超细粒耐磨精密玻璃刀的设计与制作

毛彩菊

（南京信息职业技术学院，江苏 南京 210046）

超细粒耐磨精密玻璃刀是一种高硬度、多损耗的玻璃切割工具，在电子行业中应用广泛。玻璃是一种硬度很高的材料，按莫氏硬度表来算,玻璃的硬度一般为6～7，对于其切割的刀片要求非常高。因此，需要选用高硬度、耐磨性高、抗弯强度高的合金材料来制作玻璃刀。同时要注意刀片的加工方法，既要保证刀片的粗糙度，又要保证刀口的角度误差。目前，国内有几十家生产玻璃刀片的企业，但大多价格高，质量和使用寿命难以保证。为了解决这个难题，特别进行了超细粒耐磨精密玻璃刀片的研制。

1 选材

正确地选择硬质合金牌号，是保证有效使用硬质合金的及其重要因素之一。根据用户的要求，刀片成品需要抗弯强度>3000MPa、硬度>93HRA。这就要求制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性（切削加工、锻造和热处理等），并不易变形。一般情况下，当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。根据玻璃切割的经验，在选择硬质合金牌号时，应考虑玻璃的物理机械性能，如硬度、摩擦性等及其产状特征，如硬质合金的致密性、硬质合金裂隙、硬质合金节理，硬质合金溶洞等。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现在仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。

钨是一种难熔金属,它具有熔点高 (达3410℃)、密度大(19.32g/cm3)、耐化学腐蚀性好及高温强度高等特点，烧结的富钨合金其抗拉强度可高达17000MPa。以钨为基加入其他元素组成的合金称为钨合金。钨钢属于硬质合金，又称之为钨钛合金。硬度为维氏10K，仅次于钻石。钨钢烧结成型就是将粉末压制成坯料，再进烧结炉加热到一定温度（烧结温度），并保持一定的时间（保温时间），然后冷却下来，从而得到所需性能的钨钢材料。纯钨是很难加工的，CVD金刚石与PCBN两种超硬刀具虽可胜任，但当切削速度提高后，CVD金刚石刀具的使用寿命也不长。这是因为金刚石是纯碳的结晶体，当切削温度达到600℃以上时它将碳化(即石墨化)，并与钨化合形成硬度远低于金刚石硬度的WC(1500～1700HV),加速了刀具的磨损。

高比重合金（钨合金）材料是一类以钨为基体（W含量85%-99%），并添加有 Ni、Cu、Co、Mo、Cr等元素组成的合金。按合金组成特性及用途分为 W-Ni-Fe、W-Ni-Cu、W-Co、W-WC-Cu、W-Ag等主要系列，其密度高达16.5~19.0g/cm3，而被世人称为高比重合金，它还具有一系列优异的特性，比重大：一般比重为16.5~18.75g/cm3，强度高：抗拉强度为700~1000MPa，吸收射线能力强：其能力比铅高30%~40%，导热系数大：为模具钢的5倍；热膨胀系数小：只有铁或钢的1/2~1/3，良好的可导电性能；具有良好的可焊性和加工性。

硬质合金的特点：硬度高（86～93HRA，相当于69～81HRC）；热硬性好（可达 900～1000℃，保持 60HRC）；耐磨性好。

硬质合金刀具比高速钢切削速度高4～7倍，刀具寿命高5～80倍。制造模具、量具，寿命比合金工具钢高 20～150倍。可切削50HRC左右的硬质材料。但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用。

台湾春保钨钢WF03含钴量6，粒度小于等于0.7，硬度94.0HRA，比重14.80g/cm3，抗折力350。可用于高速切削钻头.铣刀,玻璃钢复合材料,塑胶,强化地板,印刷电路PCB板。

比较多种钨合金材料的各种强度、硬度要求，特别是用户要求硬度>93HRA，决定选用WF-03超细粒钨钢（台湾春保钨钢 WF03）。

2 加工工艺设计

2.1 型材的选购

由于刀片要求厚度1~3mm，因此，刀片材料确定后，首先要采购型材。通过市场调研，生产WF03超细粒钨钢的厂家较多。圆棒类的有：Φ3.5/4.5/5.5/6.5/8.5/10.5/12.5/14.5*100、Φ4.5/6.5/8.5/10.5/12.5*330等。但由于WF-03超细粒钨钢硬度高，一般生产厂家没有办法将圆棒加工成片状，因此，必须选用厚度为2mm的片状型材来加工。

2.2 工艺设计

金属的切削加工有车削、铣削、刨削、磨削、拉削等工艺方法。虽然由于台湾春保钨钢WF03，硬度达94.0HRA，而一般车削加工的金属材料的硬度要小于50HRC，一般的车削加工刀具的硬度也达不到94.0HRA。显然，要加工台湾春保钨钢WF03，不能采用切削的方法。比较铣削、刨削和磨削的特点，铣削、刨削都不适合加工春保钨钢WF03。由于磨削运动是用高速回转的砂轮或其他磨具以给定的背刀量对工件进行加工。砂轮磨粒的多刃性和微刃性，决定了磨削加工的复杂性，磨削加工的特点把我们的思路引向磨削加工。

（1）磨削加工的特点：①能加工硬度很高的材料。磨具的磨料为刚玉（AL2O3）、碳化硅（SiC）以及碳化硼（B4C3）等材料，它们的硬度很高，仅次于金刚石。因此，磨削能加工车、铣等其他方法不能加工的各种硬材料，如淬硬钢、冷硬铸铁、硬质合金、宝石、玻璃和超硬材料氮化硅等。②能加工出精度高、表面粗糙度值很小的表面。砂轮颗粒很小，不能从工件上切下大的切削，产生的切削力很小，“机床——刀具—工件”工艺系统几乎不会变形，保证了工件的加工精度。能常磨削尺寸精度可达IT7~IT5，表面精糙度为Ra0.8~0.2μm。经过磨削加工后的零件，尺寸精度可控制在1~2μm以内。③磨削温度高。由于磨削过程中产生的切削热多，而砂轮本身传热性差，使得磨削区温度高，所以在磨削过程中，为了避免工作烧伤和变形，应施以大量的切削液进行冷却。④磨削的径向分力大。磨削时径向分力很大，在该力的作用下，在工艺系统刚性较差的方向上，将产生弹性变形，使得实际磨削深度比名义磨削深度小。因此在磨去主要加工余量以后，随着磨削力的减小，工艺系统弹性变形恢复，应继续光磨一段时间，直至磨削火花消失。⑤磨削的经济性。磨削后果的零件，不需要用手工修配，既节省钳工工时，又便于装配。在内外表面磨削中，又具有进给速度高和无空行程的特点，可使切削机动时间减少很多。

（2）磨削工具的选择。磨削工具主要是砂轮，选择砂轮主要是形状、硬度、粒度和组织的选择。①砂轮形状的选择。砂轮的形状和尺寸有不同的规格，根据加工要求，由于P型砂轮可用于外圆磨、平面磨、无心磨、刃磨刀具等的加工，因此，本加工用砂轮选用应用最广的P型砂轮。②砂轮硬度的选择。砂轮的硬度是指结合剂黏结磨粒的牢固程度，也就是磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落下来的难易程度。砂轮越硬，磨粒黏得越牢，越不容易脱落。砂轮硬度对磨削生产率和加工表面质量都有很大的影响。如果砂轮太硬，磨粒磨钝后仍不能脱落，磨削效率低，使磨削力和磨削热显著增加，使工件表面被烧伤，粗糙度变大；如果砂轮太软，磨粒还没有磨钝时已从砂轮上脱落，砂轮损耗快，形状不易保持，工件精度难以控制，脱落的磨粒容易把工件表面划伤，粗糙度也会变大。因此，要选择硬度合适的砂轮，使磨粒磨钝后因磨削力增大而自行脱落，新的锋利的磨粒露出继续担负切削工作，这就是砂轮的自锐性。若砂轮的自锐性好，则磨削效率高，加工工件表面的粗糙度低，同时砂轮损耗也相应较小，因此，选择合适的砂轮硬度很重要。春保钨钢WF03的硬度高，工件材料薄，要求加工的表面粗糙度低，因此选用砂轮硬度代号为R3或ZR1。③砂轮粒度的选择。粒度是指磨料的大小。对于超细粒玻璃刀片的加工属于成形磨削，加工工件属于薄壁工件，需要加工的成形刀片粗糙度低。因此，要选用粒度为100#~280#的砂轮。通过加工试验，比较不同粒度的砂轮加工后的零件效果，秉承经济、实用的原则，选用粒度为240#的砂轮最好。④砂轮组织的选择。砂轮的组织是指砂轮的松紧程度，也就是磨粒在砂轮内所占的比例。如表1所示：

表1 砂轮的组织分类

由于加工工件表面粗糙度要求较高，而且又是成形加工，因此，选用组织紧密型的组织代号为3~4。

综合以上分析，结合玻璃的特点，本加工选用的砂轮为：粒度为240#、中软1、组织代号为3~4的平面砂轮。

（3）加工设备的选择。既然是磨削加工，选用的加工设备自然就是磨床。为了充分利用工厂现有的设备减少不必要的开支和费用，工厂有一台旧磨床用来改造。原来磨床的转速较低，根本无法加工，通过改制，使砂轮轴的转速为3600r/min，但光砂轮旋转而工件不转，就无法加工到所要求的精度。因此，应设法使工件旋转，而且转速的速度起码得万转以上。于是，我们将工件与电机之间由皮带轮带动，将放置工件的转轴直径缩小，这样，改制后工件的旋转速度可达15000r/min，砂轮与工件同时旋转的相对转速就更高，接近20000r/min的水平。通过一个多月的试加工和不断改进，所加工的超细粒玻璃刀片基本达到了用户要求。

3 结语

通过各种适合加工高硬度的玻璃的合金材料的比较、分析和调研，选择了春保钨钢WF03作为超细粒玻璃刀片型材。通过加工工艺的设计和实际的试加工，以及一些用户的试用，所研制的玻璃刀片完全达到了当初用户的要求，而且加工的精度和速度也达到了相应的要求，每个工人每班至少能加工150片，为用户创造了较高的经济效益，用户较为满意。但加工设备比较简陋，刀片两边的倾角因是人为控制，一致性不够好，最好在夹具上进行改进。