作者：刘爱强 张 京 王社权

单位：中南大学 硬质合金国家重点实验室、株洲钻石切削刀具股份有限公司

来源：《金属加工（冷加工）》2019年第 1 期

切削刀具作为“工业的牙齿”，决定切削技术的发展脚步。数控可转位刀片是切削刀具中占据较大比重的代表，具有高硬度、高耐磨性、高强度、高精度、可换性高等特点。刀具的的可靠性和耐用性能对切削性能有重要意义。

刃口钝化为改善刀具性能的有效工艺，数控刀片刃口钝化处理可改善刃口微观形貌、便于涂层、改善加工接触行为，可以起到增强刃口强度、延长刀具寿命，改善工件表面质量等。目前，刃口钝化工艺众多，常见的有毛刷钝化、喷砂钝化、研磨钝化、电化学钝化等。本文介绍一种基于PPR软质砂轮磨削的刃口钝化工艺，通过切削实验和仿真对比不同形貌的刃口型式。

1.钝化原理

本文采用PPR软质砂轮端面磨削，同常用砂轮相较，可在较小压力下产生变形，从而微量磨削复杂槽型数控刀片的端面和刃口。

（1）PPR砂轮磨削原理。采用PPR砂轮端面磨削时，硬质合金数控刀片软质PPR砂轮磨削是利用砂轮既可弹性形变又具有硬质磨粒的特点，将硬质合金刀片刃口逐渐磨削及抛光以获得不同形貌刃口。PPR砂轮是由橡胶、磨粒等聚合物构成，具有强力的磨粒保持能力、精细的多气孔性以及高弹性，改变砂轮粒度、弹性系数，可获取不同的磨削效果。磨削的本质是一种切削，砂轮表面的磨粒突起部分可认为是切削刃，为随机分布的微小铣刀，其磨粒空间分布如图1所示。

磨削时，锋利切凸出的磨粒切削刀片刃边；不凸出或磨钝的的磨粒则在刀片刃边刻划痕迹；凹下的磨粒则不参与只是从刃口划过。砂轮是带有自锐性的，在磨削过程中，磨粒磨钝时，就会收到更大的力，此力可使磨粒破损会产生新的棱角代替旧的磨钝的磨粒；当此力超过砂轮结合剂的粘结力，则会使该层脱落，形成新的磨削刃，从而继续磨削，磨削过程如图2所示。控制磨削时间、磨削压力可获取不同形貌的刃口。

（2）刃口钝化数学模型。以去除部分材料为建模依据，刃口钝化具有刃磨余量小的特点。θ为刃口钝化末端OB与理论刀尖点OA形成的夹角，EF为未钝化之前的圆角半径R1，OC为钝化后的圆角半径R2，去除面面积为斜线部分S，切削刃口长度为L。

去除的面积为

式中，S为去除材料的面积；θ为理论刀尖与钝化切点的夹角；R1为钝化前圆角半径；R2为钝化后圆角半径。

去除的总材料为

式中，L为切削刃口长度。

2.试验及分析

分析不同类型的刃口形状，对切削加工的影响。采用同种加工方法，控制机床参数，获取不同形貌的刃口。通过划线和GFM microCAD测量刃口形状和尺寸。

（1）试验条件。本次试验采用定制加工的A902磨削机床，采用干式磨削进行加工。选择RCMT10T3MO/YBG202刀片作为试验对象，其材料基材为YG10硬质合金，辅以TaC；PPR砂轮采用200目砂轮，尺寸为Φ300mm×38mm；刃口尺寸测量工具为GFM microCAD。

（2）实验过程及结果。设备采用采用全变频控制上砂轮的运动，转速固定为25r/min，通过控制加压压力和加工时间实验研磨。

压力控制采用启动控制的方式，实际压力大小从一、二次压力显示表读取，调节通过一、二次压力调节阀调节，加压时间通过PLC电路设定，集成在同一操作面板，可自动编程实现。

定制加工行星轮，采用4片行星轮，每次钝化32片，加工参数见表1。

钝化后，通过电镜观察刃口形貌，并与其它钝化方式对比，然后通过划线和GFM公司的micro CAD测量刃口。

随机抽取每组一片，采用划线仪按放大100倍绘制刃口，自左而右依次为1、2、3组（见图8）。

观测每组32片，每片差异不大于0.005mm，可见在某一特定参数下，机床加工稳定性有保障。定量的测量通过GFMmicro CAD进行测量具体形状因子及钝化ER值，ER值即为常规测量刃口钝化尺寸的圆弧半径，GFM测量微小圆弧时，引入了K-Factor测量方法，可以通过该形状因子K表示圆弧的具体形状，K两端刃长的比值，即Sγ与Sα值的比值，它们分别表征了前、后刀面与理论刀尖点的距离，具体如图9所示。不同K-factor刃口测量结果如图10所示。钝化值尺寸见表2。

从电镜图片可发现，通过PPR砂轮磨削获得的切削刃口为犁沟状，更利于涂层的附着（见图11）。

为详细对比三种刃口的性能及使用场合，以相同的参数进行切削，通过判定后角面磨损量为报废准则。任取三种类型刃口刀片进行切削实验，实验机床为HTM-TC40车削加工中心，被加工材料为45#钢，采用干式切削。切削参数见表3。

刀具寿命采用经典后刀面磨损超过0.2mm为实验终止判定依据，以切削时间表征切削性能。经过试验，各组别的刀片寿命见表4。

3.仿真

为更详细分析三种类型刃口加工中的特点，从切削力、切削温度、卷屑方面对比刃口性能。采用Third Wave Systems的仿真软件AdvantEdge FEM为仿真软件。

本次仿真采用Johnson-CooK模型，综合考虑热力学相关因素，可用于复合材料方面。本文刀具材料为YG类硬质合金，工件材料为45钢，采用干式切削。切削参数设置与切削试验设置相同。通过分析切削力、应力、切削热和卷屑断屑四个方面评价钝化形貌对加工性能的影响。切削力和温度仿真如图12、图13所示。

仿真分四组，第一组为瀑布型、第二组为圆弧型、第三组为平台型、第四组为未钝化刃口。通过仿真分析可以看出，第一、四组的切削力大于第二、三组的切削力，切削发热第一、四组要优于第二、三组，卷屑的形成上，四者的切削形状相同都是C形切削，从卷屑和断屑过程看，性能从到差依次为第二、三、一、四组，仿真结果同试验结果相匹配。

车削时，切削力的来源并不同于铣削，铣削时的切削力是由主轴提供的，机床的功率决定了切削的功率，而车削时的车削力是工件抵抗刀具切削时所产生的阻力。

当形状因子K越大，切屑第一变形区的变形抗力越大，Sγ所形成的切屑底部会沿断裂方向，会降低切切削分力，K越大，效果越明显。切削热采用干式切削，散热主要是通过刀片从车削部位传递到刀杆上，在比热容不变的情况下，材料体积越大，则单位时间传走的热量越大，切削温度则较低，从而达到冷却的目的。

刀具与切屑在第二变形区的摩擦对切削热和卷屑起主要作用。当形状因子越小，刃口为瀑布型时或未钝化时，第一变形区的切屑的变形抗力会增加，切削力会增加；随形状因子的继续增加，刃口为圆弧型或平台型时，切屑变形抗力减小，切削力会减小，此时还会有消振的作用。切削热分析可以发现温度最高的位置，恰好是钝化的前刀面处，形状因子越大，即Sγ越大，前刀面所占的比例大，切削接触的材料面积积越大，则传热越快，从而快速降低刀尖温度。

4.结语

本文通过对PPR砂轮钝化处理进行研究，通过改变工艺参数，可以稳定获取不同刃口形貌的微观刃口形貌，通过SEM观察，刃口呈现犁沟状态，涂层附着强度高。

通过本研究可以发现：通过组合改变研磨加工的时间和压力的配比，可以获得不同尺寸、不同形貌的硬质合金刀片刃口形貌；在圆弧值相同的情况下，改变刃口的形貌，刀具的切削性能也会随之发生变动；形状因子K越大刀片切削力越小，切削越轻快，但散热会随之变差。