刀具刃口钝化技术的探讨

摘要：经刃磨后的刀具切削刃（刃口），程度不同地存在着微观缺口，它直接影响刀具刃口强度和刀具寿命。小型可转位刀片刃口钝化机的研制和实践证实，针对不同加工条件选择刀具刃口型式与刀片刃口钝化参数，可有效提高刀具寿命，降低刀具消耗费用。

　　一、引言

　　1、刀具刃口钝化名称及重要性

　　刀具或刀片在精磨之后，有时需对刃口进行钝化，其名称目前国内外尚不统一，有称“刃口钝化”、“刃口强化”、“刃口珩磨”、“刃口准备”或“ER处理”等，本文采用“刃口钝化”的名称。

　　刀具刃口钝化技术是一个还不被人们普遍重视，而又是十分重要的问题。它所以重要就在于：经钝化后的刀具能有效提高刃口强度、提高刀具寿命和切削过程的稳定性。大家知道刀具是机床的“牙齿”，影响刀具切削性能和刀具寿命的主要因素，除了刀具材料、刀具几何参数、刀具结构、切削用量优化等，通过大量的刀具刃口钝化实践体会到：有一个好的刃口型式和刃口钝化质量也是刀具能否多快好省进行切削加工的前提。因此，刀具刃口的状况好坏也是不可忽视的因素。

　　2、为什么要进行刃口钝化处理

　　1）经普通砂轮或金刚石砂轮刃磨后的刀具刃口，确实存在程度不同的微观缺口（即微小崩刃与锯口）。前者可用肉眼和普通放大镜观察到，后者用100倍（带0.010mm刻线）显微镜能够观察到，其微观缺口一般在0.01—0.05mm，严重者高达0.1mm以上。在切削过程中刀具刃口微观缺口极易扩展，加快刀具磨损和损坏。

　　2）现代高速切削加工和自动化机床对刀具性能和稳定性提出了更高的要求，特别是CVD涂层刀具或刀片在涂层前几乎毫无例外的对刀具刃口进行钝化处理，这是为了涂层工艺的需要，才能保证涂层的牢固性和使用寿命。

　　3）从国外引进数控机床和生产线所用刀具，其刃口已全部钝化处理。有众多的信息表明，刀具刃口钝化可有效延长刀具寿命200%或更多，大大降低刀具成本，给用户带来巨大的经济效益。

　　因此，深入研究和实践刀具刃口钝化这门学问十分重要。这个课题要从以下两个方面做起，一个是选择刃口型式和参数，二是探索刃口钝化技术及参数，做到两者的紧密结合。

　　二、刃口型式与刃口钝化形状

　　1、常用刃口型式：（见图1）

图1  常用的几种刃口型式

　　1）锐刃：刃磨前、后刀面相交而自然形成的锐刃，其刃口锋利、强度差、易磨损。一般用于精加工刀具。

　　2）倒棱刃：在刃口附近前刀面上，刃磨出很窄的负前角棱边，大大提高了刃口的强度。用于粗加工和半精加工等刀具。

　　3）消振棱刃：在刃口附近的后刀面上磨出一条很窄的负后角棱边，切削时增大刀具与工件的接触面积，消除切削过程振动。用于工艺系统刚性不足时所用的单刃刀具。

　　4）白刃：在刃口附近的后刀面上磨有一条后角为0°的窄边或刃带，可起到支撑导向和挤压光整作用，用于饺刀、拉刀等多刃刀具。

　　5）倒园刃：在刃口上刃磨或钝化成一定参数的园角，增加刃口强度，提高刀具寿命，用于各种粗加工和半精加工的可转位刀具。

　　2、 刃口钝化形状：（见图2）

图2  两种钝化刃口形状

　　刃口钝化几何形状，对刀具寿命有很大影响：一种为圆弧型刃口，在刃口转角处形成对称元弧，占80%以上的刀具所采用，适用于粗精加工。一种为瀑布型刃口，在刃口转角处的顶面与侧面比率一般为2:1，为不对称圆弧，适用于恶劣的冲击性加工。

　　根据不同的加工条件，合理选择刃口型式与刃口形状的参数，实际上就是正确处理好刀具“锐”与“固”的关系，“锐”是刀具切削加工必须具备的特征，同时考虑刃口的“固”也是为了更有效的进行切削加工，提高刀具寿命，减少刀具的消耗费用。刀具刃口钝化技术就是研究“锐中求固”，其目的就是解决刃磨后的刀具刃口微观缺口的缺陷，使其锋值减少或消除，达到圆滑平整，既锋利坚固又耐用的目的。精加工时刀具刃口“锐”一些，其钝化参数取小值，粗加工时刀具刃口钝一些，其刃口型式与钝化形状的参数取大值。

　　三、刀具钝化方法的发展趋势

　　1、手工钝化：最早的钝化工具是从皮子和石油开始，如到理发馆刮脸，理发员在皮子上鐾刀，使刀刃更加锋利耐用。而在机械加工方面所用的刀具，我们的前辈有了很多丰富的鐾刀经验，效果非常显著。举例如下：

　　1）粗加工时，一把新刃磨好的刀具鐾刀可以减少初级磨损阶段磨损值，在正常磨损阶段后期鐾刀，仍可再延长正常磨损阶段，一般刀具寿命提高0.5倍以上。

　　2）精加工使用铰刀时，未经鐾刀其内孔表面有时达不到图纸要术，精心鐾刀后表面粗糙度可稳定Ra1.6-0.8μm，同时刀具寿命可提高1倍左右。

　　3）精刨机床导轨，采用负前角宽刃压光刀，其前后刀面必须经过平板精心研磨，提高了表面质量才能保证刃口锋利平直，导轨加工表面粗糙度可稳定达到Ra0.8μm以下。

　　4）某厂加工大炮筒内孔来复线使用的拉槽刀，由于被加工材料韧性和强度高，刀具磨损快，甚至切屑被卡住造成事故，所以必须专门安排有经验的老工人鐾刀，才能完成这项关键性加工。

　　5）印刷机墙板精孔加工，采用浮动镗刀，有进给的走刀痕迹，经研制带有放大镜的鐾刀工具后，刃口锋利平直。其进给量由1mm/r，提高到4mm/r。

　　6）某厂内燃机曲轴加工，其设备和刀具是由国外引进，原一盘刀可加工50-60件，采用国产刀片后只加工15-16件。刀片经钝化和选用合理钝化参数后，一盘刀也可加工50-60件。

　　2、机械钝化

　　为提高钝化效率和质量，大多采用高效机械钝化方法。如采用振动钝化、介质钝化、研磨浆钝化、含磨料的橡胶轮钝化、干或湿的喷砂法钝化、翻滚钝化和含磨料尼龙刷钝化等。

　　3、高效高智能钝化设备

　　美国Conicity TechnologiesLLC公司最新开发的IXM-50锥型钝化机，是由CNC程序控制，由操作者输入几个简单的命令，它能在同一把刀具的不同表面，钝化为不同的尺寸。可钝化切槽刀和螺纹梳刀等。再从国内数家引进的刀片生产线可以看到，无论是涂层刀片或非涂层刀片生产线都带有刀片刃口钝化机，成为刀片生产中不可缺少的重要工序，这也是国外刀具为什么性能好寿命高的原因之一。

　　四、小型刀片刃口钝化机的研制及钝化参数

　　1、小型刃口钝化机的研制

　　我国目前大量使用的可转位刀片，大多由中小工具厂刃磨，国内没有适用的刀片刃口钝化机产品，而国外刀片刃口钝化机其价格又十分昂贵（十至几十万美元），因此未经钝化的刀片刃口状况不佳，性能差，寿命低，与国外同类刀片性能和寿命相比存在很大差距。如何缩小这个差距，解决刀片刃口钝化问题？研制一种小型可转位刀片刃口钝化机十分必要，更适合国情。因此，经过两年多的努力研制和十次改进，已获成功。专利号：03240501.4，钝化机型号：2MQ6712D，外形尺寸：400×400×600(mm)，它适合中小工具厂及机械加工车间普及推广的产品。

　　小型可转位刀片刃口钝化机的原理；采用齿轮减速电子调速电机传动的行星机构，使刀片自转并公转，由高速旋转的含磨料尼龙盘刷钝化刀片刃口。该钝化机由五个部分组成；盘刷头及滑座部分，刀片转盘传动部分，机架及箱体部分，检测部分及电气部分。该机具有如下特点：

　　1）结构紧凑合理，使用灵活可靠。

　　2）刀片转盘及转台转速无级可调。

　　3）钝化时间长短可控。

　　4）刀片刃口钝化参数在机可测。

　　5）钝化不同刀片形状、规格的容器盘可换。

　　经有关厂家生产使用证明，刀片刃口钝化机达到设计要求，性能可靠，刀片刃口钝化效果良好。北京人机股份有限公司，在硬质合金刀片钝化后的使用寿命平均提高0.2倍以上，个别刀具提高1-3倍。山东莱芜华顺盟陶瓷新材料有限公司，在陶瓷刀片钝化后的使用寿命平均提高0.5倍以上，个别刀具提高1-3倍。使用寿命的提高幅度大小是与具体加工条件和所选择刃口型式及刃口钝化形状的参数有关。

　2、钝化参数的选择

　　通过刀片刃口钝化机的研制和生产使用实践，初步掌握了一些规律，针对不同加工条件，选择刃口型式和钝化参数十分重要。由于刀片材质不同，加工条件不同，所选用的刃口型式和刃口钝化形状的参数也不同，否则达不到延长刀具寿命的预期效果。见如下参数推荐表： 

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>刀片

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>加工条件

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>刃口型式

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>刃口钝化值

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>(mm)

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>硬

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>质

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>合

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>金

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>铸铁件

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>精加工

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 56pt; LINE-HEIGHT: 17pt; mso-line-height-rule: exactly”>锋 刃

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>0.01-0.03

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>粗加工

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>0.03-0.05

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>冲击加工

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; mso-line-height-rule: exactly”>负倒棱刃: γ_{01= -15°,}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 60pt; LINE-HEIGHT: 17pt; mso-line-height-rule: exactly”>b_{01=(0.5-0.8)f}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>0.05-0.10

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>钢件

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>精加工

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; mso-line-height-rule: exactly”>负倒棱刃: γ_{01= -15°,}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>         b_{01=(0.5-0.8)f}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>0.01-0.03

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>粗加工

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>0.03-0.05

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>冲击加工

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; mso-line-height-rule: exactly”>负倒棱刃: γ_{01= -20°,} 

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 60pt; LINE-HEIGHT: 17pt; mso-line-height-rule: exactly”>b_{01=(0.8-1.2)f}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>0.05-0.10

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>陶瓷

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center> 铸铁件

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 3.5pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center> 钢件

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>粗精加工

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; mso-line-height-rule: exactly”>负倒棱刃: γ_{01= -30°,} 

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>          b_{01=(0.8-1.2)f}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>0.02-0.05

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>冲击加工

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; mso-line-height-rule: exactly”>负倒棱刃: γ_{01= -30°,}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; mso-line-height-rule: exactly”>          b_{01=(0.8-1.5)f}

normal style=”MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 17pt; TEXT-ALIGN: center; mso-line-height-rule: exactly” align=center>0.05-0.10

　　与国外刃口钝化参数相对照，占70%刀具钝化值是在0.0254-

　　0.0762之间。最大值：0.127-0.2032mm。最小值：一根头发丝0762mm的1/6，即0.0127mm。即使钝化那么小，也明显地强化了刀具刃口。

　　从大量的刃口钝化实践经验证实：

　　1）刃口不一定越锋利越好，也不一定是越钝越好。针对不同加工条件确定不同钝化值才是最好。

　　2）刃口钝化与刃口型式相结合，是最普遍最有效提高刃口强度和提高刀具寿命降低刀具费用的措施。

　　3）用微粉砂轮刃磨负倒棱，其微观缺口小(可达0.005-0.010

　　mm)，加上小钝化参数(0.010-0.030mm),使刃口即锋利坚固又耐用。

　　有资料表明国外采用较多。

　　五、刀片刃口钝化效果及经济性

　　这里，以国内目前普遍使用的硬质合金，陶瓷可转位刀片和整体刀具为例，经刃口钝化后大量实际使用效果综合统计，分别进行测算，以供参考。

　　1、可转位刀片钝化的效果

　　硬质合金可转位刀片：方形d=15.875，S=4.76，后角α。=　11°，单面钝化，每片刀片售价8元，按平均提高寿命25%，则每片刀片节约价值为2元。陶瓷可转位刀片：方形d=12.7，S=6.35，后角α。=0°,双面钝化，每片刀片售价28元，按平均提高寿命30%，则每片刀片节约价值为8.4元。

　　2、整体刀具钝化的效果：

　　以φ40mm高速钢或硬质合金螺旋立铣刀为例，钝化前，刀具刃口的微观缺口为0.020—0.040mm，经钝化后其刃口钝化值为0.040—0.050mm。经9组钝化与不钝化刀具在同等切削条件下对比，其刀具耐用度平均提高47.4%，同时加工表面由原来Ra 6.3μm稳定达到Ra  3.2μm。

　　3、钝化机钝化能力及创造价值

　　硬质合金可转位刀片：按平均一次装30片、单面钝化需15分，每小时可钝化120片，每班（按6小时）可钝化720片，每班合1440元，每月（按20天）合2.88万元，一年可钝化17.28万片，创造价值34.56万元。陶瓷可转位刀片：按平均一次装40片，双面钝化需30分，每小时可钝化80片，每班（按6小时）可钝化480片，合4032元。每月合8万元，一年可钝化11.52万片，创造价值96万元。

　　由上述钝化能力计算，一般一个中小工具厂或一个大中型机械厂有1台钝化机就够了，即使设备利用率在30-50%，其为工厂的节约价值也是可观的。如1台钝化机价格1.98万/台，不到1个月设备投资就可以收回了。

　　六、结语：

　　综上所述，刀片刃口钝化技术十分重要，正如我国古人所说：“千里之堤，溃于蚁穴”，刀片刃口微观缺口这个“蚁穴”虽小，却影响刀具性能和寿命这个“千里之堤”，是不可小视的大问题。

　　刀片刃口钝化技术是提高刀具寿命减少刀具消耗的有效措施之一，无论在经济和技术两个方面都是可行的，有效的，进一步推动我国切削加工水平的提高，缩小与国外刀具切削性能的差距。

　　本文对刀具刃口钝化技术实践刚刚起步，缺乏经验，有很多不完善之处，有待进一步改进。提出来的目的是“抛砖引玉”，望引起更多的关注和深入研究，使刀具钝化技术提高一个新水平。