基于微喷砂射流技术的硬质合金刀片刃口钝化研究
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刀具制造过程中的微观缺陷会降低刀具寿命,影响加工质量,而刃口钝化可有效消除刀具刃口缺陷。本文基于微喷砂技术对硬质合金刀片YT15进行全因素刃口钝化试验,研究了微喷砂工艺参数对刃口半径的影响以及微喷砂处理对刃口质量的影响,分析了微喷砂处理的材料去除机理。研究结果表明:微喷砂处理可有效钝化硬质合金刀片YT15刃口,改善刃口质量。
刀具经过砂轮刃磨后,刃口会存在不同程度的微观缺陷,在切削过程中,刀具刃口微观缺口极易扩展,加快刀具的磨损和损坏。刃口钝化是延长刀具寿命的金属切削配套技术,能有效减少或消除刃磨后的刀具刃口微观缺陷,以达到圆滑平整,提高刀具抗冲击性能,使刀具刃口锋利坚固。
刃口钝化方式可分为传统刃口钝化和特种刃口钝化。传统刃口钝化方式主要包括磨削钝化、毛刷钝化、拖曳钝化和喷砂钝化等;特种刃口钝化方式主要包括激光钝化、电火花电蚀钝化、电化学钝化和磨料水射流钝化等。
喷砂是以压缩空气为动力,以形成高速喷射束将喷料高速喷射到需要处理的工件表面,实现对工件表面的加工。由于磨料对工件表面的冲击和切削作用,工件的表面性能和形状会发生改变。而微喷砂技术是以传统喷砂技术为基础,采用微米级尺寸的磨料颗粒来进行待加工表面处理的技术,广泛应用于材料的表面处理,包括表面清洁、表面钝化和表面形貌处理。微喷砂处理的材料去除机理,包括裂纹扩展导致的脆性去除和磨料微切削产生的塑性去除。微喷砂技术在刀具领域主要应用在表面处理方面,如涂层刀具。通过对刀具基体表面进行相应的微喷砂处理,来改变基体的表面形貌,以增加涂层与刀具基体之间的粘结力,提高刀具的切削寿命。研究表明,对刀具的涂层表面进行微喷砂处理可以增加涂层硬度,提高刀具切削寿命。微喷砂技术在刀具刃口钝化领域没有得到广泛应用,理论研究还不充分。
本文通过微喷砂技术对硬质合金刀片YT15进行刃口钝化,研究微喷砂工艺参数对刃口半径的影响以及微喷砂处理对刃口质量的影响,并分析微喷砂处理的材料去除机理。

1试验步骤

试验以喷砂压力P、磨料比重W和喷砂时间T为因素,其中磨料比重W为磨料占水和磨料总质量的比重。每个因素设4个水平,进行64组全因素刃口钝化试验,因素水平见表1。
表1 微喷砂全因素试验因素水平
因素水平1水平2水平3水平4
喷射压力P(MPa)0.20.250.30.35
磨料比重W0.10.150.20.25
喷射时间T(s)20304050

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采用湿式手动喷砂机,喷砂角度45°,喷砂距离8mm。磨料为320目白刚玉,微喷砂加工如图1所示。选用可转位硬质合金刀片YT15,其尺寸标准为SNMN120404,相应的材料性能见表2。通过激光共聚焦显微镜(LSM,Keyence VK-X200K)对微喷砂处理后的刀片刃口进行观测,试验观测指标为刀片刃口半径r和刃口线粗糙度Ra,最终结果为三次测量后的平均值。同时对其刃口形貌进行扫描电子显微镜镜(SEM)观察,分析刃口材料去除机理。
表2 硬质合金刀具YT15物理力学性能
刀具材料密度ρ(g/cm3抗弯强度σ(MPa)硬度(HRA)断裂韧性KIC(MPa·m1/2
YT1511.81150919.6

2试验结果与分析

2.1 微喷砂工艺参数对刃口半径的影响

图2为硬质合金刀具YT15刃口半径随微喷砂各工艺参数的变化趋势。图2a、图2b、图2c和图2d分别是在喷砂时间为20s、30s、40s和50s时刃口半径随喷砂压力的变化图。对比发现,在相同的喷砂压力和磨料比重下,随喷砂时间的增加,刀具刃口半径增大,这实质上是材料去除随着时间累积的结果。在相同的喷砂时间和磨料比重下,随喷砂压力的增加,刀具刃口半径增大。这是因为随着喷砂压强的增加,磨料流的出口速度增加,单颗粒磨料速度也相应增加。
(a)T=20s
(b)T=30s

(c)T=40s
(d)T=50s

图2 刃口半径随微喷砂各工艺参数的变化趋势
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硬质合金可看作是硬脆材料,根据单颗粒磨料冲蚀模型可知,单颗粒磨料的材料去除量与磨料颗粒的速度的指数成正比,使得单颗粒磨料的材料去除量增加。同时磨料流速度的增加,使单位时间内有效冲击刀具刃口的磨料颗粒数量增加,刃口材料的去除量变大。因此,增加喷砂压力相当于既增加磨料比重又增加喷砂时间,两者的共同作用使刃口半径增大。
由图2分析磨料比重对刀具刃口半径的影响可知,在喷砂压力为0.2MPa和0.25MPa时,随着磨料比重的增加,刀具的刃口半径先增大而后减小;而在喷砂压力为0.3MPa和0.35MPa时,随着磨料比重的增加,刀具的刃口半径呈现一直增大的趋势。同理,根据单颗粒磨料冲蚀模型分析可知,当喷砂压力较小时,随着磨料比重的增加,虽然单颗粒磨料速度减小,但是单位体积内磨料颗粒的数量增加,造成单位时间内磨料颗粒对刀具刃口的冲击次数增加,所以刃口材料的去除量变大。当磨料比重过大时,根据能量守恒可知,磨料流的速度减小很多,其中磨料颗粒的速度大幅降低,不仅减少了单颗粒磨料材料的去除量,也使单位时间内磨料对刀具刃口的冲击次数减少,进一步减少材料去除量,使得刃口半径随着磨料比重的增加先增大后减小。当喷砂压力较大时,随着磨料比重的增加,在单位时间内增加的磨料对刀具刃口的冲击次数所增加的材料去除量要多于单颗粒磨料速度降低而减少的材料去除量。总的来说,单位时间内材料去除量增加,因此在较大喷砂压力下,刀具的刃口半径随着磨料比重的增加而增加。

2.2 微喷砂处理对刃口线粗糙度的影响

图3是硬质合金刀片YT15经过微喷砂刃口钝化处理前后的切削刃形貌。采用微喷砂工艺参数:喷砂压力P=0.2MPa,磨料比重W=0.1,喷砂时间T=30s。通过测量得到切削刃的相关参数见表3。
(a)
(b)

图3 未处理刀片与微喷砂刃口钝化刀片的切削刃形貌(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

可以发现,硬质合金刀片YT15的刃口轮廓由原来的r=6μm锐刃变成r=27μm的圆弧刃口。其切削刃形貌得到改善,刃口线粗糙度Ra由原来的0.79μm下降到0.5μm,Ry则由原来的6μm下降到3μm。这是由于微喷砂处理消除了刀具刃磨时产生的微观缺陷,改善了刃口质量。
表3 未处理刀片与微喷砂刃口钝化刀片刃口参数对比(µm)
硬质合金刀片YT15刃口半径r刃口线粗糙度Ra刃口线粗糙度Ry
刃口未处理刀片60.796.0
微喷砂刃口钝化刀片250.53.8

图4 硬质合金刀具YT15刃口线粗糙度分布(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图4是微喷砂全因素试验时硬质合金刀片YT15的刃口线粗糙度的分布情况。可以得出,硬质合金YT15刀片的刃口线粗糙度为0.3-0.8μm,满足刀片的刃口粗糙度要求。

2.3 微喷砂刃口材料去除机理研究

刀片的微喷砂过程实质上是高速磨料射流冲击材料表面,实现材料的去除。其材料去除机理主要归结为磨料颗粒对材料的去除方式。对于脆性材料,其去除机理往往不只有脆性去除,还包括磨料颗粒的微剪切引起的塑性去除。
图5 硬质合金刀具YT15微喷砂刃口形貌SEM图
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图5是硬质合金刀具YT15在喷砂压力P=0.25MPa、磨料目数M=320、喷砂时间T=20s和磨料比重W=0.1时的刃口形貌。可以看出,经过微喷砂处理后,刀具出现了圆弧刃口,对其圆弧刃口的区域A进行放大,可以观察刃口材料去除形成的微观形貌。通过区域B可以看出,其硬质合金中硬质相的去除多为由裂纹扩展造成的脆性断裂,这是由于棱角尖锐的磨料颗粒对于硬质相的冲击作用,使之产生径向裂纹和侧向裂纹,由于磨料颗粒的高频率冲击,进而造成侧向裂纹的扩张形成网状裂纹,达到材料的去除。对于C区域的观察,也可以发现刃口材料上存在磨料颗粒的刻划痕迹,这主要是由于具有锋利刃口的白刚玉磨料颗粒对工件材料的微切削作用导致。由于刀具材料中除硬质相成分外,还包括粘结相,其微切削作用相对于粘结相更为明显,粘结相材料先于硬质相去除,使得硬质相成分显露出来。因此微喷砂处理硬质合金刀具YT15的材料去除机理,包括由磨料冲击和水楔作用引起裂纹扩展而导致硬质相材料的脆性去除,还包括磨料颗粒的微切削作用引起的材料塑性去除。

3 小结

微喷砂处理可以对硬质合金刀具YT15刃口进行有效钝化,形成一定圆弧半径的刀具刃口。研究表明,刃口圆弧半径随着微喷砂时间和喷砂压力的增加而增大。对于磨料比重而言,在喷砂压力为0.2MPa和0.25MPa时,随着磨料比重的增加,刀具刃口半径先增大而后减小;在喷砂压力为0.3MPa和0.35MPa时,随着磨料比重的增加,刀具刃口半径呈现一直增大的趋势。微喷砂处理可有效改善硬质合金刀具YT15的刃口质量,消除微观缺陷,降低刃口线粗糙度,在结构上对刀具刃口进行钝化。硬质合金刀具YT15刃口材料的去除机理,包含由裂纹扩展而导致硬质相材料的脆性去除和微切削作用引起的材料塑性去除。
本文作者:刘亚男 邹斌 张帅
原载:《工具技术》2017年 第11期
上载于:2018-2-26 13:47:16

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