蘇彥賓， 邵慧麗， 武瑞閣

(河南新源超硬材料有限公司， 河南 柘城 476200)

聚晶金剛石(PCD)刀具具有極高的硬度和耐磨性、極低的摩擦系數(shù)，刃口鋒利，切削加工表面質(zhì)量好，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、零器件加工等各個行業(yè)中。但PCD刀具的韌性較差，多用于連續(xù)切削加工，極少用于帶有沖擊性的斷續(xù)切削加工，而實際生產(chǎn)中卻有許多斷續(xù)切削的情況存在，如齒輪面，帶花鍵、帶鍵槽的軸類車削、銑削、鋸切等等。PCD刀具如能進(jìn)入斷續(xù)切削加工領(lǐng)域，將會進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍[1]。

目前，國內(nèi)外專家對斷續(xù)切削的研究集中在刀具的破損機(jī)理上，主要包括以下幾個方面：(1)斷續(xù)切削過程中的破損研究，包括各種切入、切出類型對刀具破損的影響，切出過程的負(fù)剪切現(xiàn)象，動態(tài)切削力的研究，切削參數(shù)與刀具破損之間的關(guān)系等；(2)使用PCD刀具切削時，切削用量、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速等常規(guī)切削參數(shù)對切削力、刀面磨損、表面粗糙度和切屑形成等性能參數(shù)影響的實驗研究[2]；(3)熱應(yīng)力和熱裂紋與破損之間的關(guān)系，熱裂紋的產(chǎn)生及其對刀具破損的影響，黏結(jié)破損現(xiàn)象等；(4)對PCD 刀具的前刀面磨損形態(tài)、刃口磨損形態(tài)、后刀面磨損形態(tài)及刀具脆性破損形態(tài)等幾種典型磨損形式進(jìn)行分析, 系統(tǒng)研究PCD 刀具的磨損形式和規(guī)律, 并對其磨損機(jī)理進(jìn)行較深入的探索[3]；(5)使用不同刃磨質(zhì)量的PCD刀具車削加工硅鋁合金活塞實驗, 闡述了PCD 刀具刃磨質(zhì)量及幾何參數(shù)對硅鋁合金活塞加工表面粗糙度的影響[4]；(6) 刀具幾何參數(shù)及槽型結(jié)構(gòu)對提高刀具壽命, 降低刀具發(fā)生破損概率的研究。

我們以鋁合金為PCD斷續(xù)切削的材料，研究基體熱處理對提高刀具切削性能的影響。鋁合金材料的密度低、強度高、塑性好，加工時要求PCD刀具的鋒利度要好。通過熱處理，改良基體和金剛石的結(jié)合方式，進(jìn)而改善新型刀具對鋁合金試件的切削性能。

1 新型刀具制備

傳統(tǒng)的PCD刀具在斷續(xù)切削時受沖擊力影響，容易出現(xiàn)“崩刀”現(xiàn)象，需要頻繁更換；且PCD刀具的硬質(zhì)合金基體中有鈷元素，在切削熱的作用下鈷會催化金剛石，使之向石墨轉(zhuǎn)化，加快金剛石的脫落，降低PCD刀具的鋒利度、縮短其壽命。

硬質(zhì)合金(WC-Co)基體先在赤血鹽-氫氧化鈉水溶液中浸泡24 h，使表面的碳化鎢充分細(xì)化；后置于管式爐中在氬氣環(huán)境下燒結(jié)4 h，進(jìn)一步細(xì)化碳化鎢，并且使內(nèi)部的鎢沿著晶粒間隙不斷地向表面進(jìn)行遷移；隨后將燒結(jié)完畢的試樣置于卡羅酸(H2SO4和 H2O2體積比為 1∶10)溶液中侵蝕，以除去基體表面的鈷。碳化鎢經(jīng)加深細(xì)化與酸溶液浸泡，表層的鎢脫落，硬質(zhì)合金的表面粗糙度值明顯提高。燒結(jié)升溫曲線如表1所示，酸處理后硬質(zhì)合金表面不同區(qū)域的孔隙狀況如圖1所示。

表1 燒結(jié)升溫曲線表

圖1 酸處理后硬質(zhì)合金表面的孔隙狀況

圖1所示的表面形貌有助于提高金剛石層和硬質(zhì)合金基體之間的機(jī)械鎖合作用，金剛石層在使用過程中就不易脫落，能保持刀具鋒利性、延長刀具壽命。

目前，行業(yè)內(nèi)主要采用機(jī)械夾固，粘接和高頻焊接的方法將PCD復(fù)合片固定于硬質(zhì)合金基體上，其結(jié)合強度制約了刀具應(yīng)用。我們采用高頻焊接的方法制備PCD刀具，但對金剛石和硬質(zhì)合金基體的結(jié)合進(jìn)行革新：為避免焊接溫度出現(xiàn)極端情況，采用延長焊接保溫時間的辦法，將已經(jīng)焊接好的PCD刀具迅速放入恒溫氬氣介質(zhì)中保溫一定時間，再使其緩慢冷卻。這樣延長保溫時間，既可以增強結(jié)合力，又不會因焊接高溫使金剛石碳化。

2 切削實驗

將經(jīng)上述工藝處理后的硬質(zhì)合金基體制成PCD刀具，其具體參數(shù)如表2所示。

表2 裝夾后刀具幾何參數(shù)

實驗切削用鋁合金條的平均硬度為HRC 65，化學(xué)成分見表3所示。

表3 鋁合金條的化學(xué)成分

使用蘇州昆山產(chǎn)型號為CCD-16013的視頻電子顯微鏡觀察刀具的表面磨損狀況，使用9257B型三向測力儀測量切削力。

3 結(jié)果與討論

斷續(xù)切削時，頻繁的切削沖擊不僅對刀具的使用壽命和工件表面的粗糙度有影響，同時對工件的尺寸精度和位置精度也有影響。斷續(xù)切削力的典型曲線如圖2所示[6]。

圖2 斷續(xù)切削力的典型曲線

圖2中：F1段是斷續(xù)切削的切入沖擊力，F(xiàn)2段是斷續(xù)切削的穩(wěn)態(tài)力。從圖2中可以看出：刀具在F1段時斷續(xù)切削的沖擊力??；而在F2段時沖擊明顯，是刀具磨損的主要原因，極易造成崩刀現(xiàn)象。所以F2段將作為本次研究的重點。

圖3是不同方向斷續(xù)沖擊力的走勢圖。圖3表明：斷續(xù)沖擊時，徑向力Fy最大, 其次是主切削力Fx，軸向力Fz最小;三者都呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，其中徑向力Fy的上升速度最快，而主切削力Fx則呈先上升后又有下降趨勢，說明斷續(xù)沖擊力對刀具的影響在徑向上表現(xiàn)得最為明顯。

圖3 不同方向斷續(xù)沖擊力的走勢

通過以上分析發(fā)現(xiàn)：斷續(xù)切削損傷刀具的根本原因是刀具本身的硬度不足，再加上徑向沖擊所造成的。所以，在使用前期應(yīng)該放慢進(jìn)給速度和進(jìn)刀量，并給予冷水降溫處理，減少徑向沖擊力的瞬時效果；再加上制作時的保溫處理以及酸處理，PCD刀具的硬度已經(jīng)比傳統(tǒng)的刀具有所提升，故本次斷續(xù)實驗中并沒有出現(xiàn)崩刃。

圖4是不同切削時間時 PCD 刀具后刀面磨損形貌的光學(xué)顯微照片。從圖4中可以看出：隨切削時間延長，刀具的前刀面和后刀面都出現(xiàn)磨損，但是后刀面的磨損更劇烈。并且在切削時間為128 min時，磨損開始明顯，但直至磨削結(jié)束未出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。

(a) 前刀面掃描圖片t=0(b) 后刀面掃描圖片t=0(c) 刀具磨損情況t=80.7 min(d) 刀具磨損情況t=101 min(e) 刀具磨損情況t=128 min(f) 刀具磨損情況t=150 min圖4 不同切削時間時 PCD 刀具后刀面磨損形貌的光學(xué)顯微照

4 結(jié)語

對刀具基體進(jìn)行預(yù)處理，然后通過分析斷續(xù)切削力及其在各方向的分力對PCD刀具的影響以及刀具磨損情況，得出以下結(jié)論：

(1)采用加熱預(yù)處理的方法促進(jìn)基體中鈷的擴(kuò)散，再用強酸脫除基體表面滲出的鈷，可以有效地提高金剛石層與硬質(zhì)合金基體之間的結(jié)合力；(2)斷續(xù)切削實驗中，切削到128 min時，新型PCD刀具的磨損量在可控使用范圍內(nèi)，并無崩刃現(xiàn)象出現(xiàn)；(3)新型PCD刀具斷續(xù)切削鋁合金時，切削力隨速度的增大而減小，沖擊力隨速度的增大而增大。因此，應(yīng)合理制定吃刀速度以及進(jìn)給量。未來將針對工藝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行更深入的研究。

[1] 趙德亮. PCD纖維刀具切削碳化硅顆粒增強鋁合金的試驗研究 [J]. 機(jī)械制造, 2012, 50(9): 43-46.

ZHAO Deliang. Test of PCD fiber tools cutting CFRP reinforced aluminum alloy [J]. Machinery, 2012, 50(9): 43-46.

[2] BHATIA S M, PANDEY P C, SHAN H S. The thermal condition of the tool cutting edge in intermittent cutting [J]. Wear, 1980, 61(1): 21-30.

[3] 尚自河, 左秀芝. PCD 刀具磨損形式分析 [J]. 工具技術(shù), 2005, 39(2): 16-19.

SHANG Zihe, ZUO Xiuzhi. Analysis of wearing form of PCD tool [J]. Tool Engineering, 2005, 39(2): 16-19.

[4] 張建華, 尚自河. 車削硅鋁合金活塞的PCD 刀具刃磨及幾何參數(shù) [J]. 山東大學(xué)學(xué)報, 2005, 35(5): 5-8.

ZHANG Jianhua, SHANG Zihe. Investigation on the edge grinding quality and geometry parameters of polycrystalline diamond tools for turning silicon aluminum alloy pistons [J]. Journal of Shandong University, 2005, 35(5): 5-8.

[5] ZHANG R, KOU Z L, DOU Y W, et al. Wear behaviors of PCD tools in turning granite [J]. Adv. Mater. Res., 2011, 337: 728-734.

[6] 王立江, 蔡紹勤, 駱紅云. PCD刀具斷續(xù)切削鋁合金時力學(xué)特性的試驗研究 [J]. 汽車工藝材料, 2001(2): 4-7.

WANG Lijiang, CAI Shaoqin, LUO Hongyun. An experimental study on mechanical characteristic of PCD tools in interrupted cutting aluminum alloy [J]. Auto. Tech. Mater., 2001(2): 4-7.

[7] 趙平. 三維復(fù)雜槽型銑刀片切入破損機(jī)理及其應(yīng)用的研究 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué), 2005.

ZHAO Ping. Study on the theory and application of cut-in disrepair with 3D complex groove wave-edge milling insert [D]. Harbin: Harbin University of Science and Technology, 2005.