馬亮  鄧春喆

（撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司，遼寧  撫順 113001）

摘要：針對現(xiàn)今軋鋼技術(shù)升級，軋輥材質(zhì)由原來的高速鋼材質(zhì)升級為碳化鎢材質(zhì)，對應(yīng)加工刀具也升級為金剛石（PCD/PCBN）超硬刀具。對金剛石刀具使用過程中磨損后的二次修復(fù)方案進(jìn)行了研究，設(shè)計制作了專用修復(fù)設(shè)備，并制定了修磨標(biāo)準(zhǔn)。

1  課題研究的內(nèi)容和意義

金剛石（PCD/PCBN）超硬刀具在碳化鎢軋輥加工時，對比立方氮化硼刀具有著效率更高、壽命更長的優(yōu)勢。隨著公司軋鋼廠三條生產(chǎn)線碳化鎢軋輥的使用，金剛石（PCD/PCBN）超硬刀具的使用量也是逐步加大。然而如何響應(yīng)公司降本增效，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，刀具修復(fù)二次利用給了最好的答案。

碳化鎢軋輥在加工過程中主要涉及PCD金剛石銑刀及PCD金剛石車刀片的使用。

1.銑床加工碳化鎢軋輥月牙槽，金剛石銑刀頭加工1個月牙槽后，刀頭磨損，無法進(jìn)行第2個月牙槽的加工。

2.車床加工碳化鎢軋輥孔型過程中 PCD金剛石刀片磨損不能重復(fù)使用，無法修復(fù)；

   PCD金剛石車刀片          PCD金剛石銑刀

2  金剛石刀具加工碳化鎢軋輥的磨損研究

金剛石刀具加工碳化鎢材料時會產(chǎn)生嚴(yán)重的刀具磨損。但到目前為止，其磨損原理并沒得到完全解釋。傳統(tǒng)的刀具磨損和工件硬度或熔點(diǎn)間的相關(guān)性不能合理地解釋磨損機(jī)制。最廣泛的討論磨損機(jī)制的研究是分為機(jī)械磨損和化學(xué)磨損兩部分。化學(xué)磨損又被進(jìn)一步分為擴(kuò)散、氧化、石墨化和碳化物形成幾方面。

2.1  機(jī)械摩擦磨損

機(jī)械摩擦磨損是由于金剛石刀具和工件間的機(jī)械摩擦造成的。它屬于機(jī)械磨損，也是常規(guī)加工方法中最常見的磨損。在金剛石切削的初始階段，金剛石刀具和工件的微觀接觸面不平，形成交錯，在相對運(yùn)動過程中，雙方的高峰逐漸被磨平。當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入正常磨損階段時，機(jī)械摩擦磨損的最為常見形式是由工件切削表面上的一些微小硬質(zhì)顆粒(如碳化物、硬度較高的灰質(zhì)等)，在前刀面劃出溝痕而造成磨損。另外，積屑瘤或是未被吹走而留在工件表面的切屑在刀具進(jìn)給的過程中也會進(jìn)入金剛石刀具和工件接觸的加工區(qū)，它們對刀具的磨損以及工件表面粗糙度的影響也是致命的。而類似模具鋼這種硬度高，耐熱性好，又相對粘性比較大的材料又相對比較容易發(fā)生積屑瘤和機(jī)械摩擦磨損的現(xiàn)象，所以加工過程中冷卻液的噴灑顯得尤為重要。

分析來看，雖然這些硬質(zhì)顆粒體積非常小，硬度又不如金剛石高，但是這類微小硬質(zhì)顆粒點(diǎn)與金剛石刀具同工件接觸的同一區(qū)域多次擠壓、摩擦，使金剛石刀具的局部區(qū)域受到重復(fù)磨損，類似于磨輪的磨削作用而使金剛石刀具的局部區(qū)域硬度削弱，呈現(xiàn)微小區(qū)域的塑性，并逐步發(fā)展成微觀裂紋。當(dāng)磨損達(dá)到一定程度時，金剛石微觀裂紋區(qū)域由于承受不了這樣沖擊性的機(jī)械摩擦，便從金剛石刀具晶體上脫落下來。

2.2  疲勞磨損

在制造金剛石刀具的過程中，如果單晶金剛石原料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)存在缺陷那么在刃磨和拋光時，金剛石刀具表面就會產(chǎn)生微觀內(nèi)應(yīng)力裂紋。此時，如果進(jìn)一步刃磨，這些微觀裂紋會增大，可能在刃口處產(chǎn)生鋸齒、局部崩裂、甚至是小片金剛石脫落等解離磨損。即使沒有出現(xiàn)這些現(xiàn)象，由于微觀內(nèi)應(yīng)力裂紋的存在在切削過程中，當(dāng)金剛石刀刃經(jīng)過加工工件時，金剛石的解離破碎區(qū)或是微觀內(nèi)應(yīng)力裂紋區(qū)就會受到連續(xù)不斷的循環(huán)沖擊力作用，尤其是在高速切削狀態(tài)下，由于瞬時沖擊力很大，相對更容易達(dá)到疲勞斷裂極限。通常情況下，隨循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，斷裂應(yīng)力繼續(xù)破壞金剛石刀刃的微觀結(jié)構(gòu)，達(dá)到一定臨界值后，刀刃切削區(qū)就會產(chǎn)生疲勞裂紋和晶格破損。被加工材料本身的硬度越高，金剛石產(chǎn)生疲勞裂紋的所需應(yīng)力越小，所能承受循環(huán)沖擊的次數(shù)也越少，短時間內(nèi)就會達(dá)到疲勞磨損。

2.3  化學(xué)磨損

2.3.1石墨化

通常的化學(xué)磨損是由于金剛石刀具表面層，尤其是切削區(qū)溫度快速升高，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，硬度下降，再由刀具與工件的機(jī)械摩擦而造成的。這里需要指出的是，金剛石的正四面體結(jié)構(gòu)不是化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定的碳的同素異形體，最穩(wěn)定的是片層狀結(jié)構(gòu)的石墨。因此，在高溫下金剛石是不穩(wěn)定的，有向石墨轉(zhuǎn)化的趨勢。即使在真空條件下，當(dāng)溫度達(dá)到約1800K時，金剛石就會逐漸變成石墨。由于石墨的硬度很低，在切削中會被很輕易的去除，或是溶進(jìn)鋼鐵材料中，這又進(jìn)一步促進(jìn)了刀具磨損發(fā)生。

2.3.2粘滯磨損

金剛石切削碳化鎢材料特有的磨損現(xiàn)象，也是金剛石不能切削鋼鐵及其合金的主要原因之一。粘滯磨損是指在刀具與工件接觸過程中，刀具(或工件)的摩擦表面上的少量材料粘附在工件(或刀具)表面上，而被帶走所造成的損。這種損是普遍存在的。

3  對磨損后的金剛石銑刀及車刀二次修復(fù)的研究結(jié)果

3.1  設(shè)計并制作一種PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀片修復(fù)平臺

設(shè)計一種PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀片修復(fù)平臺，涉及金剛石月牙槽銑刀加工技術(shù)領(lǐng)域。一種PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀片修復(fù)平臺，包括工作平臺，工作平臺的底部表面固定連接有儲物箱，且工作平臺的頂部表面固定連接有安裝塊，安裝塊的表面固定安裝有調(diào)速器，工作平臺的頂部表面安裝有變速箱，且變速箱的輸出軸頭固定安裝有連接軸，連接軸的右端表面固定連接有回形塊。本發(fā)明通過擰動螺紋桿，螺紋桿推動軸承三向下滑動，從而使軸承三推動夾持塊滑動，便于對金剛石銑刀進(jìn)行固定，通過擰動限位螺母，將轉(zhuǎn)動塊轉(zhuǎn)動到合適的角度并限位，轉(zhuǎn)動塊帶動凹塊轉(zhuǎn)動，從而使凹塊帶螺紋桿和夾持塊轉(zhuǎn)動，便于調(diào)節(jié)金剛石銑刀的打磨角度。

3.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計小結(jié)

1.采用15mm厚鋼板制作磨刀工作平臺 外形尺寸為1300mm*900mm*850mm；

2.采用0.75KW電機(jī)配套調(diào)速裝置 使磨刀砂輪轉(zhuǎn)速可以在0-1400轉(zhuǎn)/分鐘無級調(diào)速；

3.采用自行設(shè)計變速箱將電機(jī)轉(zhuǎn)速由0-1400轉(zhuǎn)每分，調(diào)整到0-3500轉(zhuǎn)/分鐘 ；

4.設(shè)計制作整體結(jié)構(gòu)，將變速箱與電機(jī)結(jié)構(gòu)在磨刀工作平臺上；

5.變速箱輸出軸頭設(shè)計制作砂輪片裝卡活套，用于裝卡砂輪片，并便于更換砂輪片；

6.采用1.5mm厚鐵板制作砂輪片外罩，對砂輪片部分進(jìn)行防護(hù)，確保磨刀砂輪作業(yè)操作安全；

7.制作萬向磨刀架，對使用過的銑刀頭進(jìn)行二次刃磨修復(fù)； 

3.1.2 修復(fù)平臺部分設(shè)計小結(jié)

構(gòu)造一種PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀片修復(fù)平臺，一種PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀片修復(fù)平臺，包括工作平臺，所述工作平臺的底部表面固定連接有儲物箱，且工作平臺的頂部表面固定連接有安裝塊，所述安裝塊的表面固定安裝有調(diào)速器，所述工作平臺的頂部表面安裝有變速箱，且變速箱的輸出軸頭固定安裝有連接軸，所述連接軸的右端表面固定連接有回形塊，且回形塊的右端表面設(shè)有砂輪片，所述工作平臺的表面固定安裝有磨刀架，且工作平臺的頂部表面固定安裝有伺服電機(jī)，所述伺服電機(jī)的伸出軸通過聯(lián)軸器安裝有皮帶輪。

實物圖：

3.2  制定修磨標(biāo)準(zhǔn)

PCD銑刀及車刀修磨前測量，以制定修磨方案和修磨標(biāo)準(zhǔn)

1、刀片上刀體刀頭干凈整潔，無異物，表面不許有裂紋、銹蝕，刀刃更不得有崩刃現(xiàn)象；

2、修磨后的前角、后角不變；

3、每刃刀片厚度一致；

4、刃口徑向跳動公差0-0.05mm；

5、刃部端面圓跳動公差0-0.03mm；

6、磨削進(jìn)給：一般每次0.002~0.01mm。

3.3  修磨中注意事項

1、加工前準(zhǔn)備使用砂輪前空轉(zhuǎn)，佩帶好護(hù)目鏡 檢查砂輪表面及防護(hù)罩是否完整

2、刀片裝卡刃磨金剛石刀片前要將刀片裝卡在磨刀架上檢查刀片時候裝卡牢固

3、調(diào)整參數(shù)將刀片調(diào)整角度與砂輪形成30°-50°角度 刀片與砂輪的夾角不能超過45°

4、開始刃磨將磨刀架上的磨刀桿緩慢靠上砂輪、并勻速旋轉(zhuǎn)磨刀桿磨刀桿旋轉(zhuǎn)不宜過快

5、加工確認(rèn)刀片刃磨0.05-0.1mm時，將磨刀桿退回并停止砂輪旋轉(zhuǎn)砂輪完全停止后才能操作

6、效果檢測待砂輪完全停止旋轉(zhuǎn)后，卸下刀片檢查刀片的刃磨效果是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) 注意刃磨后的刀片高溫燙手

7、磨刀架復(fù)位刀片刃磨達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，將磨刀架放置制定位置不可用手直接清理砂輪工作臺

3.4  修磨以后測量

1、檢查刀片周圍是否有毛刺。

2、檢查刃口，刃口必須光滑，不能有崩刃。

3、每組刀具厚度要一致。

在60倍放大光學(xué)顯微鏡檢測下，能細(xì)微的檢測出刀具刃口是否有崩刃，金剛石粒度是否均勻。刀具切削刃口好，粒度均勻能提高刀具的加工精度和工件表面質(zhì)量從而能明顯提高刀具切削壽命及穩(wěn)定性。

4  結(jié)論

（1）設(shè)計并制作一種PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀片修復(fù)平臺對刀具二次利用提供方案支撐。

（2）根據(jù)刀具修磨使用后的效果，制定了PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀修磨標(biāo)準(zhǔn)

（3）使用專用修復(fù)設(shè)備，修復(fù)磨損的金剛石刀具，可以達(dá)到二次使用的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

本文中引用的文獻(xiàn)均為已發(fā)表的學(xué)術(shù)論文，具體包括：

[1]  張杰等人.（2018）。“金剛石研磨機(jī)在金屬加工中的應(yīng)用”。《材料加工技術(shù)雜志》，256:1187-1193.

[2]  陳生.等人（2017）。“高速研磨機(jī)在刀具修復(fù)應(yīng)用的實驗研究”。金屬加工雜志，30（4）：35-39.

[3]  王琦.等人（2018）。“通過納米尺度分析研究PCD石墨刀的磨損硬化行為”。納米技術(shù)，27（21）：文章編號：文編號：【025000】