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鍵因素。一般而言，增大切削刃的鈍圓半徑有助於更高效地切除金屬材料，並延長刀具壽命。科研機構和刀具製造商已對其中的機理進行了詳儘的研究。

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生崩刃，造成局部刃口加速破損。對切削刃周圍摩擦剪切應力的詳細分析表明，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 Vapormatt公司開發的濕式噴砂機1

現代刀具依靠超硬表麵塗層(如TiN或CrN塗層)來提高其切削性能。采用物**相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)工藝塗覆的這些塗層可以顯著提高刀具切削刃的硬度和耐用性。由於這些塗層的硬度(高達HV3400)通常要比基體材料的硬度(硬質合金約為HV1700)高一倍，因此，塗層與基體之間的粘附性往往成為刀具壽命的限製因素之一。

因此，刀具基體的刃口鈍圓半徑及其表麵光潔度對於刀具的*終性能至關重要。塗層沉積工藝趨向於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。由於切削工件時該區域會承受極大的應力，因此更容易產生裂紋，成為隨後加速破損的起始點。

為了*大限度地提高塗層與基體之間的粘附性，基體表麵必須非常潔淨。在一項名為“通過微噴砂改善硬質合金刀片上高粘附性PVD薄膜的切削性能”的研究中，研究人員發現，僅僅通過磨削並不能提供獲得良好塗層粘附性所需的理想表麵光潔度。因此，刀片通常需要進行磨削+微噴砂或拋光+微噴砂處理。研究發現，拋光+微噴砂處理的效果更好(在這兩種處理方法中，微噴砂均采用乾式噴砂)。

圖2 工作中的噴砂頭

在該研究項目中，刀片表麵粘附性的測量方式是進行重複傾斜衝擊測試，直至表麵破損。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。塗層的粘附性從HF1到HF6分為6個等級(HF1表示粘附性*好)。濕式微噴砂的一個主要好處是：可以從刀片表麵去除過多的鈷結合劑，這些鈷結合劑可能會對表麵塗層的粘附性產生不利影響。然而，采用毛刷刷或乾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麵**乾淨。

現在，Vapormatt公司(與其它刀具製造商合作)發現，為了獲得高質量的塗層前預處理表麵，可采用濕式噴砂來替代兩級拋光和乾式噴砂處理工藝。采用濕式噴砂技術，可以達到HF1的塗層粘附性，而且刀具表麵不會產生靜電或吸附灰塵。

采用濕式噴砂對硬質合金刀具進行塗層前預處理(尤其是在噴砂處理後馬上進行衝洗和乾燥)的一個主要優勢是：處理後的刀具表麵**活性。事實上，其表麵活性如此之高，以至於現有的表麵活性測量裝置(如測角係統或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)。這種活性表麵進一步增強了塗層的結合力。成功進行塗層前濕式噴砂處理的一個關鍵是通過工藝控製，確保清潔表麵的一致性，包括進行衝洗、在去離子(DI)水中漂洗並立即吹乾。

圖3 噴砂處理後的刀片必須進行清洗和乾燥

正如刀具基體得益於微噴砂處理工藝一樣，塗層刀具本身也從中受益非淺。上述項目的研究人員分彆對采用磨削+微噴砂工藝和拋光+微噴砂工藝處理的硬質合金銑刀片進行了測試。對經過塗後微噴砂處理的PVD薄膜的研究表明，塗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)。工藝試驗分彆采用了兩種噴砂壓力(2巴和5巴)，結果表明，5巴的噴砂壓力可以提高淺表層的硬度。

隨後，對塗層刀片進行了銑削試驗。試驗中，測量了刀片的後刀麵磨損，並將後刀麵磨損達到0.2mm設定為刀具報廢標準。經過磨削+微噴砂處理的刀片樣品的刀具壽命*多延長了15%，而經過拋光+微噴砂處理(可用濕式微噴砂預處理代替)的刀片樣品的刀具壽命*多延長了70%(噴砂壓力為5巴時)。

通過檢查磨損痕跡，並對相關的應力進行有限元分析，確定了兩種截然不同的刀具失效模式。對於經過磨削+微噴砂處理的刀具樣品，失效的主要原因是PVD塗層的粘附性不足;而對於拋光+微噴砂處理的刀具樣品，失效模式則是PVD塗層內的疲勞所致。因此，為了通過塗後微噴砂提高PVD塗層的納米硬度，從而使加工效益*大化，還必須進行合理的塗前預處理。

已經上市的自動化濕式噴砂生產線可以實現所有這些功能，包括刃口倒圓、PVD/CVD塗層的塗前和塗後處理、衝洗、去離子水漂清和後續乾燥。為了美觀起見，刀片應進行噴霧衝洗、清洗和用熱空氣吹乾，使其達到包裝入庫的標準。

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，取決於濕式噴砂機需要完成多少個工藝步驟。對塗層進行塗前和塗後處理所需的時間約為刃口倒圓處理時間的1/2。