德国轿车齿轮加工技能，震撼解读！
现在，我国已成为世界地一轿车制作与销售大国，轿车制作业已成为我国经济不可或缺的支柱产业。轿车齿轮制作与运用量（主机及配件运用）无疑成为世界地一。
轿车齿轮作为轿车上要害零件，首要用于传递动力和运动，并通过它们来改动发动机曲轴和主轴齿轮的速比。因为轿车行进状况随路况随机改变，因而轿车齿轮的工作状况非常复杂，这就要求轿车齿轮具有杰出的内质量。
轿车齿轮热处理工艺、特点与效果
轿车齿轮的内涵质量首要是指齿轮的显微安排、力学功能等目标满意技能要求，一起其他缺陷必须操控在规则的技能范围之内。
轿车齿轮内涵质量的好坏是决定齿轮质量的要害，其彻底取决于热处理质量，是齿轮完成低噪声、，长寿命的要害因素。
轿车齿轮热处理（工艺）包括：一是普通热处理，如退火、正火、淬火、回火、调质；二是外表热处理，其包括外表淬火（如感应淬火、激光淬火等）和化学热处理（如渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗等）。
1调质
调质是将齿轮等零件淬火后进行高温（500~650℃）回火的操作。调质处理常用于含碳量0.3%~0.5%（质量分数）的碳素钢或合金钢制作的齿轮。
调质能够细化晶粒，并获得均匀、具有必定弥散度、尤秀力学功能的回火索氏体安排。一般经调质处理后，齿轮硬度可达220~285HBW。调质齿轮的归纳功能优于正火。
调质常用于齿轮的准备热处理（如渗氮、感应淬火前的调质处理）和终究热处理。
2外表淬火
齿轮齿面淬火硬度一般为45~55HRC。外表淬火齿轮承载才能高，并能够承受冲击载荷。通常外表淬火齿轮的毛坯经正火或调质处理，以便使齿轮心部有必定的强度和韧度。
外表淬火首要有感应淬火、激光淬火与火焰淬火等。与渗碳淬火比较，外表淬火变形小、成本低、。
轿车齿轮外表淬火首要选用感应淬火工艺。因为感应加热速度快，几乎没有氧化、脱碳，齿轮变形很小，还易于完成局部加热及主动化生产，热处理成本低。因而，在现代化轿车行业中得到广泛应用。
3渗碳与碳氮共渗
渗碳淬火
渗碳淬火是先将齿轮等零件放入渗碳介质中，在880~950℃下加热、保温，使齿轮外表增碳，然后进行淬火。
轿车齿轮常用气体渗碳工艺。渗碳淬火、回火后齿轮外表硬度一般在58~63HRC。现在，渗碳淬火已经成为重要轿车齿轮（如差速器齿轮、驱动桥主从动弧齿锥齿轮、变速器齿轮等）的主导热处理工艺。
碳氮共渗
近几年轿车用主动变速器AIT渗碳齿轮的齿面在工作中的实践温度约达300℃，远高于正常的回火温度（150~200℃）。这种外表的温度将导致硬度下降，引发点蚀的产生。选用碳氮共渗后喷丸硬化可进步疲惫强度。在碳氮共渗时，随着含氮量的添加ΔHV（硬度降）进步，抗回火功能进步，抗回火温度到达300℃。
4渗氮与氮碳共渗
渗氮
渗氮是向齿轮等零件外表进入氮原子形成氮化层的化学热处理工艺。渗氮能够进步齿轮外表硬度、耐磨性、疲惫强度及抗蚀才能。渗氮处理温度低，因而齿轮变形小，无需磨削或只需精磨即可。
日本在轿车变速器齿轮热处理时选用渗氮工艺，德国Clocker-离子公司将离子渗氮应用于轿车齿轮，均进步了齿轮精度和运用寿命。
氮碳共渗
氮碳共渗是以渗氮为主一起进入碳的化学热处理工艺。氮碳共渗能够显著进步齿轮的耐磨性、抗胶合和抗擦伤才能、耐疲惫功能及耐腐蚀功能。现在，气体氮碳共渗应用于轿车、轻型客车变速器齿轮等零件。
轿车齿轮热处理的开展趋势
未来轿车齿轮正向重载、高速、和率等方向开展，并力求尺寸小、重量轻、寿命长和经济可靠。
（1）高品质
首要表现在：资料的均匀性，即要求资料具有杰出的成分和安排的均匀性；温度场和流体场，即不断改进温度场和各种流体场，如渗碳、渗氮、碳氮共渗的流体场和淬火的液体场的改进，进一步进步齿轮内涵质量。
（2）低能耗
齿轮热处理先进配备的研制和开展，如开发更好的炉衬耐热和保温节能资料，尽可能下降炉壁温升，削减炉壁热损耗；废热归纳使用，如铸造余热的使用，进行铸造余热正火等，下降齿轮成本。
（3）环保
研究开发齿轮的新工艺，这些新工艺少（无）污染、环保，如低压真空渗碳、离子渗氮、双频感应淬火、激光淬火、稀土及BH催渗等技能的开展。
（4）智能化
智能化是齿轮热处理操控技能开展的必然趋势，计算机、传感器、智能库将构成智能热处理的中心，首要表现在：依据齿轮等零件的资料、技能要求等，体系主动生成工艺；生产过程的彻底闭环主动操控；齿轮等零件的热处理质量的预测、预判；体系故障主动诊断与处置；在线的自适应及应急应变才能，如开发了离子渗氮、碳氮共渗所用的氮势传感器和低压渗碳的碳势传感器等。
高温合金
一、高温合金的概念、原理和分类
高温合金一般是指能在600~1200℃的高温下抗痒化、抗腐蚀、抗蠕变，并能在较高的机械应力效果下长期作业的合金资料。
高温合金强调的不是耐受温度指标，耐受温度比高温合金高的资料有很多，比如难熔合金、陶瓷及碳碳复合资料等。高温合金底子的特性在于必定温度下所具有的高强度。以一般的修建用钢材为例，它在室温下强度很高，但在修建焚烧时强度会急剧下降，从而导致修建坍塌。高温合金的长处是，在600~1200℃的高温下，它仍然能坚持极高的强度和硬度以接受较高的载荷。因而俄罗斯将其称为热强合金，而欧美称之为超合金（superalloy）。
一般钢材含有十多种化学元素，而高温合金一般含有超越30-40种元素，高温合金之所以能在高温下坚持较高的强度和硬度首要原因在于这些元素在安排中发挥着强化金属功能的效果。
高温合金的分类有多种：1）按制造工艺分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温冶金三类。2）按合金的首要元素分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金三类。3）按强化办法分为固溶强化、时效强化、氧化物弥散强化和晶界强化等。
以工艺分类来看，变形高温合金运用规划广，占比达70%，其次是铸造高温合金，占比20%。以合金首要元素来看，镍基高温合金运用规划广，占比达80%，其次为镍-铁基，占比14.3%，钴基占比少，占比5.7%。
二、高温合金展开进程及概略
高温合金早诞生于20世纪初期的美国，被用作车站的防腐支架。从开端，高温合金的研发进入了高速展开时期，镍基高温合金、钴基高温合金、铁基高温合金纷纷研发成功，并大量运用。现在镍基高温合金是现代航空发起机、航天器和火箭发起机以及舰船和工业燃气轮机的要害热端部件资料（如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、焚烧室等），也是核反应堆、化工设备、煤转化技能等方面需求的重要高温结构资料。
高温合金的展开首要阅历了几个阶段：二十世纪40时代以前提出概念，40-50时代实现在喷气发起机的运用，50-60时代在真空熔炼技能取得重大进展，60-70时代会集在合金化方面，70时代后首要在工艺研讨方面，定向凝结、单晶合金、粉末冶金、机械合金化和陶瓷过滤等新工艺成为高温合金展开的首要动力，其间定向凝结工艺制备的单晶合金尤为重要，在航空发起机涡轮叶片中运用尤为广泛。二十世纪80时代以来，国内外广泛展开数值模仿研讨，取得了重要进展，并在此基础上展开了显微安排及冶金缺点猜测研讨。
三、镍基高温合金
在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特别重要的地位，与铁基和钴基合金比较，镍基合金具有更好的高温功能、良好的抗痒化和抗腐蚀功能。镍基高温合金是高温合金中运用广、高温强度蕞高的一类合金。其首要原因，一是镍基合金中能够溶解较多合金元素，且能坚持较好的安排安稳性；二是能够构成共格有序的A3B型金属间化合物[Ni3(Al,Ti)]相作为强化相，使合金得到有用强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基高温合金具有比铁基高温合金更好的抗痒化和抗燃气腐蚀才能。能够说，镍基高温合金的展开决定了航空涡轮发起机的展开，也决定了航空工业的展开。选用定向凝结技能制备出的镍基单晶合金，其运用温度已接近合金熔点的90%，成为今世先进航空发起机热端部件不行替代的重要结构资料。
镍基高温合金含有十多种元素，增加合金元素对高温合金的功能起要害的效果。以铸造镍基高温合金为例，铸造镍基高温合金以γ相为基体，增加铝、钛、铌、钽等构成γ’相进行强化，γ’相数量较多，有的合金高达60%；参加钴元素能前进γ’相溶解温度，前进合金的运用温度；钼、钨、铬具有强化固溶体的效果，铬、钼、钽还能构成一系列对晶界发生强化效果的碳化物；铝、铬有助于抗痒化才能，但铬下降γ’相的溶解度和高温强度，因而铬含量应低些；铪改进合金中温塑性和强度；为了强化晶界，增加适量的硼、锆等元素。研讨标明，GMR235铸态合金的含碳量为0.18%时，高温耐久寿数和抗拉强度蕞大，且具有较好的塑性，增加硼和锆的合金耐久性明显改进，合金的枝晶距离削减，碳化物的析出量削减且碳化物颗粒细化，从而改进各方面功能。
镍基高温合金是20世纪30时代后期开端研发的。英国于1941年首先出产出镍基高温合金Nimonic75；为了前进蠕变性又增加了铝，研发出Nimonic80。美国于40时代中期，苏联于40时代后期，我国于50时代中期也研发出镍基合金。
镍基合金的展开包含两个方面：合金成分的改进和出产工艺的改造。50时代初，真空熔炼技能的展开，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50时代后期，因为涡轮叶片作业温度的前进，要求合金有更高的高温温度，可是合金的强度高了，就难以变形，乃至不能变形，于是选用熔模精细铸造工艺，展开出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60时代中期展开出功能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满意舰船和工业燃气轮机的需求，60时代以来还展开出一批抗热腐蚀功能较好、安排安稳的高铬镍基合金。在从40时代初到70时代末大约40年的时间内，镍基合金的作业温度从700℃前进到1100℃，平均每年前进10°C左右。
镍基高温合金按照制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金。
3.1 变形高温合金
变形高温合金是高温合金中运用广的一类，占比到达70%。变形高温合金首要选用常规的锻、轧和揉捏等冷、热变形手段加工成材。我国镍基变形高温合金以拼音字母GH加序号表明，如GH4169、GH141等。
变形高温合金塑性较低，变形抗力大，运用一般的热加工手段变形有必定困难，因而需求采纳钢锭直接轧制、钢锭包套直接轧制和包套墩饼等新工艺来加工，也选用加镁微合金化和弯曲晶界热处理工艺来前进塑性。
变形高温合金在航空发起机中至今仍然是首要用材。其间GH4169在我国航空发起机中已得到广泛运用，被称为高温合金中的。其材质水平和加工工艺水平近年来得到明显前进。GH4169合金的冶金产品有不同标准的锻棒、热轧棒、冷拉棒、板、带、丝、管和锻件，制造的零件有各类盘、转子、环、机匣、轴、紧固件、弹性元件、阻尼元件等。
3.2 铸造高温合金
跟着运用温度和强度的前进，高温合金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须选用铸造工艺进行出产。另外，选用冷却技能的空心叶片的内部杂乱型腔，只能选用精细铸造工艺才能出产，因而镍基铸造高温合金在实际出产运用中不行缺少。铸造高温合金运用也较为广泛，占比约20%。国内的铸造高温合金以“K”加序号表明，如K1、K2等。
按结晶办法，铸造高温合金又能够分为多晶铸造高温合金、定向凝结铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金等4种类型。铸造高温合金的特点是：1）具有更宽的成分规划。因为不用统筹变形加工功能，合金的规划能够会集考虑优化其运用功能。2）具有更广阔的运用领域。因为铸造办法具有的特别长处，可依据零件的运用需求，规划、制造出近终型或无余量的具有任意杂乱结构和形状的高温合金铸件。
加工（High Performance Machining，HPM）是在确保零件精度和质量的前提下，通过对加工进程的优化和进步单位时间资料切除量来进步加工效率和设备使用率、下降生产成本的一种高功用加工技能。在某些程度上，可以以为加工涵盖了高速加工。
在加工体系中，刀具是完结切削加工的东西，直触摸摸工件并从工件上切去一部分资料，使工件得到契合技能要求的形状、尺度精度和外表质量。在整个加工进程中，刀具直接与工件触摸，会呈现严重的刀具磨损现象，因而刀具也是加工进程中的一大消耗品。刀具技能的内在包含刀具资料技能、刀具结构规划和成形技能、刀具外表涂层技能等，也包含了上述单项技能归纳交叉构成的高速刀具技能、刀具可靠性技能、绿色刀具技能、智能刀具技能等。刀具作为机械制作工艺配备中重要的一类根底部件，其技能开展又构成智能制作、精细与微纳制作、仿生制作等根底机械制作技能，以及液密气密、齿轮、轴承、模具等根底部件技能的支撑技能。
刀具在切削进程中承受深重的负荷，包含高的机械应力、热应力、冲击和振荡等，如此恶劣的工作条件对刀具功用提出了高要求。在现代切削加工中，率的寻求以及大量难加工资料的呈现，对刀具功用提出了进一步的应战。因而，挑选刀具资料、规划刀具结构、开展刀具涂层和高功用刀具技能成为进步切削加工水平的要害环节。
加工刀具
刀具资料
刀具资料对刀具寿数、加工效率和加工质量等有着重要影响。目前，刀具资料首要有高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬资料等。
高速钢（HSS）是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的东西钢，其热处理工艺较为杂乱，有必要通过淬火、回火等一系列进程。高速钢合金元素含量较多，总量可达10%~25%。
按所含合金元素不同可分为：钨系高速钢、钨钼系高速钢、高钼系高速钢、钒高速钢和钴高速钢。含钴高速钢一般是在通用高速钢的根底上参加5%~8% 钴，可显著进步钢的硬度、耐热性和耐性。粉末冶金高速钢安排均匀，晶粒细微，消除了熔铸高速钢难以避免的偏析，因而比相同成分的熔铸高速钢具有更高的耐性和耐磨性，一起还具有热处理变形小、锻轧功用和磨削功用良好等优点。高速钢资料首要用于制备各种成形拉刀（整体式、组合式）、高速滚刀、剃（插）齿刀、轮槽刀等，大量应用在轿车、航空发动机、发电设备等制作职业，加工高强度、高硬度铸铁（钢）合金。
陶瓷资料首要是离子键和共价键结合，其结合力是比较强的正负离子间的静电引力或共用电子对，所以熔点高、硬度高，具有优异的绝缘性和化学安稳性。
按化学成分，淘瓷刀具资料可分为氧化物基陶瓷、碳化物基陶瓷、碳氮化物基陶瓷和硼化物基陶瓷。因为具有高的硬度、强度与耐磨性，淘瓷刀具可用来加工淬火钢、高强度钢、不锈钢以及各种合金钢和碳钢，还可以加工各种高硬度的合金铸铁。可是淘瓷刀具具有一个共性，就是易崩刃，故而应用规模比较局限。
聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）、立方氮化硼（CBN）、单晶金刚石等超硬资料具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点，已敏捷应用于高硬度、高强度、难加工有色金属（合金）及有色金属- 非金属复合资料零部件的高速、、干（湿）式机械切削加工职业中。
天然金刚石作为超精细加工刀具不行代替的资料，应用于各种精细仪器透镜、反射镜、计算机磁盘等工件的精细（超精、纳米级）车削加工。
PCD 刀具与天然金刚石刀具功用挨近，具有优异的耐磨性，可用来加工有色金属和非金属资料，还可用来精加工难加工资料，如硬质合金和归吕合金。
立方氮化硼（CBN）是硬度仅次于金刚石的超硬资料。它不但具有金刚石的许多尤秀特性，而且有更高的热安稳性和对铁族金属及其合金的化学惰性，可用于加工金刚石刀具不能加工的黑色金属及其合金资料。
刀具结构规划
刀具结构包含刀具自身及各功用部件外部形状、装夹办法、切削刃区几许角度和截形。
刀具许规划首要针对刀刃强度，刀具的容屑、断屑，刀具可靠性、安全性等基本刀具几许功用，也是刀具规划的首要打破方向。
未来开展中，在结构上呈现了针对难加工资料的变螺旋角规划、变齿距规划以及可下降切削振荡的消振棱规划技能，而刃口钝化处理技能和负倒棱规划技能可显著进步刀刃强度，且随着微纳制作研讨领域的打破逐步构成产业化技能。
刀具物理规划方面目前以刀具资料功用的改进为主，并逐步开端朝着针对特定加工条件、工件资料进行定制化规划刀具物理功用的方向开展。
现代刀具技能的开展，应一起满足刀具功用和绿色、低耗的要求，刀具几许规划和物理规划都趋于精细化、专用化、智能化、柔性化。在确保刀具功用的前提下，有利于完成刀具收回再使用的规划与成形技能将受到重视。
刀具涂层
刀具外表涂层以增效和延寿为意图，是将耐高温、耐磨损的资料涂覆在刀具基体资料外表。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，然后减少了刀具的月牙槽磨损。涂层刀具具有外表硬度高、耐磨性好、化学功用安稳、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性。
目前，常用的刀具涂层办法有化学气相堆积法（CVD）、物理气相堆积法（PVD）、等离子体化学气相堆积法（PCVD）、热喷涂法和离子束辅佐堆积法（IBAD），其间以PVD 和CVD 应用为广泛。
刀具的涂层技能目前现已成为进步刀具功用的要害技能。在涂层工艺方面，CVD 仍然是可转位刀片的首要涂层工艺，开发了中温CVD、厚膜Al2O3 等新工艺，在基体资料改进的根底上，使CVD 涂层刀具的耐磨性和耐性都得到进步。CVD涂层技能的未来开展方向是高功用CVD 刀具涂层工艺技能及配备制作技能，包含制备厚膜α-Al2O3 的要害工艺技能、微粒润滑的Al2O3 膜的制备技能；防腐真空获得体系及气体输入体系的研讨开发；洁净反应源的研讨及废弃（气）物后处理技能。PVD 同样取得了重大进展，开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层，如纳米、多层结构等，从早的TiN 涂层到TiCN、TiAlN、A l2O3、C r N、Z r N、C r A l N、T i S i N、TiAlSiN、AlCrSiN 等硬涂层及超硬涂层资料。PVD 涂层技能的未来开展方向是类金刚石涂层、CBN 涂层、大面积等离子涂层技能。等离子体化学气相堆积法（PCVD）是将高频微波导入含碳化物气体发生高频高能等离子，或许通过电极放电发生高能电子使气体电离成为等离子体，由气体中的活性碳原子或含碳基团在合金的外表堆积的一种涂层制备办法。等离子体对化学反应有促进作用，使等离子体化学气相堆积法可以把堆积温度降至600℃以下。在该温度下，刀具基体与涂层资料之间不会发生扩散、交换反应或相变，刀具基体可以坚持原有的强耐性。
刀具涂层技能向物理涂层附加大功率等离子体方向开展；功用薄膜向着多元、多层膜的方向开展；并研讨集硬度、化学安稳性、抗痒化性于一体且具有低内应力和高附着力的薄膜制备技能。图5（a）为多层涂层，其内层的TiCN 与基体有较强的结合力和强度，中心的Al2O3 作为一种有用的热屏障可答应有更高的切削速度，外层的TiCN 确保抗前刀面和后刀面磨损能力，外一薄层金黄色的TiN 使得简单区分刀片的磨损状态；图5（b）中纳米涂层与传统涂层相比，具有超硬度、超模量和高红硬性效应，而且显微硬度可超过40GPa ；图5（c）纳米复合结构涂层（nc-Ti1-xAlxN）/（α-Si3N4）在强等离子体作用下，纳米TiAlN 晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4 体内，当TiAlN晶体尺度小于10nm 时，位错增殖源难于启动，而非晶态相又可阻止晶体位错的搬迁，即便在较高的应力下，位错也不能穿越非晶态晶界。这种结构薄膜的硬度可以到达50GPa 以上，并可坚持相当优异的耐性，且当温度到达900~1100℃时，其显微硬度仍可坚持在30GPa 以上。
C
刀具经过砂轮刃磨后，刃口会存在不同程度的微观缺陷，在切削过程中，刀具刃口微观缺口极易扩展，加快刀具的磨损和损坏。刃口钝化是延常刀具寿命的金属切削配套技术，能有效减少或消除刃磨后的刀具刃口微观缺陷，以达到圆滑平整，提高刀具抗冲击性能，使刀具刃口锋利坚固。
刃口钝化方式可分为传统刃口钝化和特种刃口钝化。传统刃口钝化方式主要包括磨削钝化、毛刷钝化、拖曳钝化和喷砂钝化等；特种刃口钝化方式主要包括激光钝化、电火花电蚀钝化、电化学钝化和磨料水射流钝化等。
喷砂是以压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到需要处理的工件表面，实现对工件表面的加工。由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，工件的表面性能和形状会发生改变。而微喷砂技术是以传统喷砂技术为基础，采用微米级尺寸的磨料颗粒来进行待加工表面处理的技术，广泛应用于材料的表面处理，包括表面清洁、表面钝化和表面形貌处理。微喷砂处理的材料去除机理，包括裂纹扩展导致的脆性去除和磨料微切削产生的塑性去除。微喷砂技术在刀具领域主要应用在表面处理方面，如涂层刀具。通过对刀具基体表面进行相应的微喷砂处理，来改变基体的表面形貌，以增加涂层与刀具基体之间的粘结力，提高刀具的切削寿命。研究表明，对刀具的涂层表面进行微喷砂处理可以增加涂层硬度，提高刀具切削寿命。微喷砂技术在刀具刃口钝化领域没有得到广泛应用，理论研究还不充分。
本文通过微喷砂技术对硬质合金刀片YT15进行刃口钝化，研究微喷砂工艺参数对刃口半径的影响以及微喷砂处理对刃口质量的影响，并分析微喷砂处理的材料去除机理。
1试验步骤
试验以喷砂压力P、磨料比重W和喷砂时间T为因素，其中磨料比重W为磨料占水和磨料总质量的比重。每个因素设4个水平，进行64组全因素刃口钝化试验，因素水平见表1。
表1 微喷砂全因素试验因素水平
采用湿式手动喷砂机，喷砂角度45°，喷砂距离8mm。磨料为320目白刚玉，微喷砂加工如图1所示。选用可转位硬质合金刀片YT15，其尺寸标准为SNMN120404，相应的材料性能见表2。通过激光共聚焦显微镜(LSM，Keyence VK-X200K)对微喷砂处理后的刀片刃口进行观测，试验观测指标为刀片刃口半径r和刃口线粗糙度Ra，终结果为三次测量后的平均值。同时对其刃口形貌进行扫描电子显微镜镜(SEM)观察，分析刃口材料去除机理。
图1 硬质合金刀具YT15微喷砂加工示意图
表2 硬质合金刀具YT15物理力学性能
2试验结果与分析
(1)微喷砂工艺参数对刃口半径的影响
图2为硬质合金刀具YT15刃口半径随微喷砂各工艺参数的变化趋势。图2a、图2b、图2c和图2d分别是在喷砂时间为20s、30s、40s和50s时刃口半径随喷砂压力的变化图。对比发现，在相同的喷砂压力和磨料比重下，随喷砂时间的增加，刀具刃口半径增大，这实质上是材料去除随着时间累积的结果。在相同的喷砂时间和磨料比重下，随喷砂压力的增加，刀具刃口半径增大。这是因为随着喷砂压强的增加，磨料流的出口速度增加，单颗粒磨料速度也相应增加。
硬质合金可看作是硬脆材料，根据单颗粒磨料冲蚀模型可知，单颗粒磨料的材料去除量与磨料颗粒的速度的指数成正比，使得单颗粒磨料的材料去除量增加。同时磨料流速度的增加，使单位时间内有效冲击刀具刃口的磨料颗粒数量增加，刃口材料的去除量变大。因此，增加喷砂压力相当于既增加磨料比重又增加喷砂时间，两者的共同作用使刃口半径增大。
由图2分析磨料比重对刀具刃口半径的影响可知，在喷砂压力为0.2MPa和0.25MPa时，随着磨料比重的增加，刀具的刃口半径先增大而后减小；而在喷砂压力为0.3MPa和0.35MPa时，随着磨料比重的增加，刀具的刃口半径呈现一直增大的趋势。同理，根据单颗粒磨料冲蚀模型分析可知，当喷砂压力较小时，随着磨料比重的增加，虽然单颗粒磨料速度减小，但是单位体积内磨料颗粒的数量增加，造成单位时间内磨料颗粒对刀具刃口的冲击次数增加，所以刃口材料的去除量变大。当磨料比重过大时，根据能量守恒可知，磨料流的速度减小很多，其中磨料颗粒的速度大幅降低，不仅减少了单颗粒磨料材料的去除量，也使单位时间内磨料对刀具刃口的冲击次数减少，进一步减少材料去除量，使得刃口半径随着磨料比重的增加先增大后减小。当喷砂压力较大时，随着磨料比重的增加，在单位时间内增加的磨料对刀具刃口的冲击次数所增加的材料去除量要多于单颗粒磨料速度降低而减少的材料去除量。总的来说，单位时间内材料去除量增加，因此在较大喷砂压力下，刀具的刃口半径随着磨料比重的增加而增加。
(a)T=20s(b)T=30s(c)T=40s(d)T=50s
图2 刃口半径随微喷砂各工艺参数的变化趋势
(2)微喷砂处理对刃口线粗糙度的影响
图3是硬质合金刀片YT15经过微喷砂刃口钝化处理前后的切削刃形貌。采用微喷砂工艺参数：喷砂压力P=0.2MPa，磨料比重W=0.1，喷砂时间T=30s。通过测量得到切削刃的相关参数见表3。
图3 未处理刀片与微喷砂刃口钝化刀片的切削刃形貌
可以发现，硬质合金刀片YT15的刃口轮廓由原来的r=6μm锐刃变成r=27μm的圆弧刃口。其切削刃形貌得到改善，刃口线粗糙度Ra由原来的0.79μm下降到0.5μm，Ry则由原来的6μm下降到3μm。这是由于微喷砂处理消除了刀具刃磨时产生的微观缺陷，改善了刃口质量。
表3 未处理刀片与微喷砂刃口钝化刀片刃口参数对比(μm)
图4是微喷砂全因素试验时硬质合金刀片YT15的刃口线粗糙度的分布情况。可以得出，硬质合金YT15刀片的刃口线粗糙度为0.3-0.8μm，满足刀片的刃口粗糙度要求。
图4 硬质合金刀具YT15刃口线粗糙度分布
(3)微喷砂刃口材料去除机理研究
刀片的微喷砂过程实质上是高速磨料射流冲击材料表面，实现材料的去除。其材料去除机理主要归结为磨料颗粒对材料的去除方式。对于脆性材料，其去除机理往往不只有脆性去除，还包括磨料颗粒的微剪切引起的塑性去除。
图5是硬质合金刀具YT15在喷砂压力P=0.25MPa、磨料目数M=320、喷砂时间T=20s和磨料比重W=0.1时的刃口形貌。可以看出，经过微喷砂处理后，刀具出现了圆弧刃口，对其圆弧刃口的区域A进行放大，可以观察刃口材料去除形成的微观形貌。通过区域B可以看出，其硬质合金中硬质相的去除多为由裂纹扩展造成的脆性断裂，这是由于棱角尖锐的磨料颗粒对于硬质相的冲击作用，使之产生径向裂纹和侧向裂纹，由于磨料颗粒的高频率冲击，进而造成侧向裂纹的扩张形成网状裂纹，达到材料的去除。对于C区域的观察，也可以发现刃口材料上存在磨料颗粒的刻划痕迹，这主要是由于具有锋利刃口的白刚玉磨料颗粒对工件材料的微切削作用导致。由于刀具材料中除硬质相成分外，还包括粘结相，其微切削作用相对于粘结相更为明显，粘结相材料先于硬质相去除，使得硬质相成分显露出来。因此微喷砂处理硬质合金刀具YT15的材料去除机理，包括由磨料冲击和水楔作用引起裂纹扩展而导致硬质相材料的脆性去除，还包括磨料颗粒的微切削作用引起的材料塑性去除。
图5 硬质合金刀具YT15微喷砂刃口形貌SEM图
小结
微喷砂处理可以对硬质合金刀具YT15刃口进行有效钝化，形成一定圆弧半径的刀具刃口。研究表明，刃口圆弧半径随着微喷砂时间和喷砂压力的增加而增大。对于磨料比重而言，在喷砂压力为0.2MPa和0.25MPa时，随着磨料比重的增加，刀具刃口半径先增大而后减小；在喷砂压力为0.3MPa和0.35MPa时，随着磨料比重的增加，刀具刃口半径呈现一直增大的趋势。微喷砂处理可有效改善硬质合金刀具YT15的刃口质量，消除微观缺陷，降低刃口线粗糙度，在结构上对刀具刃口进行钝化。硬质合金刀具YT15刃口材料的去除机理，包含由裂纹扩展而导致硬质相材料的脆性去除和微切削作用引起的材料塑性去除。