2 整體硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的原因分析

1. 整體硬質(zhì)合金刀具的磨削加工特點(diǎn)
   
   硬質(zhì)合金材料由于硬度高，脆性大，導(dǎo)熱系數(shù)小，給刀具的刃磨帶來了很大困難，尤其是磨削余量很大的整體硬質(zhì)合金刀具。硬度高就要求有較大的磨削壓力，導(dǎo)熱系數(shù)低又不允許產(chǎn)生過大的磨削熱量，脆性大導(dǎo)致產(chǎn)生磨削裂紋的傾向大。因此，對(duì)硬質(zhì)合金刀具刃磨，既要求砂輪有較好的自礪性，又要有合理的刃磨工藝，還要有良好的冷卻，使之有較好的散熱條件，減少磨削裂紋的產(chǎn)生。一般在刃磨硬質(zhì)合金刀具時(shí)，溫度高于600℃，刀具表面層就會(huì)產(chǎn)生氧化變色，造成程度不同的磨削燒傷，嚴(yán)重時(shí)就容易使硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生裂紋。這些裂紋一般非常細(xì)小，裂紋附近的磨削表面常有藍(lán)、紫、褐、黃等顏色相間的不同氧指數(shù)的鎢氧化物的顏色，沿裂紋敲斷后，裂紋斷口的斷裂源處也常有嚴(yán)重?zé)齻�的痕跡，整個(gè)裂紋斷面常因滲入磨削油而與新鮮斷面界限分明。傳統(tǒng)碳化硅砂輪磨削硬質(zhì)合金由于磨削效率很低、磨削力較大、自礪性差以及磨削接觸區(qū)表面局部溫度高(高達(dá)1100℃左右)等造成刀具刃口質(zhì)量差、表面粗糙度差和廢品率高等缺點(diǎn)已逐漸被淘汰使用;而金剛石砂輪則由于磨削效率高、磨削力較小、自礪性好、金剛石刃口鋒利、不易鈍化以及磨削接觸區(qū)表面局部溫度較低(一般在400℃左右)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具的磨削加工中。但在整體硬質(zhì)合金刀具的金剛石砂輪磨削過程中，由于磨削余量很大，加工方法、金剛石工具特性和磨削制度如果選擇不當(dāng)，也會(huì)造成刀具磨削接觸區(qū)表面局部瞬時(shí)溫度偏高，從而產(chǎn)生磨削裂紋。
   
   
2. 整體硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的產(chǎn)生機(jī)理分析
   
   制造硬質(zhì)合金刀具采用的金剛石磨削處理可以使刀具表面層的物理—機(jī)械特性變壞或者改善。決定表面層質(zhì)量的基本參數(shù)是：微觀形貌(即表面粗糙度)，表面層的結(jié)構(gòu)和亞結(jié)構(gòu)，第Ⅰ類殘余應(yīng)力值及其分布。燒結(jié)后的硬質(zhì)合金通常具有不低于Rz5µm的表面粗糙度， 金剛石加工可以保證Rz不低于2µm，在Rz= 1～5µm范圍內(nèi)顯微粗糙度的深度實(shí)際上不影響硬質(zhì)合金的壽命指標(biāo)。在磨削加工中硬質(zhì)合金晶粒內(nèi)部的細(xì)微結(jié)晶結(jié)構(gòu)參數(shù)也發(fā)生變化，嵌晶塊發(fā)生破碎(相干分散區(qū))，其值減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，由(10～15)×10^-5mm降到(10～15)×10^-6mm。晶粒顯微畸變值(Δd/d，第Ⅱ類應(yīng)力)發(fā)生變化，表面層性能也相應(yīng)變化。但是，實(shí)際上細(xì)微結(jié)晶結(jié)構(gòu)參數(shù)變化與硬質(zhì)合金壽命之間并未發(fā)現(xiàn)直接關(guān)系。所以在循環(huán)載荷下(如銑削力)硬質(zhì)合金的使用壽命既與表面層的結(jié)構(gòu)和亞結(jié)構(gòu)無直接關(guān)聯(lián)，又首先不是決定于表面粗糙度，而是決定于表面層的殘余應(yīng)力狀態(tài)，即第Ⅰ類殘余應(yīng)力值及其沿截面的分布對(duì)硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和壽命起著決定性因素。表面層殘余壓應(yīng)力的形成促使斷裂源遷移到距離表面更深的受載荷較小的層次，抑制了裂紋的萌生和擴(kuò)展，這就使得強(qiáng)度和壽命增加;同時(shí)隨著硬質(zhì)合金表面層殘余壓應(yīng)力層分布深度的增加，其強(qiáng)度和壽命逐漸提高。而表面層形成的殘余拉應(yīng)力則促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展，是產(chǎn)生裂紋的必要條件，且使得強(qiáng)度和壽命降低。但磨削后的表面往往既有殘余壓應(yīng)力又有拉應(yīng)力，因此，理想的磨削表面層狀態(tài)應(yīng)是表面層殘余壓應(yīng)力值越高越好，殘余壓應(yīng)力層分布越深越好；近表面層殘余拉應(yīng)力值越低越好，殘余拉應(yīng)力層越薄越好，最大拉應(yīng)力值距離表面越深越好。反之，表面層較淺的壓應(yīng)力分布和近表面層過高的拉應(yīng)力值則是萌生磨削裂紋的主要原因。所以，在磨削加工過程中應(yīng)盡量減小和避免殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生。
   
   在多數(shù)情況下硬質(zhì)合金制品燒結(jié)后在表面層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力(起源于熱)，這種拉應(yīng)力值可達(dá)500～1000MPa。該應(yīng)力層的深度不大于5～7µm，應(yīng)力滲入深度不超過30～40µm。越接近表面，其值越高;鈷含量越高，其值越高。因此燒結(jié)后的硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度值(TRS值)和疲勞壽命值很低。但磨削余量常大于0.1mm，因而隨后的磨削加工在去除硬質(zhì)合金表層后完全可以消除燒結(jié)合金中的殘余拉應(yīng)力，并形成新的應(yīng)力狀態(tài)。由此可見，燒結(jié)工藝引起的殘余應(yīng)力對(duì)在磨削過程中殘余應(yīng)力的形成沒有影響。
   
   在磨削加工過程中，影響刀具表面狀態(tài)的有兩個(gè)主要因素：施加的力和局部溫度。施加的力對(duì)合金表面的作用會(huì)引起不可恢復(fù)的塑性變形、結(jié)構(gòu)的變化和相變并伴隨著單位體積的增大，從而導(dǎo)致形成殘余壓應(yīng)力，提高抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度、耐磨性和使用壽命等，亦即發(fā)生強(qiáng)化過程;局部溫度對(duì)合金表面的作用會(huì)在表面層中產(chǎn)生不均勻的熱塑性變形、結(jié)構(gòu)和相的變化并伴隨著單位體積的減小，從而導(dǎo)致形成殘余拉應(yīng)力、降低抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度、耐磨性和使用壽命等，亦即發(fā)生弱化過程。因此，硬質(zhì)合金刀具最終表面層狀態(tài)是被強(qiáng)化還是被弱化，是殘余壓應(yīng)力為主，還是殘余拉應(yīng)力為主，則取決于在磨削過程中對(duì)其表面的作用是以力為主還是以溫度為主。當(dāng)磨削過程中磨削接觸區(qū)的局部瞬時(shí)溫度達(dá)到一定程度(有時(shí)可達(dá)1000℃以上)占主導(dǎo)因素時(shí)，便會(huì)形成表面層較淺的壓應(yīng)力分布和近表面層過高的拉應(yīng)力值，殘余拉應(yīng)力促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展，其數(shù)值之大，甚至?xí)�超過材料的破斷強(qiáng)度，而形成細(xì)微小裂紋。有時(shí)在磨削后不產(chǎn)生裂紋，但在研磨或使用過程中，當(dāng)其表層被去除后，下層的殘余應(yīng)力失去平衡，才出現(xiàn)裂紋。在金剛石加工時(shí)，刀具表面磨削接觸區(qū)局部瞬時(shí)溫度的高低將取決于加工方法、金剛石工具特性和磨削制度。

3 整體硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的無損檢測(cè)

表1 不同方法檢測(cè)刀具表面磨削裂紋的效果對(duì)比 檢測(cè)方法 肉眼 放大鏡 體視顯微鏡 工具顯微鏡 自乳化型 熒光滲透檢測(cè) 后乳化型 熒光滲透檢測(cè) 受檢刀具數(shù)量 (件) 1530 540 1230 6580 磨削裂紋率(%) ≤3 3～6 8～10 15～20 磨削裂紋檢出率 (%) 很低 低 中 高

圖1 刀具后乳化型熒光滲透檢測(cè)工藝流程圖

圖2 整體合金銑刀表面的典型磨削裂紋

圖3 整體合金銑刀表面的典型磨削裂紋

4 整體硬質(zhì)合金刀具磨削工藝改進(jìn)

1. 影響磨削裂紋的磨削工藝因素
   
   如前所述，整體硬質(zhì)合金刀具表面的磨削裂紋主要是由于磨削過程中磨削接觸區(qū)的局部瞬時(shí)溫度過高形成磨削表面層較淺的壓應(yīng)力分布和近表面層過高的拉應(yīng)力值超過材料的破斷強(qiáng)度造成，因此，在磨削加工過程中應(yīng)盡量減小和避免瞬時(shí)高溫的產(chǎn)生，也就減小和避免了殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生。磨削過程中的瞬時(shí)高溫往往會(huì)引起磨削表面層的機(jī)械性能的變化，這種瞬時(shí)高溫可達(dá)1000℃以上，對(duì)刀具表面層造成磨削燒傷。磨削燒傷會(huì)破壞刀具表面層組織，使工件表面的質(zhì)量惡化，嚴(yán)重影響刀具的強(qiáng)度、耐磨性和使用壽命;嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生裂紋。因此，不僅要防止產(chǎn)生磨削裂紋，還必須避免磨削燒傷。在金剛石加工時(shí)，刀具表面局部瞬時(shí)溫度的高低將取決于加工方法、金剛石工具特性和磨削制度。
   
   實(shí)踐證明：金剛石砂輪的線速度和徑向進(jìn)給量越大、砂輪硬度越高、砂輪粒度越細(xì)、刀具材料導(dǎo)熱系數(shù)越低和砂輪磨損得越厲害，都使磨削溫度升高得越厲害，則越容易產(chǎn)生磨削裂紋及磨削燒傷。要控制和避免磨削裂紋及磨削燒傷，必須采取兩方面的措施：一是減少磨削熱的產(chǎn)生，二是加速磨削熱的傳出。減少磨削熱的辦法是：適當(dāng)降低金剛石砂輪的線速度，減小徑向進(jìn)給量(粗磨—精磨—拋光分工序進(jìn)行)，選取較軟的金剛石砂輪，減少工件和砂輪的接觸面積，根據(jù)磨削要求合理選擇砂輪的粒度，經(jīng)常保持砂輪在鋒利的條件下磨削以及選擇適宜的磨削冷卻液以減小磨粒與工件間摩擦等。加速磨削熱傳出的措施是除了適當(dāng)提高工件速度和軸向進(jìn)給量外，主要是采用有效的冷卻方法;為了提高冷卻效果，可采用噴霧冷卻、高壓冷卻、內(nèi)冷卻以及運(yùn)動(dòng)粘度較低的冷卻油等。另外，在精磨時(shí)，減少進(jìn)給量和適當(dāng)?shù)墓饽�，可有效減少表層內(nèi)殘余應(yīng)力。
   
   綜上所述，為了提高生產(chǎn)率和磨削效率，同時(shí)又要獲得較好的磨削表面質(zhì)量，我們的方法是一開始采用較低的砂輪線速度和較大的徑向進(jìn)給量，最后幾次進(jìn)給量減小而砂輪線速度提高，并進(jìn)行光磨，這樣可提高磨削表面質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高磨削表面質(zhì)量，還可采用噴霧冷卻和高壓冷卻，選擇適宜的切削液，同時(shí)根據(jù)加工對(duì)象合理選擇砂輪和精細(xì)地修整砂輪。磨削參數(shù)的選擇原則是：磨削參數(shù)是在保證磨削溫度較低、磨削表面粗糙度較高的條件下，盡量選取較低的砂輪線速度，較大的徑向進(jìn)給量、軸向進(jìn)給量和工件速度。由于砂輪的線速度和徑向進(jìn)給量對(duì)磨削表面層的質(zhì)量影響最大，因此，磨削參數(shù)的選擇步驟是：先選較大的工件速度，再選軸向進(jìn)給量，最后才選砂輪線速度和徑向進(jìn)給量。
   
   
   
2. 防止磨削裂紋的磨削工藝改進(jìn)措施
   
   
   
   1. 選用合適的冷卻液和冷卻方式
      
   2. 將國產(chǎn)冷卻油更換為運(yùn)動(dòng)粘度更低的進(jìn)口冷卻油，并改進(jìn)冷卻方式，使冷卻油始終處于磨削接觸區(qū)冷卻，油溫控制在2315℃以下(空調(diào)風(fēng)冷控制)，同時(shí)增加工具磨床油泵壓力，以加強(qiáng)磨削中的冷卻效果。
      
      
   3. 選用合適的金剛石砂輪金屬粘結(jié)劑金剛石砂輪由于導(dǎo)熱性好、磨削力大、磨削效率高，主要用于粗開槽工序(磨溝槽)的粗磨和精磨，該工序也可選用高溫樹脂粘結(jié)劑金剛石砂輪，但磨耗較大;樹脂粘結(jié)劑金剛石砂輪潤(rùn)滑性好，磨削力較小、自礪性好，選用中等、中軟樹脂粘結(jié)劑金剛石砂輪或勤修砂輪，始終保持砂輪處于鋒利狀態(tài)，主要用于開齒工序(前后刀面、端齒槽、偏背去余量等工序總稱)的粗磨和精磨。金剛石砂輪濃度選擇75%～100%，金屬粘結(jié)劑砂輪粒度選擇120～140目，樹脂粘結(jié)劑砂輪(RVD)粒度粗磨選擇80～120目，精磨選擇200～240目較為合適。若全部選用質(zhì)量較好的進(jìn)口砂輪，則刀具的磨削效率和表面粗糙度均高于國產(chǎn)砂輪。
      
   4. 選擇合理的磨削參數(shù)
      
      以在德國SAACKE公司的UWIE212型數(shù)控工具磨床(15kW)上磨削整體硬質(zhì)合金兩刃螺旋立銑刀為例，粗開槽工序(磨溝槽)金剛石砂輪線速度選擇14～20m/s ，機(jī)床軸向進(jìn)給速度選擇50～200mm/min，機(jī)床徑向進(jìn)給量粗磨選擇210～510mm，精磨選擇0.2～0.5mm;開齒工序(前后刀面、端齒槽、偏背去余量等工序總稱)金剛石砂輪線速度選擇14～24m/s，機(jī)床軸向進(jìn)給速度選擇100～400m/min，機(jī)床徑向進(jìn)給量粗磨選擇0.3～1.0mm，精磨選擇0.05～0.1mm。磨前后刀面時(shí)還采用無進(jìn)給返程光磨提高其表面粗糙度。如選用進(jìn)口砂輪，允許選擇比國產(chǎn)砂輪偏高的砂輪線速度和較大的徑向進(jìn)給量。
   
   
3. 磨削工藝改進(jìn)措施的效果驗(yàn)證
   
   
   
   • 磨削工藝改進(jìn)后的6800余件整體硬質(zhì)合金刀具(其中有近4000件為高速銑刀)采用同一種后乳化型熒光滲透檢測(cè)法進(jìn)行探傷。結(jié)果表明：不僅刀具磨削表面質(zhì)量大為改觀，磨削裂紋率由工藝改進(jìn)前的將近20%逐步降低為工藝改進(jìn)后的15%、10%、6% ，直至最佳改進(jìn)工藝的0.5%以下，刀具表面磨削燒傷情況(發(fā)亮、發(fā)白而不是發(fā)藍(lán)、發(fā)紫、發(fā)褐、發(fā)黃、發(fā)烏、發(fā)暗)以及表面粗糙度情況(Rz0.2～0.8µm)也顯著改善;而且磨削效率還有所提高，以直徑20mm的兩刃整體硬質(zhì)合金高速銑刀為例，工藝改進(jìn)前完成每件刀具的磨削需要30～40min，工藝改進(jìn)后則只需20～30min，如果都采用質(zhì)量較好的進(jìn)口冷卻油和進(jìn)口金剛石砂輪，最佳改進(jìn)工藝對(duì)應(yīng)的磨削效率還可提高到每件14～20min。

5 結(jié)語

1. 整體硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生磨削裂紋的主要原因?yàn)槟ハ鞴に嚭蛥��?shù)不恰當(dāng)導(dǎo)致磨削接觸區(qū)的局部瞬時(shí)溫度過高引起近表面層過高的拉應(yīng)力值超過材料的破斷強(qiáng)度造成。
   
2. 采用高靈敏度的親水性后乳化熒光滲透探傷法可有效地檢測(cè)整體硬質(zhì)合金刀具的磨削裂紋等表面缺陷;推薦該方法廣泛用于整體硬質(zhì)合金刀具的質(zhì)量保障技術(shù)領(lǐng)域。
   
3. 通過改進(jìn)和優(yōu)化整體硬質(zhì)合金刀具磨削工藝和磨削參數(shù)可有效防止磨削裂紋及磨削燒傷的產(chǎn)生。