摘要：為了控制硬質(zhì)合金刀片圓弧刃處的表面質(zhì)量，通過(guò)分析單顆磨粒與工件的接觸長(zhǎng)度和最大未變形切屑厚度的關(guān)系，建立了其磨削力學(xué)模型.基于正交試驗(yàn)的方法，對(duì)該硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行不同磨削參數(shù)的加工實(shí)驗(yàn)，并采用VHX-600超景深光學(xué)顯微鏡等觀測(cè)儀器對(duì)刀具圓弧面的鋸齒深度和表面粗糙度進(jìn)行觀測(cè).結(jié)合圓弧刀刃的磨削力學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)加工結(jié)果，并基于鋸齒成型機(jī)理分析了不同磨削參數(shù)、刀片材料以及結(jié)構(gòu)等對(duì)刀片圓弧的鋸齒及粗糙度的影響規(guī)律.結(jié)果表明，提高砂輪轉(zhuǎn)速、降低圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度、減小磨削深度、控制刀片材料的質(zhì)量、合理設(shè)計(jì)刀片結(jié)構(gòu)可以提高刀片圓弧處的表面質(zhì)量，提高刀具的耐用度.砂輪磨削圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度為24 m/s、圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度為8°/s、磨削深度為0.05 mm時(shí)磨削效果較佳，可以獲得較小的磨削力、鋸齒深度及表面粗糙度.

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金刀片;磨削力;磨削參數(shù);圓弧面;鋸齒;表面粗糙度

中圖分類號(hào)：TH162文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Effect of Grinding Parameters on Saw Tooth of Arc Surface of Cemented Carbide Blades

HUANG Xiangming LIU Tao ZENG Tao WANG Youwei TANG Aimin YUAN Meijuan LI Yao1

（1. College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha，Hunan 410082;

2. Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412000）

Abstract：In order to control the surface quality of arc edge of the cemented carbide blade，a grinding mechanical model was established by analyzing the relationship between the contact length of a single abrasive particle and the work-piece and the maximum thickness of undeformed chip. Based on the orthogonal experiment method，the machining experiments of the carbide tool with different grinding parameters were carried out，and the saw tooth depth and surface roughness of the tool arc surface were observed by VHX-600 ultra-deep field optical microscope and other observation instruments. Based on the grinding mechanical model and experimental machining results of the arc blade，as well as the saw tooth forming mechanism，the saw tooth and roughness of the arc blade affected by different grinding parameters，blade material and structure were analyzed. The results show that the surface quality and tool durability can be improved by increasing wheel speed，reducing arc rotation speed，reducing grinding depth，controlling the quality of blade material and designing blade structure reasonably. The grinding effect is better when thegrinding speed of the wheel is 24m/s，the speed of the wheel is 8°/s，and the grinding depth is 0.05mm，and meanwhile，the grinding force，serrations and surface roughness are smaller.

Key words ：carbide blade;grinding force;grinding parameters;arc surface;saw tooth;surface roughness

鎢鈷硬質(zhì)合金是由硬質(zhì)相WC及黏結(jié)相Co通過(guò)粉末冶金方式得到的一種高硬度、耐磨的合金材料，在金屬切削工具、鉆削、復(fù)合材料加工等方面有著重要的應(yīng)用[1].近年來(lái)我國(guó)刀具大多來(lái)源于進(jìn)口或者仿制，而高精尖的需求又使得硬質(zhì)合金刀具更加精密化[2].硬質(zhì)合金一般采用磨削加工方式[3].磨削過(guò)后的刀具表面通常會(huì)出現(xiàn)裂紋、振紋、鉆浸出、燒傷等，刃口出現(xiàn)毛邊、缺口等缺陷，直接影響了刀具性能[4-7]。

近年來(lái)關(guān)于硬質(zhì)合金刀具的磨削工藝研究主要集中在磨削去除機(jī)理、磨削工藝參數(shù)以及材料組織對(duì)表面質(zhì)量的影響等方面.詹友基[8]采用金剛石砂輪對(duì)五種不同顯微結(jié)構(gòu)、不同特性的硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀測(cè)磨削后的表面形貌，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金材料去除分為塑性去除和脆性去除，不同類型的硬質(zhì)合金去除方式有所不同.原一高等[9]對(duì)超細(xì)硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削，發(fā)現(xiàn)材料去除方式與磨削參數(shù)及硬質(zhì)合金的顯微結(jié)構(gòu)有關(guān).李文忠[10]采用超聲振動(dòng)對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行磨削加工，使材料在加工時(shí)發(fā)生脆塑轉(zhuǎn)化，降低了磨削力.柳文陽(yáng)等[11]使用不同結(jié)合劑的金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金數(shù)控刀片，發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)合劑砂輪磨削的刀片能獲得較好的尺寸一致性、表面粗糙度值.許鵬飛等[12]采用D46和D64兩種不同粒度的樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削不同前角的切槽刀片，發(fā)現(xiàn)砂輪粒度主要對(duì)斷屑槽處的表面粗糙度產(chǎn)生較大影響，前角越大，刃口越易產(chǎn)生缺陷.何榮躍等[13]發(fā)現(xiàn)采用合適粒度的砂輪和磨削余量磨削硬質(zhì)合金刀具，能夠減小刃口崩缺的狀況.熊建武等[14]對(duì)不同硬質(zhì)合金刀片研磨后的刀刃狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)研磨條件及刀片材料組織均會(huì)影響刀尖質(zhì)量.Gao Peng等[15-16]進(jìn)行了微銃刀的磨削，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金的晶粒尺寸和組成對(duì)刃口的損傷有重要影響，WC晶粒越小，刃口微裂紋和斷裂越少，Co含量降低，使得材料脆性增加，會(huì)出現(xiàn)更多的尖端微斷裂和微裂紋.

目前針對(duì)磨削加工刀片圓弧曲面時(shí)的磨削力、鋸齒的成因及控制研究較少.在切削時(shí)，如果刀片圓弧上存在鋸齒，則會(huì)影響切削力、切屑的變形等，從而對(duì)加工表面產(chǎn)生一定的影響.本文通過(guò)建立硬質(zhì)合金刀片曲面磨削時(shí)的磨削力模型，采用正交試驗(yàn)研究磨削工藝參數(shù)對(duì)硬質(zhì)合金刀片曲面的鋸齒深度及粗糙度的影響規(guī)律，分析鋸齒的成形機(jī)理，從而為控制磨削硬質(zhì)合金刀片圓弧處的質(zhì)量提供參考依據(jù).

1磨削力模型的建立

1.1硬質(zhì)合金刀片圓弧磨削接觸長(zhǎng)度

假設(shè)硬質(zhì)合金刀片毛坯和成品刀片圓弧及回轉(zhuǎn)中心同心，并且圍繞圓弧圓心轉(zhuǎn)動(dòng).以刀片圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以硬質(zhì)合金刀片的主圓弧對(duì)稱中心為y軸建立如圖1所示坐標(biāo)系.圖中r₁為磨削后的刀片圓弧半徑，r₂為磨削前（毛坯）半徑，左側(cè)AG為砂輪與刀片的初始接觸長(zhǎng)度L，磨削刀片時(shí)，砂輪表面上某一個(gè)磨粒切削刃沿刀片表面的切削軌跡為曲線AB，而下一個(gè)連續(xù)磨粒切削刃的切削軌跡為曲線CD，假設(shè)連續(xù)切削磨刃間距為λ_st.

根據(jù)砂輪和刀片的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，當(dāng)磨粒從A運(yùn)動(dòng)到B時(shí)，

所需時(shí)間t_s為

曲線AB的運(yùn)動(dòng)方程為[17]：

由于φ角很小，取cosφ≈ 由此得到砂輪與工件的接觸長(zhǎng)度如式（6）：

1.2最大未變形切屑厚度

由圖1可知，最大未變形切屑厚度為點(diǎn)B到曲線CD的最短距離，曲線CD的運(yùn)動(dòng)方程為：

則最大未變形切屑厚度為：

由于時(shí)間極短，所以：

當(dāng)t取最大值時(shí)，h_max較小，則用曲線BD的值近似等于最大未變形切屑厚度.

則最大未變形切屑厚度為：

1.3磨削力模型的建立

為方便計(jì)算，假設(shè)在體積分?jǐn)?shù)為V_g的砂輪中均勻分布直徑為d_g的球狀顆粒，則單位體積所具有的磨粒數(shù)為[18-19]：

通過(guò)引入切屑幾何參數(shù)，得到單顆磨粒與工件材料的干涉圖如圖2所示，其中l(wèi)_i是磨削弧上任意一點(diǎn)到磨粒切入點(diǎn)的距離，l_c為磨削區(qū)域接觸區(qū)弧長(zhǎng)，h_max為最大未變形切屑厚度，h為待切削材料層厚度.

本研究中磨削圓弧時(shí)的圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度（8°/s、10°/s、12°/s）較小，致使最大未變形切屑厚度較小，所以磨削主要以塑性去除為主.當(dāng)砂輪以一定深度磨削時(shí)，磨削力可以分為切屑變形力和摩擦力兩部分.因此磨削過(guò)程中砂輪與刀片單位磨削寬度上的磨削力為[20]：

2試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用的機(jī)床為德國(guó)萬(wàn)特有限公司生產(chǎn)的數(shù)控磨床WAC 735 QUATTRO，如圖3所示.刀片圓弧處的鋸齒采用超景深顯微鏡VHX-600和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及能譜一體機(jī)LEO1520+INCA進(jìn)行觀測(cè)，表面粗糙度使用白光干涉儀NEW VIEW 7100進(jìn)行檢測(cè).

2.2試驗(yàn)砂輪

磨削實(shí)驗(yàn)采用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，濃度100%，粒度為D35（對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)M22/36），砂輪直徑400 mm，層厚6 mm，層寬6 mm.

2.3試驗(yàn)刀片

試件為超細(xì)硬質(zhì)合金刀片，成分WC-10% Co，晶粒度0.8 μm，密度14.49 g·cm^- 硬度15 182 MPa，斷裂韌性14.84 MPa·m^1/ 刀片前角25°.刀片的金相圖（鐵氰化鉀和20%氫氧化鉀1：1混合液腐蝕5 min）如圖4所示，圖中顏色較深的區(qū)域?yàn)閃C，其余為Co.

2.4試驗(yàn)方案

采用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金刀片圓弧，研究不同的砂輪轉(zhuǎn)速、圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度、磨削深度磨削時(shí)，刀片圓弧處鋸齒情況及表面粗糙度.刀片采用先磨削4條直線刃再磨削圓弧刃的加工形式，刀片每磨削完成1片，則對(duì)砂輪進(jìn)行一次修整，冷卻液采用硬質(zhì)合金磨削油.表1列出了本次試驗(yàn)的磨削試驗(yàn)參數(shù).

對(duì)表1進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每組試驗(yàn)參數(shù)磨削30個(gè)刀片，測(cè)量每個(gè)刀片圓弧上鋸齒深度的最大值和圓弧面上的表面粗糙度Ra_.具體的鋸齒深度檢測(cè)如圖5所示，測(cè)量采用靠近刃口處，在垂直于磨削方向劃線，長(zhǎng)度為0.1 mm記為一個(gè)數(shù)據(jù)，最后取30個(gè)數(shù)據(jù)的平均值代表該參數(shù)下的鋸齒深度值和表面粗糙度.

3結(jié)果及分析

3.1磨削參數(shù)對(duì)圓弧鋸齒及表面粗糙度的影響

正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.從表中試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，第7組試驗(yàn)鋸齒深度及表面粗糙度最小，第1組試驗(yàn)鋸齒深度及表面粗糙度結(jié)果最大.表3極差R值的大小不同，表明影響硬質(zhì)合金刀片鋸齒深度大小的因素順序?yàn)椋耗ハ魃疃?gt;圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度gt;砂輪速度.影響硬質(zhì)合金圓弧表面粗糙度的因素中，磨削厚度的影響最大，砂輪磨削圓弧轉(zhuǎn)速和圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)表面粗糙度的影響相近.根據(jù)表3極差分析結(jié)果做出正交效應(yīng)曲線圖6.從圖6中可以看出，隨著磨削參數(shù)的變化，圓弧鋸齒深度與表面粗糙度的變化趨勢(shì)基本一致，即提高砂輪轉(zhuǎn)速能夠使刀片圓弧鋸齒深度及表面粗糙度均減小;降低刀片圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度及磨削深度均會(huì)降低鋸齒深度及表面粗糙度.

此外，結(jié)合實(shí)際情況及磨削力模型進(jìn)一步分析圖6.在圖6（a）中，提高砂輪速度時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)刀片圓弧表面的磨粒數(shù)增多，砂輪與刀片的接觸長(zhǎng)度l_c減小，磨粒的切屑厚度h減小，磨削力減小，從而使得鋸齒深度及表面粗糙度減小.因此，砂輪速度在16 m/s時(shí)的鋸齒深度及粗糙度比較大，24 m/s時(shí)的鋸齒深度及表面粗糙度比較小.在圖6（b）、圖6（c）中，當(dāng)圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度或者磨削深度增大時(shí)，砂輪與刀片的接觸面積增加，單位時(shí)間內(nèi)砂輪磨削硬質(zhì)合金刀片的材料去除體積增多，ω增大或者r₂增大均會(huì)使得砂輪與刀片的接觸長(zhǎng)度l_c增大，磨粒的切屑厚度h增大，磨削力增大，從而使得鋸齒深度及表面粗糙度減小.因此，圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度在12°/s或者磨削深度為0.2 mm時(shí)的鋸齒深度及表面粗糙度比較大，圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度在8°/s或者磨削深度在0.05 mm時(shí)的鋸齒深度及表面粗糙度比較小.圖7為砂輪速度20 m/s，圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度10 m/s，磨削深度0.2 mm下磨削表面形貌.從圖中可以看出：磨削表面以塑性溝壑為主，兩側(cè)隆起較深，劃痕明顯，說(shuō)明材料是以塑性去除為主.同時(shí)可以從圖中看出：劃痕兩側(cè)存在少量的脆性剝落，說(shuō)明材料也存在少量的脆性去除.為了獲得小鋸齒深度和表面粗糙度，根據(jù)表3極差分析做出圖6.從圖中選取每種磨削參數(shù)下取得最小鋸齒深度和表面粗糙度時(shí)的磨削參數(shù).通過(guò)極差分析可獲得最優(yōu)磨削參數(shù)方案是：砂輪速度24 m/s，圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度8 °/s，磨削深度0.05 mm，可以有效減小刀片圓弧鋸齒及表面粗糙度.

3.2鋸齒形成機(jī)理

在硬質(zhì)合金刀片圓弧的磨削過(guò)程中，如圖8所示，磨粒沿著具有一定角度的刃口方向移動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行了滑擦、耕犁以及切削，硬質(zhì)合金中WC和Co硬度、熱膨脹系數(shù)等性能參數(shù)不同導(dǎo)致磨粒在切削過(guò)程中產(chǎn)生不同的變形，磨粒對(duì)WC顆粒擠壓導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大形成斷裂.圖9所示為磨削過(guò)程中刃口處的受力分析，砂輪作用于刃口處的磨削擠壓力為F.刀片斷屑槽的存在使得斷屑槽和圓弧面之間的夾角為銳角，磨削力F相對(duì)于斷屑槽內(nèi)部。點(diǎn)產(chǎn)生扭矩，使得刃口處的材料容易向斷屑槽內(nèi)部扭轉(zhuǎn)斷裂脫落，進(jìn)而導(dǎo)致刃口處形成鋸齒及微裂紋等缺陷.因此，磨削力越大，產(chǎn)生的磨削鋸齒缺陷越深.

圓弧面切削主要以塑性去除為主，如圖7所示.金剛石磨粒磨削WC顆粒的過(guò)程中，通過(guò)磨粒對(duì)WC顆粒的切削作用，WC顆粒發(fā)生塑性變形，當(dāng)達(dá)到材料的屈服應(yīng)力時(shí)，WC相產(chǎn)生位錯(cuò)和滑移，同時(shí)部分WC顆粒發(fā)生破碎[21]，如圖10所示，由于Co相相對(duì)較軟，在磨粒的作用下，Co隨WC晶粒一起去除，或從WC晶粒間析出Co涂覆于磨削表面[24]，在后續(xù)磨粒的作用下，更多的WC和Co被去除，形成比較光滑的平面，如圖10（a）所示，即正常的磨削過(guò)程，其刀具刃口表面基本比較光滑，如圖5左側(cè)的正常區(qū)域所示.由于硬質(zhì)合金內(nèi)部存在大小不同的WC顆粒，特別是存在高硬度大顆粒WC時(shí)，在磨粒切削作用下，薄的結(jié)合層在嚴(yán)重?cái)D壓下容易發(fā)生斷裂，部分顆粒被磨粒擠壓從基體中帶出形成凹坑，漏出加工表面下方的WC顆粒[22].

由于硬質(zhì)合金中WC和Co硬度、熱膨脹系數(shù)等不同，Co相在磨粒的作用下發(fā)生塑性變形并從材料中析出，WC顆粒缺少黏結(jié)相Co的支撐，表面強(qiáng)度下降，磨粒作用于WC顆粒上時(shí)，使得WC顆粒內(nèi)部位錯(cuò)增大，當(dāng)超過(guò)一定量時(shí)，將會(huì)形成微裂紋，裂紋沿著WC/Co或WC/WC及Co相傳播[23].因此在WC顆粒中出現(xiàn)裂紋，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致WC和Co相邊界出現(xiàn)裂紋.隨著后續(xù)磨粒的擠壓，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致局部區(qū)域的WC晶粒大面積斷裂和脫落，在宏觀上呈現(xiàn)出鋸齒，如圖10（b）所示.如圖10（c）所示，由于刀片刃口具有一定的傾角，砂輪作用于刃口時(shí)會(huì)對(duì)刃口形成一定的扭矩M，刃口外側(cè)缺少支撐，導(dǎo)致WC顆粒脫離，WC顆粒沿WC/Co或WC/WC邊界旋轉(zhuǎn)，留下隨機(jī)分布的微斷裂間隙，加劇了鋸齒的形成.圖11 為刀片刃口鋸齒微觀形貌的SEM圖，從圖中可以看出：刃口處刀片材料脫落形成鋸齒，參考圖11（a）;一些大顆粒WC在磨粒的擠壓作用下，從表面脫落形成凹坑，參考圖1（b）;以及磨削過(guò)程中一部分析出的Co相涂覆在WC表面，形成涂覆層，參考圖1（c）;部分大顆粒WC由于受力形成的位錯(cuò)較大，內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋.

4結(jié)論

1）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，影響硬質(zhì)合金圓弧鋸齒深度大小的順序?yàn)椋耗ハ魃疃萭t;圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度gt;砂輪磨削圓弧速度.影響硬質(zhì)合金圓弧表面處的表面粗糙度大小的順序?yàn)椋耗ハ魃疃萭t;砂輪磨削圓弧速度gt;圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度，其中圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度和砂輪磨削圓弧速度的影響相差不大.

2）隨著砂輪速度的增大，刀片圓弧處的鋸齒和表面粗糙度減小;隨著圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增大，刀片圓弧處的鋸齒和表面粗糙度增大;隨著磨削深度的減小，刀片圓弧處的鋸齒和表面粗糙度減小，其中獲得較好的表面質(zhì)量的磨削工藝參數(shù)為：砂輪速度24 m/s，圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)速度8°/s，磨削深度0.05mm.

3）硬質(zhì)合金刀片圓弧處鋸齒的形成主要與刀片材料、結(jié)構(gòu)及磨削過(guò)程中作用于刀片圓弧上的應(yīng)力有關(guān).

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