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刀具刃磨裂紋

德國是世界上機械制造強國,也是金屬切削技術領先的國家之一。在德國機械加工企業流傳著這樣一句名言:企業的紅利在刀尖上。中國也有一句名言:“千里之堤,潰于蟻穴”。刀具刃口微觀缺陷(蟻穴),卻影響著刀具的性能及壽命這個“千里之堤”。可見刀具刃口技術是個值得重視的大問題。

隨著現代加工技術的高速發展,刀具滯后現象日益突出,特別是刃磨技術跟不上形勢發展要求,磨退火極為普通,磨裂現象到處可,嚴重影響企業的發展與進步。

1、何謂磨退火?何謂磨削裂紋?

碳素工具鋼工具淬火回火后硬度為60~65HRC,通用高速鋼刀具淬火回火后硬度為64.5~66.5HRC,高性能高速鋼為66~67.5HRC,在刃磨和以后的修磨過程中,由于高速旋轉的砂輪和刃口親密接觸產生磨削熱,如果此時的溫度超過該鋼的回火溫度,就會致使刃口硬度下降,人們把這種硬度下降的現象叫磨退火

磨削裂紋是淬火態或殘留奧氏體(rR)較多的工件經磨床磨削后所產生的裂紋。這種裂紋不是在磨削過程中而是在磨削結束之后產生的。裂紋的深度大約為0.1~0.2mm,初看覺得好象很懵。當用酸蝕時,裂紋顯而易見。圖1和圖2是磨削裂紋的示意圖。

刀具刃磨裂紋-1.jpg

筆者1968年大學畢業后在工具行業工作了近半個世紀,深知各工具廠對磨退火問題十分重視,但還是屢禁不止,幾乎在每個工具廠都會發生,不過是數量和程度之分罷了。高速鋼刀具磨退火的輕重程度可以從被磨面顏色判定,往往呈黃色、蘭色、深灰色、黑色,顏色越深,表明刃口受熱溫度越高,退火程度越嚴重,硬度下降值越大。磨退火嚴重時工件表面會產生細而淺的磨削裂紋。磨退火和磨削裂紋是一雙難兄難弟,遭遇都十分悲哀。

2、產生磨削裂紋的原因

工具鋼淬火后的組織是M+rR,故處于膨脹狀態。如果將其快速加熱到100℃左右并迅速冷卻時,將發生第一次收縮,繼續加熱到300℃左右發生第二次收縮。第一次收縮僅發生在表面,基體仍處于原膨脹狀態,從而使表面層承受拉應力而產生微裂紋。這種裂紋稱之為第一種磨削裂紋[2]。當磨削熱升高使表面達到300℃時,因發生第二次收縮再次引起磨削裂紋。也就是說,磨削裂紋有兩種,而且,磨削面與基體的膨脹收縮的差值,按圖3所示,隨著磨削面溫度的下降而增大,因此,在磨削以后明顯出現了肉眼可見的裂紋。

馬氏體的膨脹與收縮隨鋼中含碳量的增加而增大,故碳素工具和滲碳淬火鋼產生的磨削裂紋尤為嚴重。此外,淬火鋼中的殘留奧氏體,因磨削熱催化轉變成馬氏體,這種新生的馬氏體又集中于工件表面,從而加大了工件表面應力,由于持續對之磨削,對工件既是壓力,又是拉力,助長磨削裂紋的產生。

3、磨削裂紋的特征

磨削裂紋不同于鍛造及淬火裂紋,輕的磨削裂紋呈垂直于磨削方向的平行線,就是上述的第一種裂紋。較嚴重的磨削裂紋呈甲狀,其深度0.03~0.15mm不等,屬第二種裂紋。圖4為磨削裂紋典型的例子,圖5為高速鋼麻花鉆磨花鉆磨削裂紋的圖片。為清晰地顯示磨削裂紋,可采用酸蝕或磁粉探傷。Cr12MoV鋼制滾絲模磨削裂紋和二次淬火燒傷區見圖6.

刀具刃磨裂紋-2.jpg

圖3 說明磨削裂紋成因的示意圖        圖4磨削裂紋的兩種形態

刀具刃磨裂紋-3.jpg

5  高速鋼鉆頭磨削裂紋10%硝酸酒精浸蝕    1×


刀具刃磨裂紋-4.jpg

4、防止磨削裂紋的方法

為了防止磨削裂紋的產生,工廠從磨削工藝和熱處理兩方面解決。

1)磨削工藝方面

磨削裂紋是由于磨削熱所致,所以降低磨削熱是解決磨削裂紋的關鍵。大部分工廠都采用溫磨,即加有冷卻液,無論采取何法都不可能使冷卻液同時到達磨削面,因此無法抹去磨削點產生的磨削熱。冷卻液只能使砂輪和工件在磨削點瞬間磨削走過后冷卻工件和砂輪。同時因冷卻液對被磨工件的磨削點起淬火作用,因而事實上會加劇磨削裂紋的產生。如果采用干磨削,如成型銑刀、滾刀等刃磨,磨削進給量較小粗磨時為0.02~0.04mm,精磨時為0.005~0.01mm,可以有效地減少磨削裂紋,但干磨對工人健康、環保不利,必須有相應的防范措施。

選擇硬度較軟、粒度較粗的砂輪來磨削,可以降低磨削熱,但粗細應根據具體工件而定,既要不裂,更要工件表面光亮。

分粗、細磨削是一種很理智的選擇,粗磨選用粒度較粗的砂輪磨,便于強力磨削,提高效率,然后再用粒度較細的砂輪精磨。

選用粒度較為鋒利的砂輪,及時清除砂輪表面的切屑,減少切刀深度,增加走刀次數,減少工作臺速度,一般取1~2m/min。另外,選對合適的冷卻液也是減少磨削裂紋的一種方法。例如,某工具公司生產全磨鉆頭,以前用進口油卻,很少磨裂,改用國內某油品廠的油,磨裂的幾率大大增加。說明冷卻液在磨削工藝中也是很重要的。

 

2)熱處理方面

從以上分析我們知道,產生磨削裂紋的根本原因在于淬火后的馬氏體處于一種膨脹狀態,有應力存在,所以淬火后應及時進行回火。

第一種磨削裂紋是淬火件在快速加熱至100℃左右,并迅速冷卻時產生的,所以,為防止這第一種磨削裂紋,工件應在150~200℃回火,用碳素工具鋼及低低合金工具鋼制造的工模具,應密切關注。第二種磨削裂紋是工件在磨削過程中繼續升溫到300℃時,表面再次產生收縮而產生的。為防止此類裂紋出現,則工件應在300℃左右回火,回火保溫時間3h以上,有些鋼件在300℃左右有回火脆性,設法避免或改用其他材質代替。

有時經一次回火后仍會產生磨削裂紋,應第二次回火或人工時效,實踐證明,這個方法很奏效。

有時刀具要求硬度不高,而零件外觀表面要求很高時,可將回火溫度提高到400℃左右,如用Cr12MoV鋼制滾絲模,有的就是提高溫度回火工件表面不會出現磨削裂紋。

φ8~16mm高速鋼制全磨鉆,如整體淬硬,磨削時在出溝處磨裂的幾率很大,嚴重時磨裂50%以上,改進熱處理工藝,鹽浴淬火加熱只浸到刃長的4/5,保證出溝處硬度≤61HRC,這樣就不再發生磨削現象。

殘留奧氏體是不穩定組織,有轉變成馬氏體的傾向,為減少和消滅(事實上不可能)之,熱處理應采取相應的技術措施。淬火加熱溫度不宜過高、保溫時間不宜過長,回火一定要充分,用碳工具鋼、低合金工具鋼及Cr12MoV等制作的刀具,在刃磨前可補充冷處理或深冷處理,對減少和杜絕磨削裂紋有積極效應。

刀具設計結構力求實用合理,防止磨削中局部出現熱積聚導致磨削裂紋產生,適當加大過渡區圓角、和棱、溝、槽處圓弧。舉一實例說明:

M2鋼制φ120~140mm×40~70mm滾絲模(國家標準將滾絲模列為刀具類)原熱處理工藝為860℃鹽浴預熱,1220~1225℃加熱,580~620℃中性鹽浴分級后240~260℃硝鹽等溫,淬火晶粒度10~10.5560~×1h×4次回火后硬度為64.5~65.5HRC。滾絲模在磨削過程中發現磨削裂紋。分析認為,滾絲模韌性高,強度和耐磨性一般,硬度和紅硬性是次要指標。因而將原硬度要求62~65HRC改為60~62HRC。原工藝還存在rR多和回火不充分之嫌。所以對工藝進行改革:

a、將淬火加熱溫度降低20℃,加熱時間延長50%

b500~550℃中性鹽浴分級后250℃×2h硝鹽等溫后空冷,

c、第一次回火用590℃,后三次回火用550℃。

改進熱處理工藝后的滾絲模硬度為61~62HRC,磨削裂紋消失,刀具壽命提高3~4倍。

另外硬度高低亦是影響磨裂的一個因素。人們從實踐中體會到:高硬度比低硬度磨裂的可能性大得多,鑒于此,我們不能偏面的追求高硬度。HSS-E鋼制刀具雖能達到67~70HRC的高硬度,但在現實當中行不通,不光是脆性大,而且容易磨裂。我們要給高性能高速鋼制刀具的硬度以科學定位,除車刀等要高紅硬性的簡單刀具外,一般刀具將硬度定格在66~67.5HRC,比較切合實際。

除了上述一系列措施外,人的因素千萬不可小視,要充分發揮人的主觀能功作用,努力提高刃磨技能,我們就一定能把磨削裂紋降到最低限度,為企業節能增效。

參考文獻

[1]  趙步青·關于刃磨退火問題[J]·五金科技·20055):22

[2]  大和久重雄[O]·熱處理缺陷及對策150

[J]·費從榮譯蔡慰望校·國外金  屬熱處理·19866)增劑:27~28 

作者簡介:趙步青,男,194312月生,江蘇阜寧縣人,高級工程師,已發表論文及適用文章240多篇,出版熱處理專著4,協編圖書兩部。研究方向:工模具熱處理工藝。

(本平臺"常州精密鋼管博客網"的部分圖文來自網絡轉載,轉載目的在于傳遞更多技術信息。我們尊重原創,版權歸原作者所有,若未能找到作者和出處望請諒解,敬請聯系主編微信號:steel_tube,進行刪除或付稿費,多謝!)
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2019年12月13日 18:38 罂粟 [山东省新泰市网友]

这篇文章写得好!

2019年12月13日 17:36 [陕西省市辖区网友]

油田管你们能做不?

2019年12月13日 17:07 依诺 [山西省保德县网友]

精密钢管博客,专业!

2019年12月13日 17:06 励精图治 [辽宁省市辖区网友]

Technical leaders

2019年12月13日 16:27 必相依 [山东省莱阳市网友]

这篇文章很专业哦,收藏了。

2019年12月13日 15:22 [云南省文山壮族苗族自治州网友]

你好,我们特斯拉将在中国建厂,希望有机会合作共赢。

2019年12月13日 14:40 [辽宁省海州区网友]

上次问你们定的管子 我定的公差是 +/-0.10 结果你们发过来的货是 +/-0.03了公差,我们的轴承装不上去,精度做的太高了。

2019年12月13日 13:26 琵琶曲里的思念 [浙江省衢州市网友]

你们厂在哪里?

2019年12月13日 12:13 [广西壮族自治区平南县网友]

你好,我们是拉伸机厂,你们的管子要不要用到拉伸机?

2019年12月13日 11:40 溪筠 [广东省禅城区网友]

不想说什么,就是想来点个赞!

2019年12月13日 11:21 [海南省琼海市网友]

你好 我们是做直线度测量仪的 请问你们有需要不?

2019年12月13日 10:10 淮上晚风 [山东省苍山县网友]

Thanks!

2019年12月13日 9:42 [江苏省灌南县网友]

12*1有现货吧?帮我来500公斤,QQ联系!735846298

2019年12月13日 9:38 一定要幸福 [山东省市辖区网友]

14*1.5 汽车预警装置上面用的管子 你们可以生产不?

2019年12月13日 8:33 [河北省深泽县网友]

垃圾,问你们定个管子还要起定量,没有5吨还不给做。

2019年12月13日 8:29 [湖北省襄阳市网友]

The service is good!

2019年12月13日 8:00

一个字 “赞”!!!!

2019年12月13日 7:58 [辽宁省网友]

Good quality

2019年12月13日 7:07 覆水难收 [重庆市奉节县网友]

What's your email address? I want to order steel tube.

2019年12月13日 6:19 [广东省罗定市网友]

专业知识 收藏了 后面慢慢研读。

2019年12月13日 5:23 [四川省自贡市网友]

上次问你们定的 1吨10*1的无氧退火的管子 太软了一受力就弯,下次帮我退生点。

2019年12月13日 4:07 [浙江省永嘉县网友]

Could you please represent our German products?

2019年12月13日 3:49 [河北省张家口市网友]

China quality made!

2019年12月13日 2:33 [黑龙江省兰西县网友]

你们有多少台轧机?

2019年12月13日 0:44 [重庆市网友]

邦迪管你们能不能做?

2019年12月13日 0:24 沫伊 [山西省朔城区网友]

Hello, pls send your offer to steeog@gmail.com we need the tube 13*1.5 SAE1020 Thanks!

2019年12月12日 23:12 [湖南省麻阳苗族自治县网友]

3*1的超小口径的管子 可以做不?

2019年12月12日 23:08 凝露 [安徽省瑶海区网友]

Good technology!

2019年12月12日 22:04 小意境 [湖南省常宁市网友]

你好,我是做检测仪器的,你们钢管要用光普仪不?

2019年12月12日 20:20 [广东省武江区网友]

兄弟,问一下,你们的常州精密钢管博客是怎么推广的!访问量这么大!我也做了个博客,和你们不一个行业的。

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