張乾坤， 李蘇望， 孫紅丁， 賀躍輝， 江 垚， 陳豫章， 肖逸鋒

(1. 湘潭大學 機械工程學院， 湖南 湘潭 411105) (2. 長沙市薩普新材料有限公司， 長沙 410000) (3. 中南大學 粉末冶金研究院， 長沙 410012)

硬脆材料如硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷材料等的加工一直是困擾工模具行業(yè)的一大難題，尤其是異形加工，如沉孔、臺階等[1-4]。

傳統(tǒng)粉末冶金廠家開發(fā)出壓制成孔或預加工成孔的工藝[4-6]，但粉末壓制成孔工藝在形狀復雜或孔數(shù)量較多時難以實現(xiàn)，而預加工成孔則對壓坯的密度均勻性、機加工崩邊控制和燒結(jié)變形控制要求極高，因而帶來較高的廢品率和較長的生產(chǎn)周期[4]，且不適用于尺寸較大的工件。因此，對硬脆材料的后續(xù)孔加工成為工模具行業(yè)研究的熱點[7-8]，尤其對模具和耐磨材料等大尺寸或異形整體硬質(zhì)合金的加工。

對于WC-Co系硬質(zhì)合金，傳統(tǒng)孔加工工藝包括電火花放電加工[8-10]、激光超聲輔助加工[7-8]和PCD刀銑削加工[2,11-12]等3種。

電火花加工由于成本低、加工形狀靈活和易批量生產(chǎn)等原因應用最廣泛；但電火花放電的加工效率極低[9-10]，極大地限制了其應用。激光超聲加工以復合輔助提高其加工能力[8]，但設(shè)備成本高，大規(guī)模推廣困難。PCD、PCBN或PCD涂層刀具等在加工高鈷低硬度硬質(zhì)合金(鈷質(zhì)量分數(shù)≥20%，洛氏硬度HRA<87)領(lǐng)域取得了較大成功。很多學者[2,11-12]先后研究了刀具幾何形狀、涂層性能、基體種類、加工參數(shù)等因素對車銑加工硬質(zhì)合金效果的影響；但PCD或PCBN刀具價格昂貴、刀片易崩缺、刃口少，以其加工時工件易崩缺，也很難加工低鈷硬質(zhì)合金，因此其應用也受到很大限制。

在大量的測試基礎(chǔ)上，本研究采用金剛石磨頭作為硬質(zhì)合金孔加工工具。其兼具金剛石的高鋒利度和多刃切削優(yōu)勢，利用多刃微磨削和螺旋進刀的方式進行高效沉孔加工。我們研究了不同固結(jié)方式的磨頭和不同加工參數(shù)對典型的YG15和YG8硬質(zhì)合金的加工效率、磨頭壽命和加工效果的影響。

1 實驗條件與方法

實驗使用燒結(jié)磨頭和電鍍磨頭加工硬質(zhì)合金孔，其中：燒結(jié)磨頭由長沙市薩普新材料有限公司提供，金剛石粒度尺寸為89～104μm；電鍍磨頭金剛石粒度尺寸為124～150μm，為優(yōu)化定制磨頭。

2種金剛石磨頭的尺寸參數(shù)如圖1和表1所示。為方便沉孔加工過程中的排屑、容屑、冷卻與自銳，開如圖1所示十字槽。

圖1 2種金剛石磨頭的外形示意圖

注：未標注尺寸公差為0.10 mm。

采用表1所示尺寸的金剛石磨頭在YG8和YG15硬質(zhì)合金板上加工尺寸為φ13 mm×5 mm的無底孔沉孔，即盲孔。實驗采用的設(shè)備為TaikanT-V8數(shù)控銑床，主軸功率7.5 kW，主軸轉(zhuǎn)速50～10 000 r/min，采用水基乳化液進行高壓冷卻與潤滑。在經(jīng)過前期多種加工方式對比后，擇優(yōu)采用螺旋進刀方式進行加工。擬采用的轉(zhuǎn)速為7000 r/min，吃刀量是0.006～0.02 mm/r，進給速度為600～1000 mm/min。

2 實驗結(jié)果與討論

電鍍金剛石磨頭工具表層只有一層金剛石磨料，易在車削或磨削的高頻率復雜受力環(huán)境下疲勞崩缺或剝落，因此其使用壽命可能成為應用瓶頸[13]；而燒結(jié)磨頭具有更多的磨削工作層，但打孔內(nèi)徑精度、孔深精度和形狀精度，對燒結(jié)磨頭提出了高保形、外形統(tǒng)一可控、耐磨性高且穩(wěn)定等要求。

優(yōu)化燒結(jié)磨頭與電鍍磨頭的配方與磨料粒度，并進行對比實驗。經(jīng)預實驗篩選，選擇燒結(jié)金剛石磨頭S1進行測試。圖2為S1斷口的SEM圖和工作面的金相圖。由圖2可以看出：該磨頭具有較高的出刃高度和良好的基體/金剛石界面結(jié)合，均勻的硬質(zhì)相分布，以及較高的致密度等。表2為被加工硬質(zhì)合金工件(YG8和YG15)的性能參數(shù)表。

表2 被加工硬質(zhì)合金工件的性能參數(shù)

2.1 燒結(jié)與電鍍金剛石磨頭的對比

表3是在不同加工參數(shù)下，S1和D1金剛石磨頭加工硬質(zhì)合金沉孔時的加工參數(shù)與加工效果對比。燒結(jié)磨頭加工孔數(shù)的壽命終點判據(jù)是槽高度小于0.2 mm，且磨頭R角磨損不大于0.5 mm；而電鍍磨頭加工的壽命終點判據(jù)為銑床負載顯著上升，即磨頭脫砂后磨削力顯著下降。

通過1組和2組的對比可知：在進給速度為600 mm/min，吃刀量為0.010 mm時，2種磨頭具有相近的單孔加工時間，均為13 min左右，比傳統(tǒng)電火花加工約2 h的加工時間顯著縮短。但是S1具有更長的使用壽命，平均可加工37個孔，壽命約為D1磨頭的近10倍。

表3 不同加工參數(shù)下，S1和D1金剛石磨頭加工硬質(zhì)合金沉孔時的加工參數(shù)與加工效果對比

圖3是孔加工效果圖。其中，圖3b和圖3c的加工參數(shù)如表3中1組和2組實驗所示。從圖3中可以看出：在此加工條件下，加工對象均未出現(xiàn)崩缺。說明這種新型沉孔加工方法無論是燒結(jié)還是電鍍金剛石磨頭都可獲得高效、無崩缺加工效果，這與磨頭的多刃切削特性和較小吃刀量有關(guān)。

(a)低倍圖(b)S1燒結(jié)磨頭加工圖(c)D1電鍍磨頭加工圖圖3 孔加工效果圖

對于S1燒結(jié)磨頭，在磨頭高度平均消耗1 mm時，可平均加工37個孔。經(jīng)計算，工件/磨頭的體積磨耗比為1122∶1，且磨削完成后R角小于0.5 mm。此時，工件的材料去除率為51 mm3/min。

2.2 不同加工參數(shù)的對比

對比表3中的1組和3組，當進給速度提高到1000 mm/min而不增加進給吃刀量時，單孔加工時間由13.0 min縮短為7.9 min，但是S1磨頭的磨損速率顯著增大，工件/磨頭的體積磨耗比由1122∶1降低為636∶1，加工孔的平均數(shù)量也降為21個。

對比表3中的2組和5組，在不改變進給速度而增大進給吃刀量時，磨頭的加工效率大大提高，但磨頭的磨損顯著加劇，平均僅能加工9個孔，體積磨耗比降為272∶1。

S1和D1金剛石磨頭在沉孔壽命測試加工前后的典型形貌如圖4所示。結(jié)合磨削三要素即進給吃刀量、進給速度和轉(zhuǎn)速進行分析[14]，單個金剛石磨粒所承受的法向力和切向力均隨進給速度和進給吃刀量的增大而顯著增大，加速金剛石的疲勞剝落，如圖4f所示。同樣的，D1電鍍磨頭在進刀量增大時也出現(xiàn)相似變化趨勢(6組)，D1磨頭甚至加工不到1個孔即報廢，如圖4b所示。4組是在保證材料去除率不變的情況下，增大進給速度為1000 mm/min，降低進給吃刀量為0.006 mm/r。結(jié)果表明，磨頭的使用壽命和加工效率未發(fā)生明顯改變。

當使用φ8 mm的S1磨頭加工φ10 mm的孔時，如7組所示，同樣的加工參數(shù)卻使S1的磨耗比下降為1組的1/15。這是由于主軸行走直徑由1組的4.9 mm降為1.9 mm，在進給速度同樣為600 mm/min時，主軸沿Z軸的下降速率從1組的0.39 mm/min增大到1.01 mm/min，較小的工件/磨頭間隙和較快的主軸下降速率非常不利于排屑，進而增大磨損[2, 13]。

圖4 S1和D1金剛石磨頭在沉孔壽命測試加工前后的典型形貌

2.3 不同加工對象的對比

YG8硬質(zhì)合金與YG15硬質(zhì)合金相比屬于較硬脆的材料，具有更低的斷裂韌性[14]。因而，二者在進行磨削加工時，金剛石更易切入YG15工件中，但切入后，具有較低斷裂韌性的YG8比YG15更易產(chǎn)生切屑的崩裂，即磨屑，且磨屑以較細的粉末狀為主。結(jié)合表3中1組和8組的對比結(jié)果，S1在加工硬度較低的YG15時反而具有更低的使用壽命。這和高鈷硬質(zhì)合金的片狀切屑難以排出，造成磨頭堵塞、鋒利度降低和切削力增大有關(guān)[2,4,14]。

3 結(jié)論

我們提供了一種新型高效率加工硬質(zhì)合金沉孔的工藝，即采用金剛石磨頭進行沉孔加工。采用銑削加工中心，以螺旋進刀的方式，配合電鍍和燒結(jié)金剛石磨頭，在不同進給速度、吃刀量等參數(shù)條件下的加工不同硬質(zhì)合金。發(fā)現(xiàn)：

(1)該工藝將YG8硬質(zhì)合金的打孔時間由傳統(tǒng)電火花加工的2 h左右縮短為10～15 min，且無崩邊;

(2)對比S1燒結(jié)磨頭和D1電鍍磨頭，在同等優(yōu)化的加工參數(shù)下，S1燒結(jié)磨頭具有10倍于電鍍磨頭的使用壽命；當進刀量和進給速度增大時，2種磨頭的磨損量都顯著增加。

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