加工硬质合金刀具磨削参数确定方法

张慈恩

摘 要：确定合适的加工硬质合金刀具磨削参数有利于提高磨削质量、加工效率和延长金刚石砂轮的使用寿命。介绍了磨削硬质合金的砂轮种类，分析了在磨削中常遇到的问题，给出了相应的解决措施，提出了一种在生产中确定磨削参数的方法，并将该方法应用在了新规格刀具的加工中。

关键词：金刚石砂轮；硬质合金；磨削参数；磨削裂纹

中图分类号：TG580.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.096

随着我国经济的不断增长，制造业得到了明显的发展，硬质合金刀具的生产数量也越来越多。如果没有确定好硬质合金刀具的磨削参数，则会影响到刀具的生产质量和生产效率。因此，如何确定有效的磨削参数以提高刀具的生产质量成为了工作人员需要解决的问题。

1 磨削硬质合金砂轮的种类

硬质合金是以碳化钨、碳化钛等金属碳化物作为硬质相，以钴等金属作为黏接剂，通过粉末冶金的方法制成，具有较高的硬度（可达HRA89-93，显微硬度为1 300～1 800 N/mm2）、较低的导热系数（16.75～79.55 W/m·K）、较低的抗弯强度（3.0～4.5 GPa）和较大的弹性磨量（540～650 GPa），常温下为硬脆性材料，表现出与钢件等材料不同的磨削要求。以往，硬质合金常使用绿色碳化硅砂轮磨削，但因碳化硅磨粒硬度不足（显微硬度32 000～34 000 N/mm2），在磨削硬质合金时磨粒易磨耗钝化，导致磨削力增大、磨削温度过高，进而使刀具表面形成裂纹等缺陷。同时，碳化硅砂轮脱粒过快，砂轮形状不易保持，易造成刀具尺寸不稳定。

2 磨削中的常见问题及其解决措施

2.1 磨削裂纹

硬质合金刀具在磨削过程中有时会产生裂纹，这是因刀具表面形成了拉应力，当拉应力超过刀具材料的抗拉极限时会产生裂纹。硬质合金材料在烧结过程中产生的残余应力对在磨削过程中残余应力的形成没有影响，因此，应在磨削过程中来寻找拉应力的来源。

在磨削中，磨粒与工件的接触过程可依次分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和切屑形成阶段。在弹性变形阶段，由于整个磨削系统弹性变形，产生摩擦热并在工件表面形成热应力。在塑性变形阶段，磨粒逐渐刻入工件，工件材料向磨粒两侧隆起，但未形成切屑。此时，除磨粒与工件表面发生摩擦外，工件内部也发生了摩擦，不仅在工件表层形成热应力，还因塑性变形而产生了变形应力。在切屑形成阶段，磨粒更加深入工件，工件表面除形成隆起之外，还形成磨屑，并从磨粒前刀面流出同时，形成了热应力和变形应力。

2.2 磨削粗糙度

金刚石砂轮磨削硬质合金的各项磨削参数对工件表面的粗糙度有直接影响。通过研究陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削硬质合金表面的粗糙度，磨削参数对表面粗糙度的影响程度依次为横向进给速度>砂轮线速度>磨削行程>磨削深度。当横向进给速度、磨削行程和磨削深度增大时，表面粗糙度提升；当砂轮线速度增大时，表面粗糙度降低。当其他参数不变时，砂轮线速度增大，使单位时间内参与磨削的磨粒数量增加，每颗磨粒去除的材料减少，产生的划痕、隆起等也较少。

2.3 磨削效率

磨削效率可用每分钟的磨除量QZ表示，单位为mm3/min：

QZ=1 000 VWfaap. （1）

式（1）中：V为工件速度；W为轴向给进速度；faap为磨削深度。

由此可见，磨削效率与砂轮线速度无关，而与工件速度V、轴向进给速度W和磨削深度faap成正比。在QZ相同的情况下，加大砂轮线速度可降低工件表面的粗糙度，在同样的粗糙度要求下，增加砂轮线速度可提高工件速度、轴向进给速度和磨削深度，从而提高QZ。

2.4 砂轮消耗

在磨削硬质合金的过程中，金刚石砂轮会逐渐磨损，其形式有磨粒磨耗、磨粒破碎和磨粒脱落。磨粒在工作过程中因受到机械摩擦作用、黏接作用、扩散和化学作用而产生磨损。金刚石砂轮在磨削Al2O3工程陶瓷材料时，磨粒将发生磨耗磨损，进而形成反光小平面。随着磨损小平面的增大，磨粒受到的力也逐渐增大，部分磨粒出现局部破碎的情况。该破碎为解理破坏，是沿着金刚石晶粒中化学键强度最弱的方位面产生的。磨粒局部解理破碎会形成新的切削刃，这是砂轮自励的重要途径之一。

随着磨粒及其周围结合剂的逐渐磨损，结合剂桥截面逐渐缩小，对磨粒的把持力也逐渐减小。当磨粒受到的磨削力超过把持力时磨粒会脱落，脱落后该位置的结合剂会迅速磨损，进而露出下层的新磨粒参与磨削，该过程为砂轮自励的另一途径。

Al2O3工程陶瓷材料与硬质合金的机械性能相近，同属脆硬性材料，因此，上述过程也应适用于金刚石砂轮磨削硬质合金。磨粒磨耗、磨粒破碎和磨粒脱落三种砂轮磨损方式中哪一种起主导作用，与结合剂、砂轮硬度、工件材料、加工条件和磨削参数有关。当其他条件不变时，砂轮线速度越大，每个磨粒的磨削深度越小，受到的磨削力也越小。虽然磨粒总的磨削行程会增加，但因金刚石磨粒具有非常高的耐磨性，所以，磨粒的寿命会明显延长。当磨削深度增加时，磨屑会增加，产生的磨屑堆积在磨粒前部空隙处侵蚀结合剂，也增加了磨粒的受力，进而提高了磨粒脱落的可能性。当进给速度或工件转速增加时，未变形切屑的最大厚度会增加，导致磨粒的受力增大，可能直接将磨粒从结合剂中“蹦出来”。由此可见，砂轮线速度快、磨削深度小和进给速度慢有利于延长砂轮寿命、降低砂轮的自锐性能。当砂轮钝化后需要进行修锐等操作，会去除大量的磨粒，反而会加大砂轮的消耗。同时，当进给速度慢和磨削深度小时，也会降低磨削效率。因此，不能一味地追求高线速度和低进给速度，而是需要合理地选择上述参数。

3 生产中确定磨削参数的方法

专家学者们对不同工作条件下最有效的磨削参数进行了大量研究，提出了多种确定最佳磨削参数的方法。但在生产车间，工人们很难掌握复杂的公式，也没有时间研究哪些参数是最合适的，往往凭借经验操作。比如，最合适的磨削直径为10 mm的整体硬质合金立铣刀参数，以及能使单件时间最短、更换和修整砂轮的间隔最长、工件合格率最高的线速度和进给速度等。当遇到类似加工时，依据经验参数操作即可。一旦遇到新的加工任务时，就需要重新确立新的参数。此时，可从“研磨度”出发，快速确定合适的磨削参数。

研磨度是估计磨粒挤压力的指标，类似于磨粒侵入工件表面深度或未变形切屑最大厚度。如果研磨度过大，则磨粒会侵入工件表面深处，且使磨粒受到的力过大，进而造成磨粒过早地从结合剂中脱落；如果研磨度过小，磨粒侵入工件表面过浅，甚至只在工件表面划过，无法形成磨屑并生成大量的热量，应力不足以使磨粒破碎自锐或使磨粒脱粒自锐。在这两种极端情况之间，有一个最有效的研磨度值，即最优磨削参数。

研磨度值可表示为：

. （2）

式（2）中：A为研磨度；Vw为工件转动线速度或工件进给速度，mm/min；Vs为砂轮线速度，m/s；ap为磨削深度，mm；Dw为砂轮直径，mm。

由此可见，工件进给速度越大或磨削深度越大，研磨度数值越高；砂轮速度越大，每个磨粒侵入工件越浅，研磨度数值就越小。增大砂轮直径会使磨粒轨迹与工件表面的夹角减小，从而降低磨粒的磨削厚度和研磨度数值。

我公司一般由数控磨床操作人员自行确定砂轮线速度、进给速度等。在加工一批整体硬质合金铣刀时，甲、乙操作者使用的磨床参数和砂轮供应商推荐的参数如表1所示。

表1 不同的磨削参数对应的研磨度值

磨削深度/mm 进给速度/（mm/min） 砂轮线速度/（m/s） 砂轮直径/mm 材料磨除率/（mm3/s） 研磨度值

甲 2.9 115 16.5 120 5.6 1.08

乙 2.5 150 18.5 150 6.3 1.14

供应商 2 300 33 150 10.0 1.05

从表1可以看出，虽然甲、乙两人的磨削参数有很大差异，但研磨度值却很接近，也都接近供应商推荐的研磨度值，因此，二者所使用的磨削参数都是合理的。甲、乙两人的进给速度和砂轮线速度都明显低于供应商推荐的数值，导致材料磨除率偏低，因此，可大幅提高砂轮速度和进给速度，不用担心砂轮损坏或工件烧伤等问题。

4 结束语

综上所述，在使用金刚石砂轮磨削硬质合金刀具的过程中，相关的磨削参数对刀具的加工效率和砂轮寿命等有着重要的影响，确定合理的硬质合金刀具磨削参数对保证生产质量起着重要的作用——不仅可有效延长金刚石砂轮的使用寿命，还可提高施工效率。

参考文献

[1]姚萍.硬质合金磨削裂纹的产生与预防[J].机械管理开发，2009，24（4）：81.

[2]李安海，赵军，王泽明，等.WC—Co硬质合金的弹性性能[J].硬质合金，2011，28（3）：194.

〔编辑：张思楠〕