硬質合金焊接刀具裂紋的產生及控制措施

劉權 康春梅 張秀珍 馬金龍

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司工裝制造廠，遼寧 沈陽 110043）

1 概述

隨著新型機研制過程的不斷深入，難加工材料種類及數量逐漸增多，對刀具類產品的需求也逐漸由高速鋼刀具向硬質合金刀具方向轉變，硬質合金刀具在航空、航天等領域的應用也越來越廣泛。

作為焊接式硬質合金車刀的制造及修磨單位，我們遇到過刀具不快；刀具使用過程中合金刀片撕裂掉塊；刀片在焊接處整體斷裂；焊接刀片裂紋等質量問題，且以磨削裂紋最為常見。因此有必要分析硬質合金刀具磨削裂紋的產生原因并加以控制，總結歸納防止磨削裂紋的改進措施，減少刀具裂紋，提高硬質合金車刀的質量及使用壽命。

2 影響硬質合金刀具磨削裂紋的因素

2.1 硬質合金刀具材料特性影響

硬質合金材料特性有硬度高、脆性大、塑性差、導熱系數小等。材料硬度高，磨削時需要有較大的磨削壓力；材料脆性大，磨削時產生磨削裂紋的傾向大；材料導熱系數低，就不允許大的磨削熱量產生。因此，對硬質合金刀具的刃磨，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 砂輪對硬質合金刀具磨削裂紋影響

砂輪磨削硬質合金刀具，最嚴重的問題就是硬質合金容易裂紋或開裂，除了硬質合金刀片質量、刀具結構不合理、刀片焊接內應力、機床振動大及刀具在工序周轉過程中的碰撞等因素外，在磨削過程中砂輪和磨削工藝也會造成裂紋。

制造刀具的硬質合金硬度高，在刃磨的過程中磨粒容易鈍化，如果砂輪的自銳能力不好，磨鈍的磨粒不能及時脫落，砂輪失去切削能力，加劇了砂輪與硬質合金刀具被磨削表面之間的磨擦，磨削熱量劇增，磨削區域熱量不能及時傳出，使硬質合金被磨表面產生1000℃以上的瞬時高溫，且溫升速度快，引起熱變形。加之硬質合金的抗彎強度低，在室溫下幾乎沒有塑性，不能通過本身的塑性變形削除部分熱應力。在磨削熱的作用下，硬質合金被磨削表面上產生的局部應力值超過硬質合金的強度極限，產生裂紋或開裂。

碳化硅砂輪磨削硬質合金的磨削效率低、磨削力大、自礪性差，磨削接觸區表面局部溫度高，磨削時刀具刃口質量差、表面粗糙度差、廢品率高。而金剛石砂輪磨削硬質合金的磨削效率高、磨削力小、自礪性好、金剛石刃口鋒利、不易鈍化，磨削接觸區表面局部溫度較低，一般在400℃左右，目前應用廣泛。

2.3 焊接應力對硬質合金刀具磨削裂紋的影響

硬質合金刀片上出現裂紋，有時是由于焊接時焊接應力超過硬質合金刀片的強度而產生。焊接應力形成于刀片焊接及熱處理時，對磨削裂紋的危險最大，它不一定在焊接過程中顯露出來，在某些情況下在刃磨時才會顯露。在焊接刀具時，刀體的高度HC要大于刀片高度HT三倍，即HC/HT＞3。

HC/HT﹤3,硬質合金表層產生拉應力，容易出現裂紋；

HC/HT＝4-5，硬質合金表層無顯著應力，不易產生裂紋；

HC/HT﹤8時，在焊接層上產生均布載荷。

硬質合金迅速加熱和快速冷卻時熱量分布不均，有時會產生顯著的瞬時應力。焊接時，由于快速加熱，硬質合金外層受壓應力，中間受拉應力，超過允許的加熱速度時，可能出現裂紋或內部的不可見裂紋；快速冷卻，外層上會出現拉應力，引起合金出現裂紋。

3 硬質合金刀具裂紋的具體控制措施

實踐表明，金剛石砂輪的線速度和徑向進給量越大、砂輪硬度越高、砂輪粒度越細、刀具材料導熱系數越低、砂輪磨損得越嚴重，都會使磨削溫度升高得越厲害，越容易產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生，加速磨削熱的傳出。

防止硬質合金刀具刃磨開裂的措施，除在檢查刀片、刀具結構、焊接工藝、熱處理工藝、機床調整及工序轉運過程中需給以足夠重視外，還必須使砂輪和磨削工藝適應硬質合金刀具的磨削特性，以減少磨削熱的產生。比如提高砂輪的自銳能力，使鈍化的磨粒及時脫落，砂輪的磨削性能得到改善，以減少磨削熱；改善磨削區域的散熱條件，分散磨削熱。可采用減少砂輪與硬質合金連續接觸摩擦時間的辦法，使磨削產生的熱量能有機會及時擴散而不集聚，從而改善磨削條件。

3.1 控制焊接應力，使刀體高度與刀片厚度相匹配

在焊接刀具時，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。

在制造硬質合金車刀的生產過程中，有些刀具設計的硬質合金刀片厚度達7－10mm，這類刀具在焊接時硬質合金刀片出現裂紋的現象很嚴重，刀片因裂紋報廢率達70%以上。（見表1）

表1：某年度硬質合金焊接刀具裂紋數據統計

刀體與刀片厚度的不匹配是導致這一問題的主要原因。在滿足工藝要求的前提下，我們逐步減小刀片厚度：1）采用線切割設備將刀片切割開，控制刀片厚度值小于5mm。2）對切割后的硬質合金刀片進行熱處理，去除切割應力。通過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。（見表2）

表2：改進硬質合金焊接刀具刀片厚度后裂紋數據統計

3.2 適當降低磨削速度，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 根據磨削要求合理選擇砂輪粒度，經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 避免硬質合金的迅速驟冷驟熱

結語

硬質合金刀具產生磨削裂紋的主要原因是磨削工藝和參數不恰當，導致磨削接觸區局部瞬時溫度過高引起近表面層過高的拉應力值超過材料的破斷強調造成。通過改進和優化磨削工藝和磨削參數，可有效防止磨削裂紋和磨削燒傷的產生，提高工件表面質量，改善刀具強度和使用壽命。

[1]硬質合金刀具刃磨.機械工業出版社,1955.

[2]硬質合金工具的破損及其斷裂韌性.冶金工業出版社,1989.