加工硬質合金刀具磨削參數確定方法

2015-09-11 23:50:18張慈恩

科技與創新 2015年18期

張慈恩

摘要：確定合適的加工硬質合金刀具磨削參數有利于提高磨削質量、加工效率和延長金剛石砂輪的使用壽命。介紹了磨削硬質合金的砂輪種類，分析了在磨削中常遇到的問題，給出了相應的解決措施，提出了一種在生產中確定磨削參數的方法，并將該方法應用在了新規格刀具的加工中。

關鍵詞：金剛石砂輪；硬質合金；磨削參數；磨削裂紋

中圖分類號：TG580.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.096

隨著我國經濟的不斷增長，制造業得到了明顯的發展，硬質合金刀具的生產數量也越來越多。如果沒有確定好硬質合金刀具的磨削參數，則會影響到刀具的生產質量和生產效率。因此，如何確定有效的磨削參數以提高刀具的生產質量成為了工作人員需要解決的問題。

1 磨削硬質合金砂輪的種類

硬質合金是以碳化鎢、碳化鈦等金屬碳化物作為硬質相，以鈷等金屬作為黏接劑，通過粉末冶金的方法制成，具有較高的硬度（可達HRA89-93，顯微硬度為1 300～1 800 N/mm2）、較低的導熱系數（16.75～79.55 W/m·K）、較低的抗彎強度（3.0～4.5 GPa）和較大的彈性磨量（540～650 GPa），常溫下為硬脆性材料，表現出與鋼件等材料不同的磨削要求。以往，硬質合金常使用綠色碳化硅砂輪磨削，但因碳化硅磨粒硬度不足（顯微硬度32 000～34 000 N/mm2），在磨削硬質合金時磨粒易磨耗鈍化，導致磨削力增大、磨削溫度過高，進而使刀具表面形成裂紋等缺陷。同時，碳化硅砂輪脫粒過快，砂輪形狀不易保持，易造成刀具尺寸不穩定。

2 磨削中的常見問題及其解決措施

2.1 磨削裂紋

硬質合金刀具在磨削過程中有時會產生裂紋，這是因刀具表面形成了拉應力，當拉應力超過刀具材料的抗拉極限時會產生裂紋。硬質合金材料在燒結過程中產生的殘余應力對在磨削過程中殘余應力的形成沒有影響，因此，應在磨削過程中來尋找拉應力的來源。

在磨削中，磨粒與工件的接觸過程可依次分為彈性變形階段、塑性變形階段和切屑形成階段。在彈性變形階段，由于整個磨削系統彈性變形，產生摩擦熱并在工件表面形成熱應力。在塑性變形階段，磨粒逐漸刻入工件，工件材料向磨粒兩側隆起，但未形成切屑。此時，除磨粒與工件表面發生摩擦外，工件內部也發生了摩擦，不僅在工件表層形成熱應力，還因塑性變形而產生了變形應力。在切屑形成階段，磨粒更加深入工件，工件表面除形成隆起之外，還形成磨屑，并從磨粒前刀面流出同時，形成了熱應力和變形應力。

2.2 磨削粗糙度

金剛石砂輪磨削硬質合金的各項磨削參數對工件表面的粗糙度有直接影響。通過研究陶瓷結合劑金剛石砂輪磨削硬質合金表面的粗糙度，磨削參數對表面粗糙度的影響程度依次為橫向進給速度>砂輪線速度>磨削行程>磨削深度。當橫向進給速度、磨削行程和磨削深度增大時，表面粗糙度提升；當砂輪線速度增大時，表面粗糙度降低。當其他參數不變時，砂輪線速度增大，使單位時間內參與磨削的磨粒數量增加，每顆磨粒去除的材料減少，產生的劃痕、隆起等也較少。

2.3 磨削效率

磨削效率可用每分鐘的磨除量QZ表示，單位為mm3/min：

QZ=1 000 VWfaap. （1）

式（1）中：V為工件速度；W為軸向給進速度；faap為磨削深度。

由此可見，磨削效率與砂輪線速度無關，而與工件速度V、軸向進給速度W和磨削深度faap成正比。在QZ相同的情況下，加大砂輪線速度可降低工件表面的粗糙度，在同樣的粗糙度要求下，增加砂輪線速度可提高工件速度、軸向進給速度和磨削深度，從而提高QZ。

2.4 砂輪消耗

在磨削硬質合金的過程中，金剛石砂輪會逐漸磨損，其形式有磨粒磨耗、磨粒破碎和磨粒脫落。磨粒在工作過程中因受到機械摩擦作用、黏接作用、擴散和化學作用而產生磨損。金剛石砂輪在磨削Al2O3工程陶瓷材料時，磨粒將發生磨耗磨損，進而形成反光小平面。隨著磨損小平面的增大，磨粒受到的力也逐漸增大，部分磨粒出現局部破碎的情況。該破碎為解理破壞，是沿著金剛石晶粒中化學鍵強度最弱的方位面產生的。磨粒局部解理破碎會形成新的切削刃，這是砂輪自勵的重要途徑之一。

隨著磨粒及其周圍結合劑的逐漸磨損，結合劑橋截面逐漸縮小，對磨粒的把持力也逐漸減小。當磨粒受到的磨削力超過把持力時磨粒會脫落，脫落后該位置的結合劑會迅速磨損，進而露出下層的新磨粒參與磨削，該過程為砂輪自勵的另一途徑。

Al2O3工程陶瓷材料與硬質合金的機械性能相近，同屬脆硬性材料，因此，上述過程也應適用于金剛石砂輪磨削硬質合金。磨粒磨耗、磨粒破碎和磨粒脫落三種砂輪磨損方式中哪一種起主導作用，與結合劑、砂輪硬度、工件材料、加工條件和磨削參數有關。當其他條件不變時，砂輪線速度越大，每個磨粒的磨削深度越小，受到的磨削力也越小。雖然磨粒總的磨削行程會增加，但因金剛石磨粒具有非常高的耐磨性，所以，磨粒的壽命會明顯延長。當磨削深度增加時，磨屑會增加，產生的磨屑堆積在磨粒前部空隙處侵蝕結合劑，也增加了磨粒的受力，進而提高了磨粒脫落的可能性。當進給速度或工件轉速增加時，未變形切屑的最大厚度會增加，導致磨粒的受力增大，可能直接將磨粒從結合劑中“蹦出來”。由此可見，砂輪線速度快、磨削深度小和進給速度慢有利于延長砂輪壽命、降低砂輪的自銳性能。當砂輪鈍化后需要進行修銳等操作，會去除大量的磨粒，反而會加大砂輪的消耗。同時，當進給速度慢和磨削深度小時，也會降低磨削效率。因此，不能一味地追求高線速度和低進給速度，而是需要合理地選擇上述參數。

3 生產中確定磨削參數的方法

專家學者們對不同工作條件下最有效的磨削參數進行了大量研究，提出了多種確定最佳磨削參數的方法。但在生產車間，工人們很難掌握復雜的公式，也沒有時間研究哪些參數是最合適的，往往憑借經驗操作。比如，最合適的磨削直徑為10 mm的整體硬質合金立銑刀參數，以及能使單件時間最短、更換和修整砂輪的間隔最長、工件合格率最高的線速度和進給速度等。當遇到類似加工時，依據經驗參數操作即可。一旦遇到新的加工任務時，就需要重新確立新的參數。此時，可從“研磨度”出發，快速確定合適的磨削參數。

研磨度是估計磨粒擠壓力的指標，類似于磨粒侵入工件表面深度或未變形切屑最大厚度。如果研磨度過大，則磨粒會侵入工件表面深處，且使磨粒受到的力過大，進而造成磨粒過早地從結合劑中脫落；如果研磨度過小，磨粒侵入工件表面過淺，甚至只在工件表面劃過，無法形成磨屑并生成大量的熱量，應力不足以使磨粒破碎自銳或使磨粒脫粒自銳。在這兩種極端情況之間，有一個最有效的研磨度值，即最優磨削參數。

研磨度值可表示為：

. （2）

式（2）中：A為研磨度；Vw為工件轉動線速度或工件進給速度，mm/min；Vs為砂輪線速度，m/s；ap為磨削深度，mm；Dw為砂輪直徑，mm。

由此可見，工件進給速度越大或磨削深度越大，研磨度數值越高；砂輪速度越大，每個磨粒侵入工件越淺，研磨度數值就越小。增大砂輪直徑會使磨粒軌跡與工件表面的夾角減小，從而降低磨粒的磨削厚度和研磨度數值。

我公司一般由數控磨床操作人員自行確定砂輪線速度、進給速度等。在加工一批整體硬質合金銑刀時，甲、乙操作者使用的磨床參數和砂輪供應商推薦的參數如表1所示。

表1 不同的磨削參數對應的研磨度值

磨削深度/mm 進給速度/（mm/min）砂輪線速度/（m/s）砂輪直徑/mm 材料磨除率/（mm3/s）研磨度值

甲 2.9 115 16.5 120 5.6 1.08

乙 2.5 150 18.5 150 6.3 1.14

供應商 2 300 33 150 10.0 1.05

從表1可以看出，雖然甲、乙兩人的磨削參數有很大差異，但研磨度值卻很接近，也都接近供應商推薦的研磨度值，因此，二者所使用的磨削參數都是合理的。甲、乙兩人的進給速度和砂輪線速度都明顯低于供應商推薦的數值，導致材料磨除率偏低，因此，可大幅提高砂輪速度和進給速度，不用擔心砂輪損壞或工件燒傷等問題。

4 結束語