利用濕式噴砂提高刀具切削性能

　　眾所周知，刀具切削刃的幾何形狀是決定其加工效率的關(guān)鍵因素。一般而言，增大切削刃的鈍圓半徑有助于更高效地切除金屬材料，并延長刀具壽命?？蒲袡C構(gòu)和刀具制造商已對其中的機理進行了詳盡的研究。

　　簡單來說，帶有磨削缺陷和毛刺的鋒利切削刃在切削初始階段很容易發(fā)生崩刃，造成局部刃口加速破損。對切削刃周圍摩擦剪切應(yīng)力的詳細(xì)分析表明，切屑厚度隨著切削刃鈍圓半徑的增大而減小。加大刃口鈍圓半徑可以大大減少刀具與切屑的接觸長度和熱量聚積，從而減緩刀具磨損。圖1濕式噴砂機1現(xiàn)代刀具依靠超硬表面涂層（如TiN或CrN涂層）來提高其切削性能。采用物理氣相沉積（PVD）或化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝涂覆的這些涂層可以顯著提高刀具切削刃的硬度和耐用性。由于這些涂層的硬度（高達(dá)HV3400）通常要比基體材料的硬度（硬質(zhì)合金約為HV1700）高一倍，因此，涂層與基體之間的粘附性往往成為刀具壽命的限制因素之一。

　　因此，刀具基體的刃口鈍圓半徑及其表面光潔度對于刀具的最終性能至關(guān)重要。涂層沉積工藝趨向于在較鋒利的刃口處沉積更多的材料。因此，較小的刃口鈍圓半徑會吸引較厚的沉積物。由于切削工件時該區(qū)域會承受極大的應(yīng)力，因此更容易產(chǎn)生裂紋，成為隨后加速破損的起始點。

　　為了最大限度地提高涂層與基體之間的粘附性，基體表面必須非常潔凈。在一項名為“通過微噴砂改善硬質(zhì)合金刀片上高粘附性PVD薄膜的切削性能”的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅僅通過磨削并不能提供獲得良好涂層粘附性所需的理想表面光潔度。因此，刀片通常需要進行磨削+微噴砂或拋光+微噴砂處理。研究發(fā)現(xiàn)，拋光+微噴砂處理的效果更好（在這兩種處理方法中，微噴砂均采用干式噴砂）。圖2工作中的噴砂頭在該研究項目中，刀片表面粘附性的測量方式是進行重復(fù)傾斜沖擊測試，直至表面破損。也可以采用對比測試法（簡單的C洛氏硬度測試法）來觀察壓痕周圍的破損情況。涂層的粘附性從HF1到HF6分為6個等級（HF1表示粘附性最好）。濕式微噴砂的一個主要好處是：可以從刀片表面去除過多的鈷結(jié)合劑，這些鈷結(jié)合劑可能會對表面涂層的粘附性產(chǎn)生不利影響。然而，采用毛刷刷或干噴砂的方式獲得刃口鈍圓半徑會在基體上積聚靜電，因此，必須將靜電吸附的碎屑或灰塵從刀片表面清除干凈。

　　為了獲得高質(zhì)量的涂層前預(yù)處理表面，可采用濕式噴砂來替代兩級拋光和干式噴砂處理工藝。采用濕式噴砂技術(shù)，可以達(dá)到HF1的涂層粘附性，而且刀具表面不會產(chǎn)生靜電或吸附灰塵。

　　采用濕式噴砂對硬質(zhì)合金刀具進行涂層前預(yù)處理（尤其是在噴砂處理后馬上進行沖洗和干燥）的一個主要優(yōu)勢是：處理后的刀具表面極具活性。事實上，其表面活性如此之高，以至于現(xiàn)有的表面活性測量裝置（如測角系統(tǒng)或Dyne油墨測試法）無法對其進行測定（因為超過了儀器的測量閾值）。這種活性表面進一步增強了涂層的結(jié)合力。成功進行涂層前濕式噴砂處理的一個關(guān)鍵是通過工藝控制，確保清潔表面的一致性，包括進行沖洗、在去離子（DI）水中漂洗并立即吹干。圖3噴砂處理后的刀片必須進行清洗和干燥正如刀具基體得益于微噴砂處理工藝一樣，涂層刀具本身也從中受益非淺。上述項目的研究人員分別對采用磨削+微噴砂工藝和拋光+微噴砂工藝處理的硬質(zhì)合金銑刀片進行了測試。對經(jīng)過涂后微噴砂處理的PVD薄膜的研究表明，涂層中存在一個材料變形大、納米硬度高的淺表層（其深度約為0.6μm）。工藝試驗分別采用了兩種噴砂壓力（2巴和5巴），結(jié)果表明，5巴的噴砂壓力可以提高淺表層的硬度。

　　隨后，對涂層刀片進行了銑削試驗。試驗中，測量了刀片的后刀面磨損，并將后刀面磨損達(dá)到0.2mm設(shè)定為刀具報廢標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過磨削+微噴砂處理的刀片樣品的刀具壽命最多延長了15％，而經(jīng)過拋光+微噴砂處理（可用濕式微噴砂預(yù)處理代替）的刀片樣品的刀具壽命最多延長了70％（噴砂壓力為5巴時）。

　　通過檢查磨損痕跡，并對相關(guān)的應(yīng)力進行有限元分析，確定了兩種截然不同的刀具失效模式。對于經(jīng)過磨削+微噴砂處理的刀具樣品，失效的主要原因是PVD涂層的粘附性不足；而對于拋光+微噴砂處理的刀具樣品，失效模式則是PVD涂層內(nèi)的疲勞所致。因此，為了通過涂后微噴砂提高PVD涂層的納米硬度，從而使加工效益最大化，還必須進行合理的涂前預(yù)處理。

　　已經(jīng)上市的自動化濕式噴砂生產(chǎn)線可以實現(xiàn)所有這些功能，包括刃口倒圓、PVD/CVD涂層的涂前和涂后處理、沖洗、去離子水漂清和后續(xù)干燥。為了美觀起見，刀片應(yīng)進行噴霧沖洗、清洗和用熱空氣吹干，使其達(dá)到包裝入庫的標(biāo)準(zhǔn)。

　　通過濕式噴砂對一盤（200件）典型刀片進行刃口倒圓處理的時間為4—20分鐘，取決于濕式噴砂機需要完成多少個工藝步驟。對涂層進行涂前和涂后處理所需的時間約為刃口倒圓處理時間的1/2。