈍化銑刀

4 結(jié)語

(1)研究噴砂壓強(qiáng)P、噴砂時(shí)間T和正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q三個(gè)參數(shù)對(duì)刃口鈍化量的影響。在鈍化時(shí)間T≤20s時(shí),刃口鈍化半徑r和鈍化時(shí)間T呈線性關(guān)系;噴砂壓強(qiáng)P增大到0.4MPa,磨料對(duì)刃口的沖蝕作用明顯,刃口鈍化半徑r隨鈍化時(shí)間T呈非線性變化。

(2)正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q影響形狀因子K,正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=1：2時(shí),形狀因子K>1;正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=1：1時(shí),形狀因子K接近1;正反轉(zhuǎn)時(shí)間比Q=2：1時(shí),形狀因子K隨噴砂壓強(qiáng)的變化波動(dòng)較大。

(3)噴砂鈍化后刃口附近表面粗糙度值由鈍化前的0.370μm下降到鈍化后的0.189μm,刃口表面質(zhì)量得到明顯提高。

(4)對(duì)拖拽鈍化和噴砂鈍化進(jìn)行比較,達(dá)到同樣的鈍化半徑,拖拽鈍化時(shí)間8min,噴砂鈍化時(shí)間20s,鈍化時(shí)間縮短23倍。使用兩種鈍化方式的銑刀加工1Cr18Ni9Ti不銹鋼,在銑削長度都達(dá)到528m時(shí),拖拽鈍化銑刀是噴砂鈍化后的銑刀的后刀面磨損量的2倍。