整體硬質(zhì)合金刀具鈍化的研制與應(yīng)用①

郭芬芳

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建廈門361006）

整體硬質(zhì)合金刀具鈍化的研制與應(yīng)用①

郭芬芳

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建廈門361006）

簡要介紹了一種自制整體硬質(zhì)合金刀具數(shù)控立式旋轉(zhuǎn)鈍化機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)。通過鈍化試驗(yàn)結(jié)果分析表明，所研制設(shè)備的鈍化效果達(dá)到進(jìn)口設(shè)備的性能指標(biāo)。

整體硬質(zhì)合金刀具；刃口鈍化

1 引言

盡管可轉(zhuǎn)位刀片技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，但整體硬質(zhì)合金刀具在切削刃長度、軸向進(jìn)給能力等方面仍具有明顯的優(yōu)勢(shì)，另外從切削系統(tǒng)動(dòng)平衡及刀具安全性角度考慮，高速切削技術(shù)的發(fā)展對(duì)整體式旋轉(zhuǎn)硬質(zhì)合金刀具的需求量不斷增加，尤其是小直徑的旋轉(zhuǎn)刀具增加明顯。

硬質(zhì)合金刀具的切削刃與刀尖一樣，具有強(qiáng)度低、散熱條件差的弱點(diǎn)，而且經(jīng)過普通砂輪或金剛石砂輪刃磨后的刀具刃口，在顯微鏡下觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)還存有不同程度的微觀缺陷，例如存在微小的鋸齒型缺口、磨痕和微裂紋等。在切削加工過程中，這些小缺陷隨著刀具使用時(shí)間的延長，會(huì)明顯降低切削性能，如刀具微裂紋的延伸、磨損的加劇、崩刃等現(xiàn)象會(huì)隨之而來。但是，如果在刀具制造工序的最后一道磨削工序完成后，緊接著再對(duì)刀具刃口進(jìn)行一次鈍化處理，使刀刃成為具有細(xì)微圓弧的刃口，刃帶也將變得圓滑平整，這樣會(huì)增強(qiáng)刀具的性能。現(xiàn)代高速切削加工和自動(dòng)化機(jī)床對(duì)刀具性能和穩(wěn)定性提出了更高的要求，特別是金剛石涂層刀具在涂層前必須經(jīng)過刃口的鈍化處理才能保證涂層的附著力和牢固性，降低刀刃出現(xiàn)崩口的機(jī)率，從而延長刀具壽命。眾多的實(shí)驗(yàn)［1－2］或者仿真［3］研究結(jié)果表明，刀具刃口鈍化可有效延長刀具壽命，大幅降低刀具成本，給用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

為提高鈍化效率和質(zhì)量，大多采用高效機(jī)械鈍化方法，如振動(dòng)鈍化、介質(zhì)鈍化、研磨漿鈍化、含磨料的橡膠輪鈍化、干或濕的噴砂法鈍化、翻滾鈍化和含磨料尼龍刷鈍化等［4］。目前尼龍刷鈍化法在國內(nèi)外專用可轉(zhuǎn)位刀片鈍化機(jī)床上已廣為應(yīng)用，鈍化效果較好。但對(duì)于整體成型刀具的鈍化，由于尼龍刷磨輪在工作時(shí)刀具刃口受力不均，鈍化質(zhì)量不夠穩(wěn)定［5］。針對(duì)此問題，廈門金鷺特種合金有限公司在調(diào)研和刀具生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了一套數(shù)控立式旋轉(zhuǎn)鈍化機(jī)，該機(jī)將整體硬質(zhì)合金刀具裝夾在鈍化機(jī)的主軸上，然后將其放到裝有磨料的容器中。刀具在數(shù)控程序控制下在容器的磨粒中作行星旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)，觀察和分析鈍化后的刃口表明，刀具的刀刃能得到均勻和有效的鈍化，鈍化效果和效率與昂貴的進(jìn)口鈍化設(shè)備相當(dāng)。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)原理和主要特點(diǎn)

整體硬質(zhì)合金鈍化機(jī)主要由主軸旋轉(zhuǎn)及聯(lián)接機(jī)構(gòu)、行星旋轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、行星主軸機(jī)構(gòu)、砂斗及其升降機(jī)構(gòu)、控制氣缸機(jī)構(gòu)以及電氣數(shù)控回路部分構(gòu)成。制作中采用Solid works軟件進(jìn)行三維建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

其中，主軸和行星軸采用PLC控制變頻器來驅(qū)動(dòng)，用PLC的模擬量模塊控制變頻器調(diào)速，PLC與觸摸屏之間采用RS232的通訊方式。主軸旋轉(zhuǎn)采用變頻器（帶PG卡）＋電機(jī)＋編碼器的方式，此方式是變頻器應(yīng)用領(lǐng)域的改進(jìn)技術(shù)，僅次于伺服系統(tǒng)的定位方式，精度較高，方便鈍化刀具的裝卸。升降部分采用伺服驅(qū)動(dòng)器＋帶剎車的伺服電機(jī)＋光柵尺的方式進(jìn)行定位，具有伺服系統(tǒng)定位精準(zhǔn)和光柵尺數(shù)字高精度信號(hào)反饋、加減速穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，采用全閉環(huán)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步提高了升降機(jī)構(gòu)的安全性。

研制的鈍化設(shè)備控制參數(shù)全部開放，可通過全中文界面的觸摸屏進(jìn)行設(shè)置，操作簡便，操作人員容易上手。通過觸摸屏主界面菜單，可對(duì)優(yōu)化過的鈍化程序進(jìn)行調(diào)用，或者通過參數(shù)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。設(shè)備還具有自檢、報(bào)警、基本故障自診斷等功能。

3 主要性能參數(shù)

所研制的整體硬質(zhì)合金刀具鈍化機(jī)樣機(jī)的主要性能參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)如下：

a）主軸轉(zhuǎn)速：10～150r／min

b）行星軸轉(zhuǎn)速：5～15r／min

c）外形尺寸：2100mm×1900mm×2720mm

d）砂斗升降速度：15～100mm／s

e）砂斗容量：170L

f）鈍化刀具范圍：柄徑3～32mm，長度60～200mm，刀具直徑1～32mm

4 鈍化試驗(yàn)與結(jié)果分析

圖1 D12刀具刃口鈍化前后顯微圖Fig.1 Micrograph of D12tool edge before and after preparation

為了評(píng)價(jià)自制數(shù)控鈍化機(jī)的性能，取公司D12、D6兩種未涂層整體硬質(zhì)合金刀具分別在進(jìn)口鈍化機(jī)和自制鈍化機(jī)上進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。具體的刀具和鈍化參數(shù)見表1。

在顯微鏡下對(duì)D12、D6兩種刀具鈍化前和鈍化后的形貌進(jìn)行了觀測(cè)。從刀具刃口鈍化后的顯微照片來看，自制設(shè)備的鈍化效果與進(jìn)口設(shè)備的基本相當(dāng)，鈍化后的刃面和刃口均得到了較大改善，刃面鈍化均勻，基本消除了鈍化前較為明顯的磨痕，刃帶也變得光滑、刃口處出現(xiàn)細(xì)微的圓弧，這將有助于提高后續(xù)涂層的性能。圖1為D12刀具經(jīng)自制鈍化機(jī)按照上述參數(shù)鈍化后的典型顯微照片圖。

為了對(duì)鈍化效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，還對(duì)鈍化前后刀具圓周刃的刃口半徑分別進(jìn)行了測(cè)量。D12刀具的刃口半徑分別取垂直距離底刃1mm、10mm、20mm三個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量；D6刀具分別取垂直距離底刃1mm、5mm、10mm三個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量。D12刀具刃口半徑在鈍化前，以及在相同的鈍化參數(shù)下經(jīng)進(jìn)口和自制設(shè)備鈍化后的情況如圖2所示，D6刀具的如圖3所示。

從圖4和圖5的鈍化數(shù)據(jù)來看，自制設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備對(duì)整體式硬質(zhì)合金刀具的鈍化效果基本一致。從圖2（b）和圖3（b）不同測(cè)量位置的刃口半徑增加值來看，鈍化機(jī)對(duì)距離底刃不同高度的鈍化效果有一定的差異，越接近底刃，鈍化效果越明顯。

表1 整體硬質(zhì)合金刀具規(guī)格及鈍化參數(shù)Table 1 Specifications and preparation parameters of solid carbide cutting tools

圖2 D12刀具刃口在不同設(shè)備上的鈍化效果比較Fig.2 Comparison of D12tool edge prepared on different machine

圖3 D6刀具刃口在不同設(shè)備上的鈍化效果比較Fig.3 Comparisonof D6tool edge prepared on different machine

5 結(jié)語

在調(diào)研和刀具生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用三維建模軟件對(duì)整體硬質(zhì)合金刀具旋轉(zhuǎn)式鈍化機(jī)進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)了帶觸摸屏人機(jī)友好界面的數(shù)控系統(tǒng)，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)和鈍化效果達(dá)到進(jìn)口設(shè)備的性能指標(biāo)，從而為刀具后續(xù)的金剛石涂層工序打下了良好的基礎(chǔ)。該設(shè)備的成功研制將進(jìn)一步降低刀具的生產(chǎn)成本，為進(jìn)一步縮小國產(chǎn)刀具與國外刀具性能的差距作出了一定貢獻(xiàn)。

［1］ 劉海濤，李嫚，張弘弢，等.刃口鈍化對(duì)PCBN刀具切削性能影響的研究［J］.工具技術(shù)，2011，45（4）：29－32.

［2］ 劉月萍.銑削Ti6Al4V刀具刃口鈍化研究［D］.山東大學(xué)，2010.

［3］ Yung－Chang Yen，Anurag Jain，Taylan Altan.A finite element analysis of orthogonal machining using different tool edge geometries［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，（146）：72－81.

［4］ 桂育鵬.刀具刃口鈍化技術(shù)的探討［J］.數(shù)控機(jī)床市場，2005，（12）：96－100.

［5］ 顧祖慰，張奇.刀具鈍化技術(shù)應(yīng)用前景的展望［J］.工具技術(shù)，2009，43（8）：78－80.

Development and application of edge preparation machine for solid carbide cutting tools

GUofen－fang
（Xiamen Golden Egret Special Alloy Co.，Ltd.，Xiamen361006，F(xiàn)ujian，China）

The basic structure and its main characteristics of a newly developed vertical rotating machine were briefly introduced in this paper.This self－made machine was used to prepare the edges of solid carbide cutting tools，and the results of the experiment showed that its performance indexes had reached those of the imported device.

solid carbide cutting tools；edge preparation

TG58

A

1673－1433（2012）04－0035－03

2012－08－10

郭芬芳（1974－），女，工程師，長期從事硬質(zhì)合金工具生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)和管理工作，Email：gou.fenfang＠cntc.com。