強(qiáng)力砂輪在硬質(zhì)合金刀具精密磨削中的性能研究

蔣志金

(廈門(mén)金鷺特種合金有限公司, 福建 廈門(mén) 361006)

因具有良好的耐磨性、熱硬性和高硬度等特點(diǎn)，且在高的切削速度下，能加工出尺寸精度高、表面質(zhì)量好的工件，整體硬質(zhì)合金刀具被廣泛應(yīng)用于航空航天、模具、電子等高效高精密加工領(lǐng)域[1]。

整體硬質(zhì)合金刀具螺旋槽的加工，其材料去除量大且加工效率低，可由強(qiáng)力砂輪通過(guò)大切深、小進(jìn)給的磨削工藝加工完成。強(qiáng)力砂輪及開(kāi)槽磨削工藝參數(shù)不僅影響刀具刃口質(zhì)量，而且還影響刀具圓周前刀面的表面質(zhì)量[2]，甚至?xí)?dǎo)致磨削后的螺旋槽出現(xiàn)燒傷和微裂紋[3]。2007年前，用高溫樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪來(lái)開(kāi)槽磨削硬質(zhì)合金刀具。雖然樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪磨削精度高、表面光潔度好，但由于其局限性，切深越大，磨削過(guò)程中產(chǎn)生的磨削熱也越多，使得金剛石砂輪鋒利度下降快，從而影響到刀具開(kāi)槽的加工效率和刀具的表面質(zhì)量[4]。因此，使用強(qiáng)力金屬結(jié)合劑金剛石砂輪來(lái)取代。這種強(qiáng)力金屬結(jié)合劑砂輪對(duì)提高加工效率、降低生產(chǎn)成本效果顯著[5]。

針對(duì)在加工整體硬質(zhì)合金刀具實(shí)際生產(chǎn)中存在的螺旋槽刃口磨削崩邊大、磨削表面質(zhì)量差以及砂輪磨損等問(wèn)題，研究不同品牌金剛石砂輪的磨削負(fù)載、砂輪磨損性能，對(duì)被加工刀具表面質(zhì)量、表面粗糙度及刀具的切削性能、刀具的磨損與切削長(zhǎng)度等的影響，為選擇合適的砂輪提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法及性能檢測(cè)

(1)磨削實(shí)驗(yàn)對(duì)象：在ANCA-MX7五軸數(shù)控工具磨床上開(kāi)槽加工直徑為φ16 mm的四刃整體硬質(zhì)合金立銑刀，開(kāi)槽磨削參數(shù)如表1所示。刀具材質(zhì)為鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金，其Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，ISO對(duì)應(yīng)牌號(hào)為K20-K40。四刃平頭硬質(zhì)合金立銑刀規(guī)格及參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表1 開(kāi)槽磨削參數(shù)

表2 四刃平頭硬質(zhì)合金立銑刀規(guī)格及參數(shù)

(2)開(kāi)槽磨削實(shí)驗(yàn)砂輪：金屬結(jié)合劑金剛石強(qiáng)力砂輪。選擇強(qiáng)力砂輪Ⅰ(美國(guó))和強(qiáng)力砂輪Ⅱ(日本)2個(gè)不同品牌的強(qiáng)力砂輪，2種砂輪的形狀尺寸相同，金剛石磨料粒度和濃度也相同。強(qiáng)力砂輪的規(guī)格參數(shù)如表3所示。

表3 強(qiáng)力砂輪規(guī)格及參數(shù)

(3)刀具切削性能表征：為檢驗(yàn)強(qiáng)力砂輪磨削的硬質(zhì)合金刀具的質(zhì)量，故對(duì)加工后的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境條件如表4所示，刀具切削參數(shù)如表5所示。刀具切削性能的主要指標(biāo)為刀具磨損量及刀具壽命。

表4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境條件

表5 刀具切削參數(shù)

1.2 強(qiáng)力砂輪及刀具性能檢測(cè)

檢測(cè)砂輪磨粒晶形、分布及磨削層的組織結(jié)構(gòu)，研究磨削后的砂輪形狀保持性、自銳性，最后分析其所加工刀具的切削性能。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先采用公司現(xiàn)有的修整工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)砂輪進(jìn)行修整。

具體步驟如下：(1)使用S-3700N(日立)掃描電鏡觀察強(qiáng)力砂輪表面形貌，觀測(cè)磨粒與結(jié)合劑結(jié)合情況及金剛石晶形等,采用能譜半定量分析磨削層中的元素含量；(2)磨床自帶負(fù)載感應(yīng)器記錄整個(gè)開(kāi)槽磨削過(guò)程中機(jī)床主軸的負(fù)載變化；(3)使用Mitutoyo Surftest SV-3100粗糙度儀測(cè)量刀具圓周前刀面粗糙度；(4)使用ZOLLER Smile400激光測(cè)量?jī)x測(cè)量砂輪加工前后的輪廓形狀，包括圓角大小(mm)和角度大小( °)(圖1)，以便計(jì)算砂輪的磨耗量；(5)使用OLYMPUS BX41RF-LED金相顯微鏡以固定間隔測(cè)量刀具圓周刃口鋸齒大小。

圖1 強(qiáng)力砂輪的輪廓投影示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)力砂輪磨削層對(duì)比

(1)磨粒晶形與分布

砂輪磨削層主要由磨粒、結(jié)合劑和其他填料組成，其性能的優(yōu)劣直接影響砂輪的磨削性能。人造金剛石可粗略分為高強(qiáng)度金剛石、中強(qiáng)度金剛石、低強(qiáng)度金剛石等。樹(shù)脂結(jié)合劑磨具多選用結(jié)晶不規(guī)則的低強(qiáng)度金剛石和具有鑲嵌結(jié)構(gòu)的自銳性金剛石；金屬結(jié)合劑磨具多選用具有規(guī)則結(jié)晶的中強(qiáng)度金剛石[7-8]。圖2為Ⅰ、Ⅱ 2種強(qiáng)力砂輪磨削層掃描電鏡和超景深顯微鏡表面形貌圖。從圖2a和圖2b可以看出：強(qiáng)力砂輪Ⅰ的磨粒晶形多邊多角，呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，偏向于樹(shù)脂結(jié)合劑磨具所用磨粒；強(qiáng)力砂輪Ⅱ的磨粒則棱角分明，偏向于中強(qiáng)度金剛石磨粒[9]。從圖2c和圖2d可以看出：2種強(qiáng)力砂輪的磨粒分布均勻且出刃情況良好[10]。

(a)強(qiáng)力砂輪I電鏡形貌(b)強(qiáng)力砂輪II電鏡形貌(c)強(qiáng)力砂輪I超景深顯微鏡形貌(d)強(qiáng)力砂輪II超景深顯微鏡形貌圖2 砂輪磨削層掃描電鏡和超景深顯微鏡表面形貌圖

(2)結(jié)合劑及添加物

強(qiáng)力砂輪I和II的磨削層能譜分析圖及半定量結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：2種強(qiáng)力砂輪主要元素均含Cu、Sn、C、Si,其中Cu和Sn合計(jì)所占比例均超過(guò)80%，可以判斷2種強(qiáng)力砂輪結(jié)合劑均為青銅結(jié)合劑。為了改善砂輪的自銳性，強(qiáng)力砂輪Ⅰ和Ⅱ中均添加能提高砂輪結(jié)合劑自銳性的Si和C(半定量中的C含量包含2部分：一部分是金剛石C，另一部分是添加的C)，特別是砂輪Ⅱ中還特別添加了一定量的Ag，以提高結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒的把持力，保證砂輪的強(qiáng)度。

(a) 強(qiáng)力砂輪Ⅰ能譜圖

元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)原子數(shù)分?jǐn)?shù)C5.61%24.30%O3.94%12.83%Al0.37%0.71%Si2.36%4.37%Sn38.35%16.82%Ca1.10%1.42%Cu48.28%39.55%

(b) 強(qiáng)力砂輪Ⅰ元素半定量結(jié)果

(c) 強(qiáng)力砂輪Ⅱ能譜圖

元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)原子數(shù)分?jǐn)?shù)C6.49%26.58%O4.50%13.84%Al0.67%1.22%Si2.11%3.70%Cl0.41%0.57%Ag3.43%1.56%Sn32.37%13.41%Ca0.97%1.19%Cu49.04%37.94%

(d) 強(qiáng)力砂輪Ⅱ元素半定量結(jié)果

圖3磨削層能譜分析圖及元素半定量結(jié)果

2.2 強(qiáng)力砂輪磨削性能對(duì)比

通過(guò)表1的開(kāi)槽磨削參數(shù)開(kāi)槽加工硬質(zhì)合金立銑刀，圖4為開(kāi)槽磨削時(shí)的機(jī)床負(fù)載率圖。從圖4可以看出：2種強(qiáng)力砂輪在加工第一把刀具時(shí)機(jī)床負(fù)載率均在18%以下，但強(qiáng)力砂輪Ⅰ較強(qiáng)力砂輪Ⅱ的磨削負(fù)載率大，即主軸負(fù)載較砂輪Ⅱ高。在實(shí)際磨削過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)強(qiáng)力砂輪Ⅰ磨削時(shí)機(jī)床振動(dòng)大且磨削聲音沉悶，分析認(rèn)為是由于強(qiáng)力砂輪Ⅰ的金剛石晶形所引起的，即強(qiáng)力砂輪Ⅱ規(guī)整的金剛石磨粒晶形比強(qiáng)力砂輪Ⅰ不規(guī)則的磨粒晶形具有更大的磨削力。

圖5為強(qiáng)力砂輪Ⅰ和Ⅱ分別連續(xù)磨削10件刀具后，從中抽出編號(hào)相同的刀具，觀察刀具磨削后的圓周刃口崩邊大小。從圖5可看出：強(qiáng)力砂輪Ⅱ產(chǎn)生的圓周刃口崩邊均要比強(qiáng)力砂輪Ⅰ的大。分析認(rèn)為：強(qiáng)力砂輪Ⅱ的金剛石晶型好、強(qiáng)度較大，微切削刃較少，在金剛石磨粒與刀具刃口接觸時(shí)，金剛石與硬質(zhì)合金刃口之間的相互擠壓，存在擠壓破碎的情況，故而強(qiáng)力砂輪Ⅱ產(chǎn)生的圓周刃口崩邊均要比強(qiáng)力砂輪Ⅰ產(chǎn)生的大。

圖5 刀具圓周刃口崩邊大小

圖6和圖7分別為刀具圓周前刀面在金相顯微鏡下的形貌圖和刀具前刀面粗糙度值對(duì)比圖。

(a)強(qiáng)力砂輪I(b)強(qiáng)力砂輪II圖6 刀具圓周前刀面的形貌

從圖6和圖7可以看出：強(qiáng)力砂輪Ⅰ磨削所獲得的前刀面磨痕比強(qiáng)力砂輪Ⅱ的細(xì)膩，且砂輪Ⅰ的刀具前刀面表面粗糙度值低于砂輪Ⅱ的。這是由砂輪的晶形和結(jié)合劑的組織結(jié)構(gòu)所決定的[11]。

圖7 刀具圓周前刀面表面粗糙度

圖8為連續(xù)磨削45件刀具后強(qiáng)力砂輪的表面輪廓圖。從圖8可以看出：2種砂輪角度大小基本一致，但強(qiáng)力砂輪Ⅱ砂輪圓角為0.288 mm，小于砂輪Ⅰ的圓角0.363 mm，強(qiáng)力砂輪Ⅱ有較好的形狀保形性。這是因?yàn)樵谙嗤瑮l件下，金剛石晶形越完整，砂輪的保形性和使用壽命越好；金剛石晶形越不規(guī)則，其抗沖擊性能下降，磨粒容易破裂，磨粒磨耗磨損嚴(yán)重，從而保形性和使用壽命下降[12]。

(a)強(qiáng)力砂輪Ⅰ(b)強(qiáng)力砂輪Ⅱ圖8 強(qiáng)力砂輪表面輪廓

2.3 刀具性能驗(yàn)證

圖9為刀具磨損值與切削長(zhǎng)度間的關(guān)系圖。圖9中X1和X2分別為使用強(qiáng)力砂輪Ⅰ和強(qiáng)力砂輪Ⅱ加工的刀具。

圖9 刀具磨損值與切削長(zhǎng)度間的關(guān)系

圖10為X1、X2 2種刀具加工的工件在Hirox 超景深顯微鏡下觀察的表面質(zhì)量圖。由圖9可以看出：在相同的切削實(shí)驗(yàn)條件下，2種強(qiáng)力砂輪加工的刀具，其刀具磨損值與切削長(zhǎng)度關(guān)系曲線基本一致，這表明刀具的切削壽命也接近一致；且如圖10所示，所加工的工件表面質(zhì)量都良好。

(a)X1(b)X2圖10 工件表面質(zhì)量

3 結(jié)論

(1)青銅基強(qiáng)力砂輪適用于整體硬質(zhì)合金刀具的精密磨削，強(qiáng)力砂輪的結(jié)合劑中添加Si及C，可以改善砂輪的自銳性。

(2)在磨削整體硬質(zhì)合金刀具中，規(guī)整晶形的金剛石磨粒制成的砂輪磨削力較大且砂輪有較好的形狀保持性，而不規(guī)則晶形的磨粒制成的砂輪加工后刀具表面細(xì)膩且能獲得較好的刃口質(zhì)量及表面粗糙度。

(3)在相同的切削實(shí)驗(yàn)條件下，2種晶形的強(qiáng)力砂輪加工的刀具在切削性能上無(wú)明顯差異。

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