2 整體硬質合金刀具磨削裂紋的原因分析

1. 整體硬質合金刀具的磨削加工特點
   
   硬質合金材料由于硬度高，脆性大，導熱系數小，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合金刀具。硬度高就要求有較大的磨削壓力，導熱系數低又不允許產生過大的磨削熱量，脆性大導致產生磨削裂紋的傾向大。因此，對硬質合金刀具刃磨，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，減少磨削裂紋的產生。一般在刃磨硬質合金刀具時，溫度高于600℃，刀具表面層就會產生氧化變色，造成程度不同的磨削燒傷，嚴重時就容易使硬質合金刀具產生裂紋。這些裂紋一般非常細小，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重燒傷的痕跡，整個裂紋斷面常因滲入磨削油而與新鮮斷面界限分明。傳統碳化硅砂輪磨削硬質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)點被廣泛應用于硬質合金刀具的磨削加工中。但在整體硬質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，也會造成刀具磨削接觸區(qū)表面局部瞬時溫度偏高，從而產生磨削裂紋。
   
   
2. 整體硬質合金刀具磨削裂紋的產生機理分析
   
   制造硬質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。決定表面層質量的基本參數是：微觀形貌(即表面粗糙度)，表面層的結構和亞結構，第Ⅰ類殘余應力值及其分布。燒結后的硬質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范圍內顯微粗糙度的深度實際上不影響硬質合金的壽命指標。在磨削加工中硬質合金晶粒內部的細微結晶結構參數也發(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類應力)發(fā)生變化，表面層性能也相應變化。但是，實際上細微結晶結構參數變化與硬質合金壽命之間并未發(fā)現直接關系。所以在循環(huán)載荷下(如銑削力)硬質合金的使用壽命既與表面層的結構和亞結構無直接關聯，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力狀態(tài)，即第Ⅰ類殘余應力值及其沿截面的分布對硬質合金的強度和壽命起著決定性因素。表面層殘余壓應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;同時隨著硬質合金表面層殘余壓應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力則促進裂紋的萌生和擴展，是產生裂紋的必要條件，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力又有拉應力，因此，理想的磨削表面層狀態(tài)應是表面層殘余壓應力值越高越好，殘余壓應力層分布越深越好；近表面層殘余拉應力值越低越好，殘余拉應力層越薄越好，最大拉應力值距離表面越深越好。反之，表面層較淺的壓應力分布和近表面層過高的拉應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盡量減小和避免殘余拉應力的產生。
   
   在多數情況下硬質合金制品燒結后在表面層產生殘余拉應力(起源于熱)，這種拉應力值可達500～1000MPa。該應力層的深度不大于5～7µm，應力滲入深度不超過30～40µm。越接近表面，其值越高;鈷含量越高，其值越高。因此燒結后的硬質合金抗彎強度值(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合金表層后完全可以消除燒結合金中的殘余拉應力，并形成新的應力狀態(tài)。由此可見，燒結工藝引起的殘余應力對在磨削過程中殘余應力的形成沒有影響。
   
   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的塑性變形、結構的變化和相變并伴隨著單位體積的增大，從而導致形成殘余壓應力，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生不均勻的熱塑性變形、結構和相的變化并伴隨著單位體積的減小，從而導致形成殘余拉應力、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，是殘余壓應力為主，還是殘余拉應力為主，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)占主導因素時，便會形成表面層較淺的壓應力分布和近表面層過高的拉應力值，殘余拉應力促進裂紋的萌生和擴展，其數值之大，甚至會超過材料的破斷強度，而形成細微小裂紋。有時在磨削后不產生裂紋，但在研磨或使用過程中，當其表層被去除后，下層的殘余應力失去平衡，才出現裂紋。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 整體硬質合金刀具磨削裂紋的無損檢測

表1 不同方法檢測刀具表面磨削裂紋的效果對比 檢測方法 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 后乳化型 熒光滲透檢測 受檢刀具數量 (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 整體硬質合金刀具磨削工藝改進

1. 影響磨削裂紋的磨削工藝因素
   
   如前所述，整體硬質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)的局部瞬時溫度過高形成磨削表面層較淺的壓應力分布和近表面層過高的拉應力值超過材料的破斷強度造成，因此，在磨削加工過程中應盡量減小和避免瞬時高溫的產生，也就減小和避免了殘余拉應力的產生。磨削過程中的瞬時高溫往往會引起磨削表面層的機械性能的變化，這種瞬時高溫可達1000℃以上，對刀具表面層造成磨削燒傷。磨削燒傷會破壞刀具表面層組織，使工件表面的質量惡化，嚴重影響刀具的強度、耐磨性和使用壽命;嚴重時還會產生裂紋。因此，不僅要防止產生磨削裂紋，還必須避免磨削燒傷。在金剛石加工時，刀具表面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。
   
   實踐證明：金剛石砂輪的線速度和徑向進給量越大、砂輪硬度越高、砂輪粒度越細、刀具材料導熱系數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生，二是加速磨削熱的傳出。減少磨削熱的辦法是：適當降低金剛石砂輪的線速度，減小徑向進給量(粗磨—精磨—拋光分工序進行)，選取較軟的金剛石砂輪，減少工件和砂輪的接觸面積，根據磨削要求合理選擇砂輪的粒度，經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提高工件速度和軸向進給量外，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、內冷卻以及運動粘度較低的冷卻油等。另外，在精磨時，減少進給量和適當的光磨，可有效減少表層內殘余應力。
   
   綜上所述，為了提高生產率和磨削效率，同時又要獲得較好的磨削表面質量，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給量，最后幾次進給量減小而砂輪線速度提高，并進行光磨，這樣可提高磨削表面質量。為了進一步提高磨削表面質量，還可采用噴霧冷卻和高壓冷卻，選擇適宜的切削液，同時根據加工對象合理選擇砂輪和精細地修整砂輪。磨削參數的選擇原則是：磨削參數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，較大的徑向進給量、軸向進給量和工件速度。由于砂輪的線速度和徑向進給量對磨削表面層的質量影響最大，因此，磨削參數的選擇步驟是：先選較大的工件速度，再選軸向進給量，最后才選砂輪線速度和徑向進給量。
   
   
   
2. 防止磨削裂紋的磨削工藝改進措施
   
   
   
   1. 選用合適的冷卻液和冷卻方式
      
   2. 將國產冷卻油更換為運動粘度更低的進口冷卻油，并改進冷卻方式，使冷卻油始終處于磨削接觸區(qū)冷卻，油溫控制在2315℃以下(空調風冷控制)，同時增加工具磨床油泵壓力，以加強磨削中的冷卻效果。
      
      
   3. 選用合適的金剛石砂輪金屬粘結劑金剛石砂輪由于導熱性好、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劑金剛石砂輪，但磨耗較大;樹脂粘結劑金剛石砂輪潤滑性好，磨削力較小、自礪性好，選用中等、中軟樹脂粘結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%，金屬粘結劑砂輪粒度選擇120～140目，樹脂粘結劑砂輪(RVD)粒度粗磨選擇80～120目，精磨選擇200～240目較為合適。若全部選用質量較好的進口砂輪，則刀具的磨削效率和表面粗糙度均高于國產砂輪。
      
   4. 選擇合理的磨削參數
      
      以在德國SAACKE公司的UWIE212型數控工具磨床(15kW)上磨削整體硬質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 ，機床軸向進給速度選擇50～200mm/min，機床徑向進給量粗磨選擇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，機床軸向進給速度選擇100～400m/min，機床徑向進給量粗磨選擇0.3～1.0mm，精磨選擇0.05～0.1mm。磨前后刀面時還采用無進給返程光磨提高其表面粗糙度。如選用進口砂輪，允許選擇比國產砂輪偏高的砂輪線速度和較大的徑向進給量。
   
   
3. 磨削工藝改進措施的效果驗證
   
   
   
   • 磨削工藝改進后的6800余件整體硬質合金刀具(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法進行探傷。結果表明：不僅刀具磨削表面質量大為改觀，磨削裂紋率由工藝改進前的將近20%逐步降低為工藝改進后的15%、10%、6% ，直至最佳改進工藝的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、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的兩刃整體硬質合金高速銑刀為例，工藝改進前完成每件刀具的磨削需要30～40min，工藝改進后則只需20～30min，如果都采用質量較好的進口冷卻油和進口金剛石砂輪，最佳改進工藝對應的磨削效率還可提高到每件14～20min。

5 結語

1. 整體硬質合金刀具產生磨削裂紋的主要原因為磨削工藝和參數不恰當導致磨削接觸區(qū)的局部瞬時溫度過高引起近表面層過高的拉應力值超過材料的破斷強度造成。
   
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整體硬質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合金刀具的質量保障技術領域。
   
3. 通過改進和優(yōu)化整體硬質合金刀具磨削工藝和磨削參數可有效防止磨削裂紋及磨削燒傷的產生。