超細粒耐磨精密玻璃刀的設計與制作

毛彩菊

（南京信息職業技術學院，江蘇 南京 210046）

超細粒耐磨精密玻璃刀是一種高硬度、多損耗的玻璃切割工具，在電子行業中應用廣泛。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，國內有幾十家生產玻璃刀片的企業，但大多價格高，質量和使用壽命難以保證。為了解決這個難題，特別進行了超細粒耐磨精密玻璃刀片的研制。

1 選材

正確地選擇硬質合金牌號，是保證有效使用硬質合金的及其重要因素之一。根據用戶的要求，刀片成品需要抗彎強度>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，必要的抗彎強度、沖擊韌性和化學惰性，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，當材料硬度高時，耐磨性也高；抗彎強度高時，沖擊韌性也高。但材料硬度越高，其抗彎強度和沖擊韌性就越低。根據玻璃切割的經驗，在選擇硬質合金牌號時，應考慮玻璃的物理機械性能，如硬度、摩擦性等及其產狀特征，如硬質合金的致密性、硬質合金裂隙、硬質合金節理，硬質合金溶洞等。高速鋼因具有很高的抗彎強度和沖擊韌性，以及良好的可加工性，現在仍是應用最廣的刀具材料，其次是硬質合金。

鎢是一種難熔金屬,它具有熔點高 (達3410℃)、密度大(19.32g/cm3)、耐化學腐蝕性好及高溫強度高等特點，燒結的富鎢合金其抗拉強度可高達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。鎢鋼燒結成型就是將粉末壓制成坯料，再進燒結爐加熱到一定溫度（燒結溫度），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，但當切削速度提高后，CVD金剛石刀具的使用壽命也不長。這是因為金剛石是純碳的結晶體，當切削溫度達到600℃以上時它將碳化(即石墨化)，并與鎢化合形成硬度遠低于金剛石硬度的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16.5~19.0g/cm3，而被世人稱為高比重合金，它還具有一系列優異的特性，比重大：一般比重為16.5~18.75g/cm3，強度高：抗拉強度為700~1000MPa，吸收射線能力強：其能力比鉛高30%~40%，導熱系數大：為模具鋼的5倍；熱膨脹系數?。褐挥需F或鋼的1/2~1/3，良好的可導電性能；具有良好的可焊性和加工性。

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

硬質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左右的硬質材料。但硬質合金脆性大，不能進行切削加工，難以制成形狀復雜的整體刀具，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。可用于高速切削鉆頭.銑刀,玻璃鋼復合材料,塑膠,強化地板,印刷電路PCB板。

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

2 加工工藝設計

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。通過市場調研，生產WF03超細粒鎢鋼的廠家較多。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超細粒鎢鋼硬度高，一般生產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 工藝設計

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，銑削、刨削都不適合加工春保鎢鋼WF03。由于磨削運動是用高速回轉的砂輪或其他磨具以給定的背刀量對工件進行加工。砂輪磨粒的多刃性和微刃性，決定了磨削加工的復雜性，磨削加工的特點把我們的思路引向磨削加工。

（1）磨削加工的特點：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，產生的切削力很小，“機床——刀具—工件”工藝系統幾乎不會變形，保證了工件的加工精度。能常磨削尺寸精度可達IT7~IT5，表面精糙度為Ra0.8~0.2μm。經過磨削加工后的零件，尺寸精度可控制在1~2μm以內。③磨削溫度高。由于磨削過程中產生的切削熱多，而砂輪本身傳熱性差，使得磨削區溫度高，所以在磨削過程中，為了避免工作燒傷和變形，應施以大量的切削液進行冷卻。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，在工藝系統剛性較差的方向上，將產生彈性變形，使得實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，工藝系統彈性變形恢復，應繼續光磨一段時間，直至磨削火花消失。⑤磨削的經濟性。磨削后果的零件，不需要用手工修配，既節省鉗工工時，又便于裝配。在內外表面磨削中，又具有進給速度高和無空行程的特點，可使切削機動時間減少很多。

（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格，根據加工要求，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用最廣的P型砂輪。②砂輪硬度的選擇。砂輪的硬度是指結合劑黏結磨粒的牢固程度，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率和加工表面質量都有很大的影響。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擔負切削工作，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，比較不同粒度的砂輪加工后的零件效果，秉承經濟、實用的原則，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，結合玻璃的特點，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）加工設備的選擇。既然是磨削加工，選用的加工設備自然就是磨床。為了充分利用工廠現有的設備減少不必要的開支和費用，工廠有一臺舊磨床用來改造。原來磨床的轉速較低，根本無法加工，通過改制，使砂輪軸的轉速為3600r/min，但光砂輪旋轉而工件不轉，就無法加工到所要求的精度。因此，應設法使工件旋轉，而且轉速的速度起碼得萬轉以上。于是，我們將工件與電機之間由皮帶輪帶動，將放置工件的轉軸直徑縮小，這樣，改制后工件的旋轉速度可達15000r/min，砂輪與工件同時旋轉的相對轉速就更高，接近20000r/min的水平。通過一個多月的試加工和不斷改進，所加工的超細粒玻璃刀片基本達到了用戶要求。

3 結語

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