涂層硬質合金刀具常用解決方案

在現代工業出產中，運用數控車床加工螺紋，能大大前進出產功率、保證螺紋加工精度，減輕操作工人的勞動強度。但在高職院校的數控車床實習訓練教育中普遍存在如下現象：部分教師和絕大多數學生對螺紋加工感到扎手，特別是加工多頭螺紋，更加莫衷一是。下面通過螺紋零件的實踐加工分析，闡述多頭螺紋的加工步驟和辦法。

　　一、螺紋的底子特性

　　在機械制造中，螺紋聯接被廣泛運用，例如數控車床的主軸與卡盤的聯合，方刀架上螺釘對刀具的穩固，絲杠螺母的傳動等。它是在圓柱或圓錐外表上沿著螺旋線所構成的具有規定牙型的接連凸起和溝槽，有外螺紋和內螺紋兩種。按照螺紋剖面形狀的不同，主要有三角螺紋、梯形螺紋、鋸齒螺紋和矩形螺紋四種。按照螺紋的線數不同，又可分為單線螺紋和多線螺紋。在各種機械中，螺紋零件的作用主要有以下幾點：一是用于聯接、緊固;二是用于傳遞動力，改動運動形式。三角螺紋常用于聯接、穩固;梯形螺紋和矩形螺紋常用于傳遞動力，改動運動形式。由于用處不同，它們的技能要求和加工辦法也不一樣。

　　二、加工辦法

　　螺紋的加工，跟著科學技能的開展，除選用一般機床加工外，常選用數控機床加工。這樣既能減輕加工螺紋的加工難度又能前進作業功率，并且能保證螺紋加工質量。數控機床加工螺紋常用G32、G92和G76三條指令。其間指令G32用于加工單行程螺紋，編程任務重，程序復雜;而選用指令G92，可以結束簡略螺紋切削循環，使程序修改大為簡化，但要求工件坯料事前有必要通過粗加工。指令G76，克服了指令G92的缺點，可以將工件從坯料到制品螺紋一次性加工結束。且程序簡捷，可節約編程時間。

　　在一般車床上進行多頭螺紋車削一直是一個加工難點：當地一條螺紋車成之后，需求手動進給小刀架并用百分表校正，使刀尖沿軸向準確移動一個螺距再加工第二條螺紋;或許打開掛輪箱，調整齒輪嚙合相位，再順次加工其他各頭螺紋。受一般車床絲杠螺距過失、掛輪箱傳動過失、小拖板移動過失等多方面的影響，多頭螺紋的導程和螺距難以到達很高的精度。并且，在整個加工進程中，不可避免地存在刀具磨損甚至打刀等問題，一旦換刀，新刀有必要準判定位在未結束的那條螺紋線上。這一切都要求操作者具有豐富的經歷和高明的技能。可是，在批量出產中，單靠操作者的個人經歷和技能是不能保證出產功率和產品質量的。在制造業現代化的今日，數控機床和數控系統的運用使許多一般機床和傳統工藝難以操控的精度變得容易結束，并且出產功率和產品質量也得到了很大程度的保證。

　　三、實例分析

　　現以FANUC系統的GSK980T車床，加工螺紋M30×3/2-5g6g為例，闡明多頭螺紋的數控加工進程：

　　工件要求：螺紋長度為25mm，兩頭倒角為2×45°、牙外表粗糙度為Ra3.2的螺紋。選用的材料是為45#圓鋼坯料。

　　1.準備作業。通過對加工零件的分析，運用車工手冊查找M30×3/2-5g6g的各項底子參數：該工件是導程為3mm紋且螺距為1.5(該參數是查表的重要根據)的雙線螺;大徑為30，公差帶為6g，查得其標準上過失為-0.032、下過失為-0.268、公差有0.236，公差要求較松；中徑為29.026，公差帶為5 g，查得其標準上過失為-0.032、下過失為-0.150，公差為0.118，公差要求較緊;小徑按照大徑減去車削深度判定。螺紋的總背吃刀量ap與螺距的聯系近經歷公式ap≈0.65P，每次的背吃刀量按照初精加工及材料來判定。大徑是車削螺紋毛壞外圓的編程根據，中徑是螺紋標準檢測的規范和調試螺紋程序的根據，小徑是編制螺紋加工程序的根據。兩頭留有必定標準的車刀退刀槽。

　　2、正確挑選加工刀具。螺紋車刀的品種、材質較多，挑選時要根據被加工材料的品種合理選用，材料的商標要根據不同的加工階段來判定。關于45#圓鋼材質，宜選用YT15硬質合金車刀，該刀具材料既適合于粗加工也適合于精加工，通用性較強，對數控車床加工螺紋而言是比較適合的。別的，還需求考慮螺紋的形狀過失與磨制的螺紋車刀的視點、對稱度。車削45鋼螺紋，刃傾角為10°，主后角為6°，副后角為4°，刀尖角為59°16’，左右刃為直線，而刀尖圓弧半徑則由公式R=0.144P判定(其間P為螺距)，刀尖圓角半徑很小在磨制時要特別仔細。

　　四、多頭螺紋加工辦法及程序設計

　　多頭螺紋的編程辦法和單頭螺紋相似，選用改動切削螺紋初始位置或初始角來結束。假定毛坯已經按要求加工，螺紋車刀為T0303，選用如下兩種辦法來進行編程加工。

　　1.用G92指令來加工圓柱型多頭螺紋。G92指令是簡略螺紋切削循環指令，我們可以運用先加工一個單線螺紋，然后根據多頭螺紋的結構特性，在Z軸方向上移過一個螺距，然后結束多頭螺紋的加工。程序修改如圖。(工件原點設在右端面中心)

　　2.用G33指令來加工圓柱型多頭螺紋。用G33指令來編程時，除了考慮螺紋導程(F值)外，還要考慮螺紋的頭數(P值)來闡明螺紋軸向的分度角。

　　式中：X、Z——決對標準編程的螺紋結束坐標(選用直徑編程)。

　　U、W——增量標準編程的螺紋結束坐標(選用直徑編程)

　　F——螺紋的導程

　　P——螺紋的頭數

　　3.多頭螺紋加工的操控要素。在運用程序加工多頭中，要特別注意對以下問題的操控：(1)主軸轉速S280的判定。由于數控車床加工螺紋是依托主軸編碼器作業的，主軸編碼器對不同導程的螺紋在加工時的主軸轉速有一個極限識別要求，要用經歷公式S 1200/P-80來判定(式中P為螺紋的導程)，S不能超過320r/min，故取S280 r/min。(2)外表粗糙度要求。螺紋加工的終一刀底子選用重復切削的辦法，這樣可以獲得更潤滑的牙外表，到達Ra3.2要求。(3)批量加工進程操控。對試件切削運轉程序之前除正常要求對刀外，在FANUC數控系統中要設定刀具磨損值在0.3～0.6之間，地一次加工完后用螺紋千分尺進行精細測量并記載數據，將磨損值減少0.2，進行第2次主動加工，并將測量數據記載，今后將磨損補償值的遞減崎嶇減少并查詢它的減幅與中徑的減幅的聯系，重復進行，直至將中徑標準調試到公差帶的中心為止。在今后的批量加工中，標準的改動可以用螺紋環規抽檢，并通過更改程序中的X數據，也可以通過調整刀具磨損值進行補償。

高速鋼薄片T形銑刀變形校對

高速鋼薄形刀具在熱處理中易變形，假如刀具在熱處理中工藝和操作不恰當，比方加熱溫度偏高，刀具綁扎辦法不恰當或是加熱時間過長等，都會形成高速鋼薄形刀具熱處理后變形較大。因此，高速鋼薄形刀具在熱處理進程中需要特別注意操控刀具的變形，采納一些減小變形的辦法。比方采納兩次預熱；恰當降低加熱溫度；恰當縮短加熱時間；正確綁扎刀具；減小一次進爐量，防止刀具之間彼此觸莫、揉捏等辦法。但在實踐熱處理進程中，有些刀具由于形狀、巨細等因素，變形問題無法消除。并且有時候會由于熱處理中工藝和操作不恰當的原因形成成批刀具呈現變形大的狀況。咱們單位就呈現過由于刀具綁扎不恰當，一次進爐量大而形成一批高速鋼薄片T形銑刀淬火后變形十分大。

1.關于這批高速鋼薄片T形銑刀

這批高速鋼薄片T形銑刀資料為W6Mo5Cr4V2，數量為200件，硬度要求為63~66HRC。銑刀長150mm，銑刀片厚度1.5mm，熱處理前銑刀片厚度留余量為1mm左右。

這批高速鋼薄片T形銑刀的刀片厚度很薄，制品尺度為1.5mm，并且形狀為“T”形。由于W6Mo5Cr4V2刀具的加熱溫度高，這么薄的刀片簡單變形。關于這種薄片銑刀，在熱處理中應特別要注意采納辦法操控刀具的變形。比方，淬火加熱前采納兩次預熱（一次低溫預熱，加熱溫度為550℃左右；一次中溫預熱，加熱溫度為850℃左右）；采納單件綁扎，減少一次進爐量，防止刀具在加熱時彼此揉捏，形成刀具呈現較大的變形。這批銑刀就是由于綁扎數量和辦法不恰當，以及一次進爐量太大而形成大部分銑刀刀片部分平面變形很大，變形>0.3mm，蕞大變形到達0.7mm。

2.高速鋼薄片T形銑刀的校對難度剖析

這批高速鋼薄片T形銑刀的刀片厚度很薄，制品尺度為1.5mm，并且形狀為“T”形，淬火后硬度又十分高，硬度要求為63~66HRC，這種形狀的刀具淬火后假如刀片部分發生變形沒有好的辦法進行校對。長軸件刀具徑向圓跳動變形大，咱們能夠采納多種辦法校對變形，如趁熱校對法、熱點法、冷敲法。而這些辦法關于這些薄片T形銑刀不適宜，上夾具回火校對的辦法或許會有一定的作用，可是這批薄片銑刀中刀片部分變形大的數量多，這種薄片T形銑刀要校對刀片部分選用上夾具回火校對的辦法功率會很低。

3.薄片T形銑刀的校對

上夾具回火校對的辦法關于這種薄片T形銑刀的功率低，一個夾具一次只能校對一把銑刀，也不行能做幾套夾具，這種夾具是專用的，用完或許以后就再也用不上了，所以本錢很高，只能另想辦法。

（1）銑刀退火

先將變形大的薄片T形銑刀進行退火。高速剛刀具退火十分費事，一般只在刀具變形太大，校對不過來或者是硬度偏低，達不到規劃圖紙要求時才會考慮退火返修。這些T形銑刀的資料為W6Mo5Cr4V2，依據本單位現有設備狀況，選用一般電阻爐退火。由于一般電阻爐內的介質是空氣，含有很多的氧氣，假如刀具直接放到一般電阻爐里進行退火的話，刀具表面將呈現較嚴重的氧化、脫碳，返修后刀具的硬度會偏低，甚至會形成刀具裂紋。因此，高速剛刀具退火時有必要采納辦法防止和避免刀具表面氧化、脫碳，具體維護辦法能夠依據設備狀況和自身的狀況而定。咱們單位選用的是金剛砂裝箱維護。先在不銹鋼維護箱底部鋪一層金剛砂，將銑刀用廢報紙包好，一層一層擺好，擺好一層鋪一層金剛砂，終在維護箱口蓋上石棉板，再蓋上箱蓋，防止外面空氣進入維護箱。

裝好箱后就能夠進爐退火。退火加熱溫度為850℃左右，然后隨爐降溫到720℃左右，保溫一段時間，隨爐冷至550℃以下出爐。有必要嚴格操控退火工藝進程，特別是降溫進程，否則高速剛刀具的硬度很難退下來。退火后檢查刀具的硬度，要求硬度≤28HRC。刀具硬度高了，校對時簡單開裂，返修淬火時也有或許開裂。

（2）制作專用的校對模具

依據T形銑刀的外形、尺度制作了一套專用的校對模具。校對模具是用圓鋼加工成φ90mm×170mm的圓柱體，并依據T形銑刀的外形、尺度在圓柱體中心加工了臺階孔，T形銑刀的頸部尺度為φ17mm，加大1mm，按φ18mm加工；T形銑刀柄部蕞大尺度為φ24mm，加大2mm，按φ24mm加工，這是為了降低加工難度，假如能夠徹底按照T形銑刀的外形加工模具的內孔，能夠提高T形銑刀的校對作用，也就是校對后銑刀的變形會更小。選用線切割的辦法將圓柱體切成兩半，一套校對模具就做好了。

（3）銑刀校對

由于銑刀的資料為W6Mo5Cr4V2，合金含量高，塑性較差，直接校壓，刀具很有或許會開裂。因此，校對前需要將這些銑刀進行預熱，咱們選用550℃左右進行預熱。經過預熱，提高了銑刀的塑性。校對時用鉗子夾著，將銑刀放進校對模具，并將校對模具合起來，銑刀刀片上面放一個巨細適宜的圓柱體作為壓塊，壓塊兩個端面要求平行度好，用液壓機壓頭壓在壓塊上。校壓時需要調整好液壓機的壓力，壓力小了變形校對不過來，壓力太大了銑刀刀片又有或許被壓扁，形成銑刀刀片尺度發生變化。選用液壓機直接校對是使用刀具的塑性，經過液壓機對刀片部位施加壓力，使刀片部位發生塑性變形，然后到達校對變形的意圖。

4.校對作用

經過校對，刀片部位變形大的T形銑刀變形≤0.3mm，基本上到達要求。假如能夠徹底按照T形銑刀的外形加工模具的內孔，能夠提高T形銑刀的校對作用，也就是校對后銑刀的變形會更小。

T形銑刀悉數校對好后，咱們用箱式電阻爐銑刀用550℃進行回火，以消除校對時發生的應力，有利于減小從頭淬火時的變形。高速剛刀具淬火，咱們是選用中溫鹽爐對高速剛刀具進行中溫預熱，然后轉移到高溫鹽爐對高速剛刀具進行淬火加熱。這些T形銑刀從頭淬火時，咱們選用單件綁扎，一個淬火鉤只允許掛兩件T形銑刀，并且減少一次的進爐量。從頭淬火后，這些T形銑刀變形不大，刀片部位蕞大變形為0.35mm，能夠保證刀片部位能夠加工起來。

5.結語

經過先對這些薄片T形銑刀進行退火，制作一套專用的校對模具，選用液壓機直接校壓刀片部位，使用刀具退火后較好的塑性，經過液壓機對刀片部位施加壓力，使刀片部位發生塑性變形，到達了校對T形銑刀刀片部位變形的意圖。這種校對辦法功率較高，供給了一種相似零件或刀具淬火變形的校對辦法。

不過這只是一種搶救辦法，更重要的是咱們在對高速剛刀具進行熱處理時要注意一些操作細節，比方刀具的綁扎方式、辦法、裝爐量，以及提高操作人員的技術水平和責任心等，只要這樣才干有效地減小高速剛刀具的變形，保證高速剛刀具的熱處理質量。

刀具經過砂輪刃磨后，刃口會存在不同程度的微觀缺陷，在切削過程中，刀具刃口微觀缺口極易擴展，加快刀具的磨損和損壞。刃口鈍化是延常刀具壽命的金屬切削配套技術，能有效減少或消除刃磨后的刀具刃口微觀缺陷，以達到圓滑平整，提高刀具抗沖擊性能，使刀具刃口鋒利堅固。

刃口鈍化方式可分為傳統刃口鈍化和特種刃口鈍化。傳統刃口鈍化方式主要包括磨削鈍化、毛刷鈍化、拖曳鈍化和噴砂鈍化等；特種刃口鈍化方式主要包括激光鈍化、電火花電蝕鈍化、電化學鈍化和磨料水射流鈍化等。

噴砂是以壓縮空氣為動力，以形成高速噴射束將噴料高速噴射到需要處理的工件表面，實現對工件表面的加工。由于磨料對工件表面的沖擊和切削作用，工件的表面性能和形狀會發生改變。而微噴砂技術是以傳統噴砂技術為基礎，采用微米級尺寸的磨料顆粒來進行待加工表面處理的技術，廣泛應用于材料的表面處理，包括表面清潔、表面鈍化和表面形貌處理。微噴砂處理的材料去除機理，包括裂紋擴展導致的脆性去除和磨料微切削產生的塑性去除。微噴砂技術在刀具領域主要應用在表面處理方面，如涂層刀具。通過對刀具基體表面進行相應的微噴砂處理，來改變基體的表面形貌，以增加涂層與刀具基體之間的粘結力，提高刀具的切削壽命。研究表明，對刀具的涂層表面進行微噴砂處理可以增加涂層硬度，提高刀具切削壽命。微噴砂技術在刀具刃口鈍化領域沒有得到廣泛應用，理論研究還不充分。

本文通過微噴砂技術對硬質合金刀片YT15進行刃口鈍化，研究微噴砂工藝參數對刃口半徑的影響以及微噴砂處理對刃口質量的影響，并分析微噴砂處理的材料去除機理。

1試驗步驟

試驗以噴砂壓力P、磨料比重W和噴砂時間T為因素，其中磨料比重W為磨料占水和磨料總質量的比重。每個因素設4個水平，進行64組全因素刃口鈍化試驗，因素水平見表1。

表1  微噴砂全因素試驗因素水平

采用濕式手動噴砂機，噴砂角度45°，噴砂距離8mm。磨料為320目白剛玉，微噴砂加工如圖1所示。選用可轉位硬質合金刀片YT15，其尺寸標準為SNMN120404，相應的材料性能見表2。通過激光共聚焦顯微鏡(LSM，Keyence VK-X200K)對微噴砂處理后的刀片刃口進行觀測，試驗觀測指標為刀片刃口半徑r和刃口線粗糙度Ra，終結果為三次測量后的平均值。同時對其刃口形貌進行掃描電子顯微鏡鏡(SEM)觀察，分析刃口材料去除機理。

圖1  硬質合金刀具YT15微噴砂加工示意圖

表2  硬質合金刀具YT15物理力學性能

2試驗結果與分析

(1)微噴砂工藝參數對刃口半徑的影響

圖2為硬質合金刀具YT15刃口半徑隨微噴砂各工藝參數的變化趨勢。圖2a、圖2b、圖2c和圖2d分別是在噴砂時間為20s、30s、40s和50s時刃口半徑隨噴砂壓力的變化圖。對比發現，在相同的噴砂壓力和磨料比重下，隨噴砂時間的增加，刀具刃口半徑增大，這實質上是材料去除隨著時間累積的結果。在相同的噴砂時間和磨料比重下，隨噴砂壓力的增加，刀具刃口半徑增大。這是因為隨著噴砂壓強的增加，磨料流的出口速度增加，單顆粒磨料速度也相應增加。

硬質合金可看作是硬脆材料，根據單顆粒磨料沖蝕模型可知，單顆粒磨料的材料去除量與磨料顆粒的速度的指數成正比，使得單顆粒磨料的材料去除量增加。同時磨料流速度的增加，使單位時間內有效沖擊刀具刃口的磨料顆粒數量增加，刃口材料的去除量變大。因此，增加噴砂壓力相當于既增加磨料比重又增加噴砂時間，兩者的共同作用使刃口半徑增大。

由圖2分析磨料比重對刀具刃口半徑的影響可知，在噴砂壓力為0.2MPa和0.25MPa時，隨著磨料比重的增加，刀具的刃口半徑先增大而后減小；而在噴砂壓力為0.3MPa和0.35MPa時，隨著磨料比重的增加，刀具的刃口半徑呈現一直增大的趨勢。同理，根據單顆粒磨料沖蝕模型分析可知，當噴砂壓力較小時，隨著磨料比重的增加，雖然單顆粒磨料速度減小，但是單位體積內磨料顆粒的數量增加，造成單位時間內磨料顆粒對刀具刃口的沖擊次數增加，所以刃口材料的去除量變大。當磨料比重過大時，根據能量守恒可知，磨料流的速度減小很多，其中磨料顆粒的速度大幅降低，不僅減少了單顆粒磨料材料的去除量，也使單位時間內磨料對刀具刃口的沖擊次數減少，進一步減少材料去除量，使得刃口半徑隨著磨料比重的增加先增大后減小。當噴砂壓力較大時，隨著磨料比重的增加，在單位時間內增加的磨料對刀具刃口的沖擊次數所增加的材料去除量要多于單顆粒磨料速度降低而減少的材料去除量。總的來說，單位時間內材料去除量增加，因此在較大噴砂壓力下，刀具的刃口半徑隨著磨料比重的增加而增加。

(a)T=20s(b)T=30s(c)T=40s(d)T=50s

圖2  刃口半徑隨微噴砂各工藝參數的變化趨勢

(2)微噴砂處理對刃口線粗糙度的影響

圖3是硬質合金刀片YT15經過微噴砂刃口鈍化處理前后的切削刃形貌。采用微噴砂工藝參數：噴砂壓力P=0.2MPa，磨料比重W=0.1，噴砂時間T=30s。通過測量得到切削刃的相關參數見表3。

圖3  未處理刀片與微噴砂刃口鈍化刀片的切削刃形貌

可以發現，硬質合金刀片YT15的刃口輪廓由原來的r=6μm銳刃變成r=27μm的圓弧刃口。其切削刃形貌得到改善，刃口線粗糙度Ra由原來的0.79μm下降到0.5μm，Ry則由原來的6μm下降到3μm。這是由于微噴砂處理消除了刀具刃磨時產生的微觀缺陷，改善了刃口質量。

表3  未處理刀片與微噴砂刃口鈍化刀片刃口參數對比(μm)

圖4是微噴砂全因素試驗時硬質合金刀片YT15的刃口線粗糙度的分布情況。可以得出，硬質合金YT15刀片的刃口線粗糙度為0.3-0.8μm，滿足刀片的刃口粗糙度要求。

圖4  硬質合金刀具YT15刃口線粗糙度分布

(3)微噴砂刃口材料去除機理研究

刀片的微噴砂過程實質上是高速磨料射流沖擊材料表面，實現材料的去除。其材料去除機理主要歸結為磨料顆粒對材料的去除方式。對于脆性材料，其去除機理往往不只有脆性去除，還包括磨料顆粒的微剪切引起的塑性去除。

圖5是硬質合金刀具YT15在噴砂壓力P=0.25MPa、磨料目數M=320、噴砂時間T=20s和磨料比重W=0.1時的刃口形貌。可以看出，經過微噴砂處理后，刀具出現了圓弧刃口，對其圓弧刃口的區域A進行放大，可以觀察刃口材料去除形成的微觀形貌。通過區域B可以看出，其硬質合金中硬質相的去除多為由裂紋擴展造成的脆性斷裂，這是由于棱角尖銳的磨料顆粒對于硬質相的沖擊作用，使之產生徑向裂紋和側向裂紋，由于磨料顆粒的高頻率沖擊，進而造成側向裂紋的擴張形成網狀裂紋，達到材料的去除。對于C區域的觀察，也可以發現刃口材料上存在磨料顆粒的刻劃痕跡，這主要是由于具有鋒利刃口的白剛玉磨料顆粒對工件材料的微切削作用導致。由于刀具材料中除硬質相成分外，還包括粘結相，其微切削作用相對于粘結相更為明顯，粘結相材料先于硬質相去除，使得硬質相成分顯露出來。因此微噴砂處理硬質合金刀具YT15的材料去除機理，包括由磨料沖擊和水楔作用引起裂紋擴展而導致硬質相材料的脆性去除，還包括磨料顆粒的微切削作用引起的材料塑性去除。

圖5  硬質合金刀具YT15微噴砂刃口形貌SEM圖

小結

微噴砂處理可以對硬質合金刀具YT15刃口進行有效鈍化，形成一定圓弧半徑的刀具刃口。研究表明，刃口圓弧半徑隨著微噴砂時間和噴砂壓力的增加而增大。對于磨料比重而言，在噴砂壓力為0.2MPa和0.25MPa時，隨著磨料比重的增加，刀具刃口半徑先增大而后減小；在噴砂壓力為0.3MPa和0.35MPa時，隨著磨料比重的增加，刀具刃口半徑呈現一直增大的趨勢。微噴砂處理可有效改善硬質合金刀具YT15的刃口質量，消除微觀缺陷，降低刃口線粗糙度，在結構上對刀具刃口進行鈍化。硬質合金刀具YT15刃口材料的去除機理，包含由裂紋擴展而導致硬質相材料的脆性去除和微切削作用引起的材料塑性去除。