加工硬質(zhì)合金刀具磨削參數(shù)確定方法

張慈恩

摘 要：確定合適的加工硬質(zhì)合金刀具磨削參數(shù)有利于提高磨削質(zhì)量、加工效率和延長(zhǎng)金剛石砂輪的使用壽命。介紹了磨削硬質(zhì)合金的砂輪種類，分析了在磨削中常遇到的問(wèn)題，給出了相應(yīng)的解決措施，提出了一種在生產(chǎn)中確定磨削參數(shù)的方法，并將該方法應(yīng)用在了新規(guī)格刀具的加工中。

關(guān)鍵詞：金剛石砂輪；硬質(zhì)合金；磨削參數(shù)；磨削裂紋

中圖分類號(hào)：TG580.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.096

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，制造業(yè)得到了明顯的發(fā)展，硬質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)數(shù)量也越來(lái)越多。如果沒(méi)有確定好硬質(zhì)合金刀具的磨削參數(shù)，則會(huì)影響到刀具的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，如何確定有效的磨削參數(shù)以提高刀具的生產(chǎn)質(zhì)量成為了工作人員需要解決的問(wèn)題。

1 磨削硬質(zhì)合金砂輪的種類

硬質(zhì)合金是以碳化鎢、碳化鈦等金屬碳化物作為硬質(zhì)相，以鈷等金屬作為黏接劑，通過(guò)粉末冶金的方法制成，具有較高的硬度（可達(dá)HRA89-93，顯微硬度為1 300～1 800 N/mm2）、較低的導(dǎo)熱系數(shù)（16.75～79.55 W/m·K）、較低的抗彎強(qiáng)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(xiàn)出與鋼件等材料不同的磨削要求。以往，硬質(zhì)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(zhì)合金時(shí)磨粒易磨耗鈍化，導(dǎo)致磨削力增大、磨削溫度過(guò)高，進(jìn)而使刀具表面形成裂紋等缺陷。同時(shí)，碳化硅砂輪脫粒過(guò)快，砂輪形狀不易保持，易造成刀具尺寸不穩(wěn)定。

2 磨削中的常見(jiàn)問(wèn)題及其解決措施

2.1 磨削裂紋

硬質(zhì)合金刀具在磨削過(guò)程中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂紋，這是因刀具表面形成了拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)刀具材料的抗拉極限時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂紋。硬質(zhì)合金材料在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)在磨削過(guò)程中殘余應(yīng)力的形成沒(méi)有影響，因此，應(yīng)在磨削過(guò)程中來(lái)尋找拉應(yīng)力的來(lái)源。

在磨削中，磨粒與工件的接觸過(guò)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(gè)磨削系統(tǒng)彈性變形，產(chǎn)生摩擦熱并在工件表面形成熱應(yīng)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(cè)隆起，但未形成切屑。此時(shí)，除磨粒與工件表面發(fā)生摩擦外，工件內(nèi)部也發(fā)生了摩擦，不僅在工件表層形成熱應(yīng)力，還因塑性變形而產(chǎn)生了變形應(yīng)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(shí)，形成了熱應(yīng)力和變形應(yīng)力。

2.2 磨削粗糙度

金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金的各項(xiàng)磨削參數(shù)對(duì)工件表面的粗糙度有直接影響。通過(guò)研究陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金表面的粗糙度，磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響程度依次為橫向進(jìn)給速度>砂輪線速度>磨削行程>磨削深度。當(dāng)橫向進(jìn)給速度、磨削行程和磨削深度增大時(shí)，表面粗糙度提升；當(dāng)砂輪線速度增大時(shí)，表面粗糙度降低。當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，砂輪線速度增大，使單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)量增加，每顆磨粒去除的材料減少，產(chǎn)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(jìn)速度；faap為磨削深度。

由此可見(jiàn)，磨削效率與砂輪線速度無(wú)關(guān)，而與工件速度V、軸向進(jìn)給速度W和磨削深度f(wàn)aap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(jìn)給速度和磨削深度，從而提高QZ。

2.4 砂輪消耗

在磨削硬質(zhì)合金的過(guò)程中，金剛石砂輪會(huì)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(guò)程中因受到機(jī)械摩擦作用、黏接作用、擴(kuò)散和化學(xué)作用而產(chǎn)生磨損。金剛石砂輪在磨削Al2O3工程陶瓷材料時(shí)，磨粒將發(fā)生磨耗磨損，進(jìn)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(xiàn)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(xué)鍵強(qiáng)度最弱的方位面產(chǎn)生的。磨粒局部解理破碎會(huì)形成新的切削刃，這是砂輪自勵(lì)的重要途徑之一。

隨著磨粒及其周圍結(jié)合劑的逐漸磨損，結(jié)合劑橋截面逐漸縮小，對(duì)磨粒的把持力也逐漸減小。當(dāng)磨粒受到的磨削力超過(guò)把持力時(shí)磨粒會(huì)脫落，脫落后該位置的結(jié)合劑會(huì)迅速磨損，進(jìn)而露出下層的新磨粒參與磨削，該過(guò)程為砂輪自勵(lì)的另一途徑。

Al2O3工程陶瓷材料與硬質(zhì)合金的機(jī)械性能相近，同屬脆硬性材料，因此，上述過(guò)程也應(yīng)適用于金剛石砂輪磨削硬質(zhì)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(dǎo)作用，與結(jié)合劑、砂輪硬度、工件材料、加工條件和磨削參數(shù)有關(guān)。當(dāng)其他條件不變時(shí)，砂輪線速度越大，每個(gè)磨粒的磨削深度越小，受到的磨削力也越小。雖然磨?？偟哪ハ餍谐虝?huì)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(huì)明顯延長(zhǎng)。當(dāng)磨削深度增加時(shí)，磨屑會(huì)增加，產(chǎn)生的磨屑堆積在磨粒前部空隙處侵蝕結(jié)合劑，也增加了磨粒的受力，進(jìn)而提高了磨粒脫落的可能性。當(dāng)進(jìn)給速度或工件轉(zhuǎn)速增加時(shí)，未變形切屑的最大厚度會(huì)增加，導(dǎo)致磨粒的受力增大，可能直接將磨粒從結(jié)合劑中“蹦出來(lái)”。由此可見(jiàn)，砂輪線速度快、磨削深度小和進(jìn)給速度慢有利于延長(zhǎng)砂輪壽命、降低砂輪的自銳性能。當(dāng)砂輪鈍化后需要進(jìn)行修銳等操作，會(huì)去除大量的磨粒，反而會(huì)加大砂輪的消耗。同時(shí)，當(dāng)進(jìn)給速度慢和磨削深度小時(shí)，也會(huì)降低磨削效率。因此，不能一味地追求高線速度和低進(jìn)給速度，而是需要合理地選擇上述參數(shù)。

3 生產(chǎn)中確定磨削參數(shù)的方法

專家學(xué)者們對(duì)不同工作條件下最有效的磨削參數(shù)進(jìn)行了大量研究，提出了多種確定最佳磨削參數(shù)的方法。但在生產(chǎn)車間，工人們很難掌握復(fù)雜的公式，也沒(méi)有時(shí)間研究哪些參數(shù)是最合適的，往往憑借經(jīng)驗(yàn)操作。比如，最合適的磨削直徑為10 mm的整體硬質(zhì)合金立銑刀參數(shù)，以及能使單件時(shí)間最短、更換和修整砂輪的間隔最長(zhǎng)、工件合格率最高的線速度和進(jìn)給速度等。當(dāng)遇到類似加工時(shí)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)操作即可。一旦遇到新的加工任務(wù)時(shí)，就需要重新確立新的參數(shù)。此時(shí)，可從“研磨度”出發(fā)，快速確定合適的磨削參數(shù)。

研磨度是估計(jì)磨粒擠壓力的指標(biāo)，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(guò)大，則磨粒會(huì)侵入工件表面深處，且使磨粒受到的力過(guò)大，進(jìn)而造成磨粒過(guò)早地從結(jié)合劑中脫落；如果研磨度過(guò)小，磨粒侵入工件表面過(guò)淺，甚至只在工件表面劃過(guò)，無(wú)法形成磨屑并生成大量的熱量，應(yīng)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(gè)最有效的研磨度值，即最優(yōu)磨削參數(shù)。

研磨度值可表示為：

. （2）

式（2）中：A為研磨度；Vw為工件轉(zhuǎn)動(dòng)線速度或工件進(jìn)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(jiàn)，工件進(jìn)給速度越大或磨削深度越大，研磨度數(shù)值越高；砂輪速度越大，每個(gè)磨粒侵入工件越淺，研磨度數(shù)值就越小。增大砂輪直徑會(huì)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(shù)值。

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

表1 不同的磨削參數(shù)對(duì)應(yīng)的研磨度值

磨削深度/mm 進(jìn)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(yīng)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(shù)有很大差異，但研磨度值卻很接近，也都接近供應(yīng)商推薦的研磨度值，因此，二者所使用的磨削參數(shù)都是合理的。甲、乙兩人的進(jìn)給速度和砂輪線速度都明顯低于供應(yīng)商推薦的數(shù)值，導(dǎo)致材料磨除率偏低，因此，可大幅提高砂輪速度和進(jìn)給速度，不用擔(dān)心砂輪損壞或工件燒傷等問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在使用金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金刀具的過(guò)程中，相關(guān)的磨削參數(shù)對(duì)刀具的加工效率和砂輪壽命等有著重要的影響，確定合理的硬質(zhì)合金刀具磨削參數(shù)對(duì)保證生產(chǎn)質(zhì)量起著重要的作用——不僅可有效延長(zhǎng)金剛石砂輪的使用壽命，還可提高施工效率。

參考文獻(xiàn)

[1]姚萍.硬質(zhì)合金磨削裂紋的產(chǎn)生與預(yù)防[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2009，24（4）：81.

[2]李安海，趙軍，王澤明，等.WC—Co硬質(zhì)合金的彈性性能[J].硬質(zhì)合金，2011，28（3）：194.

〔編輯：張思楠〕