超細(xì)粒耐磨精密玻璃刀的設(shè)計(jì)與制作

毛彩菊

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210046）

超細(xì)粒耐磨精密玻璃刀是一種高硬度、多損耗的玻璃切割工具，在電子行業(yè)中應(yīng)用廣泛。玻璃是一種硬度很高的材料，按莫氏硬度表來算,玻璃的硬度一般為6～7，對于其切割的刀片要求非常高。因此，需要選用高硬度、耐磨性高、抗彎強(qiáng)度高的合金材料來制作玻璃刀。同時要注意刀片的加工方法，既要保證刀片的粗糙度，又要保證刀口的角度誤差。目前，國內(nèi)有幾十家生產(chǎn)玻璃刀片的企業(yè)，但大多價格高，質(zhì)量和使用壽命難以保證。為了解決這個難題，特別進(jìn)行了超細(xì)粒耐磨精密玻璃刀片的研制。

1 選材

正確地選擇硬質(zhì)合金牌號，是保證有效使用硬質(zhì)合金的及其重要因素之一。根據(jù)用戶的要求，刀片成品需要抗彎強(qiáng)度>3000MPa、硬度>93HRA。這就要求制造刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性，必要的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性和化學(xué)惰性，良好的工藝性（切削加工、鍛造和熱處理等），并不易變形。一般情況下，當(dāng)材料硬度高時，耐磨性也高；抗彎強(qiáng)度高時，沖擊韌性也高。但材料硬度越高，其抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性就越低。根據(jù)玻璃切割的經(jīng)驗(yàn)，在選擇硬質(zhì)合金牌號時，應(yīng)考慮玻璃的物理機(jī)械性能，如硬度、摩擦性等及其產(chǎn)狀特征，如硬質(zhì)合金的致密性、硬質(zhì)合金裂隙、硬質(zhì)合金節(jié)理，硬質(zhì)合金溶洞等。高速鋼因具有很高的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，以及良好的可加工性，現(xiàn)在仍是應(yīng)用最廣的刀具材料，其次是硬質(zhì)合金。

鎢是一種難熔金屬,它具有熔點(diǎn)高 (達(dá)3410℃)、密度大(19.32g/cm3)、耐化學(xué)腐蝕性好及高溫強(qiáng)度高等特點(diǎn)，燒結(jié)的富鎢合金其抗拉強(qiáng)度可高達(dá)17000MPa。以鎢為基加入其他元素組成的合金稱為鎢合金。鎢鋼屬于硬質(zhì)合金，又稱之為鎢鈦合金。硬度為維氏10K，僅次于鉆石。鎢鋼燒結(jié)成型就是將粉末壓制成坯料，再進(jìn)燒結(jié)爐加熱到一定溫度（燒結(jié)溫度），并保持一定的時間（保溫時間），然后冷卻下來，從而得到所需性能的鎢鋼材料。純鎢是很難加工的，CVD金剛石與PCBN兩種超硬刀具雖可勝任，但當(dāng)切削速度提高后，CVD金剛石刀具的使用壽命也不長。這是因?yàn)榻饎偸羌兲嫉慕Y(jié)晶體，當(dāng)切削溫度達(dá)到600℃以上時它將碳化(即石墨化)，并與鎢化合形成硬度遠(yuǎn)低于金剛石硬度的WC(1500～1700HV),加速了刀具的磨損。

高比重合金（鎢合金）材料是一類以鎢為基體（W含量85%-99%），并添加有 Ni、Cu、Co、Mo、Cr等元素組成的合金。按合金組成特性及用途分為 W-Ni-Fe、W-Ni-Cu、W-Co、W-WC-Cu、W-Ag等主要系列，其密度高達(dá)16.5~19.0g/cm3，而被世人稱為高比重合金，它還具有一系列優(yōu)異的特性，比重大：一般比重為16.5~18.75g/cm3，強(qiáng)度高：抗拉強(qiáng)度為700~1000MPa，吸收射線能力強(qiáng)：其能力比鉛高30%~40%，導(dǎo)熱系數(shù)大：為模具鋼的5倍；熱膨脹系數(shù)小：只有鐵或鋼的1/2~1/3，良好的可導(dǎo)電性能；具有良好的可焊性和加工性。

硬質(zhì)合金的特點(diǎn)：硬度高（86～93HRA，相當(dāng)于69～81HRC）；熱硬性好（可達(dá) 900～1000℃，保持 60HRC）；耐磨性好。

硬質(zhì)合金刀具比高速鋼切削速度高4～7倍，刀具壽命高5～80倍。制造模具、量具，壽命比合金工具鋼高 20～150倍?？汕邢?0HRC左右的硬質(zhì)材料。但硬質(zhì)合金脆性大，不能進(jìn)行切削加工，難以制成形狀復(fù)雜的整體刀具，因而常制成不同形狀的刀片，采用焊接、粘接、機(jī)械夾持等方法安裝在刀體或模具體上使用。

臺灣春保鎢鋼WF03含鈷量6，粒度小于等于0.7，硬度94.0HRA，比重14.80g/cm3，抗折力350?？捎糜诟咚偾邢縻@頭.銑刀,玻璃鋼復(fù)合材料,塑膠,強(qiáng)化地板,印刷電路PCB板。

比較多種鎢合金材料的各種強(qiáng)度、硬度要求，特別是用戶要求硬度>93HRA，決定選用WF-03超細(xì)粒鎢鋼（臺灣春保鎢鋼 WF03）。

2 加工工藝設(shè)計(jì)

2.1 型材的選購

由于刀片要求厚度1~3mm，因此，刀片材料確定后，首先要采購型材。通過市場調(diào)研，生產(chǎn)WF03超細(xì)粒鎢鋼的廠家較多。圓棒類的有：Φ3.5/4.5/5.5/6.5/8.5/10.5/12.5/14.5*100、Φ4.5/6.5/8.5/10.5/12.5*330等。但由于WF-03超細(xì)粒鎢鋼硬度高，一般生產(chǎn)廠家沒有辦法將圓棒加工成片狀，因此，必須選用厚度為2mm的片狀型材來加工。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

金屬的切削加工有車削、銑削、刨削、磨削、拉削等工藝方法。雖然由于臺灣春保鎢鋼WF03，硬度達(dá)94.0HRA，而一般車削加工的金屬材料的硬度要小于50HRC，一般的車削加工刀具的硬度也達(dá)不到94.0HRA。顯然，要加工臺灣春保鎢鋼WF03，不能采用切削的方法。比較銑削、刨削和磨削的特點(diǎn)，銑削、刨削都不適合加工春保鎢鋼WF03。由于磨削運(yùn)動是用高速回轉(zhuǎn)的砂輪或其他磨具以給定的背刀量對工件進(jìn)行加工。砂輪磨粒的多刃性和微刃性，決定了磨削加工的復(fù)雜性，磨削加工的特點(diǎn)把我們的思路引向磨削加工。

（1）磨削加工的特點(diǎn)：①能加工硬度很高的材料。磨具的磨料為剛玉（AL2O3）、碳化硅（SiC）以及碳化硼（B4C3）等材料，它們的硬度很高，僅次于金剛石。因此，磨削能加工車、銑等其他方法不能加工的各種硬材料，如淬硬鋼、冷硬鑄鐵、硬質(zhì)合金、寶石、玻璃和超硬材料氮化硅等。②能加工出精度高、表面粗糙度值很小的表面。砂輪顆粒很小，不能從工件上切下大的切削，產(chǎn)生的切削力很小，“機(jī)床——刀具—工件”工藝系統(tǒng)幾乎不會變形，保證了工件的加工精度。能常磨削尺寸精度可達(dá)IT7~IT5，表面精糙度為Ra0.8~0.2μm。經(jīng)過磨削加工后的零件，尺寸精度可控制在1~2μm以內(nèi)。③磨削溫度高。由于磨削過程中產(chǎn)生的切削熱多，而砂輪本身傳熱性差，使得磨削區(qū)溫度高，所以在磨削過程中，為了避免工作燒傷和變形，應(yīng)施以大量的切削液進(jìn)行冷卻。④磨削的徑向分力大。磨削時徑向分力很大，在該力的作用下，在工藝系統(tǒng)剛性較差的方向上，將產(chǎn)生彈性變形，使得實(shí)際磨削深度比名義磨削深度小。因此在磨去主要加工余量以后，隨著磨削力的減小，工藝系統(tǒng)彈性變形恢復(fù)，應(yīng)繼續(xù)光磨一段時間，直至磨削火花消失。⑤磨削的經(jīng)濟(jì)性。磨削后果的零件，不需要用手工修配，既節(jié)省鉗工工時，又便于裝配。在內(nèi)外表面磨削中，又具有進(jìn)給速度高和無空行程的特點(diǎn)，可使切削機(jī)動時間減少很多。

（2）磨削工具的選擇。磨削工具主要是砂輪，選擇砂輪主要是形狀、硬度、粒度和組織的選擇。①砂輪形狀的選擇。砂輪的形狀和尺寸有不同的規(guī)格，根據(jù)加工要求，由于P型砂輪可用于外圓磨、平面磨、無心磨、刃磨刀具等的加工，因此，本加工用砂輪選用應(yīng)用最廣的P型砂輪。②砂輪硬度的選擇。砂輪的硬度是指結(jié)合劑黏結(jié)磨粒的牢固程度，也就是磨粒在磨削力作用下，從砂輪表面上脫落下來的難易程度。砂輪越硬，磨粒黏得越牢，越不容易脫落。砂輪硬度對磨削生產(chǎn)率和加工表面質(zhì)量都有很大的影響。如果砂輪太硬，磨粒磨鈍后仍不能脫落，磨削效率低，使磨削力和磨削熱顯著增加，使工件表面被燒傷，粗糙度變大；如果砂輪太軟，磨粒還沒有磨鈍時已從砂輪上脫落，砂輪損耗快，形狀不易保持，工件精度難以控制，脫落的磨粒容易把工件表面劃傷，粗糙度也會變大。因此，要選擇硬度合適的砂輪，使磨粒磨鈍后因磨削力增大而自行脫落，新的鋒利的磨粒露出繼續(xù)擔(dān)負(fù)切削工作，這就是砂輪的自銳性。若砂輪的自銳性好，則磨削效率高，加工工件表面的粗糙度低，同時砂輪損耗也相應(yīng)較小，因此，選擇合適的砂輪硬度很重要。春保鎢鋼WF03的硬度高，工件材料薄，要求加工的表面粗糙度低，因此選用砂輪硬度代號為R3或ZR1。③砂輪粒度的選擇。粒度是指磨料的大小。對于超細(xì)粒玻璃刀片的加工屬于成形磨削，加工工件屬于薄壁工件，需要加工的成形刀片粗糙度低。因此，要選用粒度為100#~280#的砂輪。通過加工試驗(yàn)，比較不同粒度的砂輪加工后的零件效果，秉承經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則，選用粒度為240#的砂輪最好。④砂輪組織的選擇。砂輪的組織是指砂輪的松緊程度，也就是磨粒在砂輪內(nèi)所占的比例。如表1所示：

表1 砂輪的組織分類

由于加工工件表面粗糙度要求較高，而且又是成形加工，因此，選用組織緊密型的組織代號為3~4。

綜合以上分析，結(jié)合玻璃的特點(diǎn)，本加工選用的砂輪為：粒度為240#、中軟1、組織代號為3~4的平面砂輪。

（3）加工設(shè)備的選擇。既然是磨削加工，選用的加工設(shè)備自然就是磨床。為了充分利用工廠現(xiàn)有的設(shè)備減少不必要的開支和費(fèi)用，工廠有一臺舊磨床用來改造。原來磨床的轉(zhuǎn)速較低，根本無法加工，通過改制，使砂輪軸的轉(zhuǎn)速為3600r/min，但光砂輪旋轉(zhuǎn)而工件不轉(zhuǎn)，就無法加工到所要求的精度。因此，應(yīng)設(shè)法使工件旋轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)速的速度起碼得萬轉(zhuǎn)以上。于是，我們將工件與電機(jī)之間由皮帶輪帶動，將放置工件的轉(zhuǎn)軸直徑縮小，這樣，改制后工件的旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)15000r/min，砂輪與工件同時旋轉(zhuǎn)的相對轉(zhuǎn)速就更高，接近20000r/min的水平。通過一個多月的試加工和不斷改進(jìn)，所加工的超細(xì)粒玻璃刀片基本達(dá)到了用戶要求。

3 結(jié)語

通過各種適合加工高硬度的玻璃的合金材料的比較、分析和調(diào)研，選擇了春保鎢鋼WF03作為超細(xì)粒玻璃刀片型材。通過加工工藝的設(shè)計(jì)和實(shí)際的試加工，以及一些用戶的試用，所研制的玻璃刀片完全達(dá)到了當(dāng)初用戶的要求，而且加工的精度和速度也達(dá)到了相應(yīng)的要求，每個工人每班至少能加工150片，為用戶創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟(jì)效益，用戶較為滿意。但加工設(shè)備比較簡陋，刀片兩邊的傾角因是人為控制，一致性不夠好，最好在夾具上進(jìn)行改進(jìn)。