整體硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的原因分析及其工藝改進

 1 引言
        整體硬質(zhì)合金刀具在航空航天業(yè)、模具制造業(yè)、汽車制造業(yè)、機床制造業(yè)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是在高速切削領(lǐng)域占有越來越重要的地位。在高速切削領(lǐng)域，由于對刀具安全性、可靠性、耐用度的高標(biāo)準(zhǔn)要求，整體硬質(zhì)合金刀具內(nèi)在和表面的質(zhì)量要求也更加嚴(yán)格。而隨著硬質(zhì)合金棒材尤其是超細(xì)硬質(zhì)合金材質(zhì)內(nèi)在質(zhì)量的不斷提高，整體硬質(zhì)合金刀具表面的質(zhì)量情況越來越受到重視。眾所周知，硬質(zhì)合金刀具的使用壽命除了與其耐磨性有關(guān)外，也常常表現(xiàn)在崩刃、斷刃、斷裂等非正常失效方面，磨削后刀具的磨削裂紋等表面缺陷則是造成這種非正常失效的重要原因之一。這些表面缺陷包括經(jīng)磨削加工后暴露于表面的硬質(zhì)合金棒料內(nèi)部粉末冶金制造缺陷(如分層、裂紋、未壓好、孔洞等)以及磨削過程中由于不合理磨削在磨削表面造成的磨削裂紋缺陷，而磨削裂紋則更為常見。這些磨削裂紋，采用肉眼、放大鏡、浸油吹砂、體視顯微鏡和工具顯微鏡等常規(guī)檢測手段往往容易造成漏檢，漏檢的刀具在使用時尤其是在高速切削場合可能會造成嚴(yán)重的后果，因此整體硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)品磨削裂紋缺陷的危害很大。因此對整體硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的產(chǎn)生原因進行分析和探討，并提出有效防止磨削裂紋的工藝改進措施具有很重要的現(xiàn)實意義。
2 整體硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的原因分析
   整體硬質(zhì)合金刀具的磨削加工特點 
       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，溫度高于600℃，刀具表面層就會產(chǎn)生氧化變色，造成程度不同的磨削燒傷，嚴(yán)重時就容易使硬質(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、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)，也會造成刀具磨削接觸區(qū)表面局部瞬時溫度偏高，從而產(chǎn)生磨削裂紋。
整體硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的產(chǎn)生機理分析
         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))，其值減小一個數(shù)量級，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硬質(zhì)合金的強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展，這就使得強度和壽命增加;同時隨著硬質(zhì)合金表面層殘余壓應(yīng)力層分布深度的增加，其強度和壽命逐漸提高。而表面層形成的殘余拉應(yīng)力則促進裂紋的萌生和擴展，是產(chǎn)生裂紋的必要條件，且使得強度和壽命降低。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)的有兩個主要因素：施加的力和局部溫度。施加的力對合金表面的作用會引起不可恢復(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，提高抗彎強度、疲勞強度、沖擊韌性、硬度、耐磨性和使用壽命等，亦即發(fā)生強化過程;局部溫度對合金表面的作用會在表面層中產(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、降低抗彎強度、疲勞強度、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)的局部瞬時溫度達到一定程度(有時可達1000℃以上)占主導(dǎo)因素時，便會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)力促進裂紋的萌生和擴展，其數(shù)值之大，甚至?xí)�超過材料的破斷強度，而形成細(xì)微小裂紋。有時在磨削后不產(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，刀具表面磨削接觸區(qū)局部瞬時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
        通過以上分析以及大量的檢測試驗，我們采用高靈敏度的親水性后乳化熒光滲透探傷法對采用相同磨削工藝(未改進前)的近萬件同一材質(zhì)刀具的對比檢測結(jié)果表明其磨削裂紋檢出率最高(見表1)。對使用我們經(jīng)后乳化型熒光滲透檢測合格的整體硬質(zhì)合金刀具的用戶進行回訪，也未反映發(fā)生過因刀具裂紋等表面缺陷造成的刀具崩刃、斷刃、斷裂等現(xiàn)象。這些情況表明采用高靈敏度的親水性后乳化熒光滲透探傷法無損檢測整體硬質(zhì)合金刀具的磨削裂紋缺陷是有效的。刀具后乳化型熒光滲透檢測工藝流程如圖1所示，檢出的整體硬質(zhì)合金銑刀典型磨削裂紋如圖2和圖3所示。

4 整體硬質(zhì)合金刀具磨削工藝改進

影響磨削裂紋的磨削工藝因素