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运用湿式喷砂进步刀具切削品质

来源:http://www.rxsfjx.com 作者:澳门皇冠官网-澳门皇冠844网站 时间:2019-11-25 16:16

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众所周知,刀具切削刃的几何形状是决定其加工效率的关键因素。一般而言,增大切削刃的钝圆半径有助于更高效地切除金属材料,并延长刀具寿命。科研机构和刀具制造商已对其中的机理进行了详尽的研究。

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。

简单来说,带有磨削缺陷和毛刺的锋利切削刃在切削初始阶段很容易发生崩刃,造成局部刃口加速破损。对切削刃周围摩擦剪切应力的详细分析表明,切屑厚度随着切削刃钝圆半径的增大而减小。加大刃口钝圆半径可以大大减少刀具与切屑的接触长度和热量聚积,从而减缓刀具磨损。图1湿式喷砂机1现代刀具依靠超硬表面涂层(如TiN或CrN涂层)来提高其切削性能。采用物理气相沉积或化学气相沉积工艺涂覆的这些涂层可以显着提高刀具切削刃的硬度和耐用性。由于这些涂层的硬度通常要比基体材料的硬度(硬质合金约为HV1700)高一倍,因此,涂层与基体之间的粘附性往往成为刀具寿命的限制因素之一。

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。

因此,刀具基体的刃口钝圆半径及其表面光洁度对于刀具的最终性能至关重要。涂层沉积工艺趋向于在较锋利的刃口处沉积更多的材料。因此,较小的刃口钝圆半径会吸引较厚的沉积物。由于切削工件时该区域会承受极大的应力,因此更容易产生裂纹,成为随后加速破损的起始点。

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。

为了最大限度地提高涂层与基体之间的粘附性,基体表面必须非常洁净。在一项名为“通过微喷砂改善硬质合金刀片上高粘附性PVD薄膜的切削性能”的研究中,研究人员发现,仅仅通过磨削并不能提供获得良好涂层粘附性所需的理想表面光洁度。因此,刀片通常需要进行磨削+微喷砂或抛光+微喷砂处理。研究发现,抛光+微喷砂处理的效果更好(在这两种处理方法中,微喷砂均采用干式喷砂)。图2工作中的喷砂头在该研究项目中,刀片表面粘附性的测量方式是进行重复倾斜冲击测试,直至表面破损。也可以采用对比测试法(简单的C洛氏硬度测试法)来观察压痕周围的破损情况。涂层的粘附性从HF1到HF6分为6个等级(HF1表示粘附性最好)。湿式微喷砂的一个主要好处是:可以从刀片表面去除过多的钴结合剂,这些钴结合剂可能会对表面涂层的粘附性产生不利影响。然而,采用毛刷刷或干喷砂的方式获得刃口钝圆半径会在基体上积聚静电,因此,必须将静电吸附的碎屑或灰尘从刀片表面清除干净。

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。

为了获得高质量的涂层前预处理表面,可采用湿式喷砂来替代两级抛光和干式喷砂处理工艺。采用湿式喷砂技术,可以达到HF1的涂层粘附性,而且刀具表面不会产生静电或吸附灰尘。

1.试验步骤

采用湿式喷砂对硬质合金刀具进行涂层前预处理(尤其是在喷砂处理后马上进行冲洗和干燥)的一个主要优势是:处理后的刀具表面极具活性。事实上,其表面活性如此之高,以至于现有的表面活性测量装置(如测角系统或Dyne油墨测试法)无法对其进行测定(因为超过了仪器的测量阈值)。这种活性表面进一步增强了涂层的结合力。成功进行涂层前湿式喷砂处理的一个关键是通过工艺控制,确保清洁表面的一致性,包括进行冲洗、在去离子水中漂洗并立即吹干。图3喷砂处理后的刀片必须进行清洗和干燥正如刀具基体得益于微喷砂处理工艺一样,涂层刀具本身也从中受益非浅。上述项目的研究人员分别对采用磨削+微喷砂工艺和抛光+微喷砂工艺处理的硬质合金铣刀片进行了测试。对经过涂后微喷砂处理的PVD薄膜的研究表明,涂层中存在一个材料变形大、纳米硬度高的浅表层(其深度约为0.6μm)。工艺试验分别采用了两种喷砂压力,结果表明,5巴的喷砂压力可以提高浅表层的硬度。

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。

随后,对涂层刀片进行了铣削试验。试验中,测量了刀片的后刀面磨损,并将后刀面磨损达到0.2mm设定为刀具报废标准。经过磨削+微喷砂处理的刀片样品的刀具寿命最多延长了15%,而经过抛光+微喷砂处理(可用湿式微喷砂预处理代替)的刀片样品的刀具寿命最多延长了70%。

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观察,分析刃口材料去除机理。

通过检查磨损痕迹,并对相关的应力进行有限元分析,确定了两种截然不同的刀具失效模式。对于经过磨削+微喷砂处理的刀具样品,失效的主要原因是PVD涂层的粘附性不足;而对于抛光+微喷砂处理的刀具样品,失效模式则是PVD涂层内的疲劳所致。因此,为了通过涂后微喷砂提高PVD涂层的纳米硬度,从而使加工效益最大化,还必须进行合理的涂前预处理。

2.试验结果与分析

已经上市的自动化湿式喷砂生产线可以实现所有这些功能,包括刃口倒圆、PVD/CVD涂层的涂前和涂后处理、冲洗、去离子水漂清和后续干燥。为了美观起见,刀片应进行喷雾冲洗、清洗和用热空气吹干,使其达到包装入库的标准。

2.1 微喷砂工艺参数对刃口半径的影响

通过湿式喷砂对一盘典型刀片进行刃口倒圆处理的时间为4—20分钟,取决于湿式喷砂机需要完成多少个工艺步骤。对涂层进行涂前和涂后处理所需的时间约为刃口倒圆处理时间的1/2。

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。

图2 刃口半径随微喷砂各工艺参数的变化趋势

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。

图3 未处理刀片与微喷砂刃口钝化刀片的切削刃形貌

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。

图4 硬质合金刀具YT15刃口线粗糙度分布

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

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。

  1. 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。

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