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刀具刃口的强化加工及其最新发展

时间: 2011-07-01 15:00 来源: 作者: 点击:
把比较锋利、有锯齿状、不够整齐、不够光滑的刃口加工成特定的形状,有时是作为"刃口准备"排到工艺流程中的。这个加工过程一般称为"刃口强化"或"钝化"。

刀具或刀片往往在精磨之后、涂层之前,增加一道刃口加工工序。这个工序的名称,目前国内、外叫法尚不统一,不外乎"刃口强化"、"刃口珩磨"、"刃口钝化或倒钝"、"ER处理"、"刃口准备"几种。它们的含义在这里是一样的,但这几种叫法又都不十分确切。本文中根据具体情况采用"刃口强化"、"刃口钝化"两种。


刃口强化前 刃口强化后

目前,在刀具制造过程中,刃口强化工艺已落后于其它工艺。原因是它的重要性没有受到足够的认识。但是,随着对刀具精度、稳定性要求的提高,它的重要性更加突出。近几年人们对强化工艺进行了许多研究开发工作,这种相对落后的状态将会得到改变。

1 影响因素、强化方法和目的

影响硬质合金刀具性能变化的因素有很多,如硬质合金牌号、加工质量、使用条件(如条件、毛坯条件)等。还有一个很重要的因素常常被忽视,即刃口的微观几何形状。刃口强化有许多不同的途径:振动强化、用金刚石油石手工加工、介质强化、研磨浆强化、用含有的橡胶轮强化、干或湿的喷砂法强化、翻滚强化和毛刷强化等。

强化的主要目的是在刀具和工件之间形成这样一种接触面,通过这种特有的接触面,在承受切屑流动、切削速度、进给压力和其它加工变化时,它是最坚固、最结实的。刃口钝化的尺寸和形状,由加工工序对刀具产生的压力大小来决定。

对于给定的应用条件,钝化得太大,切削时刀具所受压力也随之变大,在加工中产生的热量就会增多,致使刀具寿命变短。反之,如果钝化得太小,刀具切削刃会变得脆弱,经受不了切削压力。

一般正常的刃口强化带是均匀一致的,它是一种微小的圆形刃口。在加工时,其尺寸和几何形状要非常精确。目的是使切削刃的强度和性能达到最佳。

正确的刃口强化有以下优点:

延长刀具寿命。硬质合金刀具的刀刃必须能经受巨大的压力。可以通过控制这个压力和可预知的缓慢磨损的方法,确定刀具寿命和磨损速度。另外,刀具寿命很大程度上取决于工件材料。在某些应用场合,正确地强化刀刃能改善刀具寿命200%或更多。

虽然对强化的好处人们已认识了很多年,但强化过程还未被完全控制,刀具性能仍然受到强化结果的影响。即使像近几年出现的超精密刀具,用户使用中也经常会遇到因刀刃形状不当所带来的问题。


圆弧型强化 瀑布型强化

2 强化的刃口型式与尺寸

2.1 型式

刃口强化的几何形状对刀具寿命有很大影响,目前,80%以上的刀具强化都用圆弧型强化,所以应优先采用圆弧型强化。这个圆弧位于刀刃转角处。这种强化形成一个对称的圆弧,它在刀具顶面和刀具侧面是相等的。

另一种叫瀑布型强化。它的圆弧相对于刀具顶面是歪斜的。刃口的顶面和侧面的比率一般为2:1。瀑布型强化的优点是:强化过程直接在刀刃下,去掉了更多的刀具材料,进一步加强了刀刃。

瀑布型强化主要应用于粗加工,如间断切削或从工件上除去铸、锻表皮材料。大多数重型加工应用的刀具都带有瀑布型强化的刃口,这时它优于圆弧型强化的刃口。但是,对多数常规场合,还是采用圆弧型强化。因为用瀑布型刀刃会增加刀具压力和缩短刀具寿命。

2.2 尺寸

强化后刀刃的外形是在自然状态下用显微镜进行观察的。大多数强化的刃口(约70%)是在0.0762mm~0.0254mm之间或更小(人的头发直径大约为0.0762mm)。根据应用场合不同,其它的强化尺寸,范围从小于0.127mm~0.2032mm。小的刃口强化尺寸可以是一根头发直径的1/6。

制造公差是包括在这些尺寸范围之内的。例如,指定强化的尺寸为0.0254~0.0762mm,则要求刀具所有强化的切削刃尺寸都应在此范围内。此外,由于刃口强化是一个剥离过程,而且所有的刀具材料都比较耐磨,所以控制材料剥离速度及保持强化刃口一致性就有一定的难度。

由于要求比较严格,强化过程又难于有效的控制,制造厂漏过超出强化尺寸范围的刀具就很难避免。造成的后果,就是所生产的刀具在使用寿命方面会有很大不同。如果强化尺寸超出了0.0254mm(一根头发的1/3),这把刀也许就根本不能使用。

对所采用的刃型和强化的参数不一样时,刀具寿命也就各不相同。要使强化参数均匀一致并处于最佳状态,会使强化加工变得非常困难。选择出合理的强化刃型和参数,并且能达到较高的一致性,就能大幅度提高刀具的切削性能。

从刀具强化的尺寸可以估计它的性能。对刀具进行较大的强化(钝化)能使刀刃强度高,在大切深或间断切削时,能经受较大的压力。较小的强化用于工件精加工和较轻的进给压力下,以防止热量累积。 通常,有较小的强化更好些。由于在切削刃上留了较多的工件材料,有效的延长了刀具寿命。

应用刃口强化改善刀具寿命及增强刀具稳定性,能给用户带来巨大的经济效益。更为重要的是,这种强化工艺促进了刀具领域的发展。由于有了切削刃的超精密控制,就能使刀具制造厂所提供的产品能达到前所未有的水平。

3 刃口强化与涂层

工件的表面质量是由刀尖圆弧半径大小、切深和进给量所决定的。一致性的、圆滑的刀刃减少了刀具剥落(涂层刀具和基体材料的小块在加工中断离)的倾向。一旦产生剥落就使原本光滑的刀刃急剧恶化,刀具寿命缩短。另一方面,可能迅速恶化工件表面质量的是积屑瘤。刀具产生积屑瘤有几种原因,但刃口强化也是原因之一。如果刃口强化的尺寸不当、不够圆滑,小的工件颗粒就会附着在刀刃上。要是这种堆积继续下去,越来越多的材料将粘在刀具上,最后操作者不得不停止工作,因为工件表面质量受到影响或尺寸已经发生变化。如果在加工过程中积屑瘤断离,它很可能是刀刃涂层(或基体)的一部分,所以应立即进行清理。

大多数通过化学气相沉积(CVD)过程涂层的刀具,都有圆形的强化刃口。强化是为涂层作准备,尤其是对较厚的CVD涂层,钝化使涂层材料有足够的结合表面。

典型的CVD涂层厚度是在6~8µm之间,按其涂层成分和刀具应用条件不同而变化。CVD涂层,往往较多地沉积在尖角的切削刃处。因此,切削刃处的涂层厚度比刀具其它地方的厚度要厚50%(约9~12µm)。由这样一层涂层材料形成的切削刃,其下面没有刀具基体支撑,所以非常脆弱,经受不了正常的切削压力。

还有另外一种涂层,就是物理气相沉积(PVD)涂层,它是由很薄的一层涂层材料组成,其总厚度为1~5µm。因其薄,比起用CVD涂层,可能涂到棱角上的材料要少些。所以,PVD涂层刀具经常是不经强化。

可是,似乎还有一些PVD涂层刀具用户,要求刃口有小的钝化(0.0127mm或更小)。即使钝化那麽小,也能明显地加强刀具刃口。

4 刃口强化的最新发展

刀刃准备工艺,没有像刀具的其它工艺(如材料基体、几何参数和涂层)发展的那样快。虽然每一个制造厂对于不同形式的刀具都有确定的强化方法,但是往往强化后,刀刃上各点几何形状相差较多。刃口强化时,公差放得较宽的结果会使质量变差。

由于刃口强化是一个显微的剥离过程,整个过程控制需要有严格的公差。可是以前的刃口强化方法没有一个能达到这种要求。

如果一个刀刃需强化0.0127mm,用早期文章里提到的、采用过的某一种方法进行强化,然后对强化的刀刃进行检测,可能会发现:刃口上有强化值为0.0127mm的点,但是刀刃上其余的点,在高于或低于该值100%或更多的范围内变化。

为了正确地、一致地在全部刀刃上强化为0.0127mm,过程参数必须控制到这样的程度:即刀具材料的剥离在达到预定尺寸时就自动停止,那是以毛刷强化方式来达到的。这种毛刷用含有研磨材料的尼龙丝制成,而且所含的研磨剂要选得恰当,并且要控制它在毛刷表面的暴露程度、毛刷接触时间和刷的速度。

4.1 新的毛刷强化设备

现在有一种新的强化设备--锥型机器(The Conicity machine)。

这种新开发的IXM-50锥型强化机是由美国Conicity Technologies LLC公司制造的。由于参数经CNC程序控制,当达到预定的钝化尺寸时,IXM-50强化机就能停止钝化。这台机床的特点是:设备尺寸小(比其它类似设备小1/4)。能实现快换(快换毛刷、被加工刀具换型只需2分钟,由操作者输入几个简单的命令即可)。它能有意地在同一把刀具的不同表面,钝化为不同的尺寸。这是其他强化加工所做不到的。对于切槽刀和螺纹梳刀,倾向于用这种强化尺寸可变的钝化设备。供货周期6~8周。价格低于10万美元。


IXM-50型强化机外观


IXM-50可加工不同的刀具和材料

4.2 最好是不同刃口赋予不同的钝化尺寸--这才是最好的

对于一直向前进给的切槽刀,不同刃口赋予不同的钝化尺寸,将能提高这种刀具的切削性能。而以往所用设备钝化出的刀具,其前端刀刃和相邻的刀刃钝化的尺寸是一致的。这台IXM-50钝化机可以使同样切槽刀的副切削刃的钝化尺寸比前端主切削刃的钝化尺寸要小些。

另外,这种可控制钝化尺寸的设备能使梳刀成为粗、精加工复合成一体的刀具。一般现在的梳刀相对于工件都是从右向左进给。因此,在切削时,刀具左刃要比右刃切掉更多的材料。而精加工时右刃的主要作用是要保证螺纹形状和控制尺寸。因此,刀具强化的尺寸这样比较有利:主切削刃一侧强化比较大,决定表面质量和尺寸的副切削刃一侧比较小。而这种比较有利的强化型式,在IXM-50强化机上可以完成。而且,加工时不需加冷却液。

这种强化机能在螺纹刀具上加工出均匀过渡的强化带。从刀刃的一端到另一端逐渐地减小强化尺寸。它用于一种齿形倾斜分布的螺纹梳刀时,强化出的这种刀具就成为粗加工齿、精加工齿复合在一起的刀具。

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