李铸宇,任泊铭,黄升莉,薛倩,付连宇
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
钝化能有效消除硬质合金刀具刃口的微观缺陷,提高刀具的耐用度,同时降低前、后刀面的粗糙度值,预防并减小前刀面上积屑瘤的产生,提高被加工表面质量[1]。常用钝化方法包括毛刷式[2]和拖拽式[3],两种方法都需要将刀尖埋入磨料,整体去除刀具前部硬质合金,钝化效率低,钝化尺寸一致性难以保证。近年来磁力[4]、磨料流[5]、激光[6]和电化学方法[7]等特种刃口钝化工艺涌现,但设备成本高,难以在生产中推广,其中喷砂工艺的应用引起广泛关注[8]。
喷砂是适合复杂形状零件清洁和表面处理的一种普遍而廉价的方法,利用压缩空气将固体颗粒喷射到零件表面,磨料对零件表面的冲击会导致材料去除(形成碎屑)或轻微的表面断裂[9]。研究表明,采用喷砂方法对涂层刀具进行表面预处理和后处理可以大幅提高刀具使用性能[10],且磨粒从软管中喷射很容易到达零件的各个角落,适合刃口形状复杂的刀具。针对不同的被加工材料,选择合适的磨料是喷砂工艺成功应用的关键。
部分研究将Al2O3、ZrO2、SiC、玻璃微粒、核桃粉选作磨料[11,12]。日本磨料协会报道,采用橡胶弹性颗粒作为磨料[13,14],外面包裹金刚石和碳化硅微粒,以一定速度喷射刃口,由于弹性磨粒冲击刃口时自身会发生弹性变形,并不会使刃口崩缺,而是快速在刃口处产生微观圆角,因此该工艺成为一种高效而且适应曲线刃口的刀具钝化新方法,具有广泛应用前景。国内正在研发弹性磨料喷砂的相关装备,但目前缺乏对其工艺参数的研究。本文通过分析刀具刃口钝化半径和前刀面粗糙度值随喷砂压强、喷砂时间、刀具正反转时间比三个工艺参数的变化规律,为弹性磨粒喷砂工艺参数的选择和优化提供依据。
采用东莞戴克精密公司的XY-C刃口钝化机进行实验,其加工原理见图1。刀具竖直固定在夹头上,电机带动夹头使刀具绕自身轴线以30r/min的速度旋转,顺时针方向为正。在单个工位同时安装两个喷嘴并与夹持的刀具相距70mm,其中一个喷嘴和刀具轴线垂直,另一个喷嘴和刀具轴线呈40°夹角。喷嘴在加工的过程中由工作台带动实现上下移动。加工时磨粒随高速气流运动从喷嘴射向刀具表面,由PLC控制刀具的正转和反转时间比。
图1 XY-C刃口钝化机和工作原理
磨粒由金刚石磨粒和碳化硅磨粒混炼而成,质量百分比为每1000g丁晴胶加入30g显微粒度为3μm的金刚石磨粒和30g碳化硅磨粒。橡胶颗粒长度在1mm左右,呈多棱边形(见图2)。
设计三因数三水平全因素实验,共计27组。实验的因素水平取值如表1所示,考察喷砂压强、喷砂时间及正反转时间比三个因素对钝化量的影响。实验刀具为直径6mm、牌号K10的硬质合金四刃右旋立铣刀,刃长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轮廓测量仪对钝化后的刀具刃口半径进行检测,用Denkena B.等[2]提出的形状因子定义刃口形状(见图3),包括钝化半径r、前刀面钝化值Sγ、后刀面钝化值Sα和形状因子K。
表1 实验因素水平
表2 K10硬质合金材料物理特性
图3 刃口钝化轮廓形状因子K[2]
3.1 钝化参数对钝化量的影响
图4为刃口钝化半径随喷砂工艺参数的变化趋势,喷砂压强分别设为0.2MPa,0.3MPa,0.4MPa。当钝化时间T=10s时,刃口钝化半径随喷砂压强的变化不明显;当钝化时间增大到T=20s时,随着喷砂压强从0.2MPa增大到0.3MPa,刃口钝化半径随喷砂压强的增大而增大;当钝化时间增大到T=30s时,喷砂压强增大到0.4MPa的过程中,刃口钝化半径随喷砂压强的增大反而减小。这是因为喷砂压强增大后,磨料对刃口的冲蚀作用明显,由图5 Alicona轮廓测量仪观察的刃口横截面可以明显看出,前刀面和后刀面的硬质合金材料同时被去除(虚线部分),刀具的楔形角减小,刃口半径减小。
(a)T=10s
P=0.3MPa,Q=1：2,T=20s
赵雪峰等[15]提出,磨粒流冲击刀具刃口时,法向累积能量大于切向累积能量,磨粒以冲蚀作用为主,磨削作用相对较弱。如图6所示,喷嘴在左侧对准刀尖喷射,刀具逆时针转动(正转)时,前刀面先进入喷射区,此时主要是前刀面受到冲蚀;随着刀具转角增大,前刀面逐渐离开喷射区,后刀面逐渐进入喷射区;当刀具顺时针转动(反转)时,情况正好相反。因此,可以通过控制刀具正反转时间比例得到不同的刃口形状因子K,形成非对称形刃口。
(a)前刀面进入喷射区 (b)前刀面离开喷射区
如图7所示,当正反转时间比Q=1：2时,刀具的前刀面受到冲蚀更明显,Sγ>Sα,刃口的形状因子K最大为1.15;当正反转时间比Q=1：1时,形状因子K接近1;当正反转时间比Q=2：1时,形状因子K随喷砂压强的变化波动较大,这可能是因为不同的喷砂压强下磨粒运动状态未达到平衡,磨粒之间的速度波动影响刃口钝化效果。
T=20s
在压强0.3MPa、正反转时间比Q=1：1条件下,测量出钝化半径随钝化时间的变化接近线性(见图8),为了方便生产使用,用最小二乘法拟合得到直线方程为
P=0.3MPa,Q=1：1
r=0.1825T+2.3173
(1)
式中,r为刃口钝化半径;T为钝化时间。相关系数R2=0.9787。
从图4可以看出,若钝化时间T>20s,钝化半径随钝化时间的变化呈非线性关系,因此式(1)只适合T≤20s的情况。
3.2 钝化参数对粗糙度的影响
图9为钝化时间T=20s时刃口附近前刀面的粗糙度值。当正反转时间比Q=1：2时,粗糙度值随喷砂压强的增大急剧下降;但当正反转时间比Q=2：1时,粗糙度值随喷砂压强的增大呈增大趋势,这说明喷砂压强增大后,前、后刀面的冲蚀作用更加明显,过大的喷砂压强并不能提高喷砂后刀具表面的质量。
T=20s
用Alicona轮廓测量仪进一步观察钝化前、后(钝化参数P=0.3MPa,Q=1：1,T=20s)刃口和表面形貌(见图10和图11)。钝化前,刀具前、后刀面上的磨削纹路明显,表面粗糙度Ra=0.370μm;喷砂钝化后的刃口平整,刀具表面的磨削痕迹减小,前刀面粗糙度值Ra=0.189μm。表明喷砂钝化对刃口表面质量提高明显。
(a)刃口 (b)刃口附近前刀面三维微观形貌
(a)刃口 (b)刃口附近前刀面三维微观形貌
3.3 弹性磨粒喷砂钝化后的刀具铣削实验
比较拖拽钝化和喷砂钝化后铣刀的切削性能,拖拽钝化采用粒度400#的SiC磨粒对K10硬质合金铣刀刃口钝化8min,正反转时间比Q=1：1,刀具自转速度120r/min,公转速度35r/min,钝化后的刃口半径为3.677μm;弹性磨粒喷砂钝化的条件下,喷砂压强P=0.2MPa,喷砂时间T=20s,正反转时间比Q=1：2,钝化后的刃口半径为3.74μm。
从生产效率上看,要达到同样的钝化量,喷砂钝化的时间比拖拽钝化缩短23倍。相比传统的刀具刃口钝化方式,喷砂钝化极大提高了刃口钝化工艺的生产效率。
采用Fanuca-D14MIA三轴加工中心铣削加工1Cr18Ni9Ti不锈钢,如图12所示,在切削120min时(铣削长度264m),两支铣刀周刃的磨损量为0.06mm,差异不明显;继续切削到240min(铣削长度528m),拖拽钝化处理的铣刀后刀面出现黏着磨损,磨损量达到0.174mm,而喷砂钝化后的铣刀磨损量为0.069mm,磨损量的增长缓慢。这表明喷砂钝化后刃口表面质量更好,铣刀的耐用度得到提升。
(a)拖拽钝化铣刀
(1)研究喷砂压强P、喷砂时间T和正反转时间比Q三个参数对刃口钝化量的影响。在钝化时间T≤20s时,刃口钝化半径r和钝化时间T呈线性关系;喷砂压强P增大到0.4MPa,磨料对刃口的冲蚀作用明显,刃口钝化半径r随钝化时间T呈非线性变化。
(2)正反转时间比Q影响形状因子K,正反转时间比Q=1：2时,形状因子K>1;正反转时间比Q=1：1时,形状因子K接近1;正反转时间比Q=2：1时,形状因子K随喷砂压强的变化波动较大。
(3)喷砂钝化后刃口附近表面粗糙度值由钝化前的0.370μm下降到钝化后的0.189μm,刃口表面质量得到明显提高。
(4)对拖拽钝化和喷砂钝化进行比较,达到同样的钝化半径,拖拽钝化时间8min,喷砂钝化时间20s,钝化时间缩短23倍。使用两种钝化方式的铣刀加工1Cr18Ni9Ti不锈钢,在铣削长度都达到528m时,拖拽钝化铣刀是喷砂钝化后的铣刀的后刀面磨损量的2倍。
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