高效加工硬質(zhì)合金沉孔用新型金剛石工具與工藝研究

張乾坤， 李蘇望， 孫紅丁， 賀躍輝， 江 垚， 陳豫章， 肖逸鋒

(1. 湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411105) (2. 長(zhǎng)沙市薩普新材料有限公司， 長(zhǎng)沙 410000) (3. 中南大學(xué) 粉末冶金研究院， 長(zhǎng)沙 410012)

硬脆材料如硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷材料等的加工一直是困擾工模具行業(yè)的一大難題，尤其是異形加工，如沉孔、臺(tái)階等[1-4]。

傳統(tǒng)粉末冶金廠家開發(fā)出壓制成孔或預(yù)加工成孔的工藝[4-6]，但粉末壓制成孔工藝在形狀復(fù)雜或孔數(shù)量較多時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，而預(yù)加工成孔則對(duì)壓坯的密度均勻性、機(jī)加工崩邊控制和燒結(jié)變形控制要求極高，因而帶來較高的廢品率和較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期[4]，且不適用于尺寸較大的工件。因此，對(duì)硬脆材料的后續(xù)孔加工成為工模具行業(yè)研究的熱點(diǎn)[7-8]，尤其對(duì)模具和耐磨材料等大尺寸或異形整體硬質(zhì)合金的加工。

對(duì)于WC-Co系硬質(zhì)合金，傳統(tǒng)孔加工工藝包括電火花放電加工[8-10]、激光超聲輔助加工[7-8]和PCD刀銑削加工[2,11-12]等3種。

電火花加工由于成本低、加工形狀靈活和易批量生產(chǎn)等原因應(yīng)用最廣泛；但電火花放電的加工效率極低[9-10]，極大地限制了其應(yīng)用。激光超聲加工以復(fù)合輔助提高其加工能力[8]，但設(shè)備成本高，大規(guī)模推廣困難。PCD、PCBN或PCD涂層刀具等在加工高鈷低硬度硬質(zhì)合金(鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥20%，洛氏硬度HRA<87)領(lǐng)域取得了較大成功。很多學(xué)者[2,11-12]先后研究了刀具幾何形狀、涂層性能、基體種類、加工參數(shù)等因素對(duì)車銑加工硬質(zhì)合金效果的影響；但PCD或PCBN刀具價(jià)格昂貴、刀片易崩缺、刃口少，以其加工時(shí)工件易崩缺，也很難加工低鈷硬質(zhì)合金，因此其應(yīng)用也受到很大限制。

在大量的測(cè)試基礎(chǔ)上，本研究采用金剛石磨頭作為硬質(zhì)合金孔加工工具。其兼具金剛石的高鋒利度和多刃切削優(yōu)勢(shì)，利用多刃微磨削和螺旋進(jìn)刀的方式進(jìn)行高效沉孔加工。我們研究了不同固結(jié)方式的磨頭和不同加工參數(shù)對(duì)典型的YG15和YG8硬質(zhì)合金的加工效率、磨頭壽命和加工效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

實(shí)驗(yàn)使用燒結(jié)磨頭和電鍍磨頭加工硬質(zhì)合金孔，其中：燒結(jié)磨頭由長(zhǎng)沙市薩普新材料有限公司提供，金剛石粒度尺寸為89～104μm；電鍍磨頭金剛石粒度尺寸為124～150μm，為優(yōu)化定制磨頭。

2種金剛石磨頭的尺寸參數(shù)如圖1和表1所示。為方便沉孔加工過程中的排屑、容屑、冷卻與自銳，開如圖1所示十字槽。

圖1 2種金剛石磨頭的外形示意圖

注：未標(biāo)注尺寸公差為0.10 mm。

采用表1所示尺寸的金剛石磨頭在YG8和YG15硬質(zhì)合金板上加工尺寸為φ13 mm×5 mm的無底孔沉孔，即盲孔。實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為TaikanT-V8數(shù)控銑床，主軸功率7.5 kW，主軸轉(zhuǎn)速50～10 000 r/min，采用水基乳化液進(jìn)行高壓冷卻與潤(rùn)滑。在經(jīng)過前期多種加工方式對(duì)比后，擇優(yōu)采用螺旋進(jìn)刀方式進(jìn)行加工。擬采用的轉(zhuǎn)速為7000 r/min，吃刀量是0.006～0.02 mm/r，進(jìn)給速度為600～1000 mm/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

電鍍金剛石磨頭工具表層只有一層金剛石磨料，易在車削或磨削的高頻率復(fù)雜受力環(huán)境下疲勞崩缺或剝落，因此其使用壽命可能成為應(yīng)用瓶頸[13]；而燒結(jié)磨頭具有更多的磨削工作層，但打孔內(nèi)徑精度、孔深精度和形狀精度，對(duì)燒結(jié)磨頭提出了高保形、外形統(tǒng)一可控、耐磨性高且穩(wěn)定等要求。

優(yōu)化燒結(jié)磨頭與電鍍磨頭的配方與磨料粒度，并進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選，選擇燒結(jié)金剛石磨頭S1進(jìn)行測(cè)試。圖2為S1斷口的SEM圖和工作面的金相圖。由圖2可以看出：該磨頭具有較高的出刃高度和良好的基體/金剛石界面結(jié)合，均勻的硬質(zhì)相分布，以及較高的致密度等。表2為被加工硬質(zhì)合金工件(YG8和YG15)的性能參數(shù)表。

表2 被加工硬質(zhì)合金工件的性能參數(shù)

2.1 燒結(jié)與電鍍金剛石磨頭的對(duì)比

表3是在不同加工參數(shù)下，S1和D1金剛石磨頭加工硬質(zhì)合金沉孔時(shí)的加工參數(shù)與加工效果對(duì)比。燒結(jié)磨頭加工孔數(shù)的壽命終點(diǎn)判據(jù)是槽高度小于0.2 mm，且磨頭R角磨損不大于0.5 mm；而電鍍磨頭加工的壽命終點(diǎn)判據(jù)為銑床負(fù)載顯著上升，即磨頭脫砂后磨削力顯著下降。

通過1組和2組的對(duì)比可知：在進(jìn)給速度為600 mm/min，吃刀量為0.010 mm時(shí)，2種磨頭具有相近的單孔加工時(shí)間，均為13 min左右，比傳統(tǒng)電火花加工約2 h的加工時(shí)間顯著縮短。但是S1具有更長(zhǎng)的使用壽命，平均可加工37個(gè)孔，壽命約為D1磨頭的近10倍。

表3 不同加工參數(shù)下，S1和D1金剛石磨頭加工硬質(zhì)合金沉孔時(shí)的加工參數(shù)與加工效果對(duì)比

圖3是孔加工效果圖。其中，圖3b和圖3c的加工參數(shù)如表3中1組和2組實(shí)驗(yàn)所示。從圖3中可以看出：在此加工條件下，加工對(duì)象均未出現(xiàn)崩缺。說明這種新型沉孔加工方法無論是燒結(jié)還是電鍍金剛石磨頭都可獲得高效、無崩缺加工效果，這與磨頭的多刃切削特性和較小吃刀量有關(guān)。

(a)低倍圖(b)S1燒結(jié)磨頭加工圖(c)D1電鍍磨頭加工圖圖3 孔加工效果圖

對(duì)于S1燒結(jié)磨頭，在磨頭高度平均消耗1 mm時(shí)，可平均加工37個(gè)孔。經(jīng)計(jì)算，工件/磨頭的體積磨耗比為1122∶1，且磨削完成后R角小于0.5 mm。此時(shí)，工件的材料去除率為51 mm3/min。

2.2 不同加工參數(shù)的對(duì)比

對(duì)比表3中的1組和3組，當(dāng)進(jìn)給速度提高到1000 mm/min而不增加進(jìn)給吃刀量時(shí)，單孔加工時(shí)間由13.0 min縮短為7.9 min，但是S1磨頭的磨損速率顯著增大，工件/磨頭的體積磨耗比由1122∶1降低為636∶1，加工孔的平均數(shù)量也降為21個(gè)。

對(duì)比表3中的2組和5組，在不改變進(jìn)給速度而增大進(jìn)給吃刀量時(shí)，磨頭的加工效率大大提高，但磨頭的磨損顯著加劇，平均僅能加工9個(gè)孔，體積磨耗比降為272∶1。

S1和D1金剛石磨頭在沉孔壽命測(cè)試加工前后的典型形貌如圖4所示。結(jié)合磨削三要素即進(jìn)給吃刀量、進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析[14]，單個(gè)金剛石磨粒所承受的法向力和切向力均隨進(jìn)給速度和進(jìn)給吃刀量的增大而顯著增大，加速金剛石的疲勞剝落，如圖4f所示。同樣的，D1電鍍磨頭在進(jìn)刀量增大時(shí)也出現(xiàn)相似變化趨勢(shì)(6組)，D1磨頭甚至加工不到1個(gè)孔即報(bào)廢，如圖4b所示。4組是在保證材料去除率不變的情況下，增大進(jìn)給速度為1000 mm/min，降低進(jìn)給吃刀量為0.006 mm/r。結(jié)果表明，磨頭的使用壽命和加工效率未發(fā)生明顯改變。

當(dāng)使用φ8 mm的S1磨頭加工φ10 mm的孔時(shí)，如7組所示，同樣的加工參數(shù)卻使S1的磨耗比下降為1組的1/15。這是由于主軸行走直徑由1組的4.9 mm降為1.9 mm，在進(jìn)給速度同樣為600 mm/min時(shí)，主軸沿Z軸的下降速率從1組的0.39 mm/min增大到1.01 mm/min，較小的工件/磨頭間隙和較快的主軸下降速率非常不利于排屑，進(jìn)而增大磨損[2, 13]。

圖4 S1和D1金剛石磨頭在沉孔壽命測(cè)試加工前后的典型形貌

2.3 不同加工對(duì)象的對(duì)比

YG8硬質(zhì)合金與YG15硬質(zhì)合金相比屬于較硬脆的材料，具有更低的斷裂韌性[14]。因而，二者在進(jìn)行磨削加工時(shí)，金剛石更易切入YG15工件中，但切入后，具有較低斷裂韌性的YG8比YG15更易產(chǎn)生切屑的崩裂，即磨屑，且磨屑以較細(xì)的粉末狀為主。結(jié)合表3中1組和8組的對(duì)比結(jié)果，S1在加工硬度較低的YG15時(shí)反而具有更低的使用壽命。這和高鈷硬質(zhì)合金的片狀切屑難以排出，造成磨頭堵塞、鋒利度降低和切削力增大有關(guān)[2,4,14]。

3 結(jié)論

我們提供了一種新型高效率加工硬質(zhì)合金沉孔的工藝，即采用金剛石磨頭進(jìn)行沉孔加工。采用銑削加工中心，以螺旋進(jìn)刀的方式，配合電鍍和燒結(jié)金剛石磨頭，在不同進(jìn)給速度、吃刀量等參數(shù)條件下的加工不同硬質(zhì)合金。發(fā)現(xiàn)：

(1)該工藝將YG8硬質(zhì)合金的打孔時(shí)間由傳統(tǒng)電火花加工的2 h左右縮短為10～15 min，且無崩邊;

(2)對(duì)比S1燒結(jié)磨頭和D1電鍍磨頭，在同等優(yōu)化的加工參數(shù)下，S1燒結(jié)磨頭具有10倍于電鍍磨頭的使用壽命；當(dāng)進(jìn)刀量和進(jìn)給速度增大時(shí)，2種磨頭的磨損量都顯著增加。

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