磁盤間隙對刀具刃口鈍化的影響

李榮敏，趙雪峰，陶麗佳，鄭鵬飛

（1.江蘇科技大學(xué)張家港校區(qū)機(jī)電與動力工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600；貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

1 引言

刀具刃口鈍化是實(shí)現(xiàn)高速高效切削加工的基礎(chǔ)。刀具刃口鈍化能消除刃口上的缺陷和提高刀具表面光潔度，從而使刀具壽命、切削穩(wěn)定性和工件已加工表面質(zhì)量等都有不同程度的延長或提高，其中刀具壽命的延長最為明顯，可有效延長刀具壽命（20～300）%[1]。因此，刀具刃口鈍化及作用機(jī)理，已成為切削加工中亟待解決的關(guān)鍵問題。

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，極大地提高了鈍化效率和鈍化質(zhì)量，自動化程度非常高，適合于大批量的生產(chǎn)。磁力鈍化方法不僅用于刀具刃口鈍化，并且廣泛地應(yīng)用于工件光整加工，又稱為磁力光整加工（Magnetic Abrasive Finishing，MAF）。磁力光整加工具有比較好的柔性、自適應(yīng)性、自銳性、可控性[2]，在磁力研磨加工中無需進(jìn)行工具磨損補(bǔ)償與修形。磁性磨粒刷能夠隨工件形狀的變化而變化，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。

目前關(guān)于刀具刃口鈍化機(jī)制的研究比較少，關(guān)于刀具刃口磁力法鈍化機(jī)制的研究非常少。文獻(xiàn)[3]采用磁力鈍化方法對硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行鈍化，通過實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)兩個磁極頭之間的旋轉(zhuǎn)方向可以實(shí)現(xiàn)刀具刃口的非均勻性，并通過掃描電鏡驗(yàn)證了沿著切削刃方向的磨粒刷進(jìn)行運(yùn)動是獲得光滑刀具刃口的最好方法。文獻(xiàn)[4]采用雙磁盤對鋁線圈和不銹鋼工件進(jìn)行拋光，采用掃描電鏡對工件表面粗糙度和表面形貌進(jìn)行檢測，通過響應(yīng)曲面法研究了不同參數(shù)工件間隙、旋轉(zhuǎn)速度、磨粒重量比、磨粒尺寸和進(jìn)給率等交互作用對工件的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[5]研究了磁顆粒磨粒刷的組成成分對磨粒刷的作用行為，并通過對比不同形式的拋光，驗(yàn)證了磁力拋光以最小的材料去除提高了表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度提高（50～60）%，并且刀具使用壽命提高150%。文獻(xiàn)[6]研究了七種不同的刃口鈍化方法（拖拽法、砂輪法、激光法、磨料流法、磁力研磨法、噴砂法、含磨料尼龍刷法）對碳化鎢基硬質(zhì)合金刀片使用壽命的影響。文獻(xiàn)[7-8]采用ANSYS軟件模擬分析并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了研磨液用量、鐵粒子粒徑、金剛石粒子粒徑等參數(shù)對陶瓷管內(nèi)表面研磨質(zhì)量和效率的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[9]提出一種借助曲柄滑塊振動機(jī)構(gòu)輔助磁力研磨的新技術(shù)，有效改善了普通磁力研磨超硬精密Al2O3陶瓷管內(nèi)表面研磨效率低且加工紋理不均勻的問題。文獻(xiàn)[10]在自行設(shè)計的試驗(yàn)裝置上，通過施加公轉(zhuǎn)運(yùn)動方式優(yōu)化磁粒刷運(yùn)動軌跡并進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化研磨軌跡后，表面質(zhì)量和平面均勻性均較傳統(tǒng)工藝有不同程度的提高，作者在此基礎(chǔ)上建立了研磨粒子的軌跡表達(dá)式，并通過Graph軟件驗(yàn)證了表達(dá)式的正確性。

基于雙磁盤磁力鈍化方法，研究硬質(zhì)合金刀具鈍化過程中，鈍化壓力和切除量隨磁盤間隙的變化規(guī)律，并采用有限元分析軟件ANSYS建立了磁場模型，分析了磁間距對磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁力線分布的影響規(guī)律，并通過與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究鈍化時間和工作間隙對鈍化刃口的影響規(guī)律，揭示刀具刃口磁力鈍化機(jī)制。

2 刀具磁力鈍化方法

刀具刃口磁力鈍化采用雙磁盤磁力鈍化方法。兩個磁盤以不同的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生磁場，磁性磨粒被磁化后沿磁力線在兩個磁盤間的空隙處形成“柔軟”的磁力刷。刀具在磁盤間隙的中央位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，刀具與磁性磨粒刷之間產(chǎn)生相對運(yùn)動。在刀具鈍化過程中，磁性粒子受到磁力、離心力和摩擦力的共同作用，使磁性粒子不斷的滾動翻轉(zhuǎn)保持磨粒的銳度，達(dá)到磁性磨粒對刀具刃口鈍化的作用，實(shí)現(xiàn)高效、均勻的鈍化。刀具磁力鈍化過程中，鈍化效果不僅與磁性磨粒的類型和粒度、刀具與磁極的相對速度有關(guān)，還與雙磁極間的間隙的大小有關(guān)。刀具刃口鈍化方法示意圖，如圖1所示。磁力鈍化方法不僅用于刀具的鈍化，而且適用于工件的拋光。

圖1 刀具刃口鈍化方法Fig．1 Method of Tool Edge Passivation

刀具磁力鈍化基本參數(shù)為：

（1）刀具刃口磁力鈍化設(shè)備。采用雙磁盤磁力鈍化設(shè)備Magnetic finishing MF 63CA?；境叽纾海?400×1611×2058）mm。

（2）釹磁鐵磁盤直徑為300mm，厚度為150mm。兩盤速度分別為3001/min和301/min。

（3）鋁盤直徑為150mm，厚度為20mm。

（4）刀具基本參數(shù)，如表1所示。采用硬質(zhì)合金立銑刀ZX040，刀具旋轉(zhuǎn)速度為601/min。

表1 刀具基本參數(shù)Tab．1 Basic Parameters of Cutting Tools

（5）刀具直徑為10mm，沿銑刀端面方向上，以左側(cè)為0mm，右側(cè)為10mm。刀具與兩磁盤的間隙分別為2.5mm、3mm、3.5mm和4mm時，對應(yīng)的磁盤間隙為15mm、16mm、17mm、18mm。

3 刀具刃口磁力鈍化結(jié)果分析

3． 1磁盤間距對鈍化壓力和去除量的影響規(guī)律

在刀具磁力鈍化過程中，雙磁極之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，刀具與磁性磨粒之間產(chǎn)生相對運(yùn)動。

由Preston經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：R（x，y）—材料去除量（mg）；

k—磁性鈍化粒子與加工有關(guān)的比例常數(shù)；

V（x，y）—磁性鈍化粒子與刀具之間的相對速度（r/min）；

P（x，y）—鈍化粒子與刀具間的研磨壓力（N）。

由式（1）可知，在鈍化過程中的刀具刃口的材料去除量與鈍化壓力P和鈍化粒子與刀具的相對速度V成正比。因此，提高鈍化效率有兩種方法，即增大鈍化壓力P或者提高兩者之間的相對速度V。但是當(dāng)速度過高時，磁性磨粒所受的離心力大于磁場力。由于離心力的作用，磁性粒子會從加工區(qū)域飛出。因此，轉(zhuǎn)速不宜過高。因此，在鈍化速度一定的情況下，增加磨粒和刀具刃口之間的鈍化壓力可以提高鈍化效果，鈍化壓力P主要來自于磁場。

式中：B—作用于刀具刃口處的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；

μm—磁性磨粒的相對磁導(dǎo)率（H/m）；

μ0—空氣磁導(dǎo)率取4π×10-7H/m。

鈍化壓力隨磁盤間距的變化規(guī)律，如圖2所示。由圖2可知，隨著磁盤間距的增大，0mm處的鈍化壓力P逐漸減小，最大為5.23E+04N，最小為4.43E+04N；10mm處的鈍化壓力P先增大后減小，最大為5.17E+04N，最小為4.60E+04N。

圖2 磁盤間距對鈍化壓力的影響規(guī)律Fig．2 Effect of Disk Spacing on Passivation Pressure

材料去除量隨磁盤間距的變化規(guī)律，如圖3所示。由圖可知，隨著磁盤間距的增大，材料去除量逐漸變小，由0.16mg減小為0.149mg。

圖3 磁盤間距對切除量的影響規(guī)律Fig．3 Effect of Disk Spacing on Passivation Pressure

3． 2磁盤間距對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響規(guī)律

采用ANSYS對刀具刃口磁力鈍化方法進(jìn)行仿真分析，主要參數(shù)設(shè)置如下：

（1）空氣和鋁盤的相對磁導(dǎo)率為1.0，磁場邊界采用遠(yuǎn)場邊界。

（2）釹磁鐵磁盤相對磁導(dǎo)率為1.12，釹磁鐵磁盤的矯頑力為9.23×105A/m，硬質(zhì)合金銑刀磁導(dǎo)率為1.01。

通過仿真分析，兩磁盤間產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，如圖4所示。磁力線分布，如圖5所示。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig．4 Magnetic Induction Intensity Nephogram

圖5 磁力線分布Fig．5 Distribution of Magnetic Lines

在不同的磁盤間距下，沿著刀具端面方向，即（0～10）mm的方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線，如圖6所示。分別為（0.669～0.725）T、（0.669～0.721）T、（0.666～0.695）T、（0.663～0.691）T。磁感應(yīng)強(qiáng)度在0mm處和10mm處是非對稱的。

在不同的磁盤間距下，磁感應(yīng)強(qiáng)度沿著（0～10）mm方向呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在間距17m時，0mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度和10mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度差距較小，因此，也是形成刀具鈍化刃口非對稱的主要原因。

圖6 不同間距下磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線Fig．6 Variation Curves of Magnetic Induction Intensity at Different Spacing

4 刀具刃口磁力鈍化實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用雙磁盤磁力鈍化方法對硬質(zhì)合金立銑刀刃口進(jìn)行鈍化，并采用自動變焦三維表面測量儀Alicona檢測刃口輪廓及鈍圓半徑，其設(shè)備及結(jié)果，如圖7、圖8所示。

圖7 刀具鈍化刃口檢測設(shè)備Fig．7 Inspection Equipment for Tool Passivation Edge

圖8 鈍圓半徑檢測Fig．8 Detection of Blunt Circle Radius

4.1 磁盤間隙對鈍圓半徑的影響規(guī)律

在雙磁盤產(chǎn)生的磁場中，刀具與磁盤間的間隙比較小，研磨力較大，使得磨粒刷對刀具刃口的研磨壓力增大，材料去除量增多，在1～4mm即可得到較大的磁場強(qiáng)度和鈍化效率。磁盤間隙對鈍圓半徑的影響規(guī)律，如圖9所示。由圖可知，隨著磁盤間隙的增大，鈍圓半徑逐漸減小，鈍圓半徑由8.5滋m減少為6.5滋m。這是由于隨著磁盤間隙的增大，磁場強(qiáng)度逐漸減少，對工件的鈍化作用減少，鈍圓半徑逐漸減小。

4.2 鈍化時間對鈍圓半徑的影響規(guī)律

圖9 磁盤間隙對鈍圓半徑的影響規(guī)律Fig．9 The Influence of Disk Clearance on the Radius of Blunt Circle

圖10 鈍化時間對鈍圓半徑的影響規(guī)律Fig．10 Effect of Passivation Time on Radius of Passive Circle

鈍化時間對鈍圓半徑的影響規(guī)律，如圖10所示。由圖可知，隨著鈍化時間的增加，鈍圓半徑逐漸增大，鈍圓半徑由7.53滋m增大為8.03滋m。由在刀具鈍化初始階段，并且在鈍化初期，鈍圓半徑增大比較快，鈍化一段時間之后，鈍圓半徑增大的趨勢變得平緩，但仍然處于增大狀態(tài)。

5 結(jié)論

采用磁力鈍化方法對硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行鈍化，研究了磁盤間距對鈍化壓力、材料去除量、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁力線等的影響規(guī)律，并通過刀具刃口鈍化實(shí)驗(yàn)研究了磁盤間距對鈍圓半徑的影響規(guī)律，該規(guī)律不僅適用于立銑刀，而且適用于車刀等其它刀具。主要結(jié)論如下：（1）隨著磁盤間距的增大，0mm處的鈍化壓力P逐漸減小，最大為5.23E+04N，最小為4.43E+04N；10mm處的鈍化壓力P先增大后減小，最大為5.17E+04N，最小為4.60E+04N。（2）隨著磁盤間距的增大，材料去除量逐漸減小，由0.16mg減小為0.149mg。（3）隨著工作距離的減小，鈍圓半徑增大，鈍圓半徑由6.5滋m增大為8.5滋m，鈍化效率增大。隨著鈍化時間的增大，鈍圓半徑逐漸增大，鈍圓半徑由7.53滋m增大為8.03滋m。