硬質(zhì)合金麻花鉆的剪切增稠拋光試驗(yàn)研究

黃向明 ，曾清 ，李希揚(yáng) ，周輝 ，李鴻宇 ，王熔 ，何洪

（1.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.中航動(dòng)力株洲航空零部件制造有限公司，湖南 株洲 412007）

機(jī)械制造業(yè)中鉆削刀具作為加工孔的工具起著十分重要的作用.隨著科技的發(fā)展，制造業(yè)對孔的加工要求越來越高，如航空航天中不同構(gòu)件間的連接孔，醫(yī)學(xué)中的骨鉆削，電子信息行業(yè)中的電路板微孔等［1-3］.硬質(zhì)合金由于硬度高、耐熱耐腐蝕等優(yōu)良性能，被廣泛用作鉆削刀具［4］.硬質(zhì)合金麻花鉆作為鉆削刀具，主要通過磨削加工實(shí)現(xiàn)，往往會(huì)出現(xiàn)一些微觀缺陷［5］.硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行拋光后，刀具表面粗糙度降低，刀具與切屑和孔壁的摩擦力減?。?-8］，切削力和切削熱減小，切削和排屑過程更為順暢，同時(shí)拋光后的刀具刃口缺陷減少，變得平直鋒利，工件表面殘余應(yīng)力降低，刀具的使用壽命延長.

目前，對硬質(zhì)合金刀具拋光的研究主要集中在加工簡單形狀刀片的材料去除機(jī)理及工藝優(yōu)化.Wang 等［8-9］利用超聲波拋光對硬質(zhì)合金刀片材料進(jìn)行拋光，獲得了Ra=7.60 nm 的表面粗糙度.袁巨龍等［10］分析了硬質(zhì)合金在酸性拋光液中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，建立硬質(zhì)合金刀片化學(xué)機(jī)械拋光的材料去除率模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型的正確性.然而，對硬質(zhì)合金麻花鉆的拋光研究較少，由于硬質(zhì)合金麻花鉆曲面復(fù)雜，傳統(tǒng)的拋光方法很難得到均勻且高的表面質(zhì)量.

剪切增稠拋光（Shear Thickening Polishing，STP）是一種新型流體拋光方法，它利用具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓冪律流體作為拋光液對工件進(jìn)行加工［11-14］.這種拋光方法對曲面有良好的適應(yīng)性，拋光液配制簡單，對設(shè)備要求低，可實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量、低成本加工.李敏等［15-17］采用STP 方法對Si3N4陶瓷、單晶硅、氧化鋯等材料進(jìn)行拋光加工研究，研究表明，STP 能實(shí)現(xiàn)這幾種材料的高效精密拋光，且建立了STP 的材料去除模型.Fan等［18］利用剪切增稠拋光方法實(shí)現(xiàn)了Ti-6Al-4V 表面的精密加工.Lü 等［19］采用STP 對硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行加工，探究了拋光速度、磨粒濃度及磨粒粒徑等參數(shù)對表面質(zhì)量的影響規(guī)律.目前的研究主要集中在平面或者是圓柱簡單的曲面零件加工，而采用STP 方法加工硬質(zhì)合金麻花鉆復(fù)雜曲面的研究尚未見相關(guān)報(bào)道.

本文使用STP 方法對硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行拋光試驗(yàn)，分析麻花鉆的剪切增稠拋光原理，通過對麻花鉆表面粗糙度、材料去除率以及表面形貌的分析，研究拋光槽轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速對麻花鉆表面質(zhì)量的影響規(guī)律.

1 麻花鉆的剪切增稠拋光原理

麻花鉆鉆頭結(jié)構(gòu)及刃帶和刃背受力圖如圖1 所示.當(dāng)拋光液以一定的速度v流經(jīng)麻花鉆時(shí)，麻花鉆表面在高剪切速率下受流體動(dòng)力FH影響較大，流體動(dòng)力可分解為法向力Fn和切向力Ft.麻花鉆所有點(diǎn)所受法向力和切向力大小都不同，材料去除程度也就不一樣.因此，拋光時(shí)麻花鉆需同時(shí)作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)麻花鉆表面質(zhì)量均勻.

圖1 麻花鉆鉆頭結(jié)構(gòu)及刃帶和刃背受力圖Fig.1 Configuration of the twist drill and force diagram of blade and blade back of twist drill

麻花鉆刃帶及刃背處STP 的加工原理如圖2 所示.加工時(shí)麻花鉆在流動(dòng)的拋光液中自轉(zhuǎn)，此時(shí)拋光液與麻花鉆刃背、刃帶處有相對運(yùn)動(dòng).麻花鉆螺旋槽是一種雙螺旋結(jié)構(gòu)，當(dāng)麻花鉆逆其自身螺旋方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，一方面推動(dòng)液體克服摩擦作圓周運(yùn)動(dòng)，另一方面推動(dòng)液體軸向前進(jìn)，使得拋光液與麻花鉆螺旋槽表面發(fā)生劃擦.此時(shí)與麻花鉆表面相接觸的拋光流體受剪切作用產(chǎn)生剪切增稠現(xiàn)象，形成高黏度的拋光膜，分散相與磨粒聚集成“粒子簇”，增強(qiáng)了分散相對磨粒的夾持作用，從而產(chǎn)生較大的剪切力，與流體動(dòng)壓力共同作用于麻花鉆表面，從而對工件表面凸峰進(jìn)行微切削形成切屑產(chǎn)生材料去除，實(shí)現(xiàn)對麻花鉆的精密加工.

圖2 麻花鉆刃帶及刃背處STP的加工原理圖Fig.2 The principle diagram of STP at blade and blade back of twist drill

2 拋光液的配制與流變測試

2.1 拋光液的配制

拋光液配制選用去離子水為分散劑，玉米淀粉和金剛石磨粒為分散相.選用的可降解玉米淀粉呈球狀，平均粒徑為10 μm，金剛石磨粒平均粒徑為 3 μm，如圖3 所示.首先，配制不同比例的淀粉-去離子水拋光基液，同時(shí)加入一定量的分散劑與防腐劑防止沉淀及變質(zhì).使用MCR302 旋轉(zhuǎn)流變儀測試其流變特性，當(dāng)?shù)矸叟c去離子水的質(zhì)量比例為51∶49 時(shí)，拋光基液具有明顯的剪切增稠效應(yīng)且流動(dòng)性良好.然后，配制剪切增稠拋光液（Shear Thickening Polishing Slurry，STPS）.先將淀粉和去離子水以51∶49 的質(zhì)量比混合，機(jī)械攪拌30 min 配制成拋光基液；再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%及25%的金剛石粉末和添加劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%分散劑、0.2%防腐劑），機(jī)械攪拌30 min 后配制成5種不同的STPS.

圖3 拋光液成分SEM形貌圖Fig.3 SEM morphology of polishing liquid ingredients

2.2 拋光液流變測試與分析

應(yīng)用旋轉(zhuǎn)流變儀在室溫下分別測試含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)金剛石的STPS 的流變特性.本次測試采用穩(wěn)態(tài)應(yīng)變頻率掃描方式，剪切速率為0～1 000 s-1，設(shè)置42個(gè)測量點(diǎn)，測試完成后輸出每個(gè)點(diǎn)的拋光液黏度、剪切應(yīng)力和剪切速率值，分別得到拋光液黏度和剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線.STPS 流變特性與金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系如圖4所示.

圖4 STPS流變特性與金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between STPS rheological properties and diamond mass fraction

從圖4（a）可看出，每種拋光液的黏度隨剪切速率的增加都呈現(xiàn)出先減小后增大然后再減小的趨勢，表現(xiàn)為3 個(gè)區(qū)間：剪切變稀區(qū)，剪切增稠區(qū)和剪切變稀區(qū).隨著磨粒濃度的增加，拋光液臨界剪切速率減小，而黏度和剪切應(yīng)力增大.金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～ 20%時(shí)，拋光液黏度與剪切應(yīng)力變化幅度較??；金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%時(shí)，拋光液流變特性曲線出現(xiàn)較明顯的整體上升.配制的5 種拋光液剪切增稠效應(yīng)都比較明顯，在后續(xù)的拋光加工中，基于拋光效率與成本的考慮，選擇金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的拋光液進(jìn)行加工試驗(yàn).

3 拋光試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 拋光試驗(yàn)裝置

在現(xiàn)有磨床上搭建STP 加工試驗(yàn)平臺如圖5 所示.工件裝夾在磨床主軸上，通過x，y軸調(diào)整麻花鉆的水平位置，通過z軸控制麻花鉆浸沒在拋光液中的深度.拋光槽外圓直徑D1=400 mm，內(nèi)圓直徑D2=170 mm，高H=120 mm，拋光槽轉(zhuǎn)速n1最高可達(dá)200 r/min.

圖5 STP加工試驗(yàn)平臺Fig.5 STP processing experimental platform

裝夾工件時(shí)使麻花鉆浸沒在拋光液的部分達(dá)到麻花鉆工作部分的1/2，加工時(shí)麻花鉆以n2轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn).麻花鉆裝夾位置示意圖如圖6 所示，位于距拋光槽側(cè)邊d=15 mm和底部5 mm處.

圖6 麻花鉆裝夾位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of twist drill clamping position

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所采用的工件為直徑D=10 mm 的YK30F硬質(zhì)合金麻花鉆.麻花鉆表面粗糙度測量點(diǎn)位置如圖7 所示，距橫刃軸向距離20 mm 刃背處為PA點(diǎn)，同一高度刃帶處為PB點(diǎn)，靠近切削刃的螺旋槽處為PC點(diǎn).使用Wyko NT9100 光學(xué)表面輪廓儀測量表面粗糙度，測量3 次取其平均值，麻花鉆表面PA、PB、PC3點(diǎn)的初始表面粗糙度分別為（310±30）nm、（450±50）nm和（270±30）nm.

圖7 麻花鉆表面粗糙度測量點(diǎn)位置Fig.7 Position of measuring point for surface roughness of twist drill

本次試驗(yàn)探究拋光槽轉(zhuǎn)速n1和工件轉(zhuǎn)速n2對麻花鉆上PA、PB、PC3點(diǎn)表面質(zhì)量的影響，試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1 所示.拋光槽轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速影響拋光液的剪切速率和剪切增稠效果，從而影響麻花鉆的拋光效果.如公式（1）所示，拋光液的剪切速率γ˙主要跟拋光液速度v及麻花鉆右側(cè)到拋光槽的距離d有關(guān)，加工時(shí)麻花鉆距拋光槽d=15 mm 處拋光液的剪切速率γ˙隨n1和n2的增加而增加.將參數(shù)代入計(jì)算可得，7 組拋光液（表1）的γ˙為101～258 s-1.對照圖4（a），本次所有試驗(yàn)組拋光液都落在黏度特性曲線的剪切增稠區(qū)間.

表1 試驗(yàn)工藝參數(shù)Tab.1 Experimental process parameters

使用光學(xué)表面輪廓儀測量拋光前、后麻花鉆表面粗糙度Ra0和Ra1，并計(jì)算拋光前、后表面粗糙度的變化率ΔRa，計(jì)算方法如式（2）所示.每隔15 min 使用FA2004A 電子分析天平測量麻花鉆的質(zhì)量，計(jì)算材料去除率.使用基恩士VHX-5000 超景深三維顯微鏡檢測拋光前、后麻花鉆的表面形貌.

4 結(jié)果與討論

4.1 表面粗糙度分析

4.1.1 刃背表面粗糙度

圖8 為拋光速度參數(shù)對點(diǎn)PA處Ra的影響.在加工60 min后，7組試驗(yàn)的麻花鉆Ra分布在11～229 nm.如圖8（a）所示，隨著拋光槽轉(zhuǎn)速的增加，點(diǎn)PA處Ra先減小后增大，在n1=90 r/min時(shí)點(diǎn)PA表面粗糙度達(dá)到最小值120 nm.拋光槽轉(zhuǎn)速較低時(shí)，根據(jù)式（1）可知，拋光液剪切速率低，剪切增稠效果不明顯，且無法提供拋光液較高的流體動(dòng)力，導(dǎo)致拋光效果不明顯.當(dāng)拋光槽轉(zhuǎn)速增加時(shí)，剪切增稠效應(yīng)增強(qiáng)，Ra慢慢降低.然而拋光槽轉(zhuǎn)速過高時(shí)，由于過大的離心力，流體中的粒子越來越貼近拋光槽壁，參與拋光的磨粒越來越少，從而使得麻花鉆表面粗糙度變化率ΔRa反而有所降低.

圖8 拋光速度參數(shù)對點(diǎn)PA處Ra的影響Fig.8 The influence of polishing speed parameters on the Ra at point PA

由圖8（b）可知，點(diǎn)PA表面粗糙度隨工件轉(zhuǎn)速的增加而減小.當(dāng)工件轉(zhuǎn)速增大到3 500 r/min 時(shí)，剪切速率γ˙超過了205 s-1，剪切應(yīng)力較大，此時(shí)拋光液將產(chǎn)生較明顯的剪切增稠效應(yīng)，同時(shí)又有相對較多的磨粒參與拋光，經(jīng)過60 min 加工后麻花鉆Ra可達(dá)到納米級，基本穩(wěn)定在12 nm 左右，表面粗糙度變化率ΔRa最高達(dá)96.77%.

4.1.2 刃帶表面粗糙度

圖9 為拋光速度參數(shù)對點(diǎn)PB處Ra的影響.由圖9（a）可知，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速不變，點(diǎn)PB處Ra隨拋光槽轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)拋光槽轉(zhuǎn)速為90 r/min 時(shí)，Ra達(dá)到最低值323 nm.由圖9（b）可知，Ra隨工件轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速為3 500 r/min 時(shí)，達(dá)到最低值309 nm.從整體上看，經(jīng)過60 min 的拋光加工后，7 組試驗(yàn)的麻花鉆刃帶點(diǎn)PB處ΔRa全部小于35%，處于一個(gè)比較低的水平.通過分析麻花鉆結(jié)構(gòu)可知，刃帶與刃背都是圓柱形外表面，且曲率和空間位置差別不大，說明點(diǎn)PB和PA處表面粗糙度變化的巨大差異與其形狀和位置無關(guān)系.通過觀察，發(fā)現(xiàn)麻花鉆刃背處表面刀痕沿麻花鉆表面呈螺旋線狀，而刃帶處刀痕為水平方向，恰好與拋光時(shí)磨粒運(yùn)動(dòng)方向一致.當(dāng)磨粒去除刃帶點(diǎn)PB處表面凸峰材料時(shí)，也會(huì)對凹陷處的材料進(jìn)行去除，導(dǎo)致ΔRa比較小.

圖9 拋光速度參數(shù)對點(diǎn)PB處Ra的影響Fig.9 The influence of polishing speed parameters on the Ra at point PB

4.1.3 螺旋槽表面粗糙度

圖10 為拋光速度參數(shù)對點(diǎn)PC處Ra的影響.與點(diǎn)PB相比，點(diǎn)PC的表面粗糙度變化率整體要更加低一點(diǎn)，為1.85%～26.67%.而Ra隨拋光槽和工件轉(zhuǎn)速的變化趨勢與點(diǎn)PB基本一致，當(dāng)拋光槽轉(zhuǎn)速增大至90 r/min 時(shí)，Ra達(dá)到最低，為224 nm；當(dāng)工件轉(zhuǎn)速增大至3 500 r/min時(shí)，Ra達(dá)到最低，為193 nm.

圖10 拋光速度參數(shù)對點(diǎn)PC處Ra的影響Fig.10 The influence of polishing speed parameters on the Ra at point PC

點(diǎn)PB位于麻花鉆螺旋槽處，當(dāng)麻花鉆迎著拋光液旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槽阻礙了拋光液的流動(dòng)，使得拋光液速度下降，剪切應(yīng)力降低，剪切增稠效應(yīng)大大減弱，從而導(dǎo)致沒有足夠的切削力去除工件材料，ΔRa比較低.

4.2 材料去除率分析

Preston 方程是廣泛用于拋光領(lǐng)域的材料去除經(jīng)驗(yàn)公式，剪切增稠拋光材料去除率M（Material Removal Rate）修正后公式為［14］：

式中：k0為修正系數(shù)；U為流體速度；n和K是拋光流體本構(gòu)方程中的參數(shù)；R和f（n，φ）是與工件尺寸相關(guān)的參數(shù)；h0為剪切彈性層最小厚度，與剪切應(yīng)力和黏度相關(guān).

材料去除率為單位時(shí)間內(nèi)去除材料的深度/高度，可以通過測量并計(jì)算拋光前、后麻花鉆的質(zhì)量差再除以麻花鉆密度、表面積和時(shí)間求得.然而麻花鉆表面積計(jì)算較為復(fù)雜，文中使用質(zhì)量變化率來表示工件的材料去除率.圖11 為不同拋光槽轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速情況下，拋光時(shí)間對材料去除率的影響.由圖11（a）可知，當(dāng)拋光槽轉(zhuǎn)速增大時(shí)，拋光液相對于麻花鉆速度越大，同時(shí)拋光液剪切增稠效果更明顯，流體的剪切速率高，磨粒對麻花鉆的動(dòng)壓力也越大，根據(jù)式（3）可知，麻花鉆材料去除率也增大.從整體上看，麻花鉆的材料去除率為0.025～0.250 mg/min，隨時(shí)間變化存在波動(dòng)，在拋光過程最后15 min 有所降低.

圖11 不同拋光槽轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速情況下，拋光時(shí)間對材料去除率的影響Fig.11 Effect of polishing time on material removal rate under different rotating speed of polishing groove and workpiece

由圖11（b）可知，工件轉(zhuǎn)速越大，麻花鉆的材料去除率也越大.當(dāng)工件轉(zhuǎn)速較低，分別為500 r/min和2 000 r/min 時(shí)，工件材料去除率也較低，且隨時(shí)間變化不大；當(dāng)工件轉(zhuǎn)速較高，分別為3 500 r/min和5 000 r/min 時(shí)，工件材料去除率較高，最高達(dá)1.03 mg/min，整體隨時(shí)間變化趨勢為前期略有波動(dòng)而后期有所減小.當(dāng)工件轉(zhuǎn)速較高時(shí)，拋光液與麻花鉆相對速度大大增加，剪切增稠效應(yīng)增強(qiáng)，“粒子簇”對麻花鉆的動(dòng)壓力增大，根據(jù)式（3）可知，工件材料去除率大大增加.在前45 min，麻花鉆表面凸峰處被去除，表面粗糙度大幅度降低，工件材料去除率也較高；45 min 后，麻花鉆表面已經(jīng)較為平整，此時(shí)需要更大的壓力才能產(chǎn)生材料去除，導(dǎo)致工件材料去除率下降.

4.3 優(yōu)化工藝參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過前面的分析確定較優(yōu)拋光工藝參數(shù)組合：拋光槽轉(zhuǎn)速90 r/min，工件轉(zhuǎn)速3 500 r/min.經(jīng)過60 min拋光加工后，PA、PB和PC3點(diǎn)的Ra分別達(dá)到了10 nm、243 nm和15 nm.

圖12 為麻花鉆刃背表面三維輪廓圖.加工前麻花鉆刃背表面布滿了經(jīng)磨削加工而產(chǎn)生的方向性凹凸不平的溝痕，并伴有明顯的凹坑缺陷.經(jīng)過60 min 拋光后，麻花鉆刃背表面已經(jīng)變得十分光滑，表面粗糙度下降至10 nm，表面質(zhì)量得到了極大的提高.

圖12 麻花鉆刃背表面三維輪廓圖Fig.12 3D surface profile of body clearance of twist drill

圖13 為麻花鉆螺旋槽刀刃處表面形貌圖.由圖13 可知，螺旋槽刃口處缺陷被去除，光滑一致性較好.圖14 為麻花鉆表面拋光前、后對比圖.由圖14 可知，拋光后的麻花鉆變得十分光亮，這表明剪切增稠拋光對硬質(zhì)合金麻花鉆具有顯著的拋光效果.

圖13 麻花鉆螺旋槽刀刃處表面形貌圖Fig.13 Surface topography on the cutting edge of twist drills

圖14 麻花鉆表面拋光前（左）、后（右）對比圖Fig.14 The contrast of twist drill surface before（left）and after（right）polishing

5 結(jié)論

1）麻花鉆表面粗糙度隨拋光槽轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大，隨工件轉(zhuǎn)速的增加先減小后基本不變或略有增加.

2）麻花鉆拋光材料去除率隨拋光槽轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨工件轉(zhuǎn)速的增大同樣也增大；在工件轉(zhuǎn)速3 500r/min 下加工工件材料去除率最高可達(dá)1.03 mg/min.

3）優(yōu)化拋光工藝參數(shù)：拋光槽轉(zhuǎn)速90 r/min，工件轉(zhuǎn)速3 500 r/min，拋光加工60 min 后，麻花鉆刃背、刃帶和螺旋槽Ra分別由初始的310 nm、450 nm和270 nm 下降至10 nm、243 nm 和15 nm.

4）利用本文所配置的STP 溶液，通過優(yōu)化拋光槽轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了硬質(zhì)合金麻花鉆的高表面質(zhì)量拋光.