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        硬質(zhì)合金焊接刀具裂紋的產(chǎn)生及控制措施

        2012-11-17 05:27:16劉權(quán)康春梅張秀珍馬金龍
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2012年20期
        關(guān)鍵詞:裂紋工藝

        劉權(quán) 康春梅 張秀珍 馬金龍

        (中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司工裝制造廠,遼寧 沈陽 110043)

        1 概述

        隨著新型機(jī)研制過程的不斷深入,難加工材料種類及數(shù)量逐漸增多,對刀具類產(chǎn)品的需求也逐漸由高速鋼刀具向硬質(zhì)合金刀具方向轉(zhuǎn)變,硬質(zhì)合金刀具在航空、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。

        作為焊接式硬質(zhì)合金車刀的制造及修磨單位,我們遇到過刀具不快;刀具使用過程中合金刀片撕裂掉塊;刀片在焊接處整體斷裂;焊接刀片裂紋等質(zhì)量問題,且以磨削裂紋最為常見。因此有必要分析硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的產(chǎn)生原因并加以控制,總結(jié)歸納防止磨削裂紋的改進(jìn)措施,減少刀具裂紋,提高硬質(zhì)合金車刀的質(zhì)量及使用壽命。

        2 影響硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的因素

        2.1 硬質(zhì)合金刀具材料特性影響

        硬質(zhì)合金材料特性有硬度高、脆性大、塑性差、導(dǎo)熱系數(shù)小等。材料硬度高,磨削時需要有較大的磨削壓力;材料脆性大,磨削時產(chǎn)生磨削裂紋的傾向大;材料導(dǎo)熱系數(shù)低,就不允許大的磨削熱量產(chǎn)生。因此,對硬質(zhì)合金刀具的刃磨,要求砂輪要有較好的自礪性及合理的刃磨工藝,良好的冷卻,較好的散熱。

        2.2 砂輪對硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋影響

        砂輪磨削硬質(zhì)合金刀具,最嚴(yán)重的問題就是硬質(zhì)合金容易裂紋或開裂,除了硬質(zhì)合金刀片質(zhì)量、刀具結(jié)構(gòu)不合理、刀片焊接內(nèi)應(yīng)力、機(jī)床振動大及刀具在工序周轉(zhuǎn)過程中的碰撞等因素外,在磨削過程中砂輪和磨削工藝也會造成裂紋。

        制造刀具的硬質(zhì)合金硬度高,在刃磨的過程中磨粒容易鈍化,如果砂輪的自銳能力不好,磨鈍的磨粒不能及時脫落,砂輪失去切削能力,加劇了砂輪與硬質(zhì)合金刀具被磨削表面之間的磨擦,磨削熱量劇增,磨削區(qū)域熱量不能及時傳出,使硬質(zhì)合金被磨表面產(chǎn)生1000℃以上的瞬時高溫,且溫升速度快,引起熱變形。加之硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度低,在室溫下幾乎沒有塑性,不能通過本身的塑性變形削除部分熱應(yīng)力。在磨削熱的作用下,硬質(zhì)合金被磨削表面上產(chǎn)生的局部應(yīng)力值超過硬質(zhì)合金的強(qiáng)度極限,產(chǎn)生裂紋或開裂。

        碳化硅砂輪磨削硬質(zhì)合金的磨削效率低、磨削力大、自礪性差,磨削接觸區(qū)表面局部溫度高,磨削時刀具刃口質(zhì)量差、表面粗糙度差、廢品率高。而金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金的磨削效率高、磨削力小、自礪性好、金剛石刃口鋒利、不易鈍化,磨削接觸區(qū)表面局部溫度較低,一般在400℃左右,目前應(yīng)用廣泛。

        2.3 焊接應(yīng)力對硬質(zhì)合金刀具磨削裂紋的影響

        硬質(zhì)合金刀片上出現(xiàn)裂紋,有時是由于焊接時焊接應(yīng)力超過硬質(zhì)合金刀片的強(qiáng)度而產(chǎn)生。焊接應(yīng)力形成于刀片焊接及熱處理時,對磨削裂紋的危險最大,它不一定在焊接過程中顯露出來,在某些情況下在刃磨時才會顯露。在焊接刀具時,刀體的高度HC要大于刀片高度HT三倍,即HC/HT>3。

        HC/HT﹤3,硬質(zhì)合金表層產(chǎn)生拉應(yīng)力,容易出現(xiàn)裂紋;

        HC/HT=4-5,硬質(zhì)合金表層無顯著應(yīng)力,不易產(chǎn)生裂紋;

        HC/HT﹤8時,在焊接層上產(chǎn)生均布載荷。

        硬質(zhì)合金迅速加熱和快速冷卻時熱量分布不均,有時會產(chǎn)生顯著的瞬時應(yīng)力。焊接時,由于快速加熱,硬質(zhì)合金外層受壓應(yīng)力,中間受拉應(yīng)力,超過允許的加熱速度時,可能出現(xiàn)裂紋或內(nèi)部的不可見裂紋;快速冷卻,外層上會出現(xiàn)拉應(yīng)力,引起合金出現(xiàn)裂紋。

        3 硬質(zhì)合金刀具裂紋的具體控制措施

        實(shí)踐表明,金剛石砂輪的線速度和徑向進(jìn)給量越大、砂輪硬度越高、砂輪粒度越細(xì)、刀具材料導(dǎo)熱系數(shù)越低、砂輪磨損得越嚴(yán)重,都會使磨削溫度升高得越厲害,越容易產(chǎn)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,必須減少磨削熱的產(chǎn)生,加速磨削熱的傳出。

        防止硬質(zhì)合金刀具刃磨開裂的措施,除在檢查刀片、刀具結(jié)構(gòu)、焊接工藝、熱處理工藝、機(jī)床調(diào)整及工序轉(zhuǎn)運(yùn)過程中需給以足夠重視外,還必須使砂輪和磨削工藝適應(yīng)硬質(zhì)合金刀具的磨削特性,以減少磨削熱的產(chǎn)生。比如提高砂輪的自銳能力,使鈍化的磨粒及時脫落,砂輪的磨削性能得到改善,以減少磨削熱;改善磨削區(qū)域的散熱條件,分散磨削熱。可采用減少砂輪與硬質(zhì)合金連續(xù)接觸摩擦?xí)r間的辦法,使磨削產(chǎn)生的熱量能有機(jī)會及時擴(kuò)散而不集聚,從而改善磨削條件。

        3.1 控制焊接應(yīng)力,使刀體高度與刀片厚度相匹配

        在焊接刀具時,將刀體的高度HC與刀片厚度HT的比值控制在6-8,即6﹤HC/HT﹤8。

        在制造硬質(zhì)合金車刀的生產(chǎn)過程中,有些刀具設(shè)計的硬質(zhì)合金刀片厚度達(dá)7-10mm,這類刀具在焊接時硬質(zhì)合金刀片出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象很嚴(yán)重,刀片因裂紋報廢率達(dá)70%以上。(見表1)

        表1:某年度硬質(zhì)合金焊接刀具裂紋數(shù)據(jù)統(tǒng)計

        刀體與刀片厚度的不匹配是導(dǎo)致這一問題的主要原因。在滿足工藝要求的前提下,我們逐步減小刀片厚度:1)采用線切割設(shè)備將刀片切割開,控制刀片厚度值小于5mm。2)對切割后的硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行熱處理,去除切割應(yīng)力。通過這種方法使刀片的焊接裂紋率降低到10%-15%以下,效果非常好。(見表2)

        表2:改進(jìn)硬質(zhì)合金焊接刀具刀片厚度后裂紋數(shù)據(jù)統(tǒng)計

        3.2 適當(dāng)降低磨削速度,減少磨削熱

        3.3 選取較軟的金剛石砂輪,減少工件和砂輪的接觸面積

        3.4 根據(jù)磨削要求合理選擇砂輪粒度,經(jīng)常保持砂輪在鋒利的條件下磨削

        3.5 加速磨削熱傳出

        3.6 保持加工系統(tǒng)的剛性

        3.7 勤修砂輪,保持砂輪具有良好的磨削性能

        3.8 避免硬質(zhì)合金的迅速驟冷驟熱

        結(jié)語

        硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生磨削裂紋的主要原因是磨削工藝和參數(shù)不恰當(dāng),導(dǎo)致磨削接觸區(qū)局部瞬時溫度過高引起近表面層過高的拉應(yīng)力值超過材料的破斷強(qiáng)調(diào)造成。通過改進(jìn)和優(yōu)化磨削工藝和磨削參數(shù),可有效防止磨削裂紋和磨削燒傷的產(chǎn)生,提高工件表面質(zhì)量,改善刀具強(qiáng)度和使用壽命。

        [1]硬質(zhì)合金刀具刃磨.機(jī)械工業(yè)出版社,1955.

        [2]硬質(zhì)合金工具的破損及其斷裂韌性.冶金工業(yè)出版社,1989.

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