磁力钝化参数对刀具非对称刃口的影响规律

赵雪峰，杨勇，秦浩，宋扬扬

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳 550025)

0 前言

切削刃的几何形状对刀具性能及加工表面质量都有着重要的影响。合适的切削刃形状能够提高刀具寿命、降低切削力及加工表面残余应力，从而有效地提高刀具的切削性能。一般对于实际生产的刀具，特别是经过磨削工艺生产的切削刃形状难以精准控制，并且还存在刃口微崩刃及刀具表面粗糙度过大的问题。因此，在刀具制造环节中常常对已生产的刀具进行适当的钝化处理，从而获得所需的刃口几何形状。目前常用的刃口处理方法主要有抛光、刷涂、喷砂、研磨和磨料流加工，其中磁力研磨加工是在磁场力的作用下引导研磨材料对工件进行研磨、整形，因柔性加工的特点广泛应用于切削刀具的切削刃制备。

CHEUNG等采用磁力抛光的方法对高速钢钻头的刃口进行制备，试验结果表明刃口制备的效果取决于磨料类型、机械冲击的严重程度和抛光时间，并且与未经处理的锋利钻头相比，刀具寿命有显著提高。DENKENA等基于磁性研磨工艺的特点，对硬质合金立铣刀刃口进行整形加工，试验发现磁性磨料在加工过程中的位移会导致切削刃变得不均匀，即产生非对称刃口，同时磨料沿切削刃运动是获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对高速钢麻花钻切削刃的微观几何形状和表面质量进行了研究，结果表明该方法可以再现钻头切削刃和角刃的规定半径，提高刀具表面质量。YAMAGUCHI等在硬质合金刀具涂层前使用磁性研磨抛光对刀具进行处理，通过减少刀具和切屑之间的摩擦来改善刀具磨损特性，刀具寿命相较于未处理时提升了一倍。

本文作者提出双磁盘磁力刀具钝化方法。该方法的材料去除机制是磁性磨粒在磁场力的作用下将刀具材料以刮削、犁耕、剪切的方式去除，其柔性加工的特点使它不仅能够加工复杂曲面，且加工效率较高。因此，研究该方法对刀具刃口钝化量的影响规律以及刀具表面加工质量具有重要意义。

1 磁力钝化原理

1.1 双磁盘磁力钝化原理

双磁盘磁力刀具钝化方法是基于磁力研磨技术提出的,即在刀具与磁盘的工作间隙加入磁性磨粒，磨粒在磁场力的作用下形成柔性磨粒刷，当磨粒与刀具之间发生相对运动时，起到对刀具刃口的钝化、整形作用，同时还能降低刀具表面粗糙度。

图1所示为双磁盘磁力钝化设备及钝化原理。刀具深入至两磁盘中间，并具有一定的转速，磁性磨粒在两磁盘的转动下也随之转动。此时磨粒在磁场力的作用下形成磨粒刷，实现对刀具刃口及表面进行光整处理。同时，随着刀具的旋转，刀具与磨粒的相对运动又类似于切削作用，此时磨粒能够对刀具刃口进行钝化、整形，并且在双磁盘的磁力作用下磨粒结合力更大，钝化效率更高。该设备依然遵从磁力研磨规律，即改变磁盘间距、刀具与磁盘转速、钝化时间、磨粒类型等变量时，钝化效果也有所区别。下文将通过试验探究这些变量与钝化效果之间的规律。

图1 双磁盘磁力钝化设备

1.2 磁性磨粒的制备

由上述双磁盘磁力刀具钝化原理可知，刀具材料的去除是由磨粒以刮削、剪切、挤压等方式去除，因此磨粒的硬度、粒度、导磁性能等对钝化过程有很大影响。为有效地对刀具进行钝化，磨粒的硬度应大于刀具材料硬度，并且有研究表明，随着磨粒硬度的增大，材料的去除效率也随之增大。如图2所示，文中制备的磁性磨粒为铁磁材料和磨料材料的复合物，其中基质相为100目的铁粉，硬质相为200目的碳化硅。为简化试验及降低成本，采用混合法进行磨粒的制备，即将铁粉和碳化硅以6∶1的比例充分混合，并采用油酸作为黏合剂。其中，所使用的铁粉及碳化硅参数如表1所示。

图2 磁性磨粒

表1 磨粒成分参数

2 钝化试验与结果分析

2.1 试验方案

表2 钝化试验方案

图3 刃口形状因子表征法

2.2 结果与分析

2.2.1 钝化参数对刃口几何形状的影响

根据上述刃口的形状因子表征法可知，形状因子为前、后刀面钝化值的比值，因此文中只对前、后刀面钝化值进行讨论。对试验结果进行极差分析，结果如表3所示。各钝化参数对前、后刀面钝化值的影响规律分别如图4—图7所示。

表3 前、后刀面钝化值极差分析结果

图4 磁盘间距对钝化量的影响规律 图5 刀具转速对钝化量的影响规律

(1)磁盘间距对刃口钝化量的影响

图4所示为磁盘间距对前、后刀面钝化量Δ、Δ的影响规律。可知：随着磁盘间距的增大，Δ与Δ均呈减小趋势。这主要是因为当磁盘间距增大时，磁场力有所减小，进而磁性磨粒之间的结合力也随之降低，此时随着刀具的旋转并切入磨粒，磨粒对刃口的压力减小，进而对刃口的钝化效果有所减弱。不仅如此，磁性磨粒在以柔性磨粒刷的方式对刀具刃口进行钝化时，磨粒之间结合力的降低也直接影响钝化效率，因此钝化量随着磁盘间距的增大而减小。

(2)刀具转速对刃口钝化量的影响

由图5可知：刀具转速对前、后刀面钝化量的影响规律不同，随着刀具转速的增大，后刀面的钝化量Δ呈先增大后减小的趋势，由于刀具转速增大，磨粒与刀具的接触摩擦速率也增大，则单位时间内刀具材料的去除速率增大，而刀具钝化时材料的去除过程类似于刀具的磨损过程，因此也存在3个磨损阶段，Δ的减小可以认为此时后刀面的材料去除已经进入稳定阶段。而Δ随着刀具转速的增加呈现出材料去除的3个阶段，这也进一步表明刀具转速对前刀面钝化值的影响比较大。

(3)磁盘转速对刃口钝化量的影响

图6所示为磁盘转速对刀具刃口钝化量的影响规律。可知：随着磁盘转速的增加，前刀面钝化量Δ呈先减小后增大的趋势，后刀面钝化量Δ呈缓慢增大趋势。根据图1可知，随着磁盘转速的增大，磨粒受到的离心力也增大，而磨粒受到的离心力和磁场力为相互作用力，因而磨粒之间的结合力减小。当刀具切入磨粒中时，磨粒对前刀面的钝化作用是靠磨粒之间的结合力作用，因此该力的减小导致了前刀面钝化效率的降低。而磨粒如磨粒刷一般始终与后刀面保持接触，因此随着磁盘转速的增加，单位时间内磨粒与刀具的接触增多，因此钝化速率变高，前刀面钝化量在转速为150 r/min之后也呈增大趋势也是这个原因导致的。

图6 磁盘转速对钝化量的影响规律 图7 钝化时间对钝化量的影响规律

(4)钝化时间对刃口钝化量的影响

图7所示为钝化时间对刀具刃口钝化量的影响规律。可知：前刀面钝化量Δ与后刀面钝化量Δ随时间的变化趋势相同，即都随着钝化时间的增大而增大，但可以看出在钝化初始阶段即9 min之前的钝化速率较高。这主要是由于该阶段刀具刃口较为尖锐，承受载荷能力较小，因此在磨粒的作用下很快被钝化，而随着钝化时间的进一步增大，刃口承受载荷的能力也随着钝化程度的增大而增大，因此在第12 min时钝化速率有所降低。

根据以上分析及表3可知，钝化参数对前刀面钝化值的影响由主到次分别为刀具转速、钝化时间、磁盘间距、磁盘转速，并且获得最大钝化量的参数为磁盘间距15 mm、刀具转速60 r/min、磁盘转速75 r/min、钝化时间12 min。对后刀面钝化值的影响由主到次分别为钝化时间、磁盘间距、刀具转速、磁盘转速,获得最大钝化量的参数为磁盘间距15 mm、刀具转速45 r/min、磁盘转速300 r/min、钝化时间12 min。

为更准确地获取刃口几何尺寸以及为以后的钝化方案提供参考，将试验结果进行回归分析，得到前、后刀面钝化量Δ、Δ及形状因子与钝化参数的经验模型，分别如式(1)(2)(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：为磁盘间距；为刀具转速；为磁盘转速；为钝化时间。

表4—表6为上述模型的方差分析结果。通过查分布表可知，当=0.05时，=(4,11)=3.36。由表4—6可知，Δ、Δ和的值均大于3.36，这表明上述预测模型是显著的，因此在一定条件下该模型能够反映钝化参数与前、后刀面钝化量及形状因子之间的关系。

表4 ΔSγ方差分析结果

表5 ΔSα方差分析结果

表6 K值方差分析结果

2.2.2 刀具刃口表面粗糙度

图8和图9所示分别为刀具钝化前、后刃口及表面形貌。由图8(a)可以看出未经钝化处理的刀具刃口较为锋利，并且刃口表面有不均匀的凸起，判断这可能是磨削产生的刃口微崩刃。相比之下，采用双磁盘磁力钝化处理后的刀具刃口较为平滑，未见刃口崩刃，如图9(a)所示。此外，与钝化前相比，钝化后的刀具表面磨削痕迹也得到有效去除(图9(a))。刀具表面的磨削划痕将增大刀具表面粗糙度，进而会增大切削过程中的切削力、切削温度等，最终导致刀具寿命降低。而刀具后刀面与已加工表面接触时，表面粗糙度的增大也会导致加工表面质量降低。采用白光干涉显微镜对钝化前、后的刀具后刀面进行粗糙度分析，表面形貌分别如图8(b)、9(b)所示，在显微镜下可以更清楚地看出未钝化的刀具表面有明显的磨削划痕，相比之下，钝化后的刀具表面较为平整。对沿磨削方向与垂直于磨削方向进行粗糙度分析，结果如图10所示。可知：钝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。

图8 钝化前刃口形貌

图 9 钝化后刃口形貌

图10 沿不同方向的刀具后刀面表面粗糙度

3 结论

本文作者基于磁力抛光原理提出刀具双磁盘磁力钝化的方法，并探究了钝化参数对刀具前、后刀面钝化量的影响规律，同时对钝化前后刀具表面粗糙度进行了研究，得出以下结论：

(1)钝化参数对前、后刀面钝化规律的影响不同，其中，对前刀面钝化值的影响由主到次分别为刀具转速、钝化时间、磁盘间距、磁盘转速；对后刀面钝化值的影响由主到次分别为钝化时间、磁盘间距、刀具转速、磁盘转速；

(2)磁盘间距和钝化时间对前、后刀面钝化量的影响规律相同，即随着磁盘间距的增大，钝化量呈减小趋势；随着钝化时间的增大，钝化量呈增大趋势；刀具转速和磁盘转速对前、后刀面钝化量的影响规律有所不同；

(3)双磁盘磁力钝化能够显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。