不同刀具鈍化方法加工硬質合金立銑刀刃口的對比試驗研究

摘要 為改善刀具性能、提升加工質量，采用旋轉磨粒流對刀具鈍化。通過對比立式旋轉鈍化法和旋轉磨 粒流鈍化法鈍化硬質合金立銑刀的效果，研究刀具刃口變化規律。試驗結果表明：未鈍化的刀具刃口半徑 值最小，且存在很多缺陷，刃型呈尖銳形；立式旋轉鈍化法得到的刃口半徑值變化較小，但刀具刃口缺陷仍 然存在，刃型呈不均勻的鈍圓形；旋轉磨粒流鈍化法處理后的刃口半徑值變化最大，去除了部分刃口缺陷，刃型呈均勻的鈍圓形。旋轉磨粒流鈍化法不僅可以更好地去除刀具刃口的表面缺陷，同時有著更高的鈍化 效率以及刃口半徑變化率，可以顯著提高刀具性能，降低刀具磨損并改善加工質量。

關鍵詞 刃口鈍化；旋轉磨粒流；刃口半徑；刃口形貌

中圖分類號 TG58； TG714 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2024）02-0237-07

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0058

收稿日期 2023-03-11 修回日期 2023-11-07

制造業的飛速發展和現代化切削技術的快速進步 都對刀具性能提出了更高的要求[1]。在刀具領域，刀具刃口的選擇在高性能切削加工中是重中之重，會直接 影響被加工工件的表面質量[2]。即使對刀具刃口進行更加細微的磨削，刀具刃口還是會出現不同種類的細 小缺陷，需要進行刀具刃口鈍化處理以延長刀具的使 用壽命，去除刀具刃口的微觀缺陷，改變刀具刃口輪廓，提升刀具切削刃的表面光潔度和切削穩定性[3]。因此，采用刀具鈍化技術可以降低生產成本，為實際生產帶 來更大的經濟效益。

在刀具刃口加工方面，國內外學者提出了不同的 加工材料和加工方法來對刀具刃口進行加工，從而優 化刀具性能。 POKORNY 等[4]采用立式旋轉鈍化法加工硬質合金刀具刃口，利用 PowerMILL 軟件優化刀具 運動軌跡，發現主軸轉速對刃口半徑的影響最大，且主 軸轉速為1000r/min 制備的刃口半徑是主軸轉速為75 r/min 時的3倍。 CHAN 等[5]采用磨粒流對麻花鉆、硬質合金螺旋立銑刀進行刀具刃口鈍化試驗，發現在該 磨粒流的作用下，麻花鉆的刀具刃口半徑變化至14μm，硬質合金螺旋立銑刀的刀具刃口半徑變化至26μm 。 LYU 等[6]采用剪切增稠流體對硬質合金刀片進行拋光，研究了拋光速度、磨料濃度、磨料尺寸和夾具傾角等4個參數對剪切增稠拋光工藝的影響，得到了最優的 加工參數，并發現硬質合金刀片表面粗糙度由121.8 nm 降低至7.1 nm 。WANG 等[7]采用磨料水射流加工法處理無涂層的硬質合金刀片的切削刃，發現該工藝對后 刀面磨損增長率和刀具壽命有積極影響；采用尼龍刷 法、立式旋轉鈍化法、磨料水射流法處理硬質合金刀 片，并進行車削加工試驗對比分析，研究發現磨料射流 加工的刃口表面粗糙度最低，立式旋轉鈍化法鈍化過 的刀具在切削加工中產生較低的切削溫度、較好的應 力分布、較小的切削力、較少的刃口磨損和較低的加 工表面粗糙度[8]。SPAN 等[9]采用磨粒流對高速鋼刀片進行精加工試驗，發現高速鋼刀片的刃口半徑從5μm 增大至39μm 。GE 等[10]對超聲輔助磨粒流方法展開研究，利用歐拉多相模型和動態網格劃分技術，建立了流 動通道中有無邊界振動的磨粒流拋光流體力學模型，研究了振動幅值和振動頻率對磨粒流拋光的影響，試驗結果表明，周期性邊界振動可以有效改善磨粒流中 顆粒的湍流運動以及提升工件質量、降低表面粗糙度。李敏等[11-13]提出一種新型的剪切增稠磨粒流拋光方法，在剪切彈性層理論和 Preston方程的基礎上，建立加工 過程中的材料去除數學模型，并對 GCr15軸承鋼工件 進行拋光，發現其表面粗糙度從105.95 nm 降低至5.99 nm，理論值和試驗值的誤差較小，驗證了該模型的有 效性；采用含金剛石磨粒的磨粒流對 Si3N4陶瓷圓柱件進行拋光，發現其表面粗糙度由107.2 nm 降低至6.5 nm，闡述了剪切增稠磨粒流拋光加工的材料去除過程。趙雪鋒等[3]在立式旋轉鈍化裝置上，通過二因素三水平正交試驗法改變鈍化時間和刀具轉速，發現刀具刃 口半徑隨著鈍化時間延長、刀具轉速增大而增大。李 瑞等[14]通過 Abaqus 軟件對單磨粒與刃口材料的相互作用進行了仿真，發現立式旋轉刃口鈍化是固體磨粒 對刀具刃口沖擊造成的，并且硬度大的磨料鈍化效果 越明顯。游科等[15]對雙磁盤磁力鈍化中的磁場強度進行分析，建立了該方法的材料去除率模型，通過鈍化試 驗驗證其準確性，且該方法可降低刀具刃口表面粗糙 度。高航等[16]采用旋轉磨粒流對新加工的絲錐工具進行拋光，發現絲錐表面的毛刺完全去除，其表面粗糙度 從0.73μm 降低到0.26μm。師潤平等[17]采用刀具旋轉柔性磨粒射流拋光對聚晶金剛石（ PCD ）刀具進行加 工，發現噴射壓力對刀具后刀面粗糙度影響最大；用拋 光后的 PCD 刀具切削鈦合金時，刀具的使用壽命延長，表面的粗糙度降低。杜宇超等[18]采用 Fluent 流體仿真軟件和 EDEM 軟件，建立了氣固兩相磨粒流鈍化刀具 刃口的仿真模型，研究了刃口鈍化速度和鈍化時間對 磨粒速度、刀具磨損量和刀具累積能量的影響，發現 刀具刃口鈍化過程中，磨粒的沖蝕磨損為主要的材料 去除形式，且近壁面處刀具鈍化效率最高。

國內外學者采用了各種刀具刃口加工方法對刀具進行拋光和鈍化處理，其中旋轉磨粒流鈍化法相較于其他鈍化方法，有著鈍化介質對環境無污染以及在一定程度上對刀具刃口可控的優點，可滿足各種類型刀具的生產要求。現有研究發現，旋轉磨粒流鈍化法更適用于刀具刃口的加工。本文中，采用旋轉磨粒流鈍化法，對立式旋轉鈍化法進行改進，并采用柔性的旋轉磨粒流為鈍化介質，計算磨粒對刀具刃口的去除量，從而達到刀具刃口可控的目的，且鈍化介質是一種剪切增稠流體，刀具旋轉引起鈍化介質黏度增大，成為帶有磨粒的磨具，對刀具刃口進行加工。試驗采用不同鈍化方法對硬質合金銑刀進行加工，并對比刀具的刃口半徑和刃口微觀形貌，以探究不同鈍化介質對刀具切削刃口的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗刀具

試驗所用刀具為碳化鈷硬質合金立銑刀，刀具按照鈍化方式的不同進行編號，分別為 M1、M2，如表1所示。刀具除鈍化方式不同外，其余參數均相同。刀具幾何參數如表2所示。1.2 試驗設備

試驗所用刀具均由瓦爾特 HELITRONIC POWER 數控工具磨床磨削制備，刀具鈍化裝置如圖1所示。其中：立式旋轉鈍化法所用設備為昆山樂升 YH04刀具鈍化機（圖1a），原理見圖1b 所示；旋轉磨粒流鈍化法所用設備為專用設備（圖1c），原理見圖1d 所示。刀具的刃口半徑由 ZOLLER 刀具角度測量儀測量。使用 FEIQ45掃描電子顯微鏡觀察刀具刃口微觀形貌。

1.3 試驗方案

使用 HELITRONIC POWER 數控工具磨床進行整 體硬質合金立銑刀的磨削加工。使用昆山樂升 YH04 刀具鈍化拋光機加工刀具 M1，Z1軸轉速即公轉轉速 為35 r/min，Z2軸轉速即自轉轉速為150 r/min，加工時 間為20 min。使用專用鈍化裝置加工刀具 M2，刀具轉 速為3000 r/min，電機轉速為3000 r/min，加工時間為 20 min。使用 ZOLLER 刀具測量儀測量加工前后 M1、 M2銑刀刃口半徑，測量位置如圖2所示。其中，測量 位置 L 距離刀具底部刃口2 mm，測量位置 M 距離刀具 底部刃口6 mm，測量位置 H 距離刀具底部刃口12 mm，并在 L、M、H 等3個位置采用定位標記，測量區域均為定位標記旁的刀具刃口，圖2中紅框即為測量區域。使用 FEIQ45掃描電子顯微鏡觀測銑刀刃口形貌。試驗所用刀具的鈍化方法為立式旋轉鈍化和旋轉磨粒流鈍化。由圖1b、圖1d 可知，旋轉磨粒流鈍化方法與立式旋轉鈍化方法有2點不同：（1）立式旋轉鈍化的刀具旋轉方式為自轉和公轉，容器不做運動，而旋轉磨粒流鈍化的刀具只有自轉，但容器要公轉；（2）鈍化介質不同，立式旋轉鈍化的介質由碳化硅、棕剛玉以及核桃粉按一定比例混合而成，是一種硬性鈍化介質；旋轉磨粒流鈍化的介質由多羥基聚合物、去離子水和磨粒等材料混合而成，是一種柔性鈍化介質。在旋轉磨粒流制備過程中，使用超聲振動和機械攪拌的方法促進多

2 結果與討論

2.1 刃口半徑

刃口半徑是在前刀面和后刀面過渡區域選取至少3個點得到的擬合圓半徑，不僅可以對刀具刃口進行表征，還可以直接反映出刀具刃口鈍化過程中的刃口變化，揭示刀具刃口變化規律[2]。

每鈍化5 min 測量1次刀具刃口半徑值。總鈍化時間為20 min，刃口半徑值隨時間變化曲線如圖3所示。

從圖3a 中可以得出立式旋轉鈍化刀具刃口有2個階段。第1個階段是0～15 min，刃口半徑值總體呈 上升趨勢；第2個階段是下降階段，當鈍化時間超過15 min 時，刃口半徑值開始下降。在第1個階段中，剛磨 削出來的刃口十分鋒利，在轉速所形成的壓力作用下，鈍化介質和刀具刃口發生碰撞，刀具刃口的材料去除 率較大，刃口由尖銳狀態變化到平整狀態，因此刃口半 徑不斷變大。在第2個階段中，鈍化介質和刃口碰撞所產生的壓力較小，鈍化介質在刃口附近不斷劃擦，刀具刃口的材料去除率較小，刃口由平整狀態變化為圓弧狀態，刃口半徑值由大變小，刃口形貌也更適合于加工[2]。

從圖3b 中可以得出旋轉磨粒流鈍化刀具刃口只有1個上升階段，刀具刃口半徑隨著鈍化的進行不斷增大。這是由于旋轉磨粒流在一定的剪切速率下變成了固體狀，這個固體相當于夾具，夾持著磨粒對刀具刃口進行微切削，且由于剛性邊界的存在，邊界對磨粒有著一定壓力[4]。在轉速和邊界的雙重壓力下，磨粒不斷對刀具刃口進行加工，刀具刃口半徑也隨之不斷增加。

2.2 鈍化效率

鈍化效率是根據刀具的材料去除體積轉換而來的，可以體現刀具鈍化的快慢[19]。根據刃口鈍化原理，建立刃口鈍化幾何模型，如圖4所示。

刀具刃口鈍化前后均為不規則形狀，為便于計算，簡化模型，假設刀具刃口形狀為均勻的圓弧形，并采用 平均刃口半徑值作為刀具鈍化前后的刃口半徑。圖4 中，r1為鈍化前刃口半徑值，r2為鈍化后刃口半徑值；弧 MA1 B1 C1N為鈍化前的刃口，弧 MA2 B2 C2N為鈍化后的 刃口；陰影部分 A1 B1 C1A2 B2 C2為材料去除截面；O1、O2 分別為弧A1 B1 C1、弧 A2 B2 C2的圓心；2θ為前刀面與后刀面的夾角。鈍化效率的計算如下。

因此材料去除體積為：（4）

式中：L 為刀具的刃長，ρ為刀具的刃數，β為刀具螺旋角。

將鈍化效率轉化為每分鐘的材料去除體積，則鈍化效率為：

η= V/t"""""""""""""" （10）

式中：t 為鈍化時間。

根據表2的刀具幾何參數和刀具鈍化前后刃口值，代入式（9）、式（10）計算得知，立式旋轉鈍化法的鈍化效率為29.40λ×10?6 mm3/min，旋轉磨粒流鈍化法的鈍化效率為938.16λ×10?6 mm3/min。可以得出旋轉磨粒流鈍化法的鈍化效率明顯高于立式旋轉鈍化。這是由于立式旋轉鈍化使用的磨粒是硬性磨粒，在磨粒與刃口的碰撞過程中，磨粒對刀具的后刀面進行劃擦，磨粒的大部分動能都消耗在了刀具后刀面，并且單個磨粒與刃口的接觸面較小，對刃口的材料去除量就小[20]。旋轉磨粒流是一種剪切增稠流體，在刀具的自轉和容器公轉的共同作用下，旋轉磨粒流在接觸刀具刃口時會由流體狀變化成為固體狀，形成一種比單顆粒磨粒更大的磨具，從而增大了磨粒與刀具刃口的接觸面積，在剛性邊界的壓力下，磨具對刀具刃口進行材料去除，增大了刃口的材料去除量。

2.3 刃口半徑變化率

刀具刃口半徑變化率是刀具鈍化前后的刃口半徑比率，可以表征刀具的鈍化效果。根據刀具鈍化前后的刃口半徑值，得出鈍化前后刃口半徑變化率為：

從圖5中可以得出，旋轉磨粒流鈍化的刃口半徑變化率遠大于立式旋轉鈍化。這進一步說明旋轉磨粒流的鈍化效果優于立式旋轉鈍化。這是由于在相同鈍化時間的條件下，旋轉磨粒流對刀具刃口的材料去除量更大。從圖5中還可以得出，材料去除量越大，刃口半徑變化率也就越大。

2.4 刃口形貌

刀具刃口形貌可以反映出刀具刃口上的缺陷，以宏觀的方式來展現刀具的好壞[3]。下圖是刀具 M1、 M2鈍化前后的刃口形貌，檢測位置均為 H。

從圖6a、圖6c 中可以得出鈍化前的刃口存在多處 缺陷，有鋸齒狀缺陷和大凹坑狀缺陷[9]。由圖6b 可知，立式旋轉鈍化的刀具刃口形貌為不規則形狀，刀具刃 口上存在大量凹坑狀缺陷，這是由于鈍化介質為硬性 磨粒，在鈍化過程中，磨粒不斷碰撞刀具刃口，刀具刃口上的材料不斷脫落而形成的。由圖6d 可知，旋轉磨粒流鈍化的刀具刃口形貌為鈍圓形，且刀具刃口上有少量的凹坑狀缺陷，沒有鋸齒狀缺陷。這是由于旋轉磨粒流在一定的剪切速率下變成含磨粒的固體狀，這個夾持著磨粒的固體緩慢地對刀具刃口進行磨削，每一次的材料去除量很小。隨著時間的推移，刃口上存在的缺陷逐漸地被去除，刃型也從尖銳形變化為鈍圓形。這種鈍圓刃更有利于切削加工，延長刀具的使用壽命[2]。

3 結論

本次試驗中，通過立式旋轉鈍化和旋轉磨粒流鈍化加工硬質合金立銑刀，研究2種不同鈍化方式對刀具刃口半徑、鈍化效率、刃口半徑變化率和刃口形貌的影響，具體結論如下：

（1）2種鈍化方式的刃口半徑隨時間的變化規律不同。旋轉磨粒流鈍化硬質合金立銑刀的刃口半徑隨著鈍化時間的推移不斷增大。立式旋轉鈍化硬質合金立銑刀的刃口半徑隨著鈍化時間的增加，先增加后減小。這種變化規律不一致的主要原因是磨粒對刀具刃口的作用機理不同，立式旋轉鈍化是磨粒對刀具刃口的劃擦碰撞，而旋轉磨粒流鈍化是磨粒對刀具刃口的微切削作用。

（2）旋轉磨粒流鈍化可以有效提高鈍化效率。相較于立式旋轉鈍化，旋轉磨粒流鈍化的刀具刃口變化率為180%左右。在刀具鈍化過程中，旋轉磨粒流的磨粒與流體在旋轉過程中受到剪切應力，形成了比單顆磨粒更大的磨具，并在剛性邊界的壓力下，更容易對刀具刃口進行材料去除，從而提高了鈍化效率。

（3）旋轉磨粒流鈍化可以有效去除磨削時產生的刃口缺陷。旋轉磨粒流鈍化的刀具刃口缺陷最少，刃型為均勻的鈍圓形，立式旋轉鈍化的刀具刃口存在 大量的凹坑狀缺陷。

參考文獻：

［1］ 徐慶.刃口鈍化在刀具優化中的重要性[J].金屬加工（冷加工），2018，805（8）：59-61.

XU Qing. The importance of blade passivation in tools optimization [J]. Metal Working （Cold Machining），2018，805（8）：59-61.

［2］ 趙倩， 賴志偉， 劉小杰， 等.刀具刃口鈍化對刀具切削性能影響研究進展[J].硬質合金，2020，37（5）：378-389.

ZHAO Qian， LAI Zhiwei， LIU Xiaojie， et al. Research progress on the influence of tool edge preparation on cutting performance [J]. Cemented Carbide，2020，37（5）：378-389.

［3］趙雪峰， 杜宇超，吳志鵬.鈍化參數對刀具刃口鈍圓半徑影響的研究[J].機械設計與制造，2020，349（3）：131-133， 137.

ZHAO Xuefeng， DU Yuchao， WU Zhipeng. Research on the influence of the edge preparation parameters on the edge radius [J]. Machinery Design amp; Manufacture，2020，349（3）：131-133， 137.

［4］POKORNY P， PATOPRSTY B， VOPAT T， et al. Cutting edge radius preparation [J]. Materials Today：Proceedings，2020，22：212-218.

［5］CHAN J， KOSHY P. Tool edge honing using shear jamming abrasive media [J]. CIRP Annals - Manufacturing Technology，2020，69（1）：289-292.

［6］LYU B H， HE Q K， CHEN S H， et al. Experimental study on shear thickening polishing of cemented carbide insert with complex shape [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2019，103：585-595.

［7］WANG W T， BIERMANN D， A?MUT R， et al. Effects on tool performance of cutting edge prepared by pressurized air wet abrasive jet machining （PAWAJM）[J]. Journal of Materials Processing Technology，2020，277：116456.

［8］WANG W T， SAIFULIAH K， ASSMUTH R B， et al. Effect of edge preparation technologies on cutting edge properties and tool performance [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2020，106（5/6）：1823-1838.

［9］SPAN J， KOSHY P， KLOCKE F， et al. Dynamic jamming in dense suspensions： Surface finishing and edge honing applications [J]. CIRP Annals，2017，66（1）：321-324.

［10］GE J， LI C， Gao Z， et al. Softness abrasive flow polishing method using constrained boundary vibration [J]. Powder Technology，2021，382：173-187.

［11］李敏， 呂冰海， 袁巨龍， 等.剪切增稠拋光的材料去除數學模型[J].機械工程學報，2016，52（7）：142-151.

LI Min， Lü Binghai， YUAN Julong， et al. Material removal mathematics model of shear thickening polishing [J]. Journal of Mechanical Engineering，2016，52（7）：142-151.

［12］李敏， 袁巨龍， 呂冰海， 等. Si3N4陶瓷的剪切增稠拋光[J].機械工程學報，2017，53（9）：193-200.

LI Min， YUAN Julong， Lü Binghai， et al. Shear-thickening polishing of Si3N4 ceramics [J]. Journal of Mechanical Engineering，2017，53（9）：193-200.

［13］LI M， LIU M， RIEMER O， et al. Origin of material removal mechanism in shear thickening-chemical polishing [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2021（170）：1-19.

［14］李瑞， 李銀燕.磨粒對刀具刃口鈍化影響[J].現代機械，2017，197（1）：26-29.

LI Rui， LI Yinyan. The influence of abrasive on cutting edge dulling [J]. Modern Machinery，2017，197（1）：26-29.

［15］游科， 趙雪峰， 袁銀， 等.雙磁盤磁力鈍化機理與實驗研究[J].組合機床與自動化加工技術，2022（10）：133-135， 140.

YOU Ke， ZHAO Xuefeng， YUAN Yin， et al. Mechanism and experimental study of double disk magnetic preparation [J]. Modular Machine Tool amp; Automatic Manufacturing Technique，2022（10）：133-135， 140.

［16］高航， 郭天博， 彭燦， 等.絲錐刀具旋轉磨粒流去毛刺和鈍化拋光技術的研究[J].表面技術，2022，52（3）：299-307.

GAO Hang， GUO Tianbo， PENG Can， et al. Deburring and passivation polishing technology of tap tool with rotary abrasive flow [J]. Surface Technology，2022，52（3）：299-307.

［17］師潤平， 韓彥良， 韓春鈺.精切刀具柔性磨粒射流拋光（鈍化）工藝研究[J].制造技術與機床，2021，706（4）：69-73.

SHI Runping， HAN Yanliang， HAN Chunyu. Study on flexible abrasive jet polishing （passivation） process of fine cutting tools [J]. Manufacturing Technology amp; Machine Tool，2021，706（4）：69-73.

［18］杜宇超， 趙雪峰，何林.氣固兩相磨粒流對刀具刃口鈍化的數值模擬[J].組合機床與自動化加工技術，2019（5）：142-145， 151.

DU Yuchao， ZHAO Xuefeng， HE Lin. Numerical simulation of tool edge preparation by gas-solid two-phase abrasive flow [J]. Modular MachineTool amp; Automatic Manufacturing Technique，2019（5）：142-145， 151.

［19］王林靜， 張偉， 干為民， 等.硬質合金刀具刃口鈍化方式對比試驗研究[J].工具技術，2013，47（12）：25-28.

WANG Linjing， ZHANG Wei， GAN Weimin， et al. Cemented carbide tool edge passivation contrast experimental research [J]. Tool Engineering，2013，47（12）：25-28.

［20］趙雪峰， 杜宇超， 吳志鵬.基于ABAQUS的磨粒對刀具刃口鈍化的分析[J].工具技術，2018，52（8）：83-86.

ZHAO Xuefeng， DU Yuchao， WU Zhipeng. Analysis of tool edge preparation by abrasive based on ABAQUS [J]. Tool Engineering，2018，52（8）：83-86.

作者簡介

王奔，男，1984年生，博士、教授。主要研究方向：飛機及航發關鍵結構用先進復合材料、鈦合金、高溫合金等航空難加工材料的先進加工技術。

E-mail： wangben211@163.com

Comparative experimental study on edge machining of carbide end milling cutterwith different tool passivation methods

WANG Ben1，LONG Zhikai1，ZHENG Yingxiao2，SONG Wanwan2，ZHANG Xiuyun2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136， China）

（2. Shenyang Aircraft Industrial Company， Shenyang 110850， China）

Abstract A tool passivation method called the rotating abrasive flow passivation method is proposed as a means to improve tool performance and processing quality. Experiments were conducted to compare the passivation of a carbide end milling cutter by vertical rotating passivation and rotating abrasive flow passivation， revealing the changing law of the tool edge. The results show that the original tool's edge has the smallest radius， characterized by a sharp edge with numerous defects. After vertical rotating passivation， there is slight change in the edge， but defects persist， and the blade shape remains unevenly blunt and circular. In contrast， As the edge after rotating abrasive flow passivation shows the most significant radius change， with some edge defects removed， resulting in a uniformly blunt circular edge shape. The rotating abrasive flow passivation method can not only eliminates edge defects but also presents higher passivation effi- ciency and a greater rate of change in the cutting edge radius. This method can significantly enhance tool performance， reduce tool wear， and improve machining quality.

Key words tool edge passivation；rotary abrasive flow；edge radius；edge morphology