雙磁盤磁力鈍化參數(shù)對刀具刃口的影響*

趙雪峰，秦 浩，楊 勇，李 輝

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引言

刀具的刃口質(zhì)量好壞是保證切削加工精度的重要前提之一，影響刀具切削性能和壽命的因素除了刀具材料、刀具幾何參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)外，刀具刃口的形貌也是不可忽視的，因此，深入研究和實(shí)踐刀具刃口這門學(xué)問十分重要[1]。

刀具刃口鈍化方法非常多，鈍化機(jī)制也不同。磁力鈍化是利用磁場的作用對刀具進(jìn)行鈍化，能極大地提高鈍化效率和鈍化質(zhì)量，磁力加工具有比較好的柔性、自適應(yīng)性、自銳性、可控性，因此不僅可以加工外圓、球面、平面等型面，而且可以加工自由曲面，如銑刀的周刃。

關(guān)于刀具刃口磁力鈍化機(jī)制的研究非常少，文獻(xiàn)[2]采用磁力鈍化法對高速鋼鉆頭進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)法獲得了合適的鈍化時(shí)間和鈍化頻率，并得出鈍化后的TiN涂層鉆頭壽命比未鈍化的鉆頭壽命增高一倍的結(jié)論。文獻(xiàn)[3]采用磁力鈍化機(jī)對高速鋼麻花鉆頭切削刃的微觀幾何形狀和表面質(zhì)量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鈍化后的切屑比鈍化前減少了3倍，刃口鈍圓半徑保持在12～18 μm之間，刀具的壽命提高了87%。文獻(xiàn)[4]通過立式銑床開發(fā)了一套磁力加工設(shè)備，并對刀具進(jìn)行磁力鈍化試驗(yàn)，得出在磁力鈍化后，刀具的切削性能得到了改善、切屑與前刀面的摩擦得到了減少、刀具的壽命得到了延長的結(jié)論，并在使用鈍化后的刀具車削Ti-6Al-4V合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)鈍化后的刀具壽命是鈍化前的兩倍。文獻(xiàn)[5]通過試驗(yàn)和仿真的方法研究了磁盤間隙在15～18 mm時(shí)磨粒對刀具的鈍化壓力、材料去除量、磁感應(yīng)強(qiáng)度以及磁力線的影響規(guī)律。

在磁性磨粒的研究中，文獻(xiàn)[6]通過將金剛石粉末和鐵粉按照一定比例混合而成，并通過凡士林進(jìn)行粘接以獲得磁性磨粒，其中取80目的鐵粉配以100目的金剛石粉進(jìn)行了試驗(yàn)。文獻(xiàn)[7]則是采用混合法將鐵介質(zhì)相與碳化硅磨粒相按9:1的重量比進(jìn)行混合，并加入油性介質(zhì)，取6.5～250 μm的粒徑進(jìn)行試驗(yàn)。文獻(xiàn)[8]研制了一種基于磁力的徑向接觸拋光工具，采用水基磁流體磁性介質(zhì)和碳化硅(SiC)磨料相進(jìn)行混合試驗(yàn)。

鑒于以上學(xué)者的研究，本文通過對雙磁盤磁力鈍化進(jìn)行分析，研究了設(shè)備的鈍化原理、磨粒的材料去除機(jī)制，并通過Ansys maxwell仿真軟件對雙磁盤磁力鈍化設(shè)備的磁盤間距與磁盤厚度進(jìn)行有限元分析，給出了磁力線和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布，并通過改變磁盤間距和磁盤厚度的大小，探究了它們對10 mm硬質(zhì)合金刀具的軸向和端面鈍化壓力的影響規(guī)律，最后通過試驗(yàn)分析了不同鈍化時(shí)間下磁力鈍化的最終效果，研究內(nèi)容為磁力鈍化加工提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 磁力鈍化原理

1.1 雙磁盤磁力加工鈍化原理

在雙磁盤磁力鈍化中，刀具被放置在兩磁盤之間，如圖1所示，刀具和磁盤之間的間隙用磁性磨粒填充，磨粒與磁性介質(zhì)組合形成柔性磨粒刷(FMAB)，在磁場作用下起到對刀具刃口多點(diǎn)切削的作用，柔性磨粒刷與刀具之間存在相對圓周運(yùn)動(dòng)，且具有足夠的法向力，并以刮削、耕犁、剪切和擠壓的形式從刀具刃口表面去除少量的材料，磁介質(zhì)相的作用是將非磁性磨粒相通過磁化或碰撞，粘連的形式使其僅在磁場區(qū)域(精加工區(qū))運(yùn)動(dòng)，防止旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使磨粒脫離加工區(qū)，在磁力鈍化中，磨粒的穩(wěn)定性主要取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

雙磁盤磁力鈍化設(shè)備如圖2所示，主要包括4大部分：夾具、減速電機(jī)、磁盤1、磁盤2、磁性磨粒，在工作時(shí)，刀具被固定在夾具中，并沿著導(dǎo)軌下滑至合適的高度固定，兩個(gè)減速電機(jī)移動(dòng)至合適的位置后，帶動(dòng)兩個(gè)磁盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，通過形成的柔性磨粒刷對刀具刃口進(jìn)行鈍化加工。刀具在磁盤中的縱向位移量和磁盤間距的橫向位移量正是接下來的研究重點(diǎn)。

圖1 磁力鈍化三維簡圖

圖2 磁力鈍化設(shè)備

1.2 單元磨粒的材料去除原理

在磁力鈍化中，刀具材料的去除是通過磁力刷與刀具刃口表層的凹凸?fàn)蠲滔嘟佑|，產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，并通過刮削，耕犁和剪切，擠壓[9-10]的形式從刀具刃口表面去除少量的材料，目前針對磁性磨粒去除材料的研究仍然較少，最經(jīng)典的理論是Preston方程，考慮到磁性磨粒的組成成分包括磁介質(zhì)相和磨粒相，可得到下式：

MRR=kaNaΔMRRa+keNeΔMRRe

(1)

Na為加工區(qū)域內(nèi)活性磨粒的數(shù)量；Ne為加工區(qū)域內(nèi)活性磁介質(zhì)的數(shù)量；ΔMRRa為單元磁性磨粒的材料去除率；ΔMRRe為單元非磁性磨粒的材料去除率；ka，ke為常系數(shù)，ke?ka。

對磁性磨粒近似為球形，它對工件材料的切入量如圖3所示，Ap表示單元磨粒對材料切入深度的正投影，由赫茲方程[11]可知：

(2)

H為切入深度；E為楊氏模量；Fp為單元磨粒的壓力；D為單元磨粒直徑。

圖3 單元磨粒對工件材料的去除量

單元磨粒的材料去除率可以近似為Apvr，vr為磁性磨粒與工件的相對運(yùn)動(dòng)速度，由圖3中的幾何關(guān)系近似可得到式(3)：

Ap2=H3D

(3)

將式(3)代入式(1)中，得到柔性磨粒刷對工件材料的去除率為：

(4)

Fpa為非磁性介質(zhì)的切削壓力；Fpe為鐵磁性介質(zhì)的切削壓力；Fpa>Fpe。

由式(4)可知，材料的總?cè)コ矢F磁性介質(zhì)以及非磁性磨粒的鈍化壓力、刀具刃口與磨粒的相對運(yùn)動(dòng)速度以及加工區(qū)域磨粒的數(shù)量有關(guān)，因此可以通過增加加工區(qū)域內(nèi)鐵磁性介質(zhì)以及非磁性磨粒的數(shù)量，提高磁性磨粒與工件的相對運(yùn)動(dòng)速度來增加材料去除率，提高鈍化效率。

1.3 鈍化壓力的形成

柔性磁力刷在工件表面上施加的鈍化壓力為P，該壓力是通過磁場力作用于多個(gè)磁性磨粒上，并使產(chǎn)生的柔性磨粒刷與刀具發(fā)生多點(diǎn)切削，去除刀具表面刃口多余的材料，這個(gè)壓力可以用式(5)來計(jì)算：

(5)

B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為磁場強(qiáng)度；u0為空氣磁導(dǎo)率，取值為4π×10-7H/m；μm為磁性磨粒的相對磁導(dǎo)率，取值為400 B/H。

2 有限元分析

2.1 模型的建立

采用雙磁盤磁力鈍化機(jī)模型對刀具進(jìn)行鈍化，參數(shù)如表一所示，通過CAD建立二維模型，導(dǎo)入Ansys maxwell中，并設(shè)置真空的相對磁導(dǎo)率為1.0，邊界采用Vector Potential邊界場，磁極采用NdFe35材料，相對磁導(dǎo)率：1.099，矯頑力：8.9×105A/m，磁軛相對磁導(dǎo)率為1.0，硬質(zhì)合金銑刀的相對磁導(dǎo)率為1.01，充磁方向采用徑向充磁，迭代誤差≤0.1。

通過Ansys maxwell有限元分析，得到雙磁盤磁力鈍化的磁力線分布以及磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，如圖4、圖5所示。可見，雙磁盤磁力鈍化的磁力線分布以及磁感應(yīng)強(qiáng)度分布對稱于刀具的軸線。

圖4 磁力線的分布

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布

表1 雙磁盤磁力鈍化參數(shù)

2.2 磁盤間距對刀具軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度及鈍化壓力的影響

如圖6所示，針對刀具的軸向(AB)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度與鈍化壓力進(jìn)行分析，研究刀具在不同磁盤間距下，伸入深度對刀具刃口表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度及鈍化壓力的變化。

圖6 取值點(diǎn)及測量范圍

依次取磁盤間距為12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、22 mm、24 mm、26 mm、28 mm、30 mm，對AB間的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到圖7所示的結(jié)果，顯而易見，無論磁盤間距多大，刀具在伸入磁場加工區(qū)域15～35 mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度是最大的，且在20 mm處達(dá)到最大值，在伸入加工區(qū)域13～60 mm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度呈平緩下降的趨勢，在伸入達(dá)到65～75 mm時(shí)，由于超出磁盤的范圍，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇下降，直到最小值35 mT，且隨著間距的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度緩慢下降，降幅維持在3～30 mT之間。

圖7 磁盤間距對刀具軸向(AB點(diǎn))的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

以A點(diǎn)為起始點(diǎn)，依次往下15 mm、35 mm、65 mm、75 mm取值，由于鈍化壓力P與磁感應(yīng)強(qiáng)度B2成正比關(guān)系，故可以得到刀具軸向的鈍化壓力，代入式(5)進(jìn)行計(jì)算，得到不同磁盤間距下，刀具伸入深度對鈍化壓力的變化趨勢，如圖8所示。

圖8 磁盤間距對刀具軸向(AB點(diǎn))的鈍化壓力分布

在圖8中，鈍化壓力隨著磁盤間距的增大緩慢下降，在磁盤間距為12 mm時(shí)，距離磁盤頂點(diǎn)(A點(diǎn))15 mm處的鈍化壓力最大，磁性磨粒對刀具刃口的沖擊、碰撞能量也越大，毛刺缺陷的材料去除率也最高(由式(4)可知，ka,Na,Evr,ke,Ne為常數(shù)，故MRR正比于鈍化壓力Fpa)，故可將刀具端刃放置于距磁盤頂端(A點(diǎn))15 mm處，使刀具端刃達(dá)到最大鈍化磨損量，以獲得更好的刃口形貌。

2.3 磁盤間距對刀具端面磁感應(yīng)強(qiáng)度及鈍化壓力的影響

在圖9中，針對刀具的端面(CD)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度與鈍化壓力進(jìn)行分析，研究刀具在不同磁盤間距下，端面刃口(CD間)的磁感應(yīng)強(qiáng)度及鈍化壓力的變化。

圖9 磁盤間距對刀具端刃磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布

磁盤間距以C點(diǎn)為起點(diǎn)，等間隔2 mm取10組數(shù)據(jù)，得到的端面磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖9所示，隨著磁盤間距的增大，端面磁感應(yīng)強(qiáng)度平緩下降，降幅在4～89 mT之間， 且刀具兩端點(diǎn)(C、D點(diǎn))的降幅最大，至端面中心處的降幅依次減少，呈對稱分布。

在磁盤間距為12 mm時(shí)，刀具刃口端面CD間的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化差距最大，在355～535 mT之間，但是當(dāng)磁盤間距增大到18 mm時(shí)，刀具刃口端面CD間的降幅變的很小，只有311～322 mT。

圖10為不同磁盤間距下，刀具刃口端面CD間的鈍化壓力分布，顯而易見，在磁盤間距為12～18 mm時(shí)，刀具端面C、D點(diǎn)的鈍化壓力與中心點(diǎn)B的差異較大，達(dá)到14～21.2 kN，呈現(xiàn)兩端大，中間小的趨勢，此趨勢對實(shí)現(xiàn)刀具刃口的非對稱性也具有一定的作用，當(dāng)間距在18～30 mm時(shí)，鈍化壓力的分布較為平緩，變化趨勢也更小，僅有13.1～15.8 kN。

圖10 磁盤間距對端面鈍化壓力的分布

綜上所述，當(dāng)磁盤間距保持在12～18 mm時(shí)，鈍化壓力差異較大，對刀具刃口達(dá)到非對稱性具有一定的輔助作用，并且在對鉆頭類刀具前端刃口進(jìn)行鈍化加工的時(shí)候，具有較好的優(yōu)勢，在磁盤間距達(dá)到18～30 mm時(shí)，端刃的鈍化壓力分布變得平緩，在對銑刀平頭類刀具的端面進(jìn)行鈍化加工時(shí)，鈍化磨損量也會(huì)更加的均勻。

2.4 磁盤厚度對刀具軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度及鈍化壓力的影響

同樣以圖6中的AB間距為測量點(diǎn)，取磁盤間隙為15 mm，探究汝磁鐵在不同的厚度下，對刀具軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度和鈍化壓力的影響。

對汝磁鐵依次取40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm厚度，獲得了如圖11所示的結(jié)果，顯而易見，隨著厚度的增大，刀具軸向處(AB間)的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大，增幅大約在0～59 mT之間，當(dāng)磁盤厚度達(dá)到120 mm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的增幅顯著下降，大約在0～8 mT之間。

圖11 汝磁鐵厚度對刀具軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布

同理，依次對磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線的拐點(diǎn)0 mm、15 mm、60 mm、70 mm處進(jìn)行取值分析，探究磁極厚度對鈍化壓力的影響(如圖12所示)，因?yàn)殁g化壓力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比關(guān)系，所示鈍化壓力的變化趨勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度趨于一致，當(dāng)磁盤厚度為40 mm時(shí)，鈍化壓力主要為15 kN左右，當(dāng)磁盤厚度由40 mm增大到120 mm時(shí)，鈍化壓力的增幅在0～2.3 kN之間，若此時(shí)再繼續(xù)增大磁盤厚度，鈍化壓力增幅顯著下降，可見，磁盤厚度并非越大越好，在考慮成本因素的影響下，磁盤厚度維持在120 mm為最佳。

圖12 汝磁鐵厚度對刀具軸向鈍化壓力的分布

2.5 鈍化時(shí)間對刀具刃口磨損量的試驗(yàn)分析

為了探究在雙磁盤磁力鈍化中，鈍化時(shí)間長短對刀具刃口磨損量的變化，通過圖2中的雙磁盤鈍化設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，取鈍化時(shí)間為單因素變量，試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

通過三維形貌測繪儀對鈍化前后的刃口進(jìn)行輪廓掃描，得到如圖13所示的刃口形貌3D圖，可以清晰的發(fā)現(xiàn)，在鈍化之后，刃口由一個(gè)尖銳且?guī)в袛?shù)多毛刺的刃口變成了一個(gè)平整光滑的圓弧形貌，且前后刀面上也去除了較多的缺陷及毛刺，變得更加光亮、平滑，通過對掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行B樣條曲線擬合，得到了如圖14～圖16所示的折線圖。

圖13 刃口3D形貌鈍化前后對比

在圖14～圖16中，D點(diǎn)處深色曲線表示鈍化之前的刃口的形貌，C點(diǎn)處淺色曲線表示鈍化之后的刃口形貌，可以清晰的發(fā)現(xiàn)，在鈍化10 min后，刀具刃口形貌發(fā)生了顯著的變化，取A、B、C、D四點(diǎn)進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)10 min時(shí)的鈍化磨損量大約在0.67～3.41 μm，同理，鈍化20 min時(shí)的磨損量大約在1.00～5.52 μm之間，鈍化30 min時(shí)的刃口鈍化磨損量大約在1.48～6.09 μm。隨著時(shí)間的增加，鈍化磨損量也逐漸提升，且刃口鈍圓也變得更加平緩。

圖14 刃口曲線鈍化前后對比(10 min)

圖15 刃口曲線鈍化前后對比(20 min)

圖16 刃口曲線鈍化前后對比(30 min)

3 結(jié)論

(1) 刀具在距磁盤頂端15 mm處的鈍化壓力最大，且隨著磁盤間距的增大，刀具軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度和鈍化壓力逐漸下降。

(2) 在12～18 mm的磁盤間距下，刀具端刃的鈍化壓力差異較大，此差異有利于刀具刃口達(dá)到非對稱性，當(dāng)間距達(dá)到18～30 mm時(shí)，刀具端刃的鈍化壓力差異較小，此差異將使鈍化磨損量更加均勻。

(3)鈍化壓力隨磁盤厚度的增大而增大，但當(dāng)磁盤厚度超過120 mm時(shí)，增幅變得極小，結(jié)合成本因素考慮，磁盤厚度應(yīng)保持在120 mm以內(nèi)。

(4)雙磁盤磁力鈍化設(shè)備效率較高，結(jié)合時(shí)間成本考慮，鈍化時(shí)間應(yīng)控制在10 min以內(nèi)。

本文的結(jié)論對磁力鈍化提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)，該規(guī)律不僅適用于銑刀，還適用于車刀，鉆頭等其它刀具。