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[刀具制造] 硬质合金刀片刃口钝化及检测技术综述

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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2021-1-5 15:35:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    硬质合金刀片刃口钝化及检测技术综述
    曾伟,时凯华,顾金宝,董凯林,舒军
    自贡硬质合金有限责任公司
    摘要: 阐述了硬质合金刀片刃口缺陷的产生原因和主要的刃口处理形式及其使用工况,总结当前主流刃口钝化技术及刃口检测的技术手段,提出刃口钝化检测技术薄弱是目前国内企业普遍存在的问题。由于对该技术重视程度普遍偏低,制约了我国工具行业品质提升,也制约了刃口钝化技术装备及工艺技术的发展。
    关键词: 硬质合金刀片;刃口钝化;切削刃;刃口处理;刃口检测
    1 引言

    [size=1em]硬质合金刀片通常需要经过压制、烧结、研磨等工序,并通过压制烧结工序后形成坚硬的硬质合金工具。在未经过刃口研磨修整处理的刀片切削刃上,放大50倍即可清晰看到有锯齿状和微小崩缺或者微小粘附颗粒及高于切削刃前刀面的毛刺等缺陷。这是由于在压制工序,采用模压成型方式的原因,冲头与模腔存在间隙,使得压坯边缘(即切削刃部位)不可避免地会有毛刺产生,同时由于压制过程中粉料散落,偶有微小粘附颗粒存在。在研磨工序,由于采用金刚石砂轮对刀具进行磨削,微观锯齿和微小崩缺由此产生,其刃口在电镜下观察通常有0.01~0.05mm甚至0.1mm以上的缺陷[1],使用刀具进行加工的过程中,这些缺陷极易扩大,使得刀具磨损加剧,影响加工质量,严重缩短刀具使用寿命。

    [size=1em]基于上述问题,需要考虑一种刃口处理的方法,解决刃口的缺陷。刃口钝化的必要性已有研究表明:①刃磨后的刀具均需钝化;②在重负载及冲击性载荷条件下需对刀具刃口进行强化;③涂层的需要[2]。

    [size=1em]本文着重讨论硬质合金刀片刃口钝化技术和刃口检测技术的发展现状。

    2 刃口处理形式

    [size=1em]刃口处理形式根据用途不同,一般有锐刃、倒棱刃、消振棱刃[3]三种,硬质合金刀片刃口处理形式主要有锐刃、倒棱刃、倒圆刃三种方式。

    [size=1em]锐刃:刃磨前、后刀面相交而自然形成的锐刃[3],其刃口锋利,强度差,易磨损。这类切削刃使用工况有限,通常都需要进行轻微的倒棱或倒圆处理;

    [size=1em]倒棱刃:在刃口附近前刀面上刃磨出很窄的负前角棱边,大幅提高了刃口强度[3],通常用于粗加工和重载加工等工况;

    [size=1em]倒圆刃:在刃口上刃磨或钝化出一定参数的圆角,通过控制圆角半径大小及形状,增加刃口强度,提高刀具寿命[3]。可用于精加工、半精加工和粗加工的大多数工况[4],这是刀片刃口处理中最常用的切削刃形式。

    [size=1em]根据倒圆的形状可分为以下两种方式:圆弧形刃口,在刃口转角处形成对称圆弧;瀑布形刃口,刃口转角处形成不对称圆弧[5]。

    [size=1em]在实际生产中很难得到完全对称的圆弧形刃口,瀑布形刃口较为常见,且根据车刀和铣刀等加工要求的不同又可分为瀑布形刃口和倒瀑布形刃口。

    [size=1em]陈德洪等[6]认为前刀面和后刀面的交接部分不是一条简单的直线,而是一个复杂的曲面。鉴于切削刃的刃口形状复杂,仅用粗略的形状及刃口半径值不足以完全描述。Denkena B.[7]提出了一种详细描述刃口形状的方法:借助于切削刃的部分线段Sγ、Sα和k来描述切削刃的刃口形状。R为刃口半径,Sα和Sγ分别代表前刀面和侧面切线垂直线的交点到前刀面和侧面之间的距离。k是刀片刃口的形状因子,其值等于Sγ与Sα之比。

    3 刃口钝化技术现状

    [size=1em]刃口钝化的工艺方式层出不穷,刀具刃口钝化工艺始于20世纪70年代,刃口钝化技术前沿、主流及常用的技术主要有以下几种:

    [size=1em](1)砂轮钝化法

    [size=1em]砂轮钝化法是最先出现、也是目前使用范围最广的技术。砂轮与被加工刀片直接接触,利用砂轮与被加工刀片之间的相对运动以达到加工要求。随着机电自动化技术的进步,数控工具磨、万能工具磨、周边磨等设备的使用,使砂轮钝化法的自动化程度和加工精度大大提高。砂轮材料通常为金刚石砂轮,李瑞[8]研究了不同磨粒及其配比对刀具刃口钝化的影响,尤其对单磨粒和多磨粒对刃口作用的研究。杜金欣[9]指出,砂轮刃磨后的车刀都要经过油石研磨,包括砂轮刃磨的刀面,如主、副后刀面、刀尖部分的刀面和两后刀面相交棱角倒圆等。砂轮钝化法的弊端是产品为单片加工,耗时,效率低,成本高。

    [size=1em](2)微磨料水射流技术

    [size=1em]微磨料水射流技术是一种新兴加工技术,属于环保的微型加工,加工过程中通过增压发生器和喷嘴直径等的控制,要求水束直径在100μm以下,并以很高的压力将高压水与微磨粒颗粒混合形成一束液固高能射流。高能射流中的高能磨料颗粒对加工工件实施高速反复碰撞,形成一种类似“滴水穿石”的加工效果。微磨料水射流技术最先在半导体材料加工、微型电子机械系统制造以及光学器件生产上广泛应用[10],文献[11,12]研究了将该技术应用于硬质合金工具行业。这是当今较为前沿的刃口钝化技术,从公开文献报道来看,对其研究还停留在理论、基本工艺及加工设备研究阶段,尚未真正将其应用于实际生产中。

    [size=1em](3)电化学机械复合钝化法

    [size=1em]电化学机械复合钝化法是由电化学加工和机械磨削作用相复合而进行加工的一种刀具钝化工艺,主要先用电解去毛刺的原理[13],再用机械方法磨削去除氧化膜,获取所需要的刃口大小及形状。闫献国[14]、吕雁文[15]等设计了刀具刃口电解强化装置加工高速钢丝锥,可以提高其使用寿命,效果与被加工材料和刃口强化量有关。王林静等[16]研究了采用此法钝化硬质合金刀具刃口,解决了目前刃口钝化均匀性不好的问题。

    [size=1em](4)搅拌钝化法

    [size=1em]搅拌钝化法也叫拖拽法,是把磨料盛放在桶内,整体刀具等被加工物插入磨料桶,通过激光传感器,准确定位工件插入磨料的深度,从而保证加工品质和加工过程的安全性。磨粒通常为金刚石粉末与其他磨料的混合物,此种方式适用整体刀具的刃口钝化。相较于尼龙刷钝化法,搅拌钝化法在旋转过程中使整体刀具各个刃口受到同等的钝化处理,处理结果比较均匀[17]。

    [size=1em](5)振动钝化法

    [size=1em]振动钝化技术于20世纪80年代提出,主要装置包括振动台和工作台。振动台中安装有振动电机,机械振动通过电机带动偏心轮来产生,刀片钝化时,将刀片置于与振动体连在一起的容器内,容器内装有磨料,磨料颗粒与刀片反复碰撞,通过碰撞去除切削刃上微量材料,最终达到刃口钝化的目的。文献[18]研究了振动钝化的力学模型。这种钝化工艺对降低刀片的表面残余应力有不错的效果,也能在相当程度上提高刀具的寿命,而钝化效果取决于振动频率、磨料粒度、装夹方式等。

    [size=1em](6)磁力研磨法

    [size=1em]磁力研磨法在垂直于工件圆柱面轴线方向加一磁场,在S、N两磁极之间加入磁性磨料,磁性磨料吸附在磁极和工件表面上,并沿磁力线方向排列成有一定柔性的“磨料刷”。工件一边旋转,一边作轴向振动,磁性磨料在工件表面轻轻刮擦,以达到去除工件表面金属及毛刺目的。根据B.Karpuschewski等[19]在2009年鉴中指出,磁力研磨产生的刃口质量稳定,加工重复性好,由此产生的刀具表面粗糙度也较良好。

    [size=1em](7)尼龙刷钝化法

    [size=1em]尼龙刷钝化法是将细颗粒的研磨介质粘结涂覆于尼龙材料的刷轮或者刷盘上,然后将毛刷装在专用机床主轴上。毛刷有两种:一种是横向滚轮式毛刷,另一种是纵向盘式毛刷[21],通过毛刷的高速旋转对被加工零件进行往复走刀,常用研磨介质有SiC、CBN、金刚石颗粒[20],该技术最先是20世纪90年代美国Conicity Technologies LLC公司研制了用毛刷研磨的IXM- 50锥形强化机[22],之后国内桂育鹏研制了用含磨料尼龙盘刷柔性磨削的刃口钝化机,适用于钝化可转位硬质合金刀片[23]。

    [size=1em]总体来讲,该技术加工效率较高,但尼龙刷也存在弊端,如长期工作后温度升高易致毛刷变软、研磨介质消耗会改变研磨效率、静电作用吸附空气中灰尘污染刀片表面、刃口形状及均匀性较差等问题。目前新技术的尼龙刷钝化设备新增了水冷却系统,并且电控系统也做了改进,能部分解决上述问题。该方法应用于可转位刀片的刃口钝化或钝化半径要求大的工况,是目前较为常见的刃口钝化方法之一,效率较高,生产成本较低,但刃口一致性有待提高。

    [size=1em](8)喷砂法

    [size=1em]喷砂技术分为干喷砂和湿喷砂两种,区别在于研磨材是否与水混合,当前主流技术是湿喷砂。

    [size=1em]湿喷砂原理是喷砂机喷枪通过压缩空气的力量将水和研磨材的混合液高速喷射,在一定距离内以一定速度与角度实现对金属、塑料、陶瓷等材料的表面清洗和加工。湿喷砂设备分为通过式和转台式两种,喷砂的工作方式也有大批整盘喷砂和刀片单片喷砂两种。目前国内使用的都是大批整盘喷砂的设备,在日本等先进企业中的一些高端刀具产品采用单片喷砂方式,其切削刃的一致性更好。湿喷砂法技术的关键是研磨材粒子均匀度控制、砂水混合浓度监测及控制、砂水混合液喷射技术、加工工艺参数等。湿喷砂法是目前较为主流的刃口钝化方法之一,该方法较尼龙刷钝化法刃口一致性有提升。

    [size=1em](9)激光法

    [size=1em]激光法是在激光熔覆技术基础上发展而来的一项技术,余春荣[24]介绍了激光修整青铜金刚石砂轮的方法,朱晓雯[17]介绍了利用特殊激光束处理刀片刃口,激光在刀片表面产生高热量,融化部分材料,达到钝化刃口的效果。该方法目前国内相关报道较少。

    4 刃口检测技术

    [size=1em]目前国内各企业刃口检测手段繁多,杨振祥[25]介绍了投影放大法、光切法和轮廓放大测量法,汪浩[26]介绍了石蜡熔融复印法,但均限于当时的技术及装备条件。现在光学三维成像技术的应用,使刃口检测更加精准。

    [size=1em]总体而言,刃口检测技术分为两大类:一是二维检测方法,例如用万能工具显微镜、影像仪、表面轮廓仪等;二是三维检测方法,例如三维光学自动变焦仪、三维激光扫描仪等。

    [size=1em]由于切削刃钝化半径及形状是不规则的曲面,要准确测量切削刃,要求其设备测量精度在0.001mm,且测量距离通常在3mm以内,同时需要专业的测量软件。该类设备通常采用光学自动变焦三维成像原理,例如三维光学自动变焦仪。能进行三维成像的设备较多,但是能对切削刃进行细微检测的专业软件较少。

    [size=1em]在硬质合金刀片行业,目前专业检测设备包括奥地利的Alicona和德国的GFM等,其中Alicona设备在刃口检测方面使用了Denkena提出的刃口描述方法进行测量,对于整体刀具及机械零部件等产品可选用日本Keyence和德国Zoller等,国产品牌属于短缺状态。

    5 刃口钝化、检测技术存在的问题

    [size=1em]虽然刃口钝化技术层出不穷,但每种钝化技术都有其优劣势,在刃口钝化一致性、生产效率、生产成本及适用范围等方面各有所长,各生产企业应该按照产品要求及效率、成本综合考虑,选择适当的加工方法。

    [size=1em]在刃口检测方面,目前国家仅对金属切削加工的形状和位置公差检测等做了规定(GB/T 1958-1980),至于刀具切削刃方面,国家没有制订相应的生产及检测标准。各企业重视程度也不同,生产出的刀具刃口质量在部分企业甚至没有做检测。现阶段,专业的检测设备基本依赖进口,价格40~100万不等,在一定程度上制约了我国切削工具刃口钝化技术装备及工艺水平的提升,影响了整个工具行业品质提升。

    6 结语

    [size=1em]刃口钝化技术日新月异,从最初的砂轮机械钝化技术诞生至今也不过50年,但是其钝化技术应用的技术原理从机械技术到电磁技术甚至流体力学乃至激光技术等涵盖了当今多方面的技术手段。未来刃口钝化更趋向于多学科技术的综合应用,但是不管何种技术,刃口钝化不仅只是完成钝化的任务,最终追求的技术目标始终是刃口钝化的一致性,这点是很多人容易忽视的技术特点。

    [size=1em]参考文献

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    Review of Cutting Edge Passivation and Detection Technologyof Cemented Carbide Blade
    [size=1em]Zeng Wei,Shi Kaihua,Gu Jinbao,Dong Kailin,Shu Jun

    [size=1em]Abstract: The causes of the defect on the edge of the carbide blade,the main treatment forms and the working conditions of the blade are briefly described.The main cutting edge passivation technology and the edge detection technology are summarized.The weak detection technology of edge passivation is a common problem in domestic enterprises is pointed out.Due to the low attention to this technology,the quality improvement of the tool industry in China is restricted,and the development of the technical equipment and technology of the cutting edge passivation is also restricted.

    [size=1em]Keywords: cemented carbide inserts;edge passivation;cutting edge;edge processing;edge detection


    [size=1em]收稿日期: 2018年8月

    [size=1em]中图分类号: TG706;TH161

    [size=1em]文献标志码: A

    [size=1em]DOI:10.3969/j.issn.1000-7008.2019.09.003

    [size=1em]第一作者:曾伟,高级工程师,自贡硬质合金有限责任公司研发中心,643011 四川省自贡市

    [size=1em]First Author:Zeng Wei,Senior Engineer,Zigong Cemented Carbide Co.,Ltd.,Zigong,Sichuan 643011,China



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