圓刀片刃口磨削表面形貌控制研究

錢 超，姚振強

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引言

硬質合金薄壁盤型刀片廣泛用于分切紙張、纖維、橡膠和皮革等自動化加工過程[1]。刀具的主要材料為亞微細WC-Co硬質合金，其WC晶粒粒度在0.5～0.81 μm之間。具有較好的機械性能，刃面主要采用金剛石砂輪進行磨削加工，加工時磨削工藝對工件表面和刃口的質量影響較大[2-3]。特別是對于鋒利的刃口，在磨削加工時，容易產生微觀缺陷[4]。由于加工刃面較寬，工件磨削加工時，磨粒在工件表面的切削密度不均勻引起工件在徑向的粗糙度和表面形貌相差較大[5]，另外，工件接觸弧長在磨削加工歷程中變化較大將引起刀刃粗糙度不均勻。不均勻的刃面微結構嚴重影響刀片的加工精度及使用壽命[6]。

超細硬質合金磨削加工過程中，隨著砂輪粒度和切削深度增大，材料去除方式由塑性去處向脆性斷裂轉變[7]。Gao P研究了微觀磨削下的硬質合金的刃口的損傷機理，發現刀具刃口產生了微坑和微裂紋等損傷，且最大邊緣損傷厚度隨Co粘接劑含量和WC晶粒的尺寸增大而增大[8]。Sun H Q 利用不同的劃擦方式對硬質合金進行單磨粒劃擦實驗，發現平行劃擦方式和交叉劃擦方式對硬質合金表面結構、粗糙度和材料去除率影響較大[9]。Zhang Q研究了高速磨削下的刃面形貌及表面質量的不均勻狀態，對于直徑較大的工件，切削點密度的不同和接觸面積不同，將導致材料去除率變化，最終導致不同徑向位置的表面光潔度不均勻[10]。

上述研究系統的研究了硬質合金磨削的材料去除機理和表面質量影響因素，研究集中在局部微觀形貌和單磨粒劃擦分析，沒有考慮到刀片加工的工藝和尺度效應，本文針對圓刀片磨削中表面粗糙度和形貌不均勻的問題，建立了切削表面紋理與切削工藝參數的數學關聯模型，提出一種改進的單區域磨削方案，對比了單區域和多區域磨削對表面的影響，研究兩種加工方案的表面質量隨砂輪粒度變化規律，驗證了單區域磨削方法在提高圓刀片表面質量方面的有效性。

1 圓刀片結構、材料及磨削工藝

圓刀片根據不同的加工需求，存在多種尺寸規格，其厚度較薄，通常在0.8～2 mm，直徑尺寸通常范圍在100～300 mm。刀具存在多個刃面需要加工，如圖1典型零件所示，圓刀片的大刀刃刃磨角度為0.5°，刃寬為35 mm，大刀刃需要磨削加工刃面較寬。

圖1 圓刀片工件圖

實驗工件材料為YG13X WC-Co硬質合金，YG13X為亞微細硬質合金，與普通的WC-Co硬質合金相比，亞微細硬質合金具有跟更高的抗彎強度和硬度，耐磨性和抗氧化性也有顯著提高。

表1 YG13X硬質合金機械性能表

圓刀片磨削加工原理如圖2所示，利用碗狀砂輪端面加工刃面，砂輪主軸提供砂輪進給Vs，工件主軸轉動提供工件進給Vw，砂輪沿著導軌移動提供切深進給a，其中工件轉臺轉動實現刃角定位。

圖2 圓刀片磨削原理圖

刃面采用端面磨削的方式進行加工，磨削方向為順磨，可有效減小磨粒的磨損和磨削載荷，砂輪為樹脂結合劑金剛石砂輪，碗裝砂輪的端面為加工面，具體的磨削參數如表2所示。

表2 磨削加工參數表

2 加工試驗臺及測量設備

實驗臺為德國德馬吉DMU 70V五軸立式加工中心，如圖3所示。碗狀砂輪安裝在電主軸上，由直驅電機提供工件進給，通過調整工件平臺的角度實現刃磨角度調整，試驗臺如圖3b所示。

(a) 德瑪吉 DMU 70V (b) 實驗砂輪和工件安裝圖圖3 圓刀片加工試驗臺

對于加工表面，采用SJ-210粗糙度儀對表面粗糙度進行測量，取樣長度為2.5 mm。利用BX510金相顯微鏡對表面紋路進行觀察，放大倍數X200倍。表面形貌采用Alicona光學三維形貌儀進行測量，測量設備如圖4所示。其橫向測量精度為0.64 μm，垂直測量分辨率為20 nm。

圖4 測量設備

3 表面質量不均勻現象

用80#砂輪對圓刀片進行磨削試驗后，對工件表面進行粗糙度測量，在圓刀面的刀刃外圓、刃面中部和刃面內圓(圖1)三個位置分別測量徑向和切向的工件粗糙度，發現工件在刃面不同部位出現粗糙度表現差異較大。測量結果如圖5所示，刀片在端面加工方式中，刃面的切向粗糙度大于徑向粗糙度。在切向方向，線粗糙度由外而內減小，且粗糙度變化較大，對于徑向粗糙度則表現的比較均勻，由外而內變現為增加的趨勢。其中靠近內圓位置，粗糙度較大。

圖5 80#磨削表面粗糙度變化圖

利用金相顯微鏡對圓刀面三個典型區域進行觀察，表面形貌如圖6所示，在刀面外圓位置，磨粒的切削軌跡為近似平行徑向方向，所以沿切向的線粗糙度大于沿徑向的線粗糙度。在中部位置，切削路徑為交叉網格，線粗糙度在徑向和切向表現為較好的一致性，在刃面內圓部分，可以看出切削路徑較為密集，由于刃面角度的存在，內圓位置的切削量及切削壓力水平較低，所以該位置粗糙度較低且在徑向和切向保持較好的一致性。刀具表面在徑向不同位置的粗糙度和表面紋理表現為較大的差異。

(a) 刃面外圓 (b) 刃面中部 (c) 刃面內圓 圖6 金相顯微鏡下刀片雙區域磨削表面形貌圖

4 雙區域磨削運動學模型

為了研究圓刀片刃面表面質量和紋理差異形成原因，對圓刀片大刀刃加工采用端面磨削加工方式進行運動學分析，由于刀刃加工角度較小，計算單顆磨粒A對工件表面的切削軌跡時，近似認為砂輪主軸和工件主軸平行，工件與砂輪相對運動模型如圖7所示，在垂直砂輪主軸平面內，其中工件轉動軸O1，砂輪轉動軸為O2，工件和砂輪中心距離e=|O1O2|,R為砂輪半徑，假設砂輪坐標系OX1X1為絕對坐標系，工件坐標系為OX2X2為相對坐標系，研究砂輪上單個磨粒對工件的運動軌跡，固定坐標系OXY，其中工件轉動速度為Vw，砂輪轉動速度為Vs，經過時間t之后工件轉角為θ1，砂輪轉動角度為θ2。

圖7 原刀片磨削運動模型圖

由相對坐標系可知：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

推出磨粒A磨削軌跡坐標：

(7)

工件一個周向進給周期內，α和β區域磨削點運動軌跡如圖8所示。

圖8 雙區域磨粒運動軌跡圖

對圖8中工件上的運動軌跡進行提取,得到實際磨削切削路徑形成模型如圖9所示。在同一次磨削周期中，有兩個磨削接觸面同時參與磨削，其中α磨削區域磨粒由內而外切削，β磨削區域由外向內切削，對加工表面進行兩次不同方向的交叉磨削。對雙接觸區加工工件，靠近刃面外圓位置，切削路徑近似與刀片徑向平行，但在刀刃中部形成交叉狀網格，砂輪和刀片在刃面內圓相切，內圓表面的切削路徑近似與徑向垂直。形成了刃面外圓、中部和內圓典型的磨削紋理。

圖9 多區域與單區域磨削表面紋理形成模型

5 單區域磨削方法

由于不均勻的粗糙度和表面紋理會導致不一致的磨擦性能，影響刀具的切削性能和使用壽命，基于雙區域磨削方法上提出一種單區域磨削的磨削方案，在原先雙區域磨削的基礎上，將工件沿圖9b中X軸轉動一個微小角度γ，使得原先雙加工區域變為單加工區域。只保留對加工表面進行α區域的切出，避免對加工表面進行交叉磨削。

對圓刀片工件進行單區域磨削試驗，加工后的表面如圖10所示，加工面各位置的磨粒的切削路徑基本保持平行，整個刃面切削路徑具有較好的一致性。

(a) 刃面外圓 (b) 刃面中部 (c) 刃面內圓 圖10 金相顯微鏡下刀片單區域磨削表面形貌圖

由于刃面切削路徑方向變化，單方向測量局部粗糙度Ra來表征工件的表面質量存在較大的誤差，面粗糙度Sa參數則可以很好的避免切削方向帶來的影響，可以對局部的表面質量進行評估：

(8)

其中，Zij是物體表面區域輪廓采樣點到基準平面的距離，M、N分別為評定區域中相互垂直兩個方向上的采樣點數。它表示區域形貌的算數平均偏差。利用Alicona光學三維形貌儀對單區域和多區域磨削的面粗糙度進行測量。

如圖11所示，對于單區域和雙區域磨削的刃面不同的部位的面粗糙度表現的差異較大，其中單區域磨削的面粗糙度大于雙區域磨削的面粗糙度，但是單區域磨削在整個刃面的面粗糙變化較小，表面一致性表現的較好。對雙區域磨削，雖然其具有較低的面粗糙度，但是面粗糙度在徑向方向的變化較大，其中刃面外圓面粗糙度最高，刃面中部和刃面內圓的面粗糙度較低，整體刃面的差異較大。

圖11 單區域切削與多區域切削面粗糙度變化

由上可知，單區域磨削相較于雙區域磨削具有更好的表面一致性，但兩者的粗糙度都出現了不同位置的差異性，為了進一步評價單區域磨削和雙區域磨削對表面質量的影響，利用Alicona三維光學形貌儀對刃面不同位置表面形貌進行測量。

由三維形貌圖12可知，雙區域磨削表現為更為復雜的切削路徑，靠近刃面外圓，切削深度最大，刃面中部變現為交錯的網格紋路，存在較多高點，而內圓則表現為平行于切向的紋路，主要切削路徑的間隔為近似為砂輪的磨粒的間隔，磨粒密度對雙點磨削表面有較大影響，對于單區域磨削，由三維形貌可知，內圓的切削深度較大，外圓的切削深度較小，磨削路徑的密度遠大于砂輪磨粒的密度，表面形貌主要由多次平行切削共同作用形成。

6 切削點密度對表面質量的影響

由上一節可知磨粒密度對于雙區域和單區域磨削表面形成有較大的影響，為了研究砂輪的切削密度對工件的表面質量的影響，利用80#、150#、280#和1200#樹脂金剛石砂輪分別對圓刀片進行磨削實驗。其中80#、150#、280#磨削為粗加工實驗，由毛坯件直接加工至目標尺寸。1200#砂輪主要目的研究的是精加工過程，在280#砂輪磨削的基礎上，磨削30 μm切深去除280#磨削加工痕跡。加工完成后，分別測量工件不同位置的面粗糙度和表面形貌。

(a) 雙區域外圓 (b) 單區域外圓

(c) 雙區域中部 (d) 單區域中部

(e) 雙區域內圓 (f) 單區域內圓圖12 80#磨削刃面三維形貌圖

結果如圖13所示，對于單區域磨削，磨削刃面的面粗糙度隨砂輪粒度的減小而減小，對于刃面不同位置，面粗糙度在徑向的波動較小，整個刃面的一致性表現的較好。雙區域磨削結果如圖14所示，相對單區域磨削，整體的面粗糙度較低，但在刃面徑向波動較大，刃面面粗糙度差異明顯，尤其對于1200#砂輪的精加工，砂輪粒度對于刃面面粗糙度的的差異性影響加劇，原因是由于雙區域磨削方式會對已加工表面中部進行反向的二次磨削，此時交叉的磨削路徑會降低表面的面粗糙度。隨著砂輪粒度的減小，單區域和雙區域磨削的面粗糙度差距逐漸減小，但是單區域磨削表現為更好的表面一致性和表面形貌。

圖13 單區域切削面粗糙度變化 圖14 雙區域切削面粗糙度變化

調平被測量表面后，定義平面的基準高度為0，對于磨削表面的測量點進行高度統計，統計的結果如圖15所示，發現高度分布變現為較好的正態分布特性，其中φ(Z)為高度為Z的高度點占所有數據點的百分比。

(9)

圖15 單區域磨削面高度統計

但是對于不同的磨削表面的，其高度分布的均方差值σ變現為較大的差異, σ值可體現為表面高度的集中程度，σ越小表面的高度集中在基礎平面附近，由圖16和圖17 可知，單區域磨削在砂輪粒度較大時，表面高度分布較為分散，存在較多極值，表面質量劣于雙區域磨削，但隨著砂輪的粒度減小，這種差異逐漸減小，在1200#時，在外圓和內圓位置，均方差值基本一致，但是雙區域磨削在刃面中部出現σ值較低的狀況，表面不均勻性明顯。

圖16 單區域磨削刃面均方差σ變化 圖17 雙區域磨削刃面均方差σ變化

7 結論

本文建立的運動學模型揭示了切削表面紋理與切削工藝參數的關系，提出的單區域磨削可有效避免圓刀片表面質量不均勻的問題，最終可得到結論如下：

(1)圓刀片雙區域磨削的表面形貌沿徑向有明顯的差異，單區域磨削刃面整體切削紋路保持平行。 (2)單區域磨削的面粗糙和測量點高度整體分布均勻。而雙區域磨削在刃口和內部邊緣處粗糙度較大，刃面中部粗糙較小，徑向不同位置差異較大。

(3)隨著磨削粒度減小，單區域磨削和雙區域磨削的面粗糙度差異減小，單區域磨削表面粗糙度在不同位置表現出較好的一致性，精加工階段，采用單區域磨削加工，可有效的提升硬質合金圓刀片的表面質量。