硬质合金刀具制造-淮安硬质合金刀具-昂迈工具

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。刃口钝化是延常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的比重。每个因素设4个水平，硬质合金刀具制造，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

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---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，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。

图1  硬质合金刀具yt15微喷砂加工示意图

表2  硬质合金刀具yt15物理力学性能

2试验结果与分析

(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，硬质合金刀具参数，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。

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。

(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

(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---，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，---了刃口。

表3  未处理刀片与微喷砂刃口钝化刀片刃口参数对比(μm)

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。

图4  硬质合金刀具yt15刃口线粗糙度分布

(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。

图5  硬质合金刀具yt15微喷砂刃口形貌sem图

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---硬质合金刀具yt15的刃口，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。

高速车削tc4钛合金硬质合金刀片槽型对刀具磨损的影响

 tc4钛合金具有比强度高、高温热强性和耐热功能高、抗腐蚀性好等尤秀功能，因而成为航空航天工业中应用前景极其宽广的资料。一起，因为化学活性大、变形系数小、热传导率低一级特色又使其成为一种典型的难加工资料。现在，硬质合金是切削tc4钛合金的首要刀具资料，硬质合金刀具修磨，且可转位硬质合金刀片的使用越来越广泛。在加工过程中，可转位刀片的槽型对切削过程有很大影响，---学者对刀片槽型对切削加工的影响进行了深入的研讨，波兰学者grzesik对三维槽型刀具切削钢材的切屑折断机理进行了研讨，发现对触摸面的控制是影响切屑折断的一个重要因素。中山一雄以为:切屑受挤压而弯曲是因为断屑槽施加弯矩效果的结果，并以为断屑槽型的不同会导致断屑功能的不同。worthington等人研讨了棱带宽度在切削过程中的断屑效果，并给出棱带的宽度范围，一起给出了切屑弯曲半径。方宁研讨了刀片槽型对断屑功能的影响，并应用多重线性办法，建立了两种预测新型刀片断屑功能的数学模型。

 综上所述，现在对切削加工中槽型对切削影响的研讨首要集中在断屑方向。事实上，刀片的槽型对刀片本身的磨损也有很大影响，---是高速切削tc4钛合金时刀具磨损很快，此刻，槽型对刀片磨损的影响就显得更为---。本文选用山特维克可乐满cnmg120408刀片的sm和qm两种槽型进行研讨，通过实验来比照剖析不同切削速度下两种槽型刀片的磨损特色。

 1 实验设备及条件

 1.1 实验设备

 实验选用的是沈阳地一机床厂出产的数控车床cak6150(如图1)，其主轴蕞大转速为1800r/min。

 刀片磨损的观测选用基恩士vhx-1000c型超景深三维显微体系(如图2)。

 1.2 刀片的几许参数及槽型特征

 实验选用刀片的商标为h13a，它是山特维克可乐满公司针对钛合金及耐热合金切削开发的一种新型细晶硬质合金刀具商标，具有---的耐磨粒磨损性和韧性，适用于钛合金的车削加工。

 刀片型号为cnmg120408，其安装后的刀具几许参数如表1。

 实验选用了cnmg120408的两种槽型，即qm槽型和sm槽型刀片进行比照研讨。两种刀片槽型的结构特征如图3所示，它们的前角均为15°，qm槽型选用波涛形槽背，一起它具有较大的棱带宽度，宽深比较小。sm槽型的棱带宽度较小，---可以忽略，因而刀刃比较尖利，槽型较陡峭，宽深比较大。

 1.3 实验方案

 tc4钛合金常用切削速度为40～50m/min，为深入研讨高速车削时刀片槽型对刀具磨损的影响规律，实验选择两种不同的切削速度进行比照剖析，其切削速度分别为：95m/min、139m/min。详细切削条件如表2所示。

 2 实验结果及剖析

 2.1 切削速度为95m/min时刀具磨损的形状

 图4为切削速度95m/min时两种槽型刀片的磨损情况。在前刀面上，两种槽型刀片的磨损描摹首要是月牙洼磨损，qm槽型刀片磨损更为---，---察到刀具资料因为高温发生了塑性变形。在后刀面上，因为钛合金的回弹较大，后刀面和工件的触摸应力增大，切削区的温度升高，因而刀具后刀面的磨损比切削其他资料时要相对---一些。由图4可知，两种槽型刀片中qm槽型刀片后刀面磨损比sm槽型刀片---得多，可以显着观察到刀具资料高温软化后工件资料中的硬质点在刀具上划擦发生的犁沟，一起可见因为高温使刀具资料发生塑性变形引起的粘结磨损。sm槽型刀片的后刀面磨损较轻，仅发生了较小的机械磨损，未见显着犁沟

 图5为两种槽型刀片在切削速度95m/min时的磨损曲线，可以看出，在切削初始阶段qm槽型刀片磨损稍大，跟着切削的持续，sm槽型刀片有很长的一段正常磨损阶段，切削旅程到达1400m后，后刀面磨损量仍小于0.15mm。qm槽型刀片的正常磨损阶段要短得多，后刀面磨损量在切削旅程为1300m时到达0.25mm，此后刀具磨损加重，进入急剧磨损阶段，切削旅程到达1400m时后刀面磨损量已---0.5mm。在切削速度为95m/min时sm槽型刀片的磨损显着小于qm槽型刀片，sm槽型刀片具有---的切削功能。

 2.2 切削速度为139m/min时刀具磨损的形状

 图6为切削速度为139m/min时两种槽型刀片的磨损情况。两种槽型刀片在前刀面上的月牙洼磨损均较为---，且均---察到高温引起的塑性变形。在后刀面上，两种槽型刀片均能显着观察到因为高温发生的粘结磨损和刀具资料高温软化后发生的犁沟磨损，且sm槽型刀片的后刀面磨损较重。

 图7为两种槽型刀片在切削速度为139m/min时的磨损曲线，可以看出，在切削初始阶段，两种槽型刀片磨损大致相同，跟着切削的持续，两种槽型刀片的磨损均较快，首要原因是高速切削时刀具与工件触摸频率增大，刀尖的散热时刻缩短，导致切削区的温度急剧添加，刀具磨损速度加快。与切削速度为95m/min时不同，此刻qm槽型刀片磨损相对较小，切削旅程到达300m曾经刀具的磨损都比较平稳，为正常磨损阶段，而sm槽型刀片在切削旅程到达250m时就进入了急剧磨损阶段，正常磨损阶段较短。与切削速度为95m/min时相比，两种槽型刀片的磨损均敏捷得多。sm槽型刀片的后刀面磨损量到达0.3mm时，切削旅程不足450m，刀具使用寿命比切削速度为95m/min时大幅下降。qm槽型刀片的后刀面磨损量到达0.3mm时，切削旅程约为500m，刀具使用寿命不及切削速度为95m/min时的一半。在整个磨损过程中qm槽型刀片的磨损小于sm槽型刀片，此刻qm槽型刀片具有---的切削功能。

 2.3 两种切削速度下两种槽型刀片功能差异的剖析

 比较图5和图7不难发现，两种槽型刀片在两种切削速度下的切削功能体现恰好相反。在相对较低的95m/min切削条件下，sm槽型要比qm槽型刀片的切削功能好，而在相对较高的139m/min切削条件下，结果相反，qm槽型刀片的磨损一向小于sm槽型刀片。

 如图3所示，剖析sm槽型与qm槽型的区别可知，sm槽型刀片刃口尖利，刀尖体积较小，qm槽型刀片刃口粗钝，刀尖体积较大。在切削过程中切削区的温度是影响刀具磨损机理与速率的决定性因素，而切削区的温度又由切削时切削热的发生速率与散出速率一起决定。换言之，切削时单位时刻发生的热量经切屑、刀具、工件和周围介质散出后，留存在切削区内的热量决定了其切削温度，进而决定了刀具的磨损机理与速率。

 选用95m/min的切削速度时，因为sm槽型刀片刃口尖利，切屑早年刀面流出更顺畅，摩擦热发生较少，切削区内刀尖处的温度相对较低，因而sm槽型刀片磨损较少。

 当选用139m/min的切削速度时，高速切削条件下两种槽型刀片发生切削热的速率均远高于较低的95m/min速度时的切削加工，此刻切削区的散热条件对切削区温度的影响效果---出来。在干切削时切削热的传出途径除掉切屑和工件散热外，刀具散热是切削热传出的重要途径，---是关于导热性不好的钛合金零件，其工件散热较慢，刀具散热就显得更为重要。此刻，sm槽型刀片虽然产热较少，但其散热条件相对更差，qm槽型刀片虽然产热较多，但其粗钝的刃口和较大的刀尖体积------了散热条件，这样，在切削热的发生与散出这对对立中，qm槽型刀片胜出，qm槽型刀片在切削区内刀尖处的温度低于sm槽型。一起，此刻两种槽型刀片的切削温度都远高于95m/min时的切削温度，粘接磨损成为此刻刀具的首要磨损方式。qm槽形刀片刃口粗钝，更有利于抵抗工件资料的粘接，然后减小刀具的磨损。因而，在切削速度为139m/min时，qm槽形刀片体现出---的切削功能。