超细晶粒硬质合金微径铣刀锯齿现象分析

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超细晶粒硬质合金微径铣刀锯齿现象分析
黄升莉， 任泊铭， 刘吉庆

【作者机构】        金洲精工科技(昆山)有限公司
【来    源】        《设备管理与维修》 2025年第16期 P39-42
摘 要：针对加工过程中刃径0.55 mm的微径铣刀刀尖保护处出现明显锯齿的问题，提出以锯齿量大小为刀尖保护刃口磨削质量衡量指标，选择不同砂轮粒度、转速、旋转方向等磨削工艺参数进行单因素磨削试验。在基恩士1000倍镜头下观察刀尖保护处的表面微观形貌，分析不同磨削工艺参数对刀尖保护处刃口质量的影响。试验结果表明：容屑槽磨削时，砂轮粒度选择D20有利于刀尖保护处刃口质量；砂轮转速越小，刀尖保护处刃口的锯齿量也越小，转速过高容易造成刀尖崩缺；砂轮旋转方向不同时，刀尖保护处刃口质量也不同，砂轮正转时刃口质量较好。

关键词：整体硬质合金刀具；微型铣刀；刃口质量；锯齿量；磨削工艺参数

0 引言
硬质合金具有较高的强度、硬度以及优良的耐热、耐磨、耐腐蚀性，是目前广泛应用的刀具材料之一，其切削效率是高速钢刀具的5～10倍[1-2]。但由于硬质合金刀具材料具有较高的硬脆性，通常选用磨削的方式对其进行加工[3]。

整体硬质合金刀具因其加工精度高，高速旋转时能保持很好的动平衡性等优点，广泛应用于高速加工领域[4-5]。微细铣削技术具有高效率、高柔性、高横纵比结构等特点，使得微径铣刀广泛应用于国防军事、航空航天、医疗器械制造等对微细特征零件有较大需求的领域。

在铣刀切削过程中，刀尖最先与切削材料接触并使切削阻力最先作用于刀尖，容易引起刀尖崩刀，因此增加刀尖保护可以加大切削阻力的承受面积，从而达到保护刀尖的作用，提高刀具的耐用度（图1）。

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图1 刀尖保护设计

1 问题分析
硬质合金刀具刃口质量决定着其使用寿命和切削性能。尽管数控磨床的性能已经相当好，但在生产过程中还是会因为砂轮工艺参数选择不合理，导致出现不同程度的加工缺陷，其中最常见的缺陷为刃口锯齿。这是由于切削刃的厚度会随着磨削加工的进行逐渐减小，其强度也随之减小，当磨粒切削力过大时切削刃表面出现锯齿形的不均匀破损，即为刃口锯齿。

金洲精工科技（昆山）有限公司（以下简称为“公司”）在加工一款以晶粒度为0.2 μm的超细晶粒硬质合金作为刀具，基体材料直径为0.55 mm的微径铣刀时，发现其刀尖保护刃口处容易出现锯齿状缺陷。WC晶粒越细小，则材料的硬度越高，断裂韧性越低。对超细晶粒硬质合金磨削的材料去除机理进行研究，发现由于超细晶粒硬质合金硬度高、脆性大，在相同的磨削条件下其磨削表面更易产生裂纹、破裂等缺陷[6-7]。

为获得更好的刀具刃口质量，国内外学者进行了大量研究。赵延军等[8]通过试验发现在一定范围内降低砂轮的刚性可以提高其磨削性能，改善刀具的加工质量。刘鹏程等[9]以整体立铣刀磨削工艺为研究对象，通过改变砂轮进给速度和线速度进行磨削加工，得出降低砂轮进给速度和线速度对提高刀具刃口质量具有显著效果的结论。黎文娟等[10]认为影响磨槽生产效率和产品质量的主要因素为砂轮粒度、进给量和线速度，并通过试验证明砂轮粒度对槽表面粗糙度影响最大，得到最优加工参数，明显提升加工效益。江湘颜等[11]通过改变磨削工艺参数针对整体硬质合金刀具磨削时的锯齿量超差问题进行了试验分析，结果表明，较低的砂轮粒度、一定范围内较低的进给速度、合理的工步顺序、较高的刀轨密度可以有效改善锯齿量超差情况，获取良好的整体硬质合金刃口质量。

现有研究主要集中于晶粒较大的硬质合金刀具刃口质量，关于超细晶粒微径铣刀的研究较少。因此，本文针对刃径为0.55 mm的微径铣刀磨削加工时刀尖保护处出现的锯齿问题进行试验分析，研究砂轮粒度、进给速度以及旋转方向对锯齿现象的影响，对于提升刀具加工质量具有重要意义。

2 试验设备及方案
通过分析硬质合金铣刀刀刃磨削损伤机理，发现其主要影响因素为材料性能和磨削行为。超细晶粒硬质合金材料的微观形貌，如果存在粘结相中孔隙度过高、晶粒度不均匀等问题，都会导致刀刃刃口缺陷。而磨削行为主要影响磨削热、磨削力等因素。磨削热过大会导致粘结相材料在磨削状态下产生塑性变形，形成裂纹。同时，在磨削力的作用下，裂纹会逐渐向断裂收缩的方向释放能量，最终形成刀刃磨削损伤。磨削力主要受到最大未变形切削厚度的影响，其中工艺参数是决定最大未变形厚度的关键因素。

本文研究分析了不同磨削工艺参数对微径铣刀刀尖保护处锯齿量的影响。锯齿产生于刀具不同平面相交的刃口处。锯齿量以锯齿的长度和深度来综合表征刃口的表面微观形貌。为测得刀尖保护处表面微观形貌，本文选用基恩士1000倍镜头对刀尖保护处的锯齿量进行测量，其中与平面交线相平行的尺寸为锯齿长度、与平面交线法向的尺寸为锯齿深度。

刀尖保护是容屑槽加工时产生，容屑槽的磨削工艺参数直接影响刀尖保护的质量。因此，本试验方案只针对容屑槽磨削工艺参数进行分析。磨削试验选用ROLLOMATIC五轴机床，采用树脂结合剂的金刚石砂轮，试验工艺参数如表1所示。

表1 磨削工艺参数

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3 试验结果及分析
3.1 砂轮粒度对锯齿量的影响
测量相同砂轮转速与旋转方向时，不同砂轮粒度对双刃铣刀刀尖保护处锯齿量的影响，其锯齿量如图2所示。

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图2 不同砂轮粒度的刀尖保护处锯齿量（μm）

从图2可以看出，当砂轮粒度选用D15时，刀尖保护处有明显锯齿，最大锯齿量长约12 μm；当砂轮粒度选用D20时，可以明显看到刀尖保护处锯齿量降低、刃口质量较好，最大锯齿量长约4.4 μm；当砂轮粒度选用D25时，由于粒度增大、磨削质量变差，刀尖保护处锯齿量明显增加。分析可知，刀尖保护处的锯齿量随着砂轮粒度的增加，先降低后升高，当砂轮粒度为D20时刃口质量最佳。

3.2 砂轮旋转速度对锯齿量的影响
测量相同砂轮粒度与旋转方向时，不同砂轮转速下双刃铣刀刀尖保护处锯齿量，试验结果如图3所示。

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图3 不同砂轮转速的刀尖保护处锯齿量（μm）

从图3可以看出，当砂轮旋转速度为20 m/s时，刀尖保护表面形貌较好，锯齿量较小；随着转速的增加，刀尖保护处锯齿量明显变大；当转速为30 m/s时，刀尖甚至出现崩缺现象。上述情况说明，在砂轮旋转速度为20 m/s时，刃口质量最佳。

3.3 砂轮旋转方向对锯齿量的影响
测量相同砂轮粒度与砂轮转速时，不同砂轮旋转方向下双刃铣刀刀尖保护处锯齿量，试验结果如图4所示。

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图4 不同砂轮转向的刀尖保护处锯齿量（μm）

从图4可以看出，当砂轮正转时刀尖保护表面形貌较好，最大锯齿量的锯齿长度约2 μm，深度约0.3 μm。当砂轮旋转方向为反转时，刀尖保护处锯齿量明显增加，甚至出现刀尖崩缺现象，证明进行容屑槽磨削时砂轮不宜反转，这不利于提高刃口质量。

4 结论
本文通过磨削试验，研究分析不同砂轮转速、粒度、转向对整体硬质合金双刃铣刀刀尖保护处锯齿量的影响，得出以下结论：

（1）不同砂轮粒度时，刀尖保护处锯齿量不同，但不是砂轮粒度越小刃口质量越好，在磨削时应合理选择砂轮粒度。在本文的磨削试验中，砂轮粒度为D20时刀尖保护处刃口锯齿量最低。

（2）砂轮转速的增加，刀尖保护质量逐渐降低。当速度增加到30 m/s时，刀尖出现崩缺现象。因此，在磨削容屑槽时，应尽量选择较低的砂轮转速，以提高刃口质量。

（3）当磨削加工容屑槽时，砂轮旋转方向为正转能有效减小刀尖保护处的锯齿量，提高刃口质量。

参考文献

［1］祁志旭，陈兴媚.硬质合金刀具研究进展［J］.材料研究与应用，2019，13（4）：347-354.

［2］郭娟，李军民.新型硬质合金刀具材料的组织与性能分析［J］.工具技术，2016，50（2）：63-66.

［3］王新刚，李鹤，吕春梅，等.硬质合金刀具的动态可靠性灵敏度研究［J］.兵工学报，2014，35（1）：114-119.

［4］李家伟.退火温度对硬质合金刀具材料耐磨性能的影响［J］.热加工工艺，2016，45（22）：172-174，178.

［5］宋铁军，周志雄，李伟，等.硬质合金立铣刀螺旋槽磨削表面粗糙度模型研究［J］.机械工程学报，2017，53（17）：185-192.

［6］章宗城.整体硬质合金立铣刀的创新结构［J］.世界制造技术与装备市场，2019（4）：56-58.

［7］何荣跃，宋安邦，文立东，等.磨削工艺对刀具刃口质量及寿命的影响［J］.工具技术，2018，52（1）：63-65.

［8］赵延军，钱灌文，刘权威，等.砂轮刚性对磨削性能及产品加工质量的影响［J］.金刚石与磨料磨具工程，2017，37（1）：56-60.

［9］刘鹏程，谢鹏，李想，等.整体硬质合金刀具磨削工艺实验分析［J］.工具技术，2021，55（10）：41-44.

［10］黎文娟，倪高明，王强，等.整体硬质合金螺旋立铣刀磨槽工艺优化［J］.工具技术，2018，52（7）：98-101.

［11］江湘颜，刘爱强，谢鹏.五轴工具磨床磨削硬质合金刀具的锯齿量超差工艺改进研究［J］.粉末冶金工业，2020，30（6）：96-101.

中图分类号：TG714

文献标识码：B