磁化处理对W6Mo5Cr4V2高速钢刀具加工质量的影响

刘政， 郭颂， 谌庆春

（江西理工大学，a.机电工程学院；b.材料科学与工程学院，江西 赣州341000）

0 引 言

随着科学技术的发展，在机械制造中应用高强度、高性能的材料日益增多，对加工质量的要求也越来越高；从而使企业寻求能够提高加工质量、提高生产率、降低生产成本的切削技术日益迫切.因此切削技术已由传统的以机械为基础的切削技术发展到外加能量的特种切削方法，如低温切削、磁化切削、振动切削、电切削等[1].而高速钢是铁磁性材料，具有较高的剩磁感应和较大的矫顽磁力[2]，且正常的切削温度在650℃以下，因此可以进行带磁切削.有研究表明[3-4]，通过磁化处理可以提高刀具的切削性能，延长使用寿命，提高加工质量.

机械零件加工表面质量直接影响零件的物理、化学及力学性能，而产品的工作性能及寿命很大程度上取决于主要零件的表面质量.粗糙度是表示零件加工质量的一个重要因素，因此寻求改善零件表面粗糙度的方法具有重要意义.近年国内有学者从数控加工方面对磁化处理进行研究，并对其加工精度进行了探究，结果表明：与传统的改善表面粗糙度的方式（如选择合理的刀具几何角度、选择合理的切削用量）相比，带磁切削的方式更为简单经济，而且还可以与传统方式相结合而得到更好的加工质量[5-6].

因高速钢具有良好的综合性能，尤其是钨系高速钢，在现代刀具的制造和使用中占有重要的地位[7].因此，对提高高速钢刀具切削性能方法的研究仍是现代切削加工研究中的一个重要课题.本文就磁化处理对钨钼系高速钢刀具切削性能的影响进行了实验分析和研究：选择W6Mo5Cr4V2高速钢作为研究对象，使用自制的交流磁化装置对这种高速钢刀具在不同参数下进行磁化，并在车床上进行车削45号钢的实验，通过测定已切削工件的表面粗糙度的变化，初步探究了磁化处理对W6Mo5Cr4V2高速钢刀具加工质量的影响，并探讨了磁化频率和磁化时间及切削条件（主要是切削速度和进给量）对磁化切削的影响.

1 实验过程

1.1 实验设备及材料

实验所用的实验设备包括自制的交流磁化装置、C6132A普通车床、SJ-201表面粗糙度测量仪器.实验对象为W6Mo5Cr4V2高速钢刀具，工件材料为45号钢棒材.

1.2 实验过程

将W6Mo5Cr4V2高速钢刀具放入自制的交流磁化装置中进行磁化处理，处理参数分别为2 Hz，20 s；2 Hz，45 s和30 Hz，20 s.然后用未磁化的刀具及经以上参数处理的刀具在机床上进行车削外圆的实验，在固定进给量f=0.2 mm/r，切削深度ap=1.5 mm下，分别在切削速度为 v=180 r/min、280 r/min、380 r/min、480 r/min下进行切削（干式切削）.同时在实验中仔细观察切削过程及切屑在刀具上的滞留情况，收集切屑并做好记录.切削完成后测量被切棒料的表面粗糙度（Ra轮廓算术平均差），根据以上实验结果，选取最优的磁化参数及切削速度，在不同的进给量下进行切削实验.在粗加工及半精加工过程中，切削深度比进给量及切削速度对表面粗糙度的影响要小的多，所以在实验过程中对该参数没有进行讨论.

2 实验结果

实验进行的主要是粗加工过程，因此测得的表面粗糙度偏大.为探讨磁化处理对W6Mo5Cr4V2高速钢刀具加工质量的影响，将相同规格的未经磁化处理的刀具及经磁化处理后的刀具在机床上进行切削实验，切削条件为f=0.2 mm/r，ap=1.5 mm，实验结果如表1所示.为了更好地比较不同转速下未经磁化处理的刀具及经磁化处理后的刀具的切削质量，将表1的结果用柱状图表示，见图1所示.

表1 当切削条件f=0.2 mm/r，a p=1.5 mm时，不同转速下磁化切削与普通切削加工工件的表面粗糙度

图1 不同转速下磁化切削与普通切削加工工件的表面粗糙度

由表1和图1可以看出，经磁化处理后的刀具（不论磁化参数如何）比未磁化刀具加工工件的表面粗糙度要低，且在切削速度较低时更为明显；查光洁度与粗糙度Ra的换算表可知普通切削加工工件的表面光洁度大约为▽3级，而磁化切削的表面光洁度大约为▽4级，因此磁化切削比普通切削的加工质量提高约1级.通过观察被加工工件的已加工表面发现，普通切削工件的加工表面在切削速度较低时有明显的磷刺和走刀痕迹，而磁化切削则基本无法辨出.

通过图1还可发现：在相同磁化频率不同磁化时间及相同磁化时间不同磁化频率下处理的刀具对工件表面加工质量的影响也不相同.在磁化频率同为2 Hz时，磁化时间20 s比磁化时间45 s的刀具加工出来的工件的表面粗糙度要低；而在磁化时间均为20 s时，磁化频率为2 Hz要比磁化频率为30 Hz处理的刀具加工出来的工件的表面粗糙度低.图1还反映了随着切削速度的提高，表面粗糙度有降低的趋势，说明切削速度对加工质量也是有影响的.将以上实验用的4把刀具在光学显微镜下观察并拍照如图2所示，通过观察可明显发现，刀具经磁化后刀尖处的积屑瘤要比未磁化刀具的小.

图2 未磁化及不同磁化参数下刀具刀尖处积屑瘤大小情况

为了探究磁化切削在不同进给量时对加工质量的影响，在以上实验研究的基础上，选取了未磁化刀具及磁化参数为2 Hz、20 s处理过的刀具在不同进给量下进行实验，切削条件为v=480 r/min，ap=1.5 mm.结果如表2所示.同样，为了更直观地比较磁化刀具与未磁化刀具在不同进给量时对加工质量的影响，将表2的实验结果用柱状图表示，见图3所示.

表2 当切削条件为v=480 r/min，a p=1.5 mm时不同进给量下磁化切削与普通切削加工工件的表面粗糙度

图3 不同进给量下磁化切削与普通切削加工工件的表面粗糙度

由图3可知，无论是较小或较大进给量的情况下，经过磁化处理的W6Mo5Cr4V2高速钢刀具切削45号钢工件的表面粗糙度均比未磁化处理的高速钢刀具的要低.另外，在高速切削的情况下，进给量对表面粗糙度的影响较大，随着进给量的增加，经两种刀具加工后的工件表面粗糙度逐渐增大，但是，磁化处理的高速钢刀具加工表面的粗糙度增加较缓慢，同时观察已加工工件的表面，发现加工表面的磷刺及走刀痕迹均不明显；由图3及图1还可发现高速下进行的磁化切削与普通切削相比，加工工件的表面粗糙度仍有所降低但并不如低速时明显.

3 讨 论

本实验自制的磁化装置可以通过外接变频器对磁化过程进行控制并选用不同频率对刀具进行磁化，磁化频率及磁化时间的选取是根据之前对高速钢刀具磁化后力学性能的实验结果而来，通过选用不同磁化频率及时间从而探索磁化参数对磁化切削的影响；实验中还选择了不同的切削速度（低速、中速、高速）及不同进给量来观察磁化处理对刀具切削质量的影响，从而在切削用量及加工方式方面探究了磁化切削与普通切削的不同.影响工件已加工表面粗糙度的因素有很多[8]，主要包括：刀具几何角度及刀具材料、切削用量、工件材料性质、积屑瘤和鳞刺及切削过程中的振动等方面.因此，在本研究的基础上，磁化切削对加工质量的影响机理主要体现在以下几个方面.

3.1 刀具剩磁强度的影响

由以上实验结果可知，磁化处理可以提高W6Mo5Cr4V2高速钢刀具的加工质量，且在切削速度较低的情况下效果更加明显，而高频磁化的效果则不如低频的效果好.仔细观察高频磁化刀具的切削过程可以发现，在切削过程中切屑断裂后并没有从刀具上脱落，而是由于刀具本身的剩磁强度太大而被吸附在刀具上，这就使得切削过程中刀具及工件的摩擦增大，切削热增多，同时也使得切屑更容易划伤已加工表面，从而使工件的加工表面质量下降.同时已有研究表明，磁场强度对磁化切削也有一定影响，在磁化切削时存在一个能够使加工精度明显提高的磁场强度[9]，高于此磁场强度时加工精度的提高并不明显，这可能是因为高速钢刀具在某一磁场值下达到磁饱和后，再提高外加磁场的强度对其磁性能的影响较小.

3.2 磁化处理能够使刀具的加工工况得到改善

国外有学者指出刀具经磁化处理后磨损有明显降低[10-11]，国内也有研究表明[12-14]，因磁化后高速钢力学性能的改变及切削过程中摩擦系数降低，切削热减少，从而磁化处理还可以提高高速钢刀具的使用寿命.还有研究指出由于磁化处理后剩磁的作用使得高速钢内部磁畴的变化在切削过程中可使切削力降低，特别是当切削速度达到一定值后，普通切削的主切削力大于磁化切削，径向切削力更为明显且交变磁场的切削力又低于恒定磁场的切削力[15]，同时研究还指出磁化切削还能降低切削过程中的切削温度，而刀具经过磁化后硬度也有所提高[16-17]，从而提高了刀具的切削性能和使用寿命.由以上分析可知，磁化切削能够减小切削过程中的切削力、降低切削温度及减小切削过程中的摩擦系数，从而使工件的加工工况得到改善，进而使加工工件的表面粗糙度降低，提高了加工质量.

3.3 磁化处理可以抑制刀具积屑瘤的产生

积屑瘤是在加工过程中切屑对刀具的前面产生有很大的压力，并且摩擦生成大量的切削热从而使部分切屑黏附在刀具近刀尖的前面上形成的[18].而未磁化W6Mo5Cr4V2高速钢刀具在中低速切削时易产生积屑瘤[19]，积屑瘤形成后便稳定的冷焊在前刀面上从而代替主切削刃进行切削，而积屑瘤的表面轮廓并不均匀，因此会在加工表面切出一道道深浅和宽窄不同的犁沟，从而增大了工件表面的粗糙度，降低了工件表面的质量；同时由于积屑瘤的存在还容易导致加工表面鳞刺的形成，进一步使工件已加工表面的粗糙度加大，所以刀具在中低速普通切削时加工工件的表面粗糙度比较大.而磁化切削时切削温度降低，切屑与前刀面的接触时间少，使黏结磨损减少[20]，从而抑制了积屑瘤及鳞刺的产生，从而提高了工件的加工质量.

综上所述，W6Mo5Cr4V2高速钢刀具经磁化处理后，在切削过程中能够降低加工工件的表面粗糙度并且提高刀具的使用寿命，但在磁化参数不同时刀具切削性能的改变也不相同.本实验的研究结果显示，W6Mo5Cr4V2高速钢刀具经过低频磁化处理，其切削效果较好.因此在实际生产中，应选择合理的磁化参数来改善高速钢刀具的加工质量，以提高经济效益.此外，由于切削用量对切削质量有很大影响，因此可以通过结合磁化处理及改变切削条件而获得更好的切削质量.

4 结 论

（1）磁化处理可提高W6Mo5Cr4V2高速钢刀具的加工质量，主要表现在可以减小被加工工件表面粗糙度，其原因是经过磁化处理后，刀具性能得到改善，使刀具切削过程的切削力和切削振动也有所变化.

（2）经磁化处理的W6Mo5Cr4V2高速钢刀具在切削中比普通切削多了磁场强度等要素，而在一定切削速度下，存在着使加工精度明显提高的磁场值，一般以低频磁化为佳；由于高频磁化后刀具对切屑的吸附而使加工质量下降刀具磨损加快，因此需要把握好合适的磁场强度，以获得最佳效果.

（3）实验研究表明，W6Mo5Cr4V2高速钢刀具的磁化处理操作简单、有效，不需要额外增加昂贵的专用设备，且磁化处理主要应用的是磁能，因此磁化处理的方法既能提高生产效益又是环保无污染的.

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