刀具製造技術：硬質合金棒材加工過程中圓柱度的控制

知識 04-13

硬質合金棒材加工過程中圓柱度的控制

陽立庚吳小剛

（南昌硬質合金有限責任公司，江西南昌330013）

摘要：控制棒材圓柱度是保證硬質合金刀具精度的關鍵。現對硬質合金棒材加工過程中圓柱度的控制進行分析，得出以下結論：選擇合適的中心高及磨削遍數，控制進刀量，能有效改善硬質合金棒材的圓柱度；利用熱壓法使硬質合金棒材產生永久塑性變形，也可改善圓柱度。

關鍵詞：硬質合金棒材；圓柱度；加工工藝；熱壓

0 引言

隨著工業水平的不斷提高，對「工業牙齒」——硬質合金刀具的要求也不斷提高。在高精度加工行業，硬質合金刀具的跳動對產品精度有致命的影響，而刀具跳動指標的高低主要受硬質合金棒料的圓柱度指標限制。在硬質合金棒料生產過程中，燒結後棒料毛坯的圓柱度受材質及粉末冶金工藝影響，一般情況下都在0.05～0.5 mm之間，與硬質合金精磨棒最終0.000 5～0.002 mm的圓柱度要求相差甚遠，因而硬質合金精磨棒的圓柱度控制主要在後續加工及特殊處理上。

1 加工工藝對圓柱度的影響

相對於鋼、銅、鋁等金屬，硬質合金材料具有更硬、更脆、塑性更差等缺陷，機械加工性能差，一般情況下硬質合金棒料主要的加工方式為無心磨加工。無心磨加工是由磨削砂輪、調整輪和工件支架（托架）三個機構構成的，其中磨削砂輪實際擔任磨削的工作，調整輪控制工件的旋轉，並使工件發生進刀速度，至於工件支架即在磨削時支撐工件，這三種機件可有數種配合的方法（但停止研磨除外），原理上都相同[1]。圓柱度是衡量棒材圓度及直線度的綜合指標，硬質合金棒料圓柱度在無心磨加工中主要受加工工件中心高、進刀量、進給速度、導輪的迴轉速度影響。

1.1 中心高的影響

在無心磨加工過程中，被加工工件的中心高度計算目前沒有科學的理論公式，一般情況下是根據加工質量結合加工經驗來調整的。

1.1.1 試驗

加工設備為無錫機床廠產1040A無心磨床，砂輪外徑350 mm，導輪外徑250 mm。工件直徑分別為4 mm、20 mm，長度均為100 mm。加工工藝為四遍磨工藝，加工工藝參數穩定不變。

試驗1：φ4×100 mm硬質合金棒無心磨加工中心高的影響。

試驗數據顯示：中心高分別為7 mm、8 mm、9 mm、10 mm、11 mm時，產品圓柱度分別為0.08 mm、0.04 mm、0.002 mm、0.003 mm、0.003 mm，但中心高增加到10 mm或更高時，棒材表面有蹭痕。

試驗2：φ20×100mm硬質合金棒無心磨加工中心高的影響。

試驗數據顯示：中心高分別為9 mm、10 mm、11 mm、12 mm、13 mm時，產品圓柱度分別為0.1 mm、0.05 mm、0.004 mm、0.008 mm、0.009 mm，但中心高增加到12 mm或更高時，棒材表面有螺紋。

1.1.2 數據分析

從以上試驗數據可以看出，工件中心高對產品磨削後的圓柱度有很大影響，中心高增加可有效改善加工產品的圓柱度，但過分增加中心高，不僅僅圓柱度沒能繼續改善，同時由於零件在磨削區內跳動，會造成不可控的外觀質量影響。

根據大量的加工試驗數據，總結出以下中心高計算經驗公式：

式中，r為切向角（一般情況下為6°～8°）；DR為導輪直徑；DS為砂輪直徑；d為零件直徑（圖1）。

圖1 無心磨加工示意圖

1.2 進刀量的影響

1.2.1 試驗

設備同1.1.1，砂輪目數為500目；工件直徑為8 mm，長度為100 mm的YK15牌號硬質合金圓棒，加工試驗條件設定為原料圓柱度0.02～0.03 mm。

試驗數據顯示：吃刀量分別為0.005 mm、0.01 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm、0.05 mm時，圓柱度改善情況分別為：變差0.003 mm、改善0.013 mm、改善0.014 mm、改善0.017 mm、改善0.015 mm、改善0.011 mm。

1.2.2 數據分析

從以上數據可以看出：

（1）吃刀量過小，由於被加工區域不能全部覆蓋，此時不但難以提高圓柱度，還會由於前後加工區域的相交而產生棱邊，從而使圓柱度變得更差。

（2）在吃刀量大到能完全覆蓋原始圓柱面時，適當控制吃刀量對產品圓柱度影響關鍵；在原始圓柱度不是很差（小於0.05 mm）的情況下，吃刀量控制在原始圓柱度的50%～120%為宜。

1.3 磨削遍數的影響

1.3.1 試驗

試驗條件同1.2.1，被加工件為直徑（6.1±0.005）mm，長度為100 mm的YK15牌號硬質合金棒，加工前圓柱度為0.1～0.15 mm，設定最終尺寸為5.994～6.0 mm。試驗對比設定為三遍磨（第一、第二、第三遍吃刀量分別為0.05～0.06 mm、0.04 mm、0.005 mm）、四遍磨（第一、第二、第三、第四遍吃刀量分別為0.04～0.05 mm、0.03 mm、0.02 mm、0.005 mm）、五遍磨（第一、第二、第三、第四、第五遍吃刀量分別為0.03～0.04 mm、0.03 mm、0.02 mm、0.01 mm、0.005 mm）。

1.3.2 數據分析

試驗數據表明：在去除量相同的情況下，增加無心磨磨削遍數，一方面起到了減少吃刀量的作用，另一方面也是在不能完全消除加工應力變形的前提下，通過機械加工的不斷矯正，很大程度上有效改善了圓柱度。但在規模化生產中，考慮到加工成本的因素，會結合產品的最終要求及實際情況而選擇最佳磨削遍數。

2 對硬質合金棒材的特殊矯正處理

硬質合金塑性差、抗變形能力強的特點給該類材料的高精度機械加工提供了精度保障先天條件[2]，但另一方面，在高精度機械加工領域，由於機械加工的特點決定了被加工件必然會受到一定的作用力，在這個作用力下，硬質合金材料也會產生一定的微變形（對於長徑比較大的硬質合金棒料尤其如此）。在無心磨加工過程中，在砂輪的作用力下，原本較為彎曲的硬質合金棒料會被壓直，而一旦被加工件離開加工區域，就會立刻回彈到彎曲狀態，因而，只要產品的原始直線度不是太好，機械加工方式很難矯正硬質合金棒料的圓柱度。

金屬材料隨著環境溫度的升高，塑性有不同程度的提高[3]。利用金屬材料的這個特點，通過熱壓的方式對硬質合金棒材進行一定程度的矯正，可改善硬質合金棒材的毛坯圓柱度。