馬亮  鄧春?jiǎn)?/p>

（撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司，遼寧  撫順 113001）

摘要：針對(duì)現(xiàn)今軋鋼技術(shù)升級(jí)，軋輥材質(zhì)由原來的高速鋼材質(zhì)升級(jí)為碳化鎢材質(zhì)，對(duì)應(yīng)加工刀具也升級(jí)為金剛石（PCD/PCBN）超硬刀具。對(duì)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(jì)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(shí)，對(duì)比立方氮化硼刀具有著效率更高、壽命更長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。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(shí)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(gè)月牙槽后，刀頭磨損，無法進(jìn)行第2個(gè)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(shí)會(huì)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(cuò)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(huì)進(jìn)入金剛石刀具和工件接觸的加工區(qū)，它們對(duì)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(duì)粘性比較大的材料又相對(duì)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(shí)，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(shí)，金剛石刀具表面就會(huì)產(chǎn)生微觀內(nèi)應(yīng)力裂紋。此時(shí)，如果進(jìn)一步刃磨，這些微觀裂紋會(huì)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(shí)，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(huì)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(shí)沖擊力很大，相對(duì)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(huì)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(shí)間內(nèi)就會(huì)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(shì)。即使在真空條件下，當(dāng)溫度達(dá)到約1800K時(shí)，金剛石就會(huì)逐漸變成石墨。由于石墨的硬度很低，在切削中會(huì)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(duì)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(jì)并制作一種PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀片修復(fù)平臺(tái)

設(shè)計(jì)一種PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀片修復(fù)平臺(tái)，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(tái)，包括工作平臺(tái)，工作平臺(tái)的底部表面固定連接有儲(chǔ)物箱，且工作平臺(tái)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(tái)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(dòng)螺紋桿，螺紋桿推動(dòng)軸承三向下滑動(dòng)，從而使軸承三推動(dòng)夾持塊滑動(dòng)，便于對(duì)金剛石銑刀進(jìn)行固定，通過擰動(dòng)限位螺母，將轉(zhuǎn)動(dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角度并限位，轉(zhuǎn)動(dòng)塊帶動(dòng)凹?jí)K轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使凹?jí)K帶螺紋桿和夾持塊轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)小結(jié)

1.采用15mm厚鋼板制作磨刀工作平臺(tái) 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(jí)調(diào)速；

3.采用自行設(shè)計(jì)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(jì)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(tái)上；

5.變速箱輸出軸頭設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(tái)部分設(shè)計(jì)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(tái)，一種PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀片修復(fù)平臺(tái)，包括工作平臺(tái)，所述工作平臺(tái)的底部表面固定連接有儲(chǔ)物箱，且工作平臺(tái)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(tái)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(tái)的表面固定安裝有磨刀架，且工作平臺(tái)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(shí)物圖：

3.2  制定修磨標(biāo)準(zhǔn)

PCD銑刀及車刀修磨前測(cè)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(dòng)公差0-0.05mm；

5、刃部端面圓跳動(dòng)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(xiàng)

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(shí)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(shí)，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(cè)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(tái)

3.4  修磨以后測(cè)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(cè)下，能細(xì)微的檢測(cè)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(jì)并制作一種PCD金剛石月牙槽銑刀及車刀片修復(fù)平臺(tái)對(duì)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(shí)驗(yàn)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(hào)：文編號(hào)：【025000】