硬质合金铣刀刃口优化及切削寿命研究
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2024-11-07 17:02
四川
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田承金，陈云，翁剑，李树强，杨岩，万礼扬，庄可佳. 硬质合金铣刀刃口优化及切削寿命研究[J]. 工具技术, 2024, 58(8):26-32.Tian Chengjin，Chen Yun，Weng Jian，Li Shuqiang，Yang Yan，Wan Liyang，Zhuang Kejia. Research on cutting edge geometry optimization and life improvement of carbide milling tools[J]. Tool Engineering, 2024, 58(8):26-32.随着科学技术的不断发展，越来越多的高性能材料（如结构钢、模具钢、高温合金、航空铝材等）被广泛应用于航空航天、精密仪器、医疗器械、船舶制造等一系列高端制造领域。然而优异的材料性能往往意味着较差的可加工性，高性能材料的加工往往会对刀具产生较高的力热载荷，从而产生剧烈磨损，降低刀具的切削寿命。刀具的切削寿命是高端制造领域中重要的评价环节，对工件的加工质量、加工精度及加工效率有较大作用。影响刀具切削寿命的因素中除了加工参数、工件材料、刀具材料外，刀具结构几何参数也是关键因素之一。刀具结构几何参数分为宏观结构几何参数和微观结构几何参数。宏观结构参数主要包括前角、后角、螺旋角及刀体长度等。不同参数的相互耦合作用对刀具寿命有明显影响，例如增大前角会降低切削温度提高刀具寿命，而过大的前角又会导致刀刃强度降低；减小后角可以加快散热，从而提高刀具寿命；增大螺旋角能够提升切削刃锋利度，增强刀具耐用程度，而过大的螺旋角又会增大轴向力。刀具前刀面与后刀面连接处为刀具微刃口，刀具的微观结构几何参数即刀具微刃口的几何结构参数。微刃是刀具与工件材料的直接接触区域，能够直接影响切削力、切削温度、应力、应变等切削过程参量，进而影响刀具寿命。因此对刀具微刃结构进行优化设计是提升刀具寿命的直接、有效途径。为了实现微刃结构多样性、个性化的需求，满足微刃几何结构与质量设计要求，刀具在使用前必须经过钝化处理，钝化的目的是以微量的材料去除实现不同刃口结构并消除表面缺陷。针对微刃钝化技术，一些学者提出了立式旋转钝化法、喷砂加工、磁力磨料流加工等钝化方法并开展了相应的研究。赵雪锋等利用立式旋转钝化方法研究了刀具转速与钝化时间对钝圆半径的影响，实验结果表明，刃口钝圆半径随着钝化时间及刀具转速的增加而增大。刘亚男等利用湿喷砂方法对硬质合金刀具进行钝化处理，研究发现，微刃钝化半径会随着喷砂压力的增大而增大。除了对微刃钝化参数的研究外，学者们亦对微刃钝化质量进行了探究。袁银等研究了环氧树脂型新型磁弹磨料对微刃质量的影响，通过实验发现环氧树脂型新型磨料能够有效降低刃口表面粗糙度。为了更加精准地表征刀具微刃结构，Denkena B.等提出了K值形状因子表征法（见图1），其中，Sγ为前刀面钝化值，Sα为后刀面钝化值。该方法可根据不同K值将刀具微刃结构细分为纯圆刃型（K=1）、喇叭型（K>1）以及瀑布型（K<1），部分学者在此基础上开展了更为细致的刃型结构研究。谢奕彬等［10］研究了不同平均圆度S和形状因子K=1情况下，钝化未涂层、钝化且涂层以及无钝化涂层钻头的切削性能。Padmakumar M.等研究了铣刀在喇叭型微刃结构下（形状因子K=1，1.3，1.6）的铣削性能，发现喇叭型微刃结构仅适用于短时间的钢材加工。吴志正等利用弹性喷砂技术对拉刀刃口进行钝化处理，实验结果表明，控制弹性喷砂角度能够有效改变微刃结构。当喷砂角度分别为0°，18°，-18°时能够获得K=1，K>1和K<1的微刃结构。近年来对于刀具微刃的研究大多聚焦于微刃钝化工艺参数优化、微刃钝化质量提升以及钝圆半径对切削性能的影响，而对于微刃结构优化，尤其是考虑形状因子K与钝化半径R耦合影响情况下实现刀具寿命提升的研究较少。因此本文采用立式旋转钝化方法制备具有对称型与非对称型微刃结构的铣刀，研究不同参数下微刃结构的形成规律，并通过AISI1045结构钢切削实验进一步分析不同微刃结构下的刀具寿命，进而实现刀具微刃结构的优化。实验分别设置5种不同的钝圆半径，分别为3μm，5μm，7μm，9μm和11μm，每种钝圆半径类型分别匹配1和0.5两种K值，并且采用如图2a所示的立式旋转钝化机进行大批量制备，其运行及钝化原理如图2b所示，该设备由两级行星轮系传动机构组成，驱动电机主轴、轮盘与刀具主轴构成第一级行星传动轮系，带动由刀具主轴、刀盘及夹具组成的第二级行星传动轮系以实现刀具的公转与自转。刀具在连续旋转过程中所掠过的磨料会对刀具微刃不断冲击碰撞，从而导致微刃产生塑性变形和压痕，在一定的时间后，刀具微刃的材料去除体积不断增大，最终形成具有一定几何形态的光滑圆弧状微刃结构。具体的微刃制备参数如表1所示。实验所用刀具为通用型整体硬质合金铣刀，详细的结构参数如表2所示，切削实验所选用的铣刀微刃结构参数如表3所示，其中R-10为未经微刃结构优化的刀具，以此刀具的磨损值作为参考标准研究刀具微刃结构对刀具使用寿命的影响。铣削实验在牧野F5立式三轴加工中心进行，如图3a所示。铣削工件为100mm×100mm×20mm的AISI1045结构钢板材，硬度为160HB，其化学成分组成如表4所示。AISI1045钢板材采用夹具紧固，加工中心底部采用吸盘固定夹具和工件。采用如图3b所示的白光干涉垂直扫描仪（Alicona检测平台）对铣刀微刃结构进行扫描，并且对微刃扫描结果进行数据拟合（见图3c），以实现微刃结构的精准表征。本铣削加工实验参数的确定参考通用型刀具推荐参数，如表5所示，同时采用Dino-Lite显微镜观察并每30min测定一次铣刀后刀面最大磨损值VB。当铣刀后刀面最大磨损值VB达到0.2mm或提前出现崩刃即视为刀具失效。利用扫描电子显微镜（SEM）观测钝化前后铣刀微刃表面形貌，如图4所示。由于砂轮磨粒排布的随机性，导致前后刀面存在大量图4a中深浅不一的磨削纹理，在刀具微刃处存在大量坑蚀，使微刃呈现锯齿状。由于刀具微刃直接与工件表面接触，因此微刃直接承受大量的力热载荷，从而导致坑蚀等表面缺陷，在切削过程中会发生损伤拓展，从而加剧刀具磨损，影响刀具的使用寿命。钝化处理后的微刃表面形貌如图4b所示，刃口表面坑蚀均被去除，除某些较深的磨削纹理外，大部分磨削纹理均被消除，微刃处无锯齿现象，刃口表面质量得到显著提升，微刃结构由锐刃变为钝圆刃。通过Alicona检测平台检测钝化后铣刀微刃结构，分析前后刀面钝化值的变化规律，结果如图5所示。从图5a中可以发现，前后刀面的钝化值呈近线性上升，而在图5b中发现，前后刀面钝化变化速率前期波动较大，后期呈现下降趋势。由于铣刀中的螺旋结构导致后刀面更容易与磨粒发生接触，因此后刀面的钝化值始终高于前刀面钝化值。在钝化的前中期阶段（9~20min），后刀面钝化值由6.795μm增加到11.093μm，增长速率由0.755μm/min下降至0.405μm/min。前刀面的钝化值由4.893μm增加到7.176μm，增长速率由0.543μm/min下降至0.327μm/min；而在钝化的中后期阶段（20~48min），后刀面的钝化速率进一步降低至0.236μm/min，前刀面钝化速率降至0.206μm/min。可以发现，随着时间的不断推移，钝化速率整体呈下降趋势，在钝化的前中期阶段，材料的去除率相对较高，而在中后期阶段，钝化速率相对放缓，这是因为钝化前中期磨料相对锐利，单位时间内的材料去除量较大，而且钝化前期刀具刃口相对锐利，表面质量较差，更进一步加大了材料的去除量；而在钝化的中后期，微刃结构由锐刃变为钝圆刃，表面趋于平整光滑，刀具微刃处更难发生塑性变形与材料去除，因此钝化速率降低。但是由于铣刀的螺旋结构，后刀面的钝化速率依旧高于前刀面的钝化速率。![]()
图6为不同K值下的钝化值与钝化速率变化趋势，可以发现，后刀面的钝化值基本高于前刀面钝化值。当K初值为0.5时，前后刀面的钝化值差值较大，基本稳定在5μm，后刀面钝化速率在9min时较高，为0.9897μm/min，前刀面钝化速率较低，为0.3878μm/min，前后刀面钝化速率比值为0.3918。正因为前期钝化速率的差值从而导致微刃结构变为K＜1的非对称型结构，在钝化的中后期阶段，K值相较于前期略有上升，约为0.65，由于中后期磨粒钝化能力减弱，后刀面钝化速率下降，因此K值整体呈现上升趋势，但是后刀面钝化速率仍然高于前刀面。当K初值为1时，钝化前期前后刀面的钝化值基本一致，K值约为0.95，随着钝化时间不断延长，前后刀面的钝化差值不断增大，在钝化速率方面，前后刀面的钝化速率在前期阶段相当，由此可以奠定对称型K=1的微刃结构基础，在钝化中后期，钝化速率相较于前期发生大幅下降，但是后刀面钝化速率始终高于前刀面，因此K值同时也呈现逐渐下降的趋势。从上述分析可以发现，前后刀面钝化速率的不同能够构造出不同的微刃结构，对于铣刀而言，由于其特殊的螺旋构造导致后刀面的钝化速率高于前刀面的钝化速率，因此K均小于1或等于1，微刃结构呈现瀑布型或对称型。图7为钝化时间与钝圆半径关系，可以发现，随着钝化时间增加，钝圆半径增长速率呈现近线性上升趋势。当钝化时间为9min时，其钝圆半径均值为3.7885μm，钝化时间增加5min后，钝圆半径增加约0.96μm。在钝化前中期阶段，钝圆半径值增长速率较快，为0.2848μm/min，而在钝化的中后期阶段，增长速率由0.2848μm/min降低至0.1867μm/min。与前后刀面钝化值变化趋势类似，钝化后期钝圆半径值增速减慢。造成此种现象的原因与前者类似，都是由于磨料以及钝化后微刃表面趋于平整光滑而导致单位时间内材料去除量降低。图8为不同微刃结构下刀具后刀面的磨损量，可以发现，R-10（原厂未优化）刀具的后刀面磨损量在120min时达到0.2mm，提前达到失效标准。而R-6在60min时发生微小崩刃，在126min时崩刃磨损扩展，从而导致提前失效。但是从图中发现，R-10在切削前期30~40min内磨损量最小，而在60min后，其后刀面磨损量一直处于较高水平。R-2、R-7、R-8、R-9的后刀面磨损量在30min内较为接近，而在90min时，除R-4、R-5以及R-10外，其余刀具的后刀面磨损量稳定在0.13mm附近，而在实验的中后期90~150min时，除去R-10外，R-4、R-5刀具的后刀面磨损量最大，分别达到0.234mm和0.221mm。通过分析上述实验结果以及微刃结构会发现，当微刃结构K值为0.5±0.2时，其刀具寿命要优于K值为1±0.2的刀具；而且微刃的钝圆半径相对较大时，其寿命表现也更加优异。![]()
将刀具寿命最优的R-1、原厂未优化刀具R-10以及提前发生崩刃的R-6三种微刃结构下的后刀面磨损过程进行对比，结果如图9所示。当切削时间为30min时，R-1和R-6的后刀面出现较为清晰的长条状磨损带，磨损带宽度较小，而R-10刀具的磨损带不明显，后刀面没有明显磨损痕迹；当切削时间为60min时，三把刀具的磨损带发生延长与扩散，在磨损带末端发生了明显的沟纹磨损，而R-6与R-10分别在磨损带末端和中间位置发生了微小的崩刃；当切削时间为90min时，R-1刀具后刀面磨损带宽度增大，磨损带末端沟纹磨损发生明显扩散，而R-10的细小崩刃明显增多，后刀面磨损呈现锯齿状，沟纹磨损的宽度显著增大，磨损相对明显，R-6刀具的后刀面磨损带宽度增大，部分磨损带产生黏屑磨损现象，沟纹磨损进一步扩大，但是磨损宽度在三把刀具中最低，在切削时间为60min时产生的细小崩刃发生扩展，沟纹磨损前端发生凹状缺损；当切削时间进一步增大至120min时，R-10刀具的磨损宽度提前达到失效标准，沟纹磨损前端发生明显的切削刃崩碎现象，呈现凹状，R-1刀具磨损带清晰可见，同样出现了较为明显的黏屑磨损，沟纹磨损进一步扩大，但是宽度较低，R-6刀具的崩刃现象进一步扩大，磨损宽度扩大至0.164mm，但是当切削时间为126min时，R-6刀具后刀面崩刃现象持续扩散，后刀面凹状缺损的宽度与深度较大，严重影响了刀具的切削性能，因此提前达到失效标准；当切削时间为150min时，R-1刀具沟纹磨损发生明显扩散，后刀面磨损带产生较为明显的崩刃与黏屑磨损现象。![]()
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图9 R-1、R-6、R-10后刀面磨损过程
通过上述分析可以发现，经过微刃结构优化处理后刀具的寿命相较于未优化刀具提升明显，崩刃以及磨损扩展得到了明显抑制，当切削时间控制在120min内，优化后刀具R-1的磨损以沟纹磨损为主，主要原因是工件的加工硬化层以及较大的应力、温度梯度导致后刀面产生较大沟纹。而未优化刀具R-10与非最优刀具R-6磨损虽以沟纹磨损为主，但产生了明显的崩刃现象，磨损带呈现明显的锯齿状态，磨损扩展速度较大。
表6为刀具寿命提升分析表，以原厂未优化刀具作为寿命参考基准（120min切削寿命时长），其中微刃优化方案2、3、4、8、9、10的寿命提升效果明显，均达到15%以上，其中优化方案10的寿命提升达到25%。而优化方案5则是在加工时长为60min时产生微小崩刃，在126min时崩刃扩展，从而导致提前失效。优化方案6、7的寿命几乎没有提升，后刀面最大磨损量与原厂未优化的刀具相当。综上所述，在此工况下，其形状因子K<1且钝圆半径R略大时，能够有效提升刀具寿命。最优微刃结构方案为10号，形状因子K为0.5，最优钝圆半径为11μm，寿命最大提升为25%。
表6 刀具寿命提升分析
4 结语
本文采用立式旋转钝化方法制备了不同微刃结构的铣刀，通过AISI1045钢铣削实验探究了形状因子K及钝圆半径R对刀具寿命的影响，并针对AISI1045钢铣削提出了微刃结构优化方案，进而实现刀具寿命提升。通过本实验所得出的结论如下。
（1）钝化后微刃表面形貌质量得到显著提升，钝化前微刃表面的磨削纹理及坑蚀均被去除，微刃处的锯齿现象均被消除，微刃由锐刃变为钝圆刃。
（2）前后刀面钝化值变化呈现近线性上升规律，由于铣刀的螺旋结构导致后刀面钝化值始终高于前刀面钝化值，钝化速率在钝化前期出现波动，后期呈现下降趋势；前后刀面的钝化速率是影响微刃几何结构的重要因素，当后刀面钝化速率相较于前刀面钝化速率更快时，K＜1，微刃结构为瀑布型；钝圆半径与钝化时间同样呈现近线性变化规律，钝化后期钝圆半径增长速率减慢。
（3）通过对比三种刀具后刀面磨损状态发现，后刀面磨损以沟纹磨损为主，未优化以及非最优微刃结构的刀具后刀面均呈现不同程度的崩刃现象。优化后的刀具能够有效抑制刀具崩刃，减缓刀具磨损速率，提高刀具寿命。
（4）10种微刃结构优化方案中的6种优化方案对刀具寿命起到了明显的增益效果，且寿命提升在15%以上，其中K=0.5，R=11μm时为最优微刃结构，寿命提升最为明显，高达25%。
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