機械設(shè)備
Products Show機械加工刀具鋒利性能檢測方法的研究
在進行精密與超精密加工時，刀具的鋒利性能對加工表面的粗糙度和尺寸精度有很大的影響，需要對加工刀具的鋒利性能進行檢測。目前檢測金剛石刀具鋒利性能的主要方法是采用掃描電鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等測量刀具的刃口半徑[1～3].一般認為，同種材料的刀具，在其它幾何參數(shù)相同的情況下，刃口半徑越小，鋒利性能越好。
這種方法雖然精確，但檢測成本高，不適用于普通加工刀具的檢驗而根據(jù)實際使用情況來評定刀具鋒利性能的方法，又達不到加工前檢驗的目的。因此，如何能夠事先檢驗普通加工刀具的鋒利性能成為生產(chǎn)中亟需解決的問題。
本文通過研究刀具刃口半徑與刀具切斷纖維的力之間的關(guān)系，提出了一種可以事先檢驗加工刀具鋒利性能的方法，并探討了試驗條件對檢測結(jié)果的影響。
1試驗方法1.1試驗用材料540～560℃三次回火處理，65H RC），制成具有相同幾何參數(shù)的刀具試樣（見圖1），將試樣編號為1號，2號，3號，4號。采用不同的磨削工藝對刃口進行磨削。
切斷對象：0.22mm滌綸纖維單絲。
1.2試驗方法將滌綸纖維置于材料試驗機下夾具上，一端固定，另一端用砝碼施加一定張力張緊后夾緊。刀具試樣安裝在上夾具上，刀刃與纖維軸向垂直，以一定的速度垂直向下運動（見圖2）。用力傳感器測定刀具切斷纖維時施加壓力的大小。試驗結(jié)束后，用線切割機床將刀具試樣沿測試位置切開，對切斷面研磨、拋光，用英國Camscan型掃描電子顯微鏡（SEM）測量刀具試樣的刃口半徑。樣品表面噴金。
試驗是在日本島津AGS 500型材料試驗機上進行的，材料試驗機主要技術(shù)指標如下：①負荷測量范圍：0～500N可調(diào)②負荷測量精度：使用量程的±0.5③橫梁移動速度：0.05～1000mm/min可調(diào)④橫梁速度精度：±1.3試驗參數(shù)刀具下降速度為50mm/min纖維張力為49cN負荷范圍：測試1號，2號，3號試樣選用0～5N.測試4號試樣選2試驗結(jié)果及分析切斷力的測定結(jié)果，刀具試樣刃口半徑的測量結(jié)果。
試驗次數(shù)1號2號3號4號平均值平均偏差最大偏差均方根偏差刀具試樣1號2號3號4號刀刃半徑將刀具試樣切斷纖維的力和刀具的刃口半徑進行比較，可以看出，刃口半徑小，切斷纖維的力就小。刀具的刃口半徑與切斷纖維的力之間有很好的對應(yīng)關(guān)系（見圖3）。
誤差分析表明，試驗數(shù)據(jù)重復(fù)性好，精度高。因此，可以通過測定刀具切斷纖維的力來檢測其鋒利性能。生產(chǎn)中可以先采用測量刃口半徑的方法測定一把刀具的鋒利性能，以該刀具切斷纖維的力為基準，將其它刀具切斷纖維的力與之加以比較，判定刀具鋒利性能的優(yōu)劣。
纖維在切斷過程中的力學行為，如同受集中載荷作用的兩端固定梁的平面彎曲。纖維與刀具刃口接觸后，直接接觸的一面受壓應(yīng)力的作用，相反的一面受拉應(yīng)力的作用，產(chǎn)生彈性變形，變形影響區(qū)域沿纖維橫截面逐步延伸。隨著載荷的增加，當壓應(yīng)力超過纖維的屈服應(yīng)力時，纖維產(chǎn)生塑性變形，開始出現(xiàn)縮頸。繼續(xù)增加載荷，達到纖維的斷裂強度時，出現(xiàn)裂紋，然后很快斷裂。
從纖維的斷裂過程可以看出，只有當?shù)毒呤┘拥膲毫κ沟门c刃口直接接觸的纖維表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力達到或超過纖維斷裂強度時，纖維才會斷裂。刀具刃口與纖維的接觸面積越大，刀具切斷纖維時需要的壓力就越大。
根據(jù)幾何定義，刀具的刃口是兩個刃面的交線。理想的刃口絕對鋒利，沒有尺寸的大小，但在實際生活中絕對鋒利的刃口是不存在的。從顯微鏡下觀察，刀具的刃口呈圓弧狀（圓弧的曲率半徑即為刀刃半徑），所以刀具刃口與纖維表面的接觸可以看作在載荷作用下兩個具有不同半徑、相互垂直的圓柱體的接觸。按照赫茲原理，其彈性接觸面積為一橢圓，最大應(yīng)力作用于橢圓的中心，刀刃半徑越大，在同等載荷作用下，與纖維的接觸面積就越大，刀具需要施加更大的壓力，才能使纖維達到斷裂強度。
3試驗條件的影響為研究試驗參數(shù)對刀具鋒利性能檢測結(jié)果的影響，分別測定了在不同的纖維張力、刀具下降速度下1號，2號，3號，4號刀具試樣切斷纖維的力。測定結(jié)果見圖4，圖5.
與切斷力之間的關(guān)系性能檢測結(jié)果的影響鋒利性能檢測結(jié)果的影響切斷對象為0.22mm滌淪纖維單絲。
試驗參數(shù)：試樣選用0～5N，測試4號試樣選用0～10N纖維張力：由圖4，圖5可見，試驗參數(shù)對刀具鋒利性能的檢測結(jié)果有很大的影響。隨纖維的張力和刀具下降速度的增加，刀具切斷纖維的力減小。這是由于纖維在彈性狀態(tài)時，隨著張力的增加，軸向應(yīng)變隨之增加，使纖維的直徑變小，從而減小了切割時刀具試樣與纖維的接觸面積。刀具下降越快，刀具由于慣性對纖維的沖擊就越大，切斷纖維所需的力就相應(yīng)減小。
切斷對象對刀具鋒利性能的檢測結(jié)果也有影響。不同種類、批號的纖維具有不同的斷裂強度。斷裂強度高的纖維，切斷時需要的刀具壓力大不同直徑的同種纖維，切割時刀具試樣與纖維的接觸面積不同，直徑大的纖維需要的切斷力大。
生產(chǎn)中為使刀具鋒利性能的檢測結(jié)果能夠與實際使用效果相符，在檢測過程中應(yīng)對試驗參數(shù)和切斷對象有所規(guī)定。只有在相同的試驗條件下，刀具鋒利性能的檢測結(jié)果才具有可比性。
4結(jié)論（1）刀具的刃口半徑與刀具切斷纖維的力之間有很好？檢測技術(shù)？原一高朱世根機械加工刀具鋒利性能檢測方法的研究系數(shù)，然后再對工件做淬硬層深度測量。對每次加工程序和相應(yīng)工件的淬硬層深度值做好記錄，積累資料，以便在日常加工調(diào)整中借鑒。圖2為齒部中間齒齒中心法向截面淬硬層型貌。
4淬火裂紋的防止在實際生產(chǎn)中，淬火變形和淬火裂紋是比較嚴重的缺陷，成為零件制造過程中的關(guān)鍵問題。導(dǎo)電淬火的變形和淬裂都是由淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力引起的，這種內(nèi)應(yīng)力有二類，一類是在零件急劇冷卻時由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生體積收縮不一致造成的，即熱應(yīng)力另一類是當奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時零件各部分體積膨脹先后不一致造成的，即組織應(yīng)力。
當熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力大于鋼材的屈服強度時，零件產(chǎn)生變形當復(fù)合應(yīng)力大于鋼材的屈服強度極限時，零件開裂。而回火7天后，材料金相組織才完全穩(wěn)定，因此產(chǎn)品圖紙要求回火7天后才允許探傷檢查。在大批量生產(chǎn)過程中，為防止齒條因有裂紋缺陷而大量報廢，必須采取有效預(yù)防措施控制淬火裂紋的產(chǎn)生，經(jīng)過反復(fù)試驗和實踐，我們得出導(dǎo)電淬火頭、回火工序和淬火液的控制及日常工作管理是防止齒條產(chǎn)生裂紋的主要預(yù)防措施。
導(dǎo)電淬火觸頭有二種，圖3所示為整體式，圖4所示為焊接連接式。淬火觸頭材料為電解銅。由于加工時觸頭和工件接觸，觸頭不斷高溫氧化，平時不斷修磨AB兩面，以保證AB兩面和工件完全接觸，因此尺寸a不斷變小，當尺寸小于0.6mm時，得更換導(dǎo)電淬火頭。對焊接連接式，通常加工5 000根后強制更換，而對于整體式，通常加工到25 000根后更換。
鋼淬火后的組織通常為極脆馬氏體和殘余奧氏體，不穩(wěn)定，應(yīng)力合力易產(chǎn)生齒條變形開裂，因此通過及時充分低溫回火，消除殘余內(nèi)應(yīng)力，極脆馬氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火馬氏體，提高塑性和韌性，穩(wěn)定工作尺寸，并保持工件高硬度和耐磨性。工藝規(guī)定導(dǎo)電淬火后24h內(nèi)必須完成回火，回火溫度180℃左右，回火時間4h左右。
日常加工時，應(yīng)注意淬火液的顏色和氣味的變化，如變色并伴有臭味說明細菌感染嚴重，須更換淬火液。為有效地防止細菌滋生，淬火液PH值控制在9.0～9.3，因此，每周測定PH值2次以上，如PH值過低，應(yīng)適當添加PH值調(diào)整劑。
齒條批量生產(chǎn)，要做到物流受控，因此必須對加工過程中的齒條以筐為單位建立跟蹤卡，記錄導(dǎo)電淬火工序加工日及加工中的異常現(xiàn)象，做到產(chǎn)品可追蹤性。
采用多次加熱，控制淬硬層深度在0.25以下。
通常工件淬火裂紋報廢率占0.2左右，如超過0.5為不正常現(xiàn)象，必須找出原因立即整改。
5加工過程中注意事項由于淬火硬度和淬硬層深度是齒條中的安全項目，為了保證加工結(jié)果滿足工藝要求，因此每天導(dǎo)電淬火齒條首先必須送到測量室測淬硬層深度和硬度，合格后才能導(dǎo)電淬火加工齒條。當更換導(dǎo)電淬火頭或淬火液時，首件也必須送到測量室測量。如淬硬層深度不合格，由專門負責人員調(diào)整程序，做好記錄，加工后再測定。如在加工過程中，設(shè)備由于意外情況突然停止工作，操作者應(yīng)把設(shè)備內(nèi)齒條拿出，標定報廢，再請有關(guān)人員查明修復(fù)設(shè)備后再生產(chǎn)。
刃口半徑小的刀具，切斷纖維的力小。通過測定刀具切斷纖維的力來檢測刀具的鋒利性能是一種可行的方法。
這種方法雖然精確，但檢測成本高，不適用于普通加工刀具的檢驗而根據(jù)實際使用情況來評定刀具鋒利性能的方法，又達不到加工前檢驗的目的。因此，如何能夠事先檢驗普通加工刀具的鋒利性能成為生產(chǎn)中亟需解決的問題。
本文通過研究刀具刃口半徑與刀具切斷纖維的力之間的關(guān)系，提出了一種可以事先檢驗加工刀具鋒利性能的方法，并探討了試驗條件對檢測結(jié)果的影響。
1試驗方法1.1試驗用材料540～560℃三次回火處理，65H RC），制成具有相同幾何參數(shù)的刀具試樣（見圖1），將試樣編號為1號，2號，3號，4號。采用不同的磨削工藝對刃口進行磨削。
切斷對象：0.22mm滌綸纖維單絲。
1.2試驗方法將滌綸纖維置于材料試驗機下夾具上，一端固定，另一端用砝碼施加一定張力張緊后夾緊。刀具試樣安裝在上夾具上，刀刃與纖維軸向垂直，以一定的速度垂直向下運動（見圖2）。用力傳感器測定刀具切斷纖維時施加壓力的大小。試驗結(jié)束后，用線切割機床將刀具試樣沿測試位置切開，對切斷面研磨、拋光，用英國Camscan型掃描電子顯微鏡（SEM）測量刀具試樣的刃口半徑。樣品表面噴金。
試驗是在日本島津AGS 500型材料試驗機上進行的，材料試驗機主要技術(shù)指標如下：①負荷測量范圍：0～500N可調(diào)②負荷測量精度：使用量程的±0.5③橫梁移動速度：0.05～1000mm/min可調(diào)④橫梁速度精度：±1.3試驗參數(shù)刀具下降速度為50mm/min纖維張力為49cN負荷范圍：測試1號，2號，3號試樣選用0～5N.測試4號試樣選2試驗結(jié)果及分析切斷力的測定結(jié)果，刀具試樣刃口半徑的測量結(jié)果。
試驗次數(shù)1號2號3號4號平均值平均偏差最大偏差均方根偏差刀具試樣1號2號3號4號刀刃半徑將刀具試樣切斷纖維的力和刀具的刃口半徑進行比較，可以看出，刃口半徑小，切斷纖維的力就小。刀具的刃口半徑與切斷纖維的力之間有很好的對應(yīng)關(guān)系（見圖3）。
誤差分析表明，試驗數(shù)據(jù)重復(fù)性好，精度高。因此，可以通過測定刀具切斷纖維的力來檢測其鋒利性能。生產(chǎn)中可以先采用測量刃口半徑的方法測定一把刀具的鋒利性能，以該刀具切斷纖維的力為基準，將其它刀具切斷纖維的力與之加以比較，判定刀具鋒利性能的優(yōu)劣。
纖維在切斷過程中的力學行為，如同受集中載荷作用的兩端固定梁的平面彎曲。纖維與刀具刃口接觸后，直接接觸的一面受壓應(yīng)力的作用，相反的一面受拉應(yīng)力的作用，產(chǎn)生彈性變形，變形影響區(qū)域沿纖維橫截面逐步延伸。隨著載荷的增加，當壓應(yīng)力超過纖維的屈服應(yīng)力時，纖維產(chǎn)生塑性變形，開始出現(xiàn)縮頸。繼續(xù)增加載荷，達到纖維的斷裂強度時，出現(xiàn)裂紋，然后很快斷裂。
從纖維的斷裂過程可以看出，只有當?shù)毒呤┘拥膲毫κ沟门c刃口直接接觸的纖維表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力達到或超過纖維斷裂強度時，纖維才會斷裂。刀具刃口與纖維的接觸面積越大，刀具切斷纖維時需要的壓力就越大。
根據(jù)幾何定義，刀具的刃口是兩個刃面的交線。理想的刃口絕對鋒利，沒有尺寸的大小，但在實際生活中絕對鋒利的刃口是不存在的。從顯微鏡下觀察，刀具的刃口呈圓弧狀（圓弧的曲率半徑即為刀刃半徑），所以刀具刃口與纖維表面的接觸可以看作在載荷作用下兩個具有不同半徑、相互垂直的圓柱體的接觸。按照赫茲原理，其彈性接觸面積為一橢圓，最大應(yīng)力作用于橢圓的中心，刀刃半徑越大，在同等載荷作用下，與纖維的接觸面積就越大，刀具需要施加更大的壓力，才能使纖維達到斷裂強度。
3試驗條件的影響為研究試驗參數(shù)對刀具鋒利性能檢測結(jié)果的影響，分別測定了在不同的纖維張力、刀具下降速度下1號，2號，3號，4號刀具試樣切斷纖維的力。測定結(jié)果見圖4，圖5.
與切斷力之間的關(guān)系性能檢測結(jié)果的影響鋒利性能檢測結(jié)果的影響切斷對象為0.22mm滌淪纖維單絲。
試驗參數(shù)：試樣選用0～5N，測試4號試樣選用0～10N纖維張力：由圖4，圖5可見，試驗參數(shù)對刀具鋒利性能的檢測結(jié)果有很大的影響。隨纖維的張力和刀具下降速度的增加，刀具切斷纖維的力減小。這是由于纖維在彈性狀態(tài)時，隨著張力的增加，軸向應(yīng)變隨之增加，使纖維的直徑變小，從而減小了切割時刀具試樣與纖維的接觸面積。刀具下降越快，刀具由于慣性對纖維的沖擊就越大，切斷纖維所需的力就相應(yīng)減小。
切斷對象對刀具鋒利性能的檢測結(jié)果也有影響。不同種類、批號的纖維具有不同的斷裂強度。斷裂強度高的纖維，切斷時需要的刀具壓力大不同直徑的同種纖維，切割時刀具試樣與纖維的接觸面積不同，直徑大的纖維需要的切斷力大。
生產(chǎn)中為使刀具鋒利性能的檢測結(jié)果能夠與實際使用效果相符，在檢測過程中應(yīng)對試驗參數(shù)和切斷對象有所規(guī)定。只有在相同的試驗條件下，刀具鋒利性能的檢測結(jié)果才具有可比性。
4結(jié)論（1）刀具的刃口半徑與刀具切斷纖維的力之間有很好？檢測技術(shù)？原一高朱世根機械加工刀具鋒利性能檢測方法的研究系數(shù)，然后再對工件做淬硬層深度測量。對每次加工程序和相應(yīng)工件的淬硬層深度值做好記錄，積累資料，以便在日常加工調(diào)整中借鑒。圖2為齒部中間齒齒中心法向截面淬硬層型貌。
4淬火裂紋的防止在實際生產(chǎn)中，淬火變形和淬火裂紋是比較嚴重的缺陷，成為零件制造過程中的關(guān)鍵問題。導(dǎo)電淬火的變形和淬裂都是由淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力引起的，這種內(nèi)應(yīng)力有二類，一類是在零件急劇冷卻時由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生體積收縮不一致造成的，即熱應(yīng)力另一類是當奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時零件各部分體積膨脹先后不一致造成的，即組織應(yīng)力。
當熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力大于鋼材的屈服強度時，零件產(chǎn)生變形當復(fù)合應(yīng)力大于鋼材的屈服強度極限時，零件開裂。而回火7天后，材料金相組織才完全穩(wěn)定，因此產(chǎn)品圖紙要求回火7天后才允許探傷檢查。在大批量生產(chǎn)過程中，為防止齒條因有裂紋缺陷而大量報廢，必須采取有效預(yù)防措施控制淬火裂紋的產(chǎn)生，經(jīng)過反復(fù)試驗和實踐，我們得出導(dǎo)電淬火頭、回火工序和淬火液的控制及日常工作管理是防止齒條產(chǎn)生裂紋的主要預(yù)防措施。
導(dǎo)電淬火觸頭有二種，圖3所示為整體式，圖4所示為焊接連接式。淬火觸頭材料為電解銅。由于加工時觸頭和工件接觸，觸頭不斷高溫氧化，平時不斷修磨AB兩面，以保證AB兩面和工件完全接觸，因此尺寸a不斷變小，當尺寸小于0.6mm時，得更換導(dǎo)電淬火頭。對焊接連接式，通常加工5 000根后強制更換，而對于整體式，通常加工到25 000根后更換。
鋼淬火后的組織通常為極脆馬氏體和殘余奧氏體，不穩(wěn)定，應(yīng)力合力易產(chǎn)生齒條變形開裂，因此通過及時充分低溫回火，消除殘余內(nèi)應(yīng)力，極脆馬氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火馬氏體，提高塑性和韌性，穩(wěn)定工作尺寸，并保持工件高硬度和耐磨性。工藝規(guī)定導(dǎo)電淬火后24h內(nèi)必須完成回火，回火溫度180℃左右，回火時間4h左右。
日常加工時，應(yīng)注意淬火液的顏色和氣味的變化，如變色并伴有臭味說明細菌感染嚴重，須更換淬火液。為有效地防止細菌滋生，淬火液PH值控制在9.0～9.3，因此，每周測定PH值2次以上，如PH值過低，應(yīng)適當添加PH值調(diào)整劑。
齒條批量生產(chǎn)，要做到物流受控，因此必須對加工過程中的齒條以筐為單位建立跟蹤卡，記錄導(dǎo)電淬火工序加工日及加工中的異常現(xiàn)象，做到產(chǎn)品可追蹤性。
采用多次加熱，控制淬硬層深度在0.25以下。
通常工件淬火裂紋報廢率占0.2左右，如超過0.5為不正常現(xiàn)象，必須找出原因立即整改。
5加工過程中注意事項由于淬火硬度和淬硬層深度是齒條中的安全項目，為了保證加工結(jié)果滿足工藝要求，因此每天導(dǎo)電淬火齒條首先必須送到測量室測淬硬層深度和硬度，合格后才能導(dǎo)電淬火加工齒條。當更換導(dǎo)電淬火頭或淬火液時，首件也必須送到測量室測量。如淬硬層深度不合格，由專門負責人員調(diào)整程序，做好記錄，加工后再測定。如在加工過程中，設(shè)備由于意外情況突然停止工作，操作者應(yīng)把設(shè)備內(nèi)齒條拿出，標定報廢，再請有關(guān)人員查明修復(fù)設(shè)備后再生產(chǎn)。
刃口半徑小的刀具，切斷纖維的力小。通過測定刀具切斷纖維的力來檢測刀具的鋒利性能是一種可行的方法。
（2）檢測過程中，試驗參數(shù)和切斷對象對刀具鋒利性能的檢測結(jié)果有很大的影響。只有在相同的試驗條件下，刀具鋒利性能的檢測結(jié)果才具有可比性。
