硬质合金圆盘刀分切硅钢片的磨损形态及机理研究

阎秋生 赵学明 路家斌 李忠荣 黄升伟

1.广东工业大学，广州，510006 2.广州日宝钢材制品有限公司，广州，511495

0 引言

随着IT、电工电讯、办公机械等行业的迅速发展，作为制造业重要组成部分的金属制品加工产业随之不断壮大，绿色低碳经济发展模式对金属板材精密分切加工技术提出了更高要求［1－2］。金属板材分切加工精度是影响金属制品加工过程、制品精度和材料利用率的关键因素之一，而滚剪分切圆盘刀的精度和磨损状态直接影响到板材的分切精度［3］。如变压器行业中的冷轧硅钢片一般厚度较薄但硬度高，要求分切面无毛刺，目前分切硅钢片时多采用WC－Co硬质合金圆盘刀［1］。

已有学者对作为金属切削加工刀具的硬质合金的磨损形态及机理进行过多方面的研究［4－5］，但用于金属板材分切的硬质合金圆盘刀的磨损研究迄今尚未见详细报道，本文通过硬质合金圆盘刀滚剪分切硅钢片的加工试验，对比分析了硬质合金圆盘刀刃口磨损前后的形貌、微观结构和Co元素的含量变化，探讨了WC－Co硬质合金分切圆盘刀的磨损规律和机理。

1 圆盘刀分切原理及受力分析

金属板材（厚度0.1～3mm）卷料的纵向分切一般采用上下成对圆盘刀滚剪加工，其分切过程示意图见图1。在分切过程中，上下圆盘刀在轴向方向保持水平间隙c、径向交接量s，圆盘刀的旋转作用带动金属板材以等于圆盘刀圆周的速度运动并逐渐进入上下圆盘刀的刃口作用区，金属板材被圆盘刀切削刃持续切入而产生剪切变形直至完全分离。

金属板材进入圆盘刀作用区时受到上下圆盘刀的挤压产生弹性变形，所受剪切力从零开始逐渐增大，此时板材处于弹性变形阶段；随着圆盘刀的旋转，上下圆盘刀切削刃逐渐接近，板材受到的剪切力持续增大并达到材料的弹性极限而产生剪切塑性变形，圆盘刀作用区材料进入剪切变形阶段；随着剪切力的继续增大，达到材料的强度极限时板材开始产生裂纹，进入裂纹扩展阶段；随后因裂纹扩展所需要的变形力远远小于裂纹形成所需要的力，剪切力逐渐下降，直至金属板材被完全分离，剪切力返回到零。因此，在分切过程中金属板材受到圆盘刀的剪切力是由小变大再减小的过程，造成圆盘刀受到金属板材的作用力也是不均匀分布的，同样经历循环变化。金属板材分切过程的材料变形局限于上下圆盘刀作用区域，材料分离前发生的剪切滑移量较小，并且圆盘刀高速旋转，因此，分切过程的切削温度不高，同时为了保持金属板材的性能，一般采用干切削形式进行分切。

图1 金属板材圆盘刀滚剪分切原理

金属板材分切圆盘刀受力状态直接影响了其磨损，在分切过程中，圆盘刀除圆柱面受到板材的挤压力P作用之外，还受到板材与圆柱面之间的摩擦力μ1P（μ1为圆盘刀圆柱面与金属板材表面的摩擦因数）、刀具侧面与板材分切断面间的侧压力N及刀具侧面与板材分切断面间的摩擦力μ2N（μ2为圆盘刀侧面与金属板材分切面的摩擦因数）的作用。随着分切过程的进行，金属板材的变形增大，刀具侧面受到的侧压力也逐渐增大，侧面摩擦力也随之增大。在分切过程中，随着圆盘刀旋转，其受力点循环变化而力的大小动态稳定。

2 圆盘刀分切加工试验

圆盘刀分切加工试验装置如图2所示，试验板材是国内某钢铁公司50W600型冷轧无取向硅钢片，板厚0.5mm，材料抗拉强度为320MPa，硬度大于200HV，各化学成分的质量分数分别为w（C）＜0.008%，w （Si）＜0.3%，w （Mn）＜0.4%，w（Al）＜0.32%，w（P）＜0.08%，w（S）＜0.007%，微量元素为Cr、Ni、Cu，其余成分为Fe。试验用圆盘刀为某公司生产的GH50型WC－Co硬质合金圆盘刀，圆盘刀直径为278mm，厚度为5mm，w（Co）＝8.65%，材料抗弯强度大 于2100MPa，硬度大于86.5HRA。加工试验条件如下：上下圆盘刀之间轴向间隙c为0.015mm，径向交接量s为0.10mm，圆盘刀圆周线速度（即板材运动速度）为180m／min，评价圆盘刀磨损状况时，板材累计分切长度为100km，干式切削。

图2 金属板材圆盘刀滚剪分切加工试验装置

为研究圆盘刀的磨损情况，采用Keyence VHX－600E超景深显微镜观测圆盘刀刃口的微观形貌，利用Mahr XT20表面粗糙度轮廓仪检测加工前后的圆盘刀外圆柱面粗糙度和刃口圆弧半径。为分析圆盘刀刃口磨损表面微观形貌特征和元素含量变化，用线切割机床将圆盘刀沿刃口垂直方向切割出20mm×20mm的近似矩形试样，用丙酮超声波清洗30min后烘干，采用S－3400N（Ⅱ）型扫描电子显微镜进行观察和分析。

3 结果分析

3.1 刀具磨损前后形貌

由金属板材圆盘刀滚剪分切加工原理可知，圆盘刀在高速转动过程中圆柱面与金属板材表面接触，圆盘刀刃口侧面与金属板材的分切断面接触。图3为硬质合金圆盘刀刃口侧面磨损前后的光学照片和三维形貌照片。由图3可见，未磨损刀具刃口轮廓均匀清晰，形状规则平整，刃口锋利，而磨损后的刀具刃口轮廓模糊且不规则，边缘充满坑点，表面粗糙。由于分切加工的金属板材较薄，所以圆盘刀刃口侧面只有沿半径方向0.35mm左右的磨损带，从Keyence超景深显微镜观察的三维形貌来看，磨损后的刃口侧面粗糙度比磨损前明显增大。

图3 圆盘刀磨损前后刃口侧面形貌

圆盘刀外圆柱面主要与金属板材表面接触，圆盘刀外圆柱面与金属板材之间以滚动为主，有一定的滑动，受到板材与圆盘刀外圆柱面之间的挤压力和摩擦力的作用。在圆盘刀磨损前外圆柱面的表面粗糙度Ra为0.101μm，磨损后增大为0.163μm，粗糙度有小幅增大；而圆盘刀刃口的过渡圆弧半径由原始轮廓的10.6μm，增大到磨损后的31.7μm，刃口半径增大2倍，刃口锋利程度显著降低，也就是说圆盘刀磨损的主要形式为刃口过渡圆弧半径增大。

3.2 刀具磨损机理分析

基于钨钴类硬质合金刀具磨损形式的研究结果，根据对金属板材分切中圆盘刀磨损形态的观察分析，考虑圆盘刀工作温度不高但圆盘刀与金属板材有较大的接触压力，因此其磨损机理主要从失钴磨损、疲劳磨损、磨料磨损和黏结磨损等方面进行分析。

3.2.1失钴磨损

WC－Co硬质合金是由难熔金属化合物WC与黏结金属钴采用粉末冶金方法制造的复合材料，黏结相金属钴把产生抗磨作用的硬质相 WC颗粒结合为一体，具有高耐磨性、高韧性和高硬度等特点。当局部钴黏结流失时，硬质相WC的结合强度将被削弱进而造成硬质相WC孤立以至脱落，其强度、韧性和耐磨性随之下降。

图4为WC－Co硬质合金圆盘刀刃口侧面磨损区与未磨损区的SEM照片。由图4可见，磨损区出现了组织疏松、WC颗粒裸露棱角分明的现象，而未磨损区组织致密，表面平整。表1是根据能谱分析测得的磨损区及非磨损区 W、Co元素质量相对含量的对比表。从表1中可以看出，磨损区的Co元素含量为未磨损区Co含量的64%，而W元素含量相对增加了。这说明圆盘刀在分切过程中Co元素发生了流失，导致W元素含量相对增加。

图4 圆盘刀刃口附件的SEM图

表1 W元素和Co元素相对百分含量比较 %

3.2.2疲劳磨损

Larsen－basse［6］的研究认为，硬质合金中钴含量的减少会降低其表面韧性，减弱其抗裂纹扩展能力。硬质合金圆盘刀的滚剪分切里程一般在100km以上，在分切过程中圆盘刀刃口局部承受的应力大且集中，由于频繁的挤压、剪切、摩擦和循环交变的机械载荷作用以及刃口局部失钴造成的材料性能下降等因素作用，在刃口区易出现疲劳微裂纹，继而在循环应力的作用下，会沿着圆盘刀侧面向中心扩展，当裂纹增长到一定程度，应力达到刀具材料的强度极限时就会造成刀具刃口的局部微破损，如图5所示。

图5 硬质合金圆盘刀机械疲劳损伤SEM照片

在金属板材的压力和摩擦力作用下，圆盘刀侧面产生方向相同而有规律的划痕，如图5b所示，一方面，由于硬质合金刀具表面钴黏结相流失后造成WC硬质相黏结强度降低，破坏了稳定的材料组织结构，使 WC颗粒裸露，容易从刀具基体中脱落形成硬质磨粒，产生与相对滑动方向一致的犁沟状磨损痕迹；另一方面，金属板材分切面形成过程中切口的材料加工硬化带会对圆盘刀侧面产生周期性挤压和摩擦，形成二体磨损，同时材料加工硬化的微屑成为作用于圆盘刀侧面的磨粒也会产生磨损。

3.2.3黏结磨损

金属板材分切是依靠圆盘刀切削刃的循环滚剪实现的，由于上下圆盘刀之间的轴向间隙很小，且圆盘刀刃口某一点持续剪切的时间很短（数ms），在小间隙、短时间内圆盘刀会承受很大的剪切力反作用力和金属板材分切面对圆盘刀侧面的正压力以及摩擦力，使圆盘刀刃口侧面产生磨损，其磨损形态如图6所示。由图6可见，圆盘刀侧面形成很多凹坑、WC颗粒裸露，另外在磨损区域发现具有挤压痕迹的黏附物（见图6中方框所示），经能谱分析其主要成分为Fe、Cr等元素（成分含量列于表2），证明这些黏附物是金属板材碎屑黏附着在刀具上形成的。这是由于圆盘刀侧边与金属板材分切面处于接触状态，且有较大接触压力，使分切材料部分冷焊在圆盘刀侧面。这些黏结层在循环分切过程中不断脱落后又重新形成，脱落过程有可能造成Co元素的损失或 WC硬质相的脱落，加剧磨损过程。

图6 圆盘刀刃口侧面磨损形貌SEM照片

表2 图6中区域3处的EDS分析结果 %

4 结论

（1）圆盘刀滚剪分切加工过程中，上下圆盘刀使进入作用区的金属板材产生弹性变形、剪切变形直至形成裂纹并扩展而分离，作用于圆盘刀切削刃局部的剪切力随剪切进程发生由小到大再减小的周期变化，从宏观来看，圆盘刀圆柱面受到正压力作用、圆盘刀侧面与金属板材分切断面产生挤压力和摩擦作用。

（2）在硅钢片的圆盘刀滚剪分切加工过程中，硬质合金圆盘刀的磨损形式为切削刃过渡圆弧半径增大，切削刃附近圆柱面和侧面粗糙度增大，刃口侧面形成0.35mm左右的磨损带，导致刃口变钝。

（3）硬质合金圆盘刀的磨损机理主要为失钴磨损、疲劳磨损、黏结磨损，其中以失钴磨损和疲劳磨损居主导地位，磨损区失钴使得钴黏结相对WC硬质相的结合作用削弱，造成WC颗粒的裸露脱落，导致硬质合金刀具耐磨性能降低、磨损加剧。

［1］叶明德.金属板材精密裁切100问［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

［2］阎秋生，黄升伟，李忠荣，等.金属带材少无毛刺精密分切加工新工艺分析［J］.中国机械工程，2012，23（17）：2102－2106.Yan Qiusheng，Huang Shengwei，Li Zhongrong，et al.New Technology Analysis on Metal Strips No－burr Precision Slitting［J］.China Mechanical Engineering，2012，23（17）：2102－2106.

［3］介升旗，吕宏伟，刘丽.圆盘剪纵剪钢带边缘质量影响因素［J］.焊管，2010，33（5）：60－63.Jie Shengqi，LüHongwei，Liu Li.Effect Factors for Strip Edge Quality of Disc－cutting Slitting［J］.Welded Pipe and Tube，2010，33（5）：60－63.

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