機械設備
Products Show機械加工刀具鋒利性能檢測方法的研究
在進(jìn)行精密與超精密加工時(shí)，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(jìn)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實(shí)際使用情況來(lái)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(wèn)題。
本文通過(guò)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的刀具試樣（見(jiàn)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(jìn)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(dòng)（見(jiàn)圖2）。用力傳感器測定刀具切斷纖維時(shí)施加壓力的大小。試驗結束后，用線(xiàn)切割機床將刀具試樣沿測試位置切開(kāi)，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(jìn)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②負荷測量精度：使用量程的±0.5③橫梁移動(dòng)速度：0.05～1000mm/min可調④橫梁速度精度：±1.3試驗參數刀具下降速度為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試驗結果及分析切斷力的測定結果，刀具試樣刃口半徑的測量結果。
試驗次數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(jìn)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關(guān)系（見(jiàn)圖3）。
誤差分析表明，試驗數據重復性好，精度高。因此，可以通過(guò)測定刀具切斷纖維的力來(lái)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(guò)程中的力學(xué)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力的作用，相反的一面受拉應力的作用，產(chǎn)生彈性變形，變形影響區域沿纖維橫截面逐步延伸。隨著(zhù)載荷的增加，當壓應力超過(guò)纖維的屈服應力時(shí)，纖維產(chǎn)生塑性變形，開(kāi)始出現縮頸。繼續增加載荷，達到纖維的斷裂強度時(shí)，出現裂紋，然后很快斷裂。
從纖維的斷裂過(guò)程可以看出，只有當刀具施加的壓力使得與刃口直接接觸的纖維表面產(chǎn)生的壓應力達到或超過(guò)纖維斷裂強度時(shí)，纖維才會(huì )斷裂。刀具刃口與纖維的接觸面積越大，刀具切斷纖維時(shí)需要的壓力就越大。
根據幾何定義，刀具的刃口是兩個(gè)刃面的交線(xiàn)。理想的刃口絕對鋒利，沒(méi)有尺寸的大小，但在實(shí)際生活中絕對鋒利的刃口是不存在的。從顯微鏡下觀(guān)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(gè)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對刀具鋒利性能檢測結果的影響，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。測定結果見(jiàn)圖4，圖5.
與切斷力之間的關(guān)系性能檢測結果的影響鋒利性能檢測結果的影響切斷對象為0.22mm滌淪纖維單絲。
試驗參數：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(jiàn)，試驗參數對刀具鋒利性能的檢測結果有很大的影響。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(shí)，隨著(zhù)張力的增加，軸向應變隨之增加，使纖維的直徑變小，從而減小了切割時(shí)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減小。
切斷對象對刀具鋒利性能的檢測結果也有影響。不同種類(lèi)、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(shí)需要的刀具壓力大不同直徑的同種纖維，切割時(shí)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果能夠與實(shí)際使用效果相符，在檢測過(guò)程中應對試驗參數和切斷對象有所規定。只有在相同的試驗條件下，刀具鋒利性能的檢測結果才具有可比性。
4結論（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，然后再對工件做淬硬層深度測量。對每次加工程序和相應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(shí)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(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。導電淬火的變形和淬裂都是由淬火時(shí)產(chǎn)生的內應力引起的，這種內應力有二類(lèi)，一類(lèi)是在零件急劇冷卻時(shí)由于內外溫差產(chǎn)生體積收縮不一致造成的，即熱應力另一類(lèi)是當奧氏體轉變?yōu)轳R氏體時(shí)零件各部分體積膨脹先后不一致造成的，即組織應力。
當熱應力和組織應力的復合應力大于鋼材的屈服強度時(shí)，零件產(chǎn)生變形當復合應力大于鋼材的屈服強度極限時(shí)，零件開(kāi)裂。而回火7天后，材料金相組織才完全穩定，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(guò)程中，為防止齒條因有裂紋缺陷而大量報廢，必須采取有效預防措施控制淬火裂紋的產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)反復試驗和實(shí)踐，我們得出導電淬火頭、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)生裂紋的主要預防措施。
導電淬火觸頭有二種，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(shí)觸頭和工件接觸，觸頭不斷高溫氧化，平時(shí)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(shí)，得更換導電淬火頭。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，不穩定，應力合力易產(chǎn)生齒條變形開(kāi)裂，因此通過(guò)及時(shí)充分低溫回火，消除殘余內應力，極脆馬氏體和殘余奧氏體轉變?yōu)榉€定的回火馬氏體，提高塑性和韌性，穩定工作尺寸，并保持工件高硬度和耐磨性。工藝規定導電淬火后24h內必須完成回火，回火溫度180℃左右，回火時(shí)間4h左右。
日常加工時(shí)，應注意淬火液的顏色和氣味的變化，如變色并伴有臭味說(shuō)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(guò)低，應適當添加PH值調整劑。
齒條批量生產(chǎn)，要做到物流受控，因此必須對加工過(guò)程中的齒條以筐為單位建立跟蹤卡，記錄導電淬火工序加工日及加工中的異?，F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(guò)0.5為不正?，F象，必須找出原因立即整改。
5加工過(guò)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，為了保證加工結果滿(mǎn)足工藝要求，因此每天導電淬火齒條首先必須送到測量室測淬硬層深度和硬度，合格后才能導電淬火加工齒條。當更換導電淬火頭或淬火液時(shí)，首件也必須送到測量室測量。如淬硬層深度不合格，由專(zhuān)門(mén)負責人員調整程序，做好記錄，加工后再測定。如在加工過(guò)程中，設備由于意外情況突然停止工作，操作者應把設備內齒條拿出，標定報廢，再請有關(guān)人員查明修復設備后再生產(chǎn)。
刃口半徑小的刀具，切斷纖維的力小。通過(guò)測定刀具切斷纖維的力來(lái)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實(shí)際使用情況來(lái)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(wèn)題。
本文通過(guò)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的刀具試樣（見(jiàn)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(jìn)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(dòng)（見(jiàn)圖2）。用力傳感器測定刀具切斷纖維時(shí)施加壓力的大小。試驗結束后，用線(xiàn)切割機床將刀具試樣沿測試位置切開(kāi)，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(jìn)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②負荷測量精度：使用量程的±0.5③橫梁移動(dòng)速度：0.05～1000mm/min可調④橫梁速度精度：±1.3試驗參數刀具下降速度為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試驗結果及分析切斷力的測定結果，刀具試樣刃口半徑的測量結果。
試驗次數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(jìn)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關(guān)系（見(jiàn)圖3）。
誤差分析表明，試驗數據重復性好，精度高。因此，可以通過(guò)測定刀具切斷纖維的力來(lái)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(guò)程中的力學(xué)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力的作用，相反的一面受拉應力的作用，產(chǎn)生彈性變形，變形影響區域沿纖維橫截面逐步延伸。隨著(zhù)載荷的增加，當壓應力超過(guò)纖維的屈服應力時(shí)，纖維產(chǎn)生塑性變形，開(kāi)始出現縮頸。繼續增加載荷，達到纖維的斷裂強度時(shí)，出現裂紋，然后很快斷裂。
從纖維的斷裂過(guò)程可以看出，只有當刀具施加的壓力使得與刃口直接接觸的纖維表面產(chǎn)生的壓應力達到或超過(guò)纖維斷裂強度時(shí)，纖維才會(huì )斷裂。刀具刃口與纖維的接觸面積越大，刀具切斷纖維時(shí)需要的壓力就越大。
根據幾何定義，刀具的刃口是兩個(gè)刃面的交線(xiàn)。理想的刃口絕對鋒利，沒(méi)有尺寸的大小，但在實(shí)際生活中絕對鋒利的刃口是不存在的。從顯微鏡下觀(guān)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(gè)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對刀具鋒利性能檢測結果的影響，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。測定結果見(jiàn)圖4，圖5.
與切斷力之間的關(guān)系性能檢測結果的影響鋒利性能檢測結果的影響切斷對象為0.22mm滌淪纖維單絲。
試驗參數：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(jiàn)，試驗參數對刀具鋒利性能的檢測結果有很大的影響。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(shí)，隨著(zhù)張力的增加，軸向應變隨之增加，使纖維的直徑變小，從而減小了切割時(shí)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減小。
切斷對象對刀具鋒利性能的檢測結果也有影響。不同種類(lèi)、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(shí)需要的刀具壓力大不同直徑的同種纖維，切割時(shí)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果能夠與實(shí)際使用效果相符，在檢測過(guò)程中應對試驗參數和切斷對象有所規定。只有在相同的試驗條件下，刀具鋒利性能的檢測結果才具有可比性。
4結論（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，然后再對工件做淬硬層深度測量。對每次加工程序和相應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(shí)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(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。導電淬火的變形和淬裂都是由淬火時(shí)產(chǎn)生的內應力引起的，這種內應力有二類(lèi)，一類(lèi)是在零件急劇冷卻時(shí)由于內外溫差產(chǎn)生體積收縮不一致造成的，即熱應力另一類(lèi)是當奧氏體轉變?yōu)轳R氏體時(shí)零件各部分體積膨脹先后不一致造成的，即組織應力。
當熱應力和組織應力的復合應力大于鋼材的屈服強度時(shí)，零件產(chǎn)生變形當復合應力大于鋼材的屈服強度極限時(shí)，零件開(kāi)裂。而回火7天后，材料金相組織才完全穩定，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(guò)程中，為防止齒條因有裂紋缺陷而大量報廢，必須采取有效預防措施控制淬火裂紋的產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)反復試驗和實(shí)踐，我們得出導電淬火頭、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)生裂紋的主要預防措施。
導電淬火觸頭有二種，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(shí)觸頭和工件接觸，觸頭不斷高溫氧化，平時(shí)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(shí)，得更換導電淬火頭。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，不穩定，應力合力易產(chǎn)生齒條變形開(kāi)裂，因此通過(guò)及時(shí)充分低溫回火，消除殘余內應力，極脆馬氏體和殘余奧氏體轉變?yōu)榉€定的回火馬氏體，提高塑性和韌性，穩定工作尺寸，并保持工件高硬度和耐磨性。工藝規定導電淬火后24h內必須完成回火，回火溫度180℃左右，回火時(shí)間4h左右。
日常加工時(shí)，應注意淬火液的顏色和氣味的變化，如變色并伴有臭味說(shuō)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(guò)低，應適當添加PH值調整劑。
齒條批量生產(chǎn)，要做到物流受控，因此必須對加工過(guò)程中的齒條以筐為單位建立跟蹤卡，記錄導電淬火工序加工日及加工中的異?，F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(guò)0.5為不正?，F象，必須找出原因立即整改。
5加工過(guò)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，為了保證加工結果滿(mǎn)足工藝要求，因此每天導電淬火齒條首先必須送到測量室測淬硬層深度和硬度，合格后才能導電淬火加工齒條。當更換導電淬火頭或淬火液時(shí)，首件也必須送到測量室測量。如淬硬層深度不合格，由專(zhuān)門(mén)負責人員調整程序，做好記錄，加工后再測定。如在加工過(guò)程中，設備由于意外情況突然停止工作，操作者應把設備內齒條拿出，標定報廢，再請有關(guān)人員查明修復設備后再生產(chǎn)。
刃口半徑小的刀具，切斷纖維的力小。通過(guò)測定刀具切斷纖維的力來(lái)檢測刀具的鋒利性能是一種可行的方法。
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