CN104227510A - 一种超声振动辅助磨削加工整体硬质合金刀具的磨削工艺 - Google Patents

一种超声振动辅助磨削加工整体硬质合金刀具的磨削工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声振动辅助磨削加工整体硬质合金刀具的磨削工艺。所述利用超声振动有助于排屑和散热的优点,避免了局部瞬时温度过高，并通过优化整体硬质合金刀具磨削参数，有效防止磨削裂纹及磨削烧伤的产生，加工的表面质量好，磨削裂纹率在0.5%以下。

Description

一种超声振动辅助磨削加工整体硬质合金刀具的磨削工艺
技术领域
本发明涉及磨削领域，具体涉及一种超声振动辅助磨削加工整体硬质合金刀具的磨削工艺。
背景技术
整体硬质合金刀具在航空航天业、模具制造业、汽车制造业、机床制造业等领域得到越来越广泛的应用，尤其是在高速切削领域占有越来越重要的地位。在高速切削领域，由于对刀具安全性、可靠性、耐用度的高标准要求，整体硬质合金刀具内在和表面的质量要求也更加严格。而随着硬质合金棒材尤其是超细硬质合金材质内在质量的不断提高，整体硬质合金刀具表面的质量情况越来越受到重视。
众所周知，硬质合金刀具的使用寿命除了与其耐磨性有关外，也常常表现在崩刃、断刃、断裂等非正常失效方面，磨削后刀具的磨削裂纹等表面缺陷则是造成这种非正常失效的重要原因之一。
这些表面缺陷包括经磨削加工后暴露于表面的硬质合金棒料内部粉末冶金制造缺陷(如分层、裂纹、未压好、孔洞等)以及磨削过程中由于不合理磨削在磨削表面造成的磨削裂纹缺陷，而磨削裂纹则更为常见。
硬质合金材料由于硬度高，脆性大，导热系数小，给刀具的刃磨带来了很大困难，尤其是磨削余量很大的整体硬质合金刀具。硬度高就要求有较大的磨削压力，导热系数低又不允许产生过大的磨削热量，脆性大导致产生磨削裂纹的倾向大。因此，对硬质合金刀具刃磨，既要求砂轮有较好的自砺性，又要有合理的刃磨工艺，还要有良好的冷却，使之有较好的散热条件，减少磨削裂纹的产生。一般在刃磨硬质合金刀具时，温度高于600℃，刀具表面层就会产生氧化变色，造成程度不同的磨削烧伤，严重时就容易使硬质合金刀具产生裂纹。这些裂纹一般非常细小，裂纹附近的磨削表面常有蓝、紫、褐、黄等颜色相间的不同氧指数的钨氧化物的颜色，沿裂纹敲断后，裂纹断口的断裂源处也常有严重烧伤的痕迹，整个裂纹断面常因渗入磨削油而与新鲜断面界限分明。传统碳化硅砂轮磨削硬质合金由于磨削效率很低、磨削力较大、自砺性差以及磨削接触区表面局部温度高(高达1100℃左右)等造成刀具刃口质量差、表面粗糙度差和废品率高等缺点已逐渐被淘汰使用;而金刚石砂轮则由于磨削效率高、磨削力较小、自砺性好、金刚石刃口锋利、不易钝化以及磨削接触区表面局部温度较低(一般在400℃左右)等优点被广泛应用于硬质合金刀具的磨削加工中。但在整体硬质合金刀具的金刚石砂轮磨削过程中，由于磨削余量很大，加工方法、金刚石工具特性和磨削制度如果选择不当，也会造成刀具磨削接触区表面局部瞬时温度偏高，从而产生磨削裂纹。
这些磨削裂纹，采用肉眼、放大镜、浸油吹砂、体视显微镜和工具显微镜等常规检测手段往往容易造成漏检，漏检的刀具在使用时尤其是在高速切削场合可能会造成严重的后果，因此整体硬质合金刀具产品磨削裂纹缺陷的危害很大。
因此对整体硬质合金刀具磨削裂纹的产生原因进行分析和探讨，并提出有效防止磨削裂纹的工艺改进措施具有很重要的现实意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种超声振动辅助磨削加工整体硬质合金刀具的磨削工艺。所述工艺通过改进和优化整体硬质合金刀具磨削工艺和磨削参数，避免了磨削接触区的局部瞬时温度过高引起近表面层过高的拉应力值超过材料的破断强度，有效防止磨削裂纹及磨削烧伤的产生，磨削裂纹率在0.5%以下。
本发明所采用的技术方案如下：
一种超声振动辅助磨削加工整体硬质合金刀具的磨削工艺，其特征在于：
包括粗磨和精磨，并采用超声振动辅助磨削加工进行磨削；
粗磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择16～20m/s，机床轴向进给速度选择100～200mm/min，机床径向进给量选择1.0～2.0mm，超声振动的辅加方式为工件振动，超声振幅为4-6μm；
精磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择12～16m/s，机床轴向进给速度选择50～100m/min，机床径向进给量选择0.1～0.3mm，超声振动的辅加方式为砂轮振动，超声振幅为4-6μm；
选用金属粘结剂金刚石砂轮，金刚石砂轮浓度选择75%～80%，金属粘结剂砂轮粒度选择120～140目。
其中，优选，粗磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择18m/s，机床轴向进给速度选择150mm/min，机床径向进给量选择1.5mm，超声振动的辅加方式为工件振动，超声振幅为5μm；
其中，优选，精磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择14m/s，机床轴向进给速度选择75m/min，机床径向进给量选择0.2mm，超声振动的辅加方式为砂轮振动，超声振幅为4-6μm；
其中，优选，选用金属粘结剂金刚石砂轮，金刚石砂轮浓度选择77%，金属粘结剂砂轮粒度选择130目。
以下对本发明进行详细的说明：
（1）整体硬质合金刀具磨削裂纹的产生机理分析
制造硬质合金刀具采用的金刚石磨削处理可以使刀具表面层的物理—机械特性变坏或者改善。决定表面层质量的基本参数是:微观形貌(即表面粗糙度)，表面层的结构和亚结构，第Ⅰ类残余应力值及其分布。烧结后的硬质合金通常具有不低于Rz5μm的表面粗糙度，金刚石加工可以保证Rz不低于2μm，在Rz=1～5μm范围内显微粗糙度的深度实际上不影响硬质合金的寿命指标。在磨削加工中硬质合金晶粒内部的细微结晶结构参数也发生变化，嵌晶块发生破碎(相干分散区)，其值减小一个数量级，由(10～15)×10-5mm降到(10～15)×10-6mm。晶粒显微畸变值(Δd/d，第Ⅱ类应力)发生变化，表面层性能也相应变化。但是，实际上细微结晶结构参数变化与硬质合金寿命之间并未发现直接关系。所以在循环载荷下(如铣削力)硬质合金的使用寿命既与表面层的结构和亚结构无直接关联，又首先不是决定于表面粗糙度，而是决定于表面层的残余应力状态，即第Ⅰ类残余应力值及其沿截面的分布对硬质合金的强度和寿命起着决定性因素。表面层残余压应力的形成促使断裂源迁移到距离表面更深的受载荷较小的层次，抑制了裂纹的萌生和扩展，这就使得强度和寿命增加;同时随着硬质合金表面层残余压应力层分布深度的增加，其强度和寿命逐渐提高。而表面层形成的残余拉应力则促进裂纹的萌生和扩展，是产生裂纹的必要条件，且使得强度和寿命降低。但磨削后的表面往往既有残余压应力又有拉应力，因此，理想的磨削表面层状态应是表面层残余压应力值越高越好，残余压应力层分布越深越好;近表面层残余拉应力值越低越好，残余拉应力层越薄越好，最大拉应力值距离表面越深越好。反之，表面层较浅的压应力分布和近表面层过高的拉应力值则是萌生磨削裂纹的主要原因。所以，在磨削加工过程中应尽量减小和避免残余拉应力的产生。
在多数情况下硬质合金制品烧结后在表面层产生残余拉应力(起源于热)，这种拉应力值可达500～1000MPa。该应力层的深度不大于5～7μm，应力渗入深度不超过30～40μm。越接近表面，其值越高;钴含量越高，其值越高。因此烧结后的硬质合金抗弯强度值(TRS值)和疲劳寿命值很低。但磨削余量常大于0.1mm，因而随后的磨削加工在去除硬质合金表层后完全可以消除烧结合金中的残余拉应力，并形成新的应力状态。由此可见，烧结工艺引起的残余应力对在磨削过程中残余应力的形成没有影响。
在磨削加工过程中，影响刀具表面状态的有两个主要因素:施加的力和局部温度。施加的力对合金表面的作用会引起不可恢复的塑性变形、结构的变化和相变并伴随着单位体积的增大，从而导致形成残余压应力，提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、硬度、耐磨性和使用寿命等，亦即发生强化过程;局部温度对合金表面的作用会在表面层中产生不均匀的热塑性变形、结构和相的变化并伴随着单位体积的减小，从而导致形成残余拉应力、降低抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、硬度、耐磨性和使用寿命等，亦即发生弱化过程。因此，硬质合金刀具最终表面层状态是被强化还是被弱化，是残余压应力为主，还是残余拉应力为主，则取决于在磨削过程中对其表面的作用是以力为主还是以温度为主。当磨削过程中磨削接触区的局部瞬时温度达到一定程度(有时可达1000℃以上)占主导因素时，便会形成表面层较浅的压应力分布和近表面层过高的拉应力值，残余拉应力促进裂纹的萌生和扩展，其数值之大，甚至会超过材料的破断强度，而形成细微小裂纹。有时在磨削后不产生裂纹，但在研磨或使用过程中，当其表层被去除后，下层的残余应力失去平衡，才出现裂纹。在金刚石加工时，刀具表面磨削接触区局部瞬时温度的高低将取决于加工方法、金刚石工具特性和磨削制度。
（2）技术方案的确定
如前所述，整体硬质合金刀具表面的磨削裂纹主要是由于磨削过程中磨削接触区的局部瞬时温度过高形成磨削表面层较浅的压应力分布和近表面层过高的拉应力值超过材料的破断强度造成，因此，在磨削加工过程中应尽量减小和避免瞬时高温的产生，也就减小和避免了残余拉应力的产生。磨削过程中的瞬时高温往往会引起磨削表面层的机械性能的变化，这种瞬时高温可达1000℃以上，对刀具表面层造成磨削烧伤。磨削烧伤会破坏刀具表面层组织，使工件表面的质量恶化，严重影响刀具的强度、耐磨性和使用寿命;严重时还会产生裂纹。因此，不仅要防止产生磨削裂纹，还必须避免磨削烧伤。在金刚石加工时，刀具表面局部瞬时温度的高低将取决于加工方法、金刚石工具特性和磨削制度。
在此基础上，本发明通过采用合理的磨削工艺从而实现了本发明。
磨削整体硬质合金刀具时，采用超声振动辅助磨削加工进行磨削。超声振动辅助磨削加工的表面质量较好,超声振动有助于排屑和散热,避免了磨削烧伤和砂轮堵塞，并选用合理的磨削参数减小避免了磨削接触区的局部瞬时温度过高。
粗磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择16～20m/s，机床轴向进给速度选择100～200mm/min，机床径向进给量选择1.0～2.0mm，超声振动的辅加方式为工件振动，超声振幅为4-6μm；
精磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择12～16m/s，机床轴向进给速度选择50～100m/min，机床径向进给量选择0.1～0.3mm，超声振动的辅加方式为砂轮振动，超声振幅为4-6μm；
选用金属粘结剂金刚石砂轮，金刚石砂轮浓度选择75%～80%，金属粘结剂砂轮粒度选择120～140目。
本发明具有以下技术优点：通过改进和优化整体硬质合金刀具磨削工艺和磨削参数，避免了磨削接触区的局部瞬时温度过高引起近表面层过高的拉应力值超过材料的破断强度，有效防止磨削裂纹及磨削烧伤的产生，磨削裂纹率在0.5%以下。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例一
对1000件直径30mm整体硬质合金两刃螺旋立铣刀进行磨削，磨削工艺如下：
包括粗磨和精磨，并采用超声振动辅助磨削加工进行磨削；
粗磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择18m/s，机床轴向进给速度选择150mm/min，机床径向进给量选择1.5mm，超声振动的辅加方式为工件振动，超声振幅为5μm；
精磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择14m/s，机床轴向进给速度选择75m/min，机床径向进给量选择0.2mm，超声振动的辅加方式为砂轮振动，超声振幅为4-6μm；
选用金属粘结剂金刚石砂轮，金刚石砂轮浓度选择77%，金属粘结剂砂轮粒度选择130目。
采用同一种高灵敏度的亲水性后乳化荧光渗透探伤法进行探伤。结果表明:不仅刀具磨削表面质量大为改观，磨削裂纹率由工艺改进前的将近20%下降到本发明的0.3%，刀具表面磨削烧伤情况(发亮、发白而不是发蓝、发紫、发褐、发黄、发乌、发暗)以及表面粗糙度情况(Rz0.2～0.8μm)也显著改善;而且磨削效率还有所提高，工艺改进前完成每件刀具的磨削需要30～40min，工艺改进后则只需10～15min。
实施例二
对1000件直径30mm整体硬质合金两刃螺旋立铣刀进行磨削，磨削工艺如下：
包括粗磨和精磨，并采用超声振动辅助磨削加工进行磨削；
粗磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择16m/s，机床轴向进给速度选择100mm/min，机床径向进给量选择1.0mm，超声振动的辅加方式为工件振动，超声振幅为4μm；
精磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择12m/s，机床轴向进给速度选择50m/min，机床径向进给量选择0.1mm，超声振动的辅加方式为砂轮振动，超声振幅为4μm；
选用金属粘结剂金刚石砂轮，金刚石砂轮浓度选择75%，金属粘结剂砂轮粒度选择120目。
采用同一种高灵敏度的亲水性后乳化荧光渗透探伤法进行探伤。结果表明:不仅刀具磨削表面质量大为改观，磨削裂纹率由工艺改进前的将近20%下降到本发明的0.4%，刀具表面磨削烧伤情况(发亮、发白而不是发蓝、发紫、发褐、发黄、发乌、发暗)以及表面粗糙度情况(Rz0.2～0.8μm)也显著改善;而且磨削效率还有所提高，工艺改进前完成每件刀具的磨削需要30～40min，工艺改进后则只需10～15min。
实施例三
对1000件直径30mm整体硬质合金两刃螺旋立铣刀进行磨削，磨削工艺如下：
包括粗磨和精磨，并采用超声振动辅助磨削加工进行磨削；
粗磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择20m/s，机床轴向进给速度选择200mm/min，机床径向进给量选择2.0mm，超声振动的辅加方式为工件振动，超声振幅为6μm；
精磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择16m/s，机床轴向进给速度选择100m/min，机床径向进给量选择0.3mm，超声振动的辅加方式为砂轮振动，超声振幅为6μm；
选用金属粘结剂金刚石砂轮，金刚石砂轮浓度选择80%，金属粘结剂砂轮粒度选择140目。
采用同一种高灵敏度的亲水性后乳化荧光渗透探伤法进行探伤。结果表明:不仅刀具磨削表面质量大为改观，磨削裂纹率由工艺改进前的将近20%下降到本发明的0.5%，刀具表面磨削烧伤情况(发亮、发白而不是发蓝、发紫、发褐、发黄、发乌、发暗)以及表面粗糙度情况(Rz0.2～0.8μm)也显著改善;而且磨削效率还有所提高，工艺改进前完成每件刀具的磨削需要30～40min，工艺改进后则只需10～15min。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (4)

1.一种超声振动辅助磨削加工整体硬质合金刀具的磨削工艺，其特征在于：
包括粗磨和精磨，并采用超声振动辅助磨削加工进行磨削；
粗磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择16～20m/s，机床轴向进给速度选择100～200mm/min，机床径向进给量选择1.0～2.0mm，超声振动的辅加方式为工件振动，超声振幅为4-6μm；
精磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择12～16m/s，机床轴向进给速度选择50～100m/min，机床径向进给量选择0.1～0.3mm，超声振动的辅加方式为砂轮振动，超声振幅为4-6μm；
选用金属粘结剂金刚石砂轮，金刚石砂轮浓度选择75%～80%，金属粘结剂砂轮粒度选择120～140目。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，优选，粗磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择18m/s，机床轴向进给速度选择150mm/min，机床径向进给量选择1.5mm，超声振动的辅加方式为工件振动，超声振幅为5μm。
3.根据权利要求1所述的工艺，其中，优选，精磨的工艺为：金刚石砂轮线速度选择14m/s，机床轴向进给速度选择75m/min，机床径向进给量选择0.2mm，超声振动的辅加方式为砂轮振动，超声振幅为4-6μm。
4.根据权利要求1所述的工艺，其中，优选，选用金属粘结剂金刚石砂轮，金刚石砂轮浓度选择77%，金属粘结剂砂轮粒度选择130目。
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