硬質(zhì)合金圓盤刀分切硅鋼片的磨損形態(tài)及機(jī)理研究

閻秋生 趙學(xué)明 路家斌 李忠榮 黃升偉

1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州，510006 2.廣州日寶鋼材制品有限公司，廣州，511495

0 引言

隨著IT、電工電訊、辦公機(jī)械等行業(yè)的迅速發(fā)展，作為制造業(yè)重要組成部分的金屬制品加工產(chǎn)業(yè)隨之不斷壯大，綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式對(duì)金屬板材精密分切加工技術(shù)提出了更高要求［1－2］。金屬板材分切加工精度是影響金屬制品加工過程、制品精度和材料利用率的關(guān)鍵因素之一，而滾剪分切圓盤刀的精度和磨損狀態(tài)直接影響到板材的分切精度［3］。如變壓器行業(yè)中的冷軋硅鋼片一般厚度較薄但硬度高，要求分切面無毛刺，目前分切硅鋼片時(shí)多采用WC－Co硬質(zhì)合金圓盤刀［1］。

已有學(xué)者對(duì)作為金屬切削加工刀具的硬質(zhì)合金的磨損形態(tài)及機(jī)理進(jìn)行過多方面的研究［4－5］，但用于金屬板材分切的硬質(zhì)合金圓盤刀的磨損研究迄今尚未見詳細(xì)報(bào)道，本文通過硬質(zhì)合金圓盤刀滾剪分切硅鋼片的加工試驗(yàn)，對(duì)比分析了硬質(zhì)合金圓盤刀刃口磨損前后的形貌、微觀結(jié)構(gòu)和Co元素的含量變化，探討了WC－Co硬質(zhì)合金分切圓盤刀的磨損規(guī)律和機(jī)理。

1 圓盤刀分切原理及受力分析

金屬板材（厚度0.1～3mm）卷料的縱向分切一般采用上下成對(duì)圓盤刀滾剪加工，其分切過程示意圖見圖1。在分切過程中，上下圓盤刀在軸向方向保持水平間隙c、徑向交接量s，圓盤刀的旋轉(zhuǎn)作用帶動(dòng)金屬板材以等于圓盤刀圓周的速度運(yùn)動(dòng)并逐漸進(jìn)入上下圓盤刀的刃口作用區(qū)，金屬板材被圓盤刀切削刃持續(xù)切入而產(chǎn)生剪切變形直至完全分離。

金屬板材進(jìn)入圓盤刀作用區(qū)時(shí)受到上下圓盤刀的擠壓產(chǎn)生彈性變形，所受剪切力從零開始逐漸增大，此時(shí)板材處于彈性變形階段；隨著圓盤刀的旋轉(zhuǎn)，上下圓盤刀切削刃逐漸接近，板材受到的剪切力持續(xù)增大并達(dá)到材料的彈性極限而產(chǎn)生剪切塑性變形，圓盤刀作用區(qū)材料進(jìn)入剪切變形階段；隨著剪切力的繼續(xù)增大，達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)板材開始產(chǎn)生裂紋，進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段；隨后因裂紋擴(kuò)展所需要的變形力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂紋形成所需要的力，剪切力逐漸下降，直至金屬板材被完全分離，剪切力返回到零。因此，在分切過程中金屬板材受到圓盤刀的剪切力是由小變大再減小的過程，造成圓盤刀受到金屬板材的作用力也是不均勻分布的，同樣經(jīng)歷循環(huán)變化。金屬板材分切過程的材料變形局限于上下圓盤刀作用區(qū)域，材料分離前發(fā)生的剪切滑移量較小，并且圓盤刀高速旋轉(zhuǎn)，因此，分切過程的切削溫度不高，同時(shí)為了保持金屬板材的性能，一般采用干切削形式進(jìn)行分切。

圖1 金屬板材圓盤刀滾剪分切原理

金屬板材分切圓盤刀受力狀態(tài)直接影響了其磨損，在分切過程中，圓盤刀除圓柱面受到板材的擠壓力P作用之外，還受到板材與圓柱面之間的摩擦力μ1P（μ1為圓盤刀圓柱面與金屬板材表面的摩擦因數(shù)）、刀具側(cè)面與板材分切斷面間的側(cè)壓力N及刀具側(cè)面與板材分切斷面間的摩擦力μ2N（μ2為圓盤刀側(cè)面與金屬板材分切面的摩擦因數(shù)）的作用。隨著分切過程的進(jìn)行，金屬板材的變形增大，刀具側(cè)面受到的側(cè)壓力也逐漸增大，側(cè)面摩擦力也隨之增大。在分切過程中，隨著圓盤刀旋轉(zhuǎn)，其受力點(diǎn)循環(huán)變化而力的大小動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

2 圓盤刀分切加工試驗(yàn)

圓盤刀分切加工試驗(yàn)裝置如圖2所示，試驗(yàn)板材是國內(nèi)某鋼鐵公司50W600型冷軋無取向硅鋼片，板厚0.5mm，材料抗拉強(qiáng)度為320MPa，硬度大于200HV，各化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為w（C）＜0.008%，w （Si）＜0.3%，w （Mn）＜0.4%，w（Al）＜0.32%，w（P）＜0.08%，w（S）＜0.007%，微量元素為Cr、Ni、Cu，其余成分為Fe。試驗(yàn)用圓盤刀為某公司生產(chǎn)的GH50型WC－Co硬質(zhì)合金圓盤刀，圓盤刀直徑為278mm，厚度為5mm，w（Co）＝8.65%，材料抗彎強(qiáng)度大 于2100MPa，硬度大于86.5HRA。加工試驗(yàn)條件如下：上下圓盤刀之間軸向間隙c為0.015mm，徑向交接量s為0.10mm，圓盤刀圓周線速度（即板材運(yùn)動(dòng)速度）為180m／min，評(píng)價(jià)圓盤刀磨損狀況時(shí)，板材累計(jì)分切長(zhǎng)度為100km，干式切削。

圖2 金屬板材圓盤刀滾剪分切加工試驗(yàn)裝置

為研究圓盤刀的磨損情況，采用Keyence VHX－600E超景深顯微鏡觀測(cè)圓盤刀刃口的微觀形貌，利用Mahr XT20表面粗糙度輪廓儀檢測(cè)加工前后的圓盤刀外圓柱面粗糙度和刃口圓弧半徑。為分析圓盤刀刃口磨損表面微觀形貌特征和元素含量變化，用線切割機(jī)床將圓盤刀沿刃口垂直方向切割出20mm×20mm的近似矩形試樣，用丙酮超聲波清洗30min后烘干，采用S－3400N（Ⅱ）型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察和分析。

3 結(jié)果分析

3.1 刀具磨損前后形貌

由金屬板材圓盤刀滾剪分切加工原理可知，圓盤刀在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中圓柱面與金屬板材表面接觸，圓盤刀刃口側(cè)面與金屬板材的分切斷面接觸。圖3為硬質(zhì)合金圓盤刀刃口側(cè)面磨損前后的光學(xué)照片和三維形貌照片。由圖3可見，未磨損刀具刃口輪廓均勻清晰，形狀規(guī)則平整，刃口鋒利，而磨損后的刀具刃口輪廓模糊且不規(guī)則，邊緣充滿坑點(diǎn)，表面粗糙。由于分切加工的金屬板材較薄，所以圓盤刀刃口側(cè)面只有沿半徑方向0.35mm左右的磨損帶，從Keyence超景深顯微鏡觀察的三維形貌來看，磨損后的刃口側(cè)面粗糙度比磨損前明顯增大。

圖3 圓盤刀磨損前后刃口側(cè)面形貌

圓盤刀外圓柱面主要與金屬板材表面接觸，圓盤刀外圓柱面與金屬板材之間以滾動(dòng)為主，有一定的滑動(dòng)，受到板材與圓盤刀外圓柱面之間的擠壓力和摩擦力的作用。在圓盤刀磨損前外圓柱面的表面粗糙度Ra為0.101μm，磨損后增大為0.163μm，粗糙度有小幅增大；而圓盤刀刃口的過渡圓弧半徑由原始輪廓的10.6μm，增大到磨損后的31.7μm，刃口半徑增大2倍，刃口鋒利程度顯著降低，也就是說圓盤刀磨損的主要形式為刃口過渡圓弧半徑增大。

3.2 刀具磨損機(jī)理分析

基于鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具磨損形式的研究結(jié)果，根據(jù)對(duì)金屬板材分切中圓盤刀磨損形態(tài)的觀察分析，考慮圓盤刀工作溫度不高但圓盤刀與金屬板材有較大的接觸壓力，因此其磨損機(jī)理主要從失鈷磨損、疲勞磨損、磨料磨損和黏結(jié)磨損等方面進(jìn)行分析。

3.2.1失鈷磨損

WC－Co硬質(zhì)合金是由難熔金屬化合物WC與黏結(jié)金屬鈷采用粉末冶金方法制造的復(fù)合材料，黏結(jié)相金屬鈷把產(chǎn)生抗磨作用的硬質(zhì)相 WC顆粒結(jié)合為一體，具有高耐磨性、高韌性和高硬度等特點(diǎn)。當(dāng)局部鈷黏結(jié)流失時(shí)，硬質(zhì)相WC的結(jié)合強(qiáng)度將被削弱進(jìn)而造成硬質(zhì)相WC孤立以至脫落，其強(qiáng)度、韌性和耐磨性隨之下降。

圖4為WC－Co硬質(zhì)合金圓盤刀刃口側(cè)面磨損區(qū)與未磨損區(qū)的SEM照片。由圖4可見，磨損區(qū)出現(xiàn)了組織疏松、WC顆粒裸露棱角分明的現(xiàn)象，而未磨損區(qū)組織致密，表面平整。表1是根據(jù)能譜分析測(cè)得的磨損區(qū)及非磨損區(qū) W、Co元素質(zhì)量相對(duì)含量的對(duì)比表。從表1中可以看出，磨損區(qū)的Co元素含量為未磨損區(qū)Co含量的64%，而W元素含量相對(duì)增加了。這說明圓盤刀在分切過程中Co元素發(fā)生了流失，導(dǎo)致W元素含量相對(duì)增加。

圖4 圓盤刀刃口附件的SEM圖

表1 W元素和Co元素相對(duì)百分含量比較 %

3.2.2疲勞磨損

Larsen－basse［6］的研究認(rèn)為，硬質(zhì)合金中鈷含量的減少會(huì)降低其表面韌性，減弱其抗裂紋擴(kuò)展能力。硬質(zhì)合金圓盤刀的滾剪分切里程一般在100km以上，在分切過程中圓盤刀刃口局部承受的應(yīng)力大且集中，由于頻繁的擠壓、剪切、摩擦和循環(huán)交變的機(jī)械載荷作用以及刃口局部失鈷造成的材料性能下降等因素作用，在刃口區(qū)易出現(xiàn)疲勞微裂紋，繼而在循環(huán)應(yīng)力的作用下，會(huì)沿著圓盤刀側(cè)面向中心擴(kuò)展，當(dāng)裂紋增長(zhǎng)到一定程度，應(yīng)力達(dá)到刀具材料的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)造成刀具刃口的局部微破損，如圖5所示。

圖5 硬質(zhì)合金圓盤刀機(jī)械疲勞損傷SEM照片

在金屬板材的壓力和摩擦力作用下，圓盤刀側(cè)面產(chǎn)生方向相同而有規(guī)律的劃痕，如圖5b所示，一方面，由于硬質(zhì)合金刀具表面鈷黏結(jié)相流失后造成WC硬質(zhì)相黏結(jié)強(qiáng)度降低，破壞了穩(wěn)定的材料組織結(jié)構(gòu)，使 WC顆粒裸露，容易從刀具基體中脫落形成硬質(zhì)磨粒，產(chǎn)生與相對(duì)滑動(dòng)方向一致的犁溝狀磨損痕跡；另一方面，金屬板材分切面形成過程中切口的材料加工硬化帶會(huì)對(duì)圓盤刀側(cè)面產(chǎn)生周期性擠壓和摩擦，形成二體磨損，同時(shí)材料加工硬化的微屑成為作用于圓盤刀側(cè)面的磨粒也會(huì)產(chǎn)生磨損。

3.2.3黏結(jié)磨損

金屬板材分切是依靠圓盤刀切削刃的循環(huán)滾剪實(shí)現(xiàn)的，由于上下圓盤刀之間的軸向間隙很小，且圓盤刀刃口某一點(diǎn)持續(xù)剪切的時(shí)間很短（數(shù)ms），在小間隙、短時(shí)間內(nèi)圓盤刀會(huì)承受很大的剪切力反作用力和金屬板材分切面對(duì)圓盤刀側(cè)面的正壓力以及摩擦力，使圓盤刀刃口側(cè)面產(chǎn)生磨損，其磨損形態(tài)如圖6所示。由圖6可見，圓盤刀側(cè)面形成很多凹坑、WC顆粒裸露，另外在磨損區(qū)域發(fā)現(xiàn)具有擠壓痕跡的黏附物（見圖6中方框所示），經(jīng)能譜分析其主要成分為Fe、Cr等元素（成分含量列于表2），證明這些黏附物是金屬板材碎屑黏附著在刀具上形成的。這是由于圓盤刀側(cè)邊與金屬板材分切面處于接觸狀態(tài)，且有較大接觸壓力，使分切材料部分冷焊在圓盤刀側(cè)面。這些黏結(jié)層在循環(huán)分切過程中不斷脫落后又重新形成，脫落過程有可能造成Co元素的損失或 WC硬質(zhì)相的脫落，加劇磨損過程。

圖6 圓盤刀刃口側(cè)面磨損形貌SEM照片

表2 圖6中區(qū)域3處的EDS分析結(jié)果 %

4 結(jié)論

（1）圓盤刀滾剪分切加工過程中，上下圓盤刀使進(jìn)入作用區(qū)的金屬板材產(chǎn)生彈性變形、剪切變形直至形成裂紋并擴(kuò)展而分離，作用于圓盤刀切削刃局部的剪切力隨剪切進(jìn)程發(fā)生由小到大再減小的周期變化，從宏觀來看，圓盤刀圓柱面受到正壓力作用、圓盤刀側(cè)面與金屬板材分切斷面產(chǎn)生擠壓力和摩擦作用。

（2）在硅鋼片的圓盤刀滾剪分切加工過程中，硬質(zhì)合金圓盤刀的磨損形式為切削刃過渡圓弧半徑增大，切削刃附近圓柱面和側(cè)面粗糙度增大，刃口側(cè)面形成0.35mm左右的磨損帶，導(dǎo)致刃口變鈍。

（3）硬質(zhì)合金圓盤刀的磨損機(jī)理主要為失鈷磨損、疲勞磨損、黏結(jié)磨損，其中以失鈷磨損和疲勞磨損居主導(dǎo)地位，磨損區(qū)失鈷使得鈷黏結(jié)相對(duì)WC硬質(zhì)相的結(jié)合作用削弱，造成WC顆粒的裸露脫落，導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具耐磨性能降低、磨損加劇。

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