磨削參數(shù)對硬質(zhì)合金刀片圓弧表面鋸齒的影響

黃向明，劉濤，曾滔，王友偉，湯愛民，袁美娟，李堯

（1.湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，湖南長沙 410082；2.株洲鉆石切削刀具股份有限公司，湖南株洲 412000）

鎢鈷硬質(zhì)合金是由硬質(zhì)相WC 及黏結(jié)相Co通過粉末冶金方式得到的一種高硬度、耐磨的合金材料，在金屬切削工具、鉆削、復(fù)合材料加工等方面有著重要的應(yīng)用［1］.近年來我國刀具大多來源于進(jìn)口或者仿制，而高精尖的需求又使得硬質(zhì)合金刀具更加精密化［2］.硬質(zhì)合金一般采用磨削加工方式［3］.磨削過后的刀具表面通常會出現(xiàn)裂紋、振紋、鈷浸出、燒傷等，刃口出現(xiàn)毛邊、缺口等缺陷，直接影響了刀具性能［4-7］.

近年來關(guān)于硬質(zhì)合金刀具的磨削工藝研究主要集中在磨削去除機理、磨削工藝參數(shù)以及材料組織對表面質(zhì)量的影響等方面.詹友基［8］采用金剛石砂輪對五種不同顯微結(jié)構(gòu)、不同特性的硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削實驗，通過觀測磨削后的表面形貌，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金材料去除分為塑性去除和脆性去除，不同類型的硬質(zhì)合金去除方式有所不同.原一高等［9］對超細(xì)硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削，發(fā)現(xiàn)材料去除方式與磨削參數(shù)及硬質(zhì)合金的顯微結(jié)構(gòu)有關(guān).李文忠［10］采用超聲振動對硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削加工，使材料在加工時發(fā)生脆塑轉(zhuǎn)化，降低了磨削力.柳文陽等［11］使用不同結(jié)合劑的金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金數(shù)控刀片，發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)合劑砂輪磨削的刀片能獲得較好的尺寸一致性、表面粗糙度值.許鵬飛等［12］采用D46 和D64 兩種不同粒度的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削不同前角的切槽刀片，發(fā)現(xiàn)砂輪粒度主要對斷屑槽處的表面粗糙度產(chǎn)生較大影響，前角越大，刃口越易產(chǎn)生缺陷.何榮躍等［13］發(fā)現(xiàn)采用合適粒度的砂輪和磨削余量磨削硬質(zhì)合金刀具，能夠減小刃口崩缺的狀況.熊建武等［14］對不同硬質(zhì)合金刀片研磨后的刀刃狀態(tài)進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)研磨條件及刀片材料組織均會影響刀尖質(zhì)量.Gao Peng 等［15-16］進(jìn)行了微銑刀的磨削，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金的晶粒尺寸和組成對刃口的損傷有重要影響，WC 晶粒越小，刃口微裂紋和斷裂越少，Co 含量降低，使得材料脆性增加，會出現(xiàn)更多的尖端微斷裂和微裂紋.

目前針對磨削加工刀片圓弧曲面時的磨削力、鋸齒的成因及控制研究較少.在切削時，如果刀片圓弧上存在鋸齒，則會影響切削力、切屑的變形等，從而對加工表面產(chǎn)生一定的影響.本文通過建立硬質(zhì)合金刀片曲面磨削時的磨削力模型，采用正交試驗研究磨削工藝參數(shù)對硬質(zhì)合金刀片曲面的鋸齒深度及粗糙度的影響規(guī)律，分析鋸齒的成形機理，從而為控制磨削硬質(zhì)合金刀片圓弧處的質(zhì)量提供參考依據(jù).

1 磨削力模型的建立

1.1 硬質(zhì)合金刀片圓弧磨削接觸長度

假設(shè)硬質(zhì)合金刀片毛坯和成品刀片圓弧及回轉(zhuǎn)中心同心，并且圍繞圓弧圓心轉(zhuǎn)動.以刀片圓心為坐標(biāo)原點，以硬質(zhì)合金刀片的主圓弧對稱中心為y軸建立如圖1所示坐標(biāo)系.圖中r1為磨削后的刀片圓弧半徑，r2為磨削前（毛坯）半徑，左側(cè)AG為砂輪與刀片的初始接觸長度L，磨削刀片時，砂輪表面上某一個磨粒切削刃沿刀片表面的切削軌跡為曲線AB，而下一個連續(xù)磨粒切削刃的切削軌跡為曲線CD，假設(shè)連續(xù)切削磨刃間距為λst.

圖1 磨削示意圖Fig.1 Grinding diagram

根據(jù)砂輪和刀片的運動關(guān)系，當(dāng)磨粒從A運動到B時，

所需時間ts為

曲線AB的運動方程為［17］：

由于φ角很小，取cosφ≈1，由此得到砂輪與工件的接觸長度如式（6）：

1.2 最大未變形切屑厚度

由圖1可知，最大未變形切屑厚度為點B到曲線CD的最短距離，曲線CD的運動方程為：

則最大未變形切屑厚度為：

由于時間極短，所以：

當(dāng)t取最大值時，hmax較小，則用曲線BD的值近似等于最大未變形切屑厚度.

則最大未變形切屑厚度為：

1.3 磨削力模型的建立

為方便計算，假設(shè)在體積分?jǐn)?shù)為Vg的砂輪中均勻分布直徑為dg的球狀顆粒，則單位體積所具有的磨粒數(shù)為［18-19］：

通過引入切屑幾何參數(shù)，得到單顆磨粒與工件材料的干涉圖如圖2 所示，其中l(wèi)i是磨削弧上任意一點到磨粒切入點的距離，lc為磨削區(qū)域接觸區(qū)弧長，hmax為最大未變形切屑厚度，h為待切削材料層厚度.

圖2 單顆磨粒與工件材料的干涉Fig.2 Interference of a single abrasive particle with workpiece material

本研究中磨削圓弧時的圓弧轉(zhuǎn)動速度（8 °/s、10°/s、12°/s）較小，致使最大未變形切屑厚度較小，所以磨削主要以塑性去除為主.當(dāng)砂輪以一定深度磨削時，磨削力可以分為切屑變形力和摩擦力兩部分.因此磨削過程中砂輪與刀片單位磨削寬度上的磨削力為［20］：

2 試驗

2.1 試驗設(shè)備

試驗使用的機床為德國萬特有限公司生產(chǎn)的數(shù)控磨床WAC 735 QUATTRO，如圖3 所示.刀片圓弧處的鋸齒采用超景深顯微鏡VHX-600 和場發(fā)射掃描電鏡及能譜一體機LEO1520+INCA 進(jìn)行觀測，表面粗糙度使用白光干涉儀NEW VIEW 7100 進(jìn)行檢測.

圖3 刀片的磨削加工Fig.3 Grinding of blades

2.2 試驗砂輪

磨削實驗采用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，濃度100%，粒度為D35（對應(yīng)國內(nèi)M22/36），砂輪直徑400 mm，層厚6 mm，層寬6 mm.

2.3 試驗刀片

試件為超細(xì)硬質(zhì)合金刀片，成分WC-10% Co，晶粒度0.8 μm，密度14.49 g·cm-3，硬度15 182 MPa，斷裂韌性14.84 MPa·m1/2，刀片前角25°.刀片的金相圖（鐵氰化鉀和20%氫氧化鉀1∶1混合液腐蝕5 min）如圖4所示，圖中顏色較深的區(qū)域為WC，其余為Co.

圖4 硬質(zhì)合金金相圖Fig.4 Cemented carbide metallographic diagram

2.4 試驗方案

采用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金刀片圓弧，研究不同的砂輪轉(zhuǎn)速、圓弧轉(zhuǎn)動速度、磨削深度磨削時，刀片圓弧處鋸齒情況及表面粗糙度.刀片采用先磨削4條直線刃再磨削圓弧刃的加工形式，刀片每磨削完成1片，則對砂輪進(jìn)行一次修整，冷卻液采用硬質(zhì)合金磨削油.表1列出了本次試驗的磨削試驗參數(shù).

對表1 進(jìn)行正交試驗設(shè)計，每組試驗參數(shù)磨削30 個刀片，測量每個刀片圓弧上鋸齒深度的最大值和圓弧面上的表面粗糙度Ra.具體的鋸齒深度檢測如圖5 所示，測量采用靠近刃口處，在垂直于磨削方向劃線，長度為0.1 mm 記為一個數(shù)據(jù)，最后取30 個數(shù)據(jù)的平均值代表該參數(shù)下的鋸齒深度值和表面粗糙度.

表1 磨削試驗參數(shù)Tab.1 Grinding schematic parameters

圖5 鋸齒檢測示意圖Fig.5 Saw-tooth detection diagram

3 結(jié)果及分析

3.1 磨削參數(shù)對圓弧鋸齒及表面粗糙度的影響

正交試驗結(jié)果如表2 所示.從表中試驗結(jié)果來看，第7 組試驗鋸齒深度及表面粗糙度最小，第1 組試驗鋸齒深度及表面粗糙度結(jié)果最大.表3 極差R值的大小不同，表明影響硬質(zhì)合金刀片鋸齒深度大小的因素順序為：磨削深度>圓弧轉(zhuǎn)動速度>砂輪速度.影響硬質(zhì)合金圓弧表面粗糙度的因素中，磨削厚度的影響最大，砂輪磨削圓弧轉(zhuǎn)速和圓弧轉(zhuǎn)動速度對表面粗糙度的影響相近.根據(jù)表3 極差分析結(jié)果做出正交效應(yīng)曲線圖6.從圖6 中可以看出，隨著磨削參數(shù)的變化，圓弧鋸齒深度與表面粗糙度的變化趨勢基本一致，即提高砂輪轉(zhuǎn)速能夠使刀片圓弧鋸齒深度及表面粗糙度均減小；降低刀片圓弧轉(zhuǎn)動速度及磨削深度均會降低鋸齒深度及表面粗糙度.

表2 正交試驗結(jié)果Tab.2 Orthogonal experimental results

表3 鋸齒（表面粗糙度）極差分析結(jié)果Tab.3 Saw tooth（surface roughness）range analysis results

此外，結(jié)合實際情況及磨削力模型進(jìn)一步分析圖6.在圖6（a）中，提高砂輪速度時，單位時間內(nèi)經(jīng)過刀片圓弧表面的磨粒數(shù)增多，砂輪與刀片的接觸長度lc減小，磨粒的切屑厚度h減小，磨削力減小，從而使得鋸齒深度及表面粗糙度減小.因此，砂輪速度在16 m/s時的鋸齒深度及粗糙度比較大，24 m/s時的鋸齒深度及表面粗糙度比較小.在圖6（b）、圖6（c）中，當(dāng)圓弧轉(zhuǎn)動速度或者磨削深度增大時，砂輪與刀片的接觸面積增加，單位時間內(nèi)砂輪磨削硬質(zhì)合金刀片的材料去除體積增多，ω增大或者r2增大均會使得砂輪與刀片的接觸長度lc增大，磨粒的切屑厚度h增大，磨削力增大，從而使得鋸齒深度及表面粗糙度減小.因此，圓弧轉(zhuǎn)動速度在12°/s 或者磨削深度為0.2 mm 時的鋸齒深度及表面粗糙度比較大，圓弧轉(zhuǎn)動速度在8°/s 或者磨削深度在0.05 mm 時的鋸齒深度及表面粗糙度比較小.圖7 為砂輪速度20 m/s，圓弧轉(zhuǎn)動速度10 m/s，磨削深度0.2 mm 下磨削表面形貌.從圖中可以看出：磨削表面以塑性溝壑為主，兩側(cè)隆起較深，劃痕明顯，說明材料是以塑性去除為主.同時可以從圖中看出：劃痕兩側(cè)存在少量的脆性剝落，說明材料也存在少量的脆性去除.為了獲得小鋸齒深度和表面粗糙度，根據(jù)表3 極差分析做出圖6.從圖中選取每種磨削參數(shù)下取得最小鋸齒深度和表面粗糙度時的磨削參數(shù).通過極差分析可獲得最優(yōu)磨削參數(shù)方案是：砂輪速度24 m/s，圓弧轉(zhuǎn)動速度8°/s，磨削深度0.05 mm，可以有效減小刀片圓弧鋸齒及表面粗糙度.

圖6 磨削參數(shù)對鋸齒及表面粗糙度的影響Fig.6 The influence of grinding parameters on the tooth and surface roughness

圖7 磨削后的圓弧面表面形貌Fig.7 Surface morphology of arc surface after grinding

3.2 鋸齒形成機理

在硬質(zhì)合金刀片圓弧的磨削過程中，如圖8 所示，磨粒沿著具有一定角度的刃口方向移動，對工件進(jìn)行了滑擦、耕犁以及切削，硬質(zhì)合金中WC和Co硬度、熱膨脹系數(shù)等性能參數(shù)不同導(dǎo)致磨粒在切削過程中產(chǎn)生不同的變形，磨粒對WC 顆粒擠壓導(dǎo)致應(yīng)力過大形成斷裂.圖9 所示為磨削過程中刃口處的受力分析，砂輪作用于刃口處的磨削擠壓力為F.刀片斷屑槽的存在使得斷屑槽和圓弧面之間的夾角為銳角，磨削力F相對于斷屑槽內(nèi)部O點產(chǎn)生扭矩，使得刃口處的材料容易向斷屑槽內(nèi)部扭轉(zhuǎn)斷裂脫落，進(jìn)而導(dǎo)致刃口處形成鋸齒及微裂紋等缺陷.因此，磨削力越大，產(chǎn)生的磨削鋸齒缺陷越深.

圖8 磨削過程Fig.8 The grinding process

圖9 磨削過程受力分析Fig.9 Analysis of force in grinding process

圓弧面切削主要以塑性去除為主，如圖7 所示.金剛石磨粒磨削WC 顆粒的過程中，通過磨粒對WC顆粒的切削作用，WC 顆粒發(fā)生塑性變形，當(dāng)達(dá)到材料的屈服應(yīng)力時，WC 相產(chǎn)生位錯和滑移，同時部分WC 顆粒發(fā)生破碎［21］，如圖10 所示，由于Co 相相對較軟，在磨粒的作用下，Co 隨WC 晶粒一起去除，或從WC 晶粒間析出Co 涂覆于磨削表面［24］，在后續(xù)磨粒的作用下，更多的WC和Co被去除，形成比較光滑的平面，如圖10（a）所示，即正常的磨削過程，其刀具刃口表面基本比較光滑，如圖5 左側(cè)的正常區(qū)域所示.由于硬質(zhì)合金內(nèi)部存在大小不同的WC 顆粒，特別是存在高硬度大顆粒WC 時，在磨粒切削作用下，薄的結(jié)合層在嚴(yán)重擠壓下容易發(fā)生斷裂，部分顆粒被磨粒擠壓從基體中帶出形成凹坑，漏出加工表面下方的WC顆粒［22］.

由于硬質(zhì)合金中WC 和Co 硬度、熱膨脹系數(shù)等不同，Co 相在磨粒的作用下發(fā)生塑性變形并從材料中析出，WC 顆粒缺少黏結(jié)相Co 的支撐，表面強度下降，磨粒作用于WC 顆粒上時，使得WC 顆粒內(nèi)部位錯增大，當(dāng)超過一定量時，將會形成微裂紋，裂紋沿著WC/Co或WC/WC 及Co相傳播［23］.因此在WC 顆粒中出現(xiàn)裂紋，同時會導(dǎo)致WC 和Co 相邊界出現(xiàn)裂紋.隨著后續(xù)磨粒的擠壓，裂紋進(jìn)一步擴展，導(dǎo)致局部區(qū)域的WC 晶粒大面積斷裂和脫落，在宏觀上呈現(xiàn)出鋸齒，如圖10（b）所示.如圖10（c）所示，由于刀片刃口具有一定的傾角，砂輪作用于刃口時會對刃口形成一定的扭矩M，刃口外側(cè)缺少支撐，導(dǎo)致WC 顆粒脫離，WC 顆粒沿WC/Co 或WC/WC 邊界旋轉(zhuǎn)，留下隨機分布的微斷裂間隙，加劇了鋸齒的形成.圖11為刀片刃口鋸齒微觀形貌的SEM 圖，從圖中可以看出：刃口處刀片材料脫落形成鋸齒，參考圖11（a）；一些大顆粒WC 在磨粒的擠壓作用下，從表面脫落形成凹坑，參考圖11（b）；以及磨削過程中一部分析出的Co相涂覆在WC表面，形成涂覆層，參考圖11（c）；部分大顆粒WC 由于受力形成的位錯較大，內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋.

圖10 鋸齒形成機理示意圖Fig.10 Schematic diagram of saw-tooth formation mechanism

圖11 鋸齒微觀形貌的SEM圖Fig.11 SEM image of saw tooth microstructure

4 結(jié)論

1）正交試驗結(jié)果表明，影響硬質(zhì)合金圓弧鋸齒深度大小的順序為：磨削深度>圓弧轉(zhuǎn)動速度>砂輪磨削圓弧速度.影響硬質(zhì)合金圓弧表面處的表面粗糙度大小的順序為：磨削深度>砂輪磨削圓弧速度>圓弧轉(zhuǎn)動速度，其中圓弧轉(zhuǎn)動速度和砂輪磨削圓弧速度的影響相差不大.

2）隨著砂輪速度的增大，刀片圓弧處的鋸齒和表面粗糙度減??；隨著圓弧轉(zhuǎn)動速度的增大，刀片圓弧處的鋸齒和表面粗糙度增大；隨著磨削深度的減小，刀片圓弧處的鋸齒和表面粗糙度減小，其中獲得較好的表面質(zhì)量的磨削工藝參數(shù)為：砂輪速度24 m/s，圓弧轉(zhuǎn)動速度8°/s，磨削深度0.05mm.

3）硬質(zhì)合金刀片圓弧處鋸齒的形成主要與刀片材料、結(jié)構(gòu)及磨削過程中作用于刀片圓弧上的應(yīng)力有關(guān).