硬質(zhì)合金焊接刀具裂紋的產(chǎn)生及控制措施

劉權(quán) 康春梅 張秀珍 馬金龍

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

1 概述

隨著新型機(jī)研制過(guò)程的不斷深入，難加工材料種類及數(shù)量逐漸增多，對(duì)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(lái)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(guò)刀具不快；刀具使用過(guò)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(wèn)題，且以磨削裂紋最為常見(jiàn)。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(shí)需要有較大的磨削壓力；材料脆性大，磨削時(shí)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(duì)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(duì)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(wèn)題就是硬質(zhì)合金容易裂紋或開(kāi)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(dòng)大及刀具在工序周轉(zhuǎn)過(guò)程中的碰撞等因素外，在磨削過(guò)程中砂輪和磨削工藝也會(huì)造成裂紋。

制造刀具的硬質(zhì)合金硬度高，在刃磨的過(guò)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(shí)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(shí)傳出，使硬質(zhì)合金被磨表面產(chǎn)生1000℃以上的瞬時(shí)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(méi)有塑性，不能通過(guò)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(guò)硬質(zhì)合金的強(qiáng)度極限，產(chǎn)生裂紋或開(kāi)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(shí)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(duì)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(shí)是由于焊接時(shí)焊接應(yīng)力超過(guò)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(shí)，對(duì)磨削裂紋的危險(xiǎn)最大，它不一定在焊接過(guò)程中顯露出來(lái)，在某些情況下在刃磨時(shí)才會(huì)顯露。在焊接刀具時(shí)，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(wú)顯著應(yīng)力，不易產(chǎn)生裂紋；

HC/HT﹤8時(shí)，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(shí)熱量分布不均，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的瞬時(shí)應(yīng)力。焊接時(shí)，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(guò)允許的加熱速度時(shí)，可能出現(xiàn)裂紋或內(nèi)部的不可見(jiàn)裂紋；快速冷卻，外層上會(huì)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(huì)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(kāi)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(guò)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(shí)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?？刹捎脺p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(huì)及時(shí)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(shí)，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(guò)程中，有些刀具設(shè)計(jì)的硬質(zhì)合金刀片厚度達(dá)7－10mm，這類刀具在焊接時(shí)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(bào)廢率達(dá)70%以上。（見(jiàn)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(jì)

刀體與刀片厚度的不匹配是導(dǎo)致這一問(wèn)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(kāi)，控制刀片厚度值小于5mm。2）對(duì)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(guò)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(jiàn)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(jì)

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(yǔ)

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(shí)溫度過(guò)高引起近表面層過(guò)高的拉應(yīng)力值超過(guò)材料的破斷強(qiáng)調(diào)造成。通過(guò)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.