李忠榮，張龍強(qiáng)，閻秋生，路家斌

（1.廣州日寶鋼材制品有限公司，廣東廣州 511495； 2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

電工鋼剪切加工是變壓器及電機(jī)制造中的一道重要工序，剪切質(zhì)量直接決定了電工鋼分切斷面的尺寸精度、形狀精度以及斷面特征等，進(jìn)而影響后續(xù)產(chǎn)品的加工質(zhì)量、材料利用率和加工效率。由于剪切過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺會(huì)降低疊片系數(shù)，并容易造成鐵芯疊片間短路、增大鐵損和溫升，因此變壓器及電機(jī)制造業(yè)對(duì)電工鋼的剪切質(zhì)量要求很高[1]。電工鋼的剪切刀具一般采用具有高硬度、抗疲勞性強(qiáng)、耐磨性強(qiáng)的WC-Co硬質(zhì)合金橫剪刀，其刃口鋒銳性直接影響了板材的剪切斷面質(zhì)量。

硬質(zhì)合金刀具刃口鋒銳性在切削過(guò)程中對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都做了大量研究，普遍認(rèn)為在微切削中刀具刃口寬度、刃口鋒銳性等對(duì)加工表面質(zhì)量影響很大[2]。Taminiau等[3]發(fā)現(xiàn)在金剛石刀具切削過(guò)程中，刀具切削角度和刃口幾何參數(shù)對(duì)切削力有數(shù)量級(jí)的影響。孫濤等[4]經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)并結(jié)合理論發(fā)現(xiàn)，在金剛石刀具切削過(guò)程中，刃口鋒銳性是影響表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。袁哲俊等[5]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削深度一定時(shí)，隨著刀具刃口鋒利度的增加，加工表面的殘余應(yīng)力和表面粗糙度會(huì)逐漸減小。

電工鋼橫剪加工屬于塑性大應(yīng)變變形過(guò)程[6]，金屬塑性成形過(guò)程中的摩擦與待加工的材料和刀具表面的粗糙度有很大關(guān)系[7]。在電工鋼橫剪過(guò)程中，剪切變形過(guò)程的摩擦主要發(fā)生在硬質(zhì)合金橫剪刀上刀側(cè)面與剪切斷面的接觸部分，由于剪切過(guò)程中，板材與刀具基本上處于干摩擦狀態(tài)。因此，刀具表面粗糙度對(duì)于剪切過(guò)程中的摩擦具有主導(dǎo)性的影響作用。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于金屬板材剪切加工的研究主要集中在加工工藝、仿真分析[8-11]等方面，而對(duì)于刀具刃口鋒銳性，尤其是刀具表面粗糙度，少有人研究。本文作者通過(guò)對(duì)橫剪刀端面和側(cè)面進(jìn)行研磨，獲得4種不同粗糙度的表面和刃口，在此基礎(chǔ)上對(duì)電工鋼進(jìn)行剪切加工，研究刀具表面粗糙度及刃口鋒銳性對(duì)剪切斷面質(zhì)量的影響。

圖1 剪切加工原理

1 斜刃橫剪加工原理及刀具結(jié)構(gòu)

1.1 橫剪加工原理

橫剪加工是采用呈一定角度的上、下直刀對(duì)處于其間的板材進(jìn)行剪切加工，其加工原理和組刀方式如圖1所示。下刀水平且固定，上刀相對(duì)下刀傾斜α安置（圖1(a)），上下刀之間保持一定的側(cè)向間隙（圖1(b)），通過(guò)上刀的快速運(yùn)動(dòng)來(lái)完成剪切工作。板材在剪切過(guò)程中依次經(jīng)歷彈性變形、彈塑性變形、塑性變形、裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展、斷裂等狀態(tài)，整個(gè)剪切過(guò)程如圖1(c)所示。

1.2 橫剪刀結(jié)構(gòu)

橫剪刀由刀座和硬質(zhì)合金刀組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）所示；硬質(zhì)合金刀固定在刀座上，如圖2（a）中圓圈所示；其中剪切刃口由刀具側(cè)面與端面以及二者相交而成的直線刃口組成如圖2（b）所示；側(cè)面指的是剪切過(guò)程中與板材表面接觸垂直于刀具移動(dòng)方向的面；端面指的是與板材剪切斷面接觸且平行于刀具移動(dòng)方向的面。

圖2 橫剪刀結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 為橫剪刀刃口磨損輪廓變化示意圖，理想情況下刃口鋒利，截面呈直角，但實(shí)際上刀具的側(cè)面與端面表面并不是理想的光滑平面，而是具有一定粗糙程度的表面，刀具刃口是由這兩個(gè)粗糙表面相交形成的，所以兩個(gè)粗糙平面的表面形貌以及交匯處凹凸峰的分布都會(huì)影響到刃口鋒銳性及實(shí)際輪廓，可以采用刃口處的輪廓曲率半徑（刃口半徑）作為評(píng)估刃口鋒銳性的指標(biāo)。

2 硬質(zhì)合金橫剪刀的制備

2.1 硬質(zhì)合金刀具制備

圖3 橫剪刀刃口磨損輪廓變化示意圖

本實(shí)驗(yàn)采用株洲鉆石股份有限公司生產(chǎn)的YG11C-N型硬質(zhì)合金刀具，屬于鎢鈷類硬質(zhì)合金，是以難熔金屬碳化物（碳化鎢）為基體，采用鈷或者鎳為粘結(jié)劑，用粉末冶金生產(chǎn)的合金材料，力學(xué)性能如表1所示。

為了獲得不同表面粗糙度的硬質(zhì)合金橫剪刀具，對(duì)硬質(zhì)合金刀具的端面和側(cè)面在研磨機(jī)上采用不同研磨工藝獲得不同粗糙度，分別使用4種不同粒徑（W40、W14、W5、W0.5）的金剛石磨料進(jìn)行研磨，獲得4組不同表面粗糙度Ra（0.010μm、0.052μm、0.102μm、0.209μm）的硬質(zhì)合金橫剪刀具。

表1 YG11C-N的力學(xué)性能

2.2 刃口質(zhì)量檢測(cè)

研磨后的硬質(zhì)合金刀具，采用激光共聚焦顯微鏡對(duì)刃口質(zhì)量進(jìn)行觀察，采用馬爾粗糙度儀對(duì)研磨表面的粗糙度進(jìn)行檢測(cè)，利用威爾刃口輪廓儀對(duì)刀具刃口半徑rn進(jìn)行測(cè)量。圖4、5分別為不同表面粗糙度的硬質(zhì)合金刃口附近的形貌以及刀具表面粗糙度R a與刃口半徑rn的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)合金刀具的刃口半徑rn隨著刀具表面粗糙度Ra的增大而增大。當(dāng)表面粗糙度達(dá)到Ra 0.010μm時(shí)，硬質(zhì)合金刀具的刃口非常鋒利，刀具側(cè)面與端面較平滑，刃口呈現(xiàn)出一條直線，刃口半徑rn為24.7μm；當(dāng)表面粗糙度為Ra 0.052μm時(shí)，硬質(zhì)合金刀具的刃口較鈍，側(cè)面與端面都有一些明顯的劃痕，刃口也有細(xì)小的鋸齒狀凹缺陷，刃口半徑rn=27.9μm；而當(dāng)表面粗糙度為Ra 0.209μm時(shí)，側(cè)面與端面的劃痕變寬、變深，并且有些在刃口附近匯合，硬質(zhì)合金刀具的刃口很不平整，有較大的鋸齒狀缺陷，刃口半徑rn也增加到31.6μm。由此可見(jiàn)，表面粗糙度較小的硬質(zhì)合金容易獲得較小的刃口半徑，刃口質(zhì)量?jī)?yōu)于表面粗糙度較大的硬質(zhì)合金刀具。

圖5 刀具刃口半徑r n與表面粗糙度Ra的關(guān)系

3 電工鋼橫剪加工試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 橫剪加工試驗(yàn)

剪切加工材料為厚度0.5 mm、寬度30 mm的無(wú)取向硅鋼，其力學(xué)性能如表2所示。剪切裝置為KYDJ-400型單頭精密數(shù)控剪床，上下刀傾斜角為1.92°，分別使用研磨后得到的4種不同表面粗糙度的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行剪切加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為：相對(duì)剪切間隙5%，剪切速度0.276 m/s。

表2 電工硅鋼材料性能

圖6 斜刃剪切斷面形貌示意圖

電工硅鋼的剪切斷面形貌如圖6所示，從上到下有塌角、剪切帶、斷裂帶、毛刺等特征。剪切斷面形貌特征直接體現(xiàn)剪切質(zhì)量的好壞，當(dāng)剪切帶大、毛刺、斷裂帶、塌角小時(shí)認(rèn)為剪切質(zhì)量好。由于板材的毛刺較小且在制樣過(guò)程中容易脫落，難以測(cè)量，因此不考慮毛刺高度，重點(diǎn)針對(duì)塌角、剪切帶、斷裂帶等特征高度來(lái)評(píng)價(jià)剪切質(zhì)量。采用線切割機(jī)垂直于剪切斷面切割制成截面試樣，鑲嵌、研磨拋光后進(jìn)行形貌觀察和檢測(cè)。利用Keyence VHX600超景深顯微鏡觀察剪切試樣的斷面和截面形貌，測(cè)量并記錄各特征帶的高度。

圖7 不同表面粗糙度刀具的剪切斷面形貌

圖8 不同表面粗糙度刀具的剪切截面形貌

3.2 不同表面粗糙度的刀具剪切斷面形貌

圖7 和圖8為使用4種不同表面粗糙度的硬質(zhì)合金橫剪刀剪切電工鋼的剪切斷面和截面形貌。

由圖7、8可知，使用不同表面粗糙度的刀具剪切，剪切斷面都比較平直，且都有明顯的特征帶，各個(gè)特征帶的分界也比較明顯。但隨著刀具表面粗糙度的改變，分切斷面明顯不同，使用表面比較光滑（表面粗糙度較?。┑牡毒呒羟?，剪切帶明顯較大，斷裂帶和塌角較??；隨著刀具表面粗糙度的增加，剪切帶高度逐漸減小，斷裂帶高度逐漸增加，同時(shí)撕裂角和塌角也隨之增加。

使用表面粗糙度為Ra0.010μm的刀具剪切時(shí)（圖7（a）、8（a）），斷面幾乎被光亮的剪切帶占滿，而且塌角和撕裂角較小，斷面平直，分切斷面質(zhì)量較好。當(dāng)?shù)毒弑砻娲植诙萊a0.052μm、Ra0.102μm時(shí)（見(jiàn)圖7（b）、8（b）、7（c）、8（c）），剪切斷面的光亮剪切帶高度減小，出現(xiàn)了明顯的斷裂帶，剪切帶與斷裂帶之間分界明顯，此時(shí)剪切斷面與板面出現(xiàn)傾斜，剪切尺寸精度下降。當(dāng)使用表面粗糙度最大（Ra0.209μm）的刀具剪切時(shí)（圖7（d）、8（d）），斷裂帶高度繼續(xù)增加，塌角和撕裂角明顯增大，剪切帶表面較為粗糙，斷裂帶表面也出現(xiàn)了明顯的凹坑，塌角和撕裂角進(jìn)一步增大，剪切斷面取向不穩(wěn)定且斷面質(zhì)量變差。

由此可見(jiàn)，刀具表面粗糙度Ra對(duì)橫剪剪切斷面形貌具有一定影響，較小的表面粗糙度有利于剪切斷面質(zhì)量的提高。

為了深入研究刀具表面粗糙度對(duì)斷面質(zhì)量性能的影響，對(duì)剪切斷面形貌各特征帶進(jìn)行了檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，得到了不同刀具表面粗糙度下剪切斷面塌角、剪切帶、斷裂帶等特征參數(shù)的變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 不同表面粗糙度的刀具剪切0.5 mm板厚電工鋼斷面特征帶高度

由圖9可以看出剪切斷面的剪切帶的相對(duì)高度隨著刀具表面粗糙度Ra的增大而減下，當(dāng)Ra0.010μm時(shí)，剪切帶高度最大，達(dá)到338μm，而當(dāng)增加到Ra0.209μm時(shí)，剪切帶高度只有271μm，減小了20%；塌角高度與斷裂帶高度隨著刀具表面粗糙度Ra的增大而增大，為Ra0.010 μm時(shí)，塌角高度為41μm，，斷裂帶高度為80μm，而當(dāng)?shù)毒弑砻娲植诙葹镽a0.209μm時(shí)，塌角高度為66μm，斷裂帶高度為141μm，分別增大了60%、76%。

4 結(jié)論

（1）硬質(zhì)合金橫剪刀表面粗糙度直接影響刀具刃口質(zhì)量，隨著刀具表面粗糙度的減小，刀具刃口半徑越小，刃口更加平直，缺陷減少，刃口更加鋒利。

（2）刀具表面粗糙度是影響電工鋼剪切斷面質(zhì)量的重要因素。隨著刀具表面粗糙度的減小，剪切斷面形貌明顯改善，斷面更加平直，剪切帶高度增大，斷裂帶和塌角高度有所下降，斷面更加平直。