硬质合金材料加工研究进展
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2024-08-27 16:57
四川
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张昌娟，王俊皓，焦锋，曹永静. 硬质合金材料加工研究进展[J]. 工具技术, 2024, 58(7):3-12.Zhang Changjuan,Wang Junhao,Jiao Feng,Cao Yongjing. Research process in cemented carbide machining[J]. Tool Engineering, 2024, 58(7):3-12.硬质合金是通过粉末冶金技术将难熔金属过渡元素（Nb，Ti，Cr等）的碳化物（NbC，TiC等）、铁族元素（Ni，Fe等）和其他微量元素粉末一起加工成的具有硬质相和黏结相组织结构特征的金属—陶瓷复合材料，其硬度、抗压强度、耐热性以及耐磨性较为优异，同时与陶瓷材料相比又具备更高的韧性及强度，在金属切削加工、石油矿山工具以及模具、耐磨零件制造等方面得到了广泛应用。然而，硬质合金存在高脆性、低断裂韧性、弹性极限和强度非常接近等缺陷，材料一旦受力超过弹性极限时就会发生断裂破坏，并在已加工表面产生裂纹和凹坑，降低工件表面质量，是典型的难加工材料。因此，材料特性是影响硬质合金机械加工性的重要因素。目前，学者们对硬质合金材料进行了诸多研究。赵玉玲等采用传统粉末冶金技术制备四种不同Co，Ni黏结相比例的WC-14%（Co，Ni）硬质合金样品，并分析了钴镍比例对硬质合金硬度、断裂韧性及抗弯强度的影响。周红翠等发现添加Ru元素能有效抑制WC晶粒的异常长大，提高黏结相Co的显微硬度以及合金的整体硬度。韩小伟等在传统WC-Co硬质合金中添加一定含量Ti化合物，从而在一定程度上改善了材料的硬度、韧性、抗腐蚀性等性能。查正卫利用硬质合金刀具对Al6061铝合金进行了端铣和侧铣，通过正交试验分析得出，进给量对工件表面加工质量的影响程度远大于精加工余量和切削速度对表面质量的影响。丁怀博等针对涂层硬质合金刀具精密切削加工Inconel 718镍基高温合金时的刀具磨损性能进行试验研究得出，涂层硬质合金刀具前、后刀面极易发生月牙洼磨损、沟槽磨损以及崩刃的结论。另外，胡小龙等针对高速切削钛合金的涂层硬质合金刀具黏结磨损也进行了试验研究。以上文献研究的重点主要集中在硬质合金的材料制备和硬质合金刀具的切削性能方面，而针对硬质合金的加工尤其是硬质合金的精密、超精密加工和超精密复合加工的研究较少。因此，解决硬质合金材料的难加工问题成为各国学者研究的热点，深入、系统地研究硬质合金材料的切削加工技术具有重要意义。本文综述了硬质合金加工的研究现状，阐述了硬质合金的分类、性能特点以及切削加工特点，总结了硬质合金的磨削加工、切削加工、电火花加工以及精密复合加工等加工方法的研究现状及其发展，讨论了不同加工方法的加工机理及其对硬质合金表面质量的影响，并对各种加工方法的优缺点、存在问题及发展趋势进行了分析。硬质合金具有一系列优良性能，在现代工具材料、耐磨材料、耐腐蚀和耐高温材料等方面占据重要地位，在国民经济各领域得到广泛应用。硬质合金材料可以根据应用范围、结构与成分、WC颗粒尺寸三种方式进行划分。切削工具用硬质合金：硬质合金具有高耐磨性和优异的红硬性，可制作各种切削工具（约占硬质合金总产量的1/3），主要用于切削铸铁、耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢、玻璃等。表1为各类刀具消费额占刀具总消费额的百分比及每种刀具内不同刀具材料的比例。冲击工具用硬质合金：在地质、矿山凿岩（如隧道掘进、竖井钻进和天井钻探）等方面对工具的要求极其苛刻，要求工具既有高耐磨性以适应坚硬的岩石，又有足够的韧性以承受振动和冲击负荷，而本身不能破碎。硬质合金具有高弹性模量、高耐磨性和适宜的断裂韧性的良好组合，因而在地质、矿山凿岩等耐磨耐冲击领域得到了广泛应用（约占硬质合金总产量的30%）。目前硬质合金冲击工具材料主要有不均匀结构硬质合金、低钴超粗晶粒硬质合金和梯度结构硬质合金冲击工具材料等。
耐磨耐蚀零部件用硬质合金：硬质合金的主要成分是难熔的金属过渡元素（Nb，Ti，Cr等）的碳化物（NbC，TiC等）、铁族元素（Ni，Fe等）和其他微量元素粉末，均具有高硬度、高耐磨损性能以及高化学稳定性，因此硬质合金在耐磨耐腐蚀等零部件中有着重要用途。硬质合金耐腐蚀耐磨零部件主要有梯度结构硬质合金顶锤、复合结构合金辊环以及硬质合金模具等，其中模具用硬质合金约占硬质合金总产量的20%。硬质合金切削工具材料按成分和结构可划分为以下7大类体系。WC-Co系：WC-Co硬质合金代号为YG，主要成分为WC和黏结剂Co，具有较高的抗弯强度、冲击韧性和良好的磨削性、导热性，这类硬质合金应用比例占整个硬质合金产品的50%以上，大多用于加工铸铁、有色金属及其合金等。WC-TiC-Co系：WC-TiC-Co合金的主要成分是WC，TiC及Co，牌号由YT和碳化钛平均含量组成。该类硬质合金适用于加工钢材，导热性较差，切削时传入刀具的热量较少。当钴含量较高、碳化钛含量较少时，抗弯强度较高，承受冲击能力强，适用于粗加工。WC-TiC-TaC(NbC)-Co系：WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬质合金的牌号由YW加顺序号组成类合金，一般用于加工合金钢、镍铬不锈钢等。TaC或NbC可以提高合金的高温硬度以及强度，将TaC加入WC-TiC-Co合金中能使高温硬度提高50HV以上。另外，TaC或NbC可以抑制烧结时的WC晶粒长大，使合金晶粒得到细化的同时材料的各方面性能得以提高。TiCN基硬质合金：TiCN基硬质合金以TiCN为主要成分，以Co-Ni为黏结剂，以其他碳化物（如WC，Mo2C等）为添加剂。该类合金又称金属陶瓷，最早以TiC-Ni合金形式出现，具有高温性能优、密度低等特点，但是韧性差。钢结硬质合金：钢结硬质合金的硬质相一般是WC或TiC，黏结相是钢，主要是由粉末冶金技术制成。不仅具有硬质合金的优异特性，还具备一般工具钢的各项可加工性。钢结硬质合金按照黏结相的成分可以分为碳素钢结硬质合金和不锈钢结硬质合金等。
涂层硬质合金：通常在韧性的碳化钨基硬质合金基体上，通过化学气相沉积或物理涂层方法，涂覆几微米厚的TiC，TiN，Ti(C，N)，Al2O3等硬质化合物。涂层硬质合金具有很高的室温和高温硬度、良好的抗氧化性、抗月牙洼磨损性能、较小的摩擦系数、被加工件表面粗糙度低和工具使用寿命长等优点。梯度结构硬质合金切削工具材料：一般先对WC-TiC-TaC(NbC)-TiCN-Co硬质合金进行梯度处理，使其表层形成缺立方相碳化钨和碳氧化合物的韧性区域，即表面为富Co的WC+Co薄层，然后在此基础上涂覆TiC，Al2O3等单层涂层或TiC-Ti(C，N)-TiN等多层涂层，使合金兼有高钴硬质合金的断裂韧性和低钴硬质合金的抗塑性变形能力，不仅可以改善韧性，而且可以增强抗性能，实现刀具使用寿命大幅提高以及工件表面裂纹急剧减少。关于硬质合金的晶粒度范围，目前仍未形成统一的标准。根据WC晶粒度尺寸不同，一般将硬质合金分为九类。表2分别列出了硬质合金生产厂家Sandvik（A）和英国硬质合金协会（B）制定的硬质合金WC晶粒度分级标准。不同用途的硬质合金采用不同粒度的WC作原料。用于精加工刀具的硬质合金采用超细、亚细、细颗粒WC，粗加工刀具的硬质合金采用中颗粒WC，重力切削和重型切削刀具的硬质合金采用中、粗颗粒WC做原料；冲击工具用硬质合金在岩石硬度高、冲击负荷大时，采用粗颗粒WC；在岩石冲击小、冲击负荷小时，采用中颗粒WC做原料；当强调耐磨零件用硬质合金的耐磨性、抗压和表面粗糙度时，采用超细、亚细、细、中颗粒WC作原料。高硬度和高耐磨性：硬质合金中钴含量影响其硬度大小，在合理范围内，随着钴含量增加，硬质合金硬度随之降低，其硬度范围为HRA80~94。高红硬性：硬质合金的红硬性极高，当温度达到800℃时，硬度仍然有室温时的一半以上。硬质合金在高温工作环境中仍旧可以保留其较高的硬度，性能极其优异。高弹性模量、高抗压强度：在常温下不会发生明显的塑性变形，且在较高压强工作环境、承受较大应力作用下仍能保持形状精度。稳定的化学性质：硬质合金的化学性质极其稳定，并且耐酸与耐碱性能优异，保证了在高温条件下也不会发生明显的化学反应。高导热率：与普通钢材相比硬质合金的导热率要高出1倍以上，数值在0.58~0.88J/（cm·s·℃），且热膨胀系数较小，高温工作环境中因热膨胀引起的工件尺寸误差也较小。上述优点保证了硬质合金即使在复杂恶劣的环境下仍能具有良好的综合性能，从而发挥重要作用。一般情况下，硬质合金材料的工作环境非常恶劣，因此为了保证更好地发挥其优良性能，对整体零部件的加工质量要求较高，这使得硬质合金的切削加工十分困难。硬质合金材料切削加工时的特点如下：脆性大：硬质合金的塑性极差且脆性较大，所以在切削时极易出现崩边的现象，并且硬质合金的高硬度使得切削加工性较差，加工极其困难。同时，在工件加工表面容易产生凹坑、裂纹等微观缺陷，从而发生脆性破坏，大幅降低工件表面质量。切削力大：由于硬质合金的高硬度与高耐磨性，在加工时需要较大的切削力才能将材料有效去除。刀具磨损严重：硬质合金的高耐磨性、高抗压强度和高红硬性共同决定了其加工时的难度，普通刀具在加工时极易磨损破坏，所以一般采用更坚硬的金刚石刀具。由于硬质合金在粉末冶金制造过程中不能一次成形达到零件所需的尺寸精度、形状精度、位置精度以及表面粗糙度要求，往往要进行后续加工，而粉末冶金件通常对应变速率较为敏感，在高应变速率下加工容易产生裂纹。国内外学者已经对硬质合金相关的加工技术做了许多研究工作，并取得了不少研究成果。基于现有的研究成果和工程应用，常用的硬质合金机械加工方式仍采用磨削。任莹晖针对纳米硬质合金的磨削理论和工艺进行了试验研究发现，相同磨削条件下减小晶粒度可以获得更好的硬质合金表面粗糙度，且单颗磨粒的最大未变形切削厚度随着表面粗糙度的增大而增大。丁春生等针对晶粒度大小对磨削性能的影响进行了试验研究，得出三种K类硬质合金RB10/RX10/RX10UF的耐磨性随晶粒度的增大而降低的结论。邱健等关于陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削硬质合金的表面质量研究表明：高速磨削的表面粗糙度更低；逆磨的效果要比顺磨好，且表面粗糙度值随着砂轮速度的增加而下降更快。田笑对超细硬质合金磨削能耗及表面质量进行了试验研究，结果表明，随着砂轮速度的增加，脆性断裂减少，工件表面质量提高；随着工件进给速度的增加，工件表面划痕由浅变深，且表面粗糙度增加，脆性断裂增多。詹友基等分别对纳米硬质合金、超细硬质合金及普通硬质合金进行了平面磨削，研究发现，随着晶粒度变细，磨削温度会逐渐上升，且工件热量分配占比较高。卢继等采用不同砂轮进行了YG8硬质合金合金的磨削试验，与CBN电镀砂轮相比，树脂结合剂立方氮化硼砂轮在磨削过程中可以获得较好的工件表面质量，同时可以减少加工过程中的脆性断裂以及材料堆积。Zhang F.等在对WC硬质合金磨削时使用了低温纳米润滑技术，结果表明，添加适当的纳米润滑剂和较低温度的加工环境，可以有效降低磨削温度并提高磨削表面质量。陈哲等使用树脂结合剂金刚石砂轮对硬质合金进行磨削加工研究，发现金刚石堆积磨料应用在树脂结合剂砂轮中可以有效改善磨削加工过程的材料去除效率与表面质量。由此可见，磨削加工硬质合金可以获得较高的磨削效率和较好的表面质量。但是，硬质合金粉末冶金材料特有的多孔特性致使部分硬质合金的磨削性能较差，同时依然存在磨削过程中砂轮磨粒分布均匀性低以及砂轮阻塞导致磨削力增加等问题依然存在，在一定程度上影响工件表面质量和加工精度的提高，难以满足硬质合金精密超精密加工技术的要求。随着科学技术的高速发展，各类高硬度刀具、精密加工所需的机床以及制造技术已发展到很高的水平，使高效精密切削加工硬质合金等难加工材料成为可能。Liu K.等对硬质合金延性高速铣削刀具磨损特性的研究表明，刀具磨损主要发生在刀具侧面，刀具磨损机制以扩散磨损和黏附磨损为主，且工件表面粗糙度并没有随着刀具后刀面的磨损而发生显著变化。Liu K.等对碳化钨的延性切割进行了理论和实验研究，结果表明，当未变形切削厚度超过临界值时，切削形式会发生脆延转换。Bulla B.等开展了超精密金刚石延性车削加工无黏结剂纳米碳化钨试验，研究发现，加工参数以及刀具几何形状对加工条件和刀具磨损有很大影响，且刀具半径越小刀具磨损越严重。由此可见，有关硬质合金切削加工的研究目前主要集中在延性切削和硬切削。作为硬脆材料，硬质合金切削过程中依然存在切削力大、刀具磨损严重以及脆性断裂等问题，难以获得理想的表面质量。因此，在切削过程中如何减少甚至消除脆性断裂来实现硬质合金的高质量、高效率加工仍需深入研究。电火花加工适用于各种导电材料，由于不受工件材料限制，且在加工时几乎没有切削力，电火花加工硬质合金等高硬度难加工材料具有一定优势，其主要依赖电极与工件之间产生的脉冲火花电蚀作用去除工件材料，从而实现高硬度导电材料的高效精密加工。张高萍等采用电火花对硬质合金材料进行加工试验，分析了各项电参数对加工速度以及电极损耗和工件表面质量的影响规律。Puertas I.等研究了电火花加工参数对WC-Co硬质合金表面质量、磁流变以及电火花加工的影响并指出，为了获得更好的表面质量，加工过程中应采用较低的强度与脉冲时间。苏伟等研究电火花线切割对硬质合金加工影响时发现，采用中走丝电火花线切割二次切割可以有效降低加工表面粗糙度以及裂纹深度。Jan M.P.等进行了微细电火花加工碳化钨试验研究，结果表明，加工过程中放电能量以及电极材料的电学和热学性能对表面特性有很大影响。Sordetti F.等通过对硬质合金进行电火花加工发现，加工后的零件表面会产生一层蚀变层，密切影响工件的磨损性能。Juhr H.等对脉冲成型改善电火花线切割硬质合金性能进行研究，结果表明，为硬质合金电火花线切割加工开发的新脉冲能量源能大幅减少轮缘损伤，提高机械加工生产效率，显著降低生产成本。由此可见，电火花加工硬质合金可以降低加工成本，提高加工效率及表面质量。然而，由于硬质合金材料的熔点高、导电率低以及脆性大等特点，电火花加工过程中工具损耗较大，加工效率相对较低。另外，电火花加工过程主要依赖高温电火花蚀除，所以工件容易在高温中产生各类表面损伤（如再铸层等），不仅会降低工件表面质量，同时也将影响工件的材料性能。因此，进一步完善硬质合金材料性能，从而降低电火花加工过程中热应力作用带来的不利影响，对提高硬质合金电火花加工效率和加工质量具有一定的研究意义和应用价值。机械磨削加工与电化学加工复合的方法称为电解磨削。将具有导电性的工件和导电砂轮分别与电源的正负极相连，金属结合剂与工件之间会存在一定密度的磨粒使两者保持一定间隙。电源分别与导电砂轮和金属工件相连，利用电化学作用电解工件加工表面从而生成均匀钝化膜，再通过磨削的方式对其进行去除，通过磨削与电解的交替作用，最终实现材料去除。该复合方法兼具两者优点，不仅可以提高加工效率也可以获得较高的加工表面质量。图1为电解磨削原理。为了解决硬质合金加工难题，徐波等采用电解磨削加工方式对硬质合金展开研究，试验结果表明，材料去除量与电压和进给速度基本成正比，而占空比以及脉宽的变大会导致加工时间增加，达到一定程度时磨削速度会被钝化膜生成速度反超，从而导致工件的去除率降低。Wu Q.等研究了含碳纳米管电解液对硬质合金电解磨削的影响，结果表明，含碳纳米管的应用可以有效降低残余应力，显著改善磨削表面粗糙度。戚桓瑜主要对电解加工硬质合金过程中的材料属性及电解原液选择进行了分析，相较于普通机械加工，电解加工硬质合金可以在一定程度上改善表面粗糙度以及砂轮磨损。Puri A.B.等对硬质合金进行了电化学磨削试验，结果表明，电压、切削速度与材料的去除率、表面粗糙度的CLA值密切相关。施远等对YG15硬质合金进行电化学腐蚀机理研究得出，合理的参数可以提高表面质量及去除率。由此可见，硬质合金电解磨削过程中，电化学作用在减轻工件表面磨削烧伤的同时对改善表面质量和提高零件使用性能也提供了很大帮助。但电解磨削硬质合金过程中材料的集中去除力较弱，被加工表面难以平整，加工精度不易控制，需要进一步深入研究电化学腐蚀作用机理。电火花磨削是将传统电火花加工与机械磨削加工复合的精密加工方法。脉冲电源的正负极分别与工件和砂轮相连，电火花放电主要取决于工件与金属结合剂之间的距离。放电瞬时会产生极高的温度，将工件材料的表面熔化甚至气化，同时通过磨削的方式将突出的材料去除，如图2所示。由于不受材料强度和硬度等限制，电火花加工被认为是加工导电超硬材料的主要方法，电火花加工与磨削相互创造有利条件，既提高了加工效率，又改善了工件加工质量。刘宇等进行了电火花磨削复合加工硬质合金的试验研究，得出表面粗糙度、材料去除效率与峰值电流、转速密切相关。Koshy P.等对金刚石电火花磨削过程中的材料去除机理进行研究，基于提出的模型（见图3）分析放电引起的工作材料热软化及其对法向力的影响发现，电火花作用可以改善高硬度材料的软化效果，降低加工时所需的力学参数，从而有效提高加工效率并改善工件表面质量。沈斌等使用金属结合剂金刚石砂轮对硬质合金进行电火花磨削加工研究发现，在粗加工时采用大电流、狭脉宽和高频率，能成倍提高生产率。Koshy P.等针对硬质合金的电火花辅助磨削加工进行了研究，试验结果表明，磨削硬质合金时，在磨削区引入电火花放电可以提高砂轮的磨削性能。潘运清等针对电火花磨削加工硬质合金涂层球面进行研究，实验结果显示，对复合加工影响明显的参数有脉冲宽度以及峰值电流与电压。由此可见，工艺参数对电火花磨削硬质合金的加工性能具有重要影响，确定合理的工艺参数以提高工件表面完整性及加工效率仍需进行深入研究。20世纪80年代，德国Fraunhofer学院生产中心提出了激光辅助切削的加工方法，主要用于解决高硬度难加工材料的加工难题，尤其是硬质合金这种高硬脆材料的加工。图4为激光加热辅助切削原理，将高能激光束聚焦于切削刃前的工件材料，工件材料被切削去除前切削区温度达到工件材料的最佳软化温度，从而实现工件材料的塑性变形，减小切削力及刀具磨损，改善表面质量，提高加工效率。![]()
图4 激光加热辅助切削原理吴贤针对硬质合金的激光氧化辅助铣削进行了研究，提出传统铣削与激光辅助相结合的复合加工方法。研究表明：在热影响层去除前工件表面质量较差，分布着大量裂纹、破碎、剥落等缺陷；表面缺陷被去除后，加工表面轮廓和轮廓曲线与常规微细铣削并无差异，但相较于普通铣削，刀具磨损减少。Wu X.等对硬质合金进行了激光氧化辅助微铣削，加工原理见图5。结果表明，激光照射后的硬质合金表面形成一种多孔氧化层，表面硬度降低80%，更利于微铣刀去除，并且显著提高加工后的工件表面质量。Zhao G.等通过对WC-CO硬质合金进行激光氧化辅助微铣削，并与常规微铣削下的铣削力、刀具磨损和加工微槽表面质量进行了分析对比。结果表明，激光氧化辅助微铣去除氧化层时产生的切削力Fx和推力Fy最大程度分别降低了56%和58%。表面粗糙度Sa增长缓慢，加工表面质量优于传统微铣削，同时刀具使用寿命可提升1倍以上。张昌娟等建立了灰色预测模型以及灰色马尔克夫预测模型来研究激光辅助切削硬质合金过程中的刀具磨损情况。结果表明，两种模型预测值与实测值误差较小，特别是灰色马尔克夫模型拟合精度更高，结果更可靠，能更好地满足工程需要。Przestacki D.等针对激光辅助车削硬质合金覆层进行研究，试验结果表明：激光辅助作用可以促进塑性区的切屑脱粘；随着切削速度的增加，切削力和最小未切削厚度均增大。可见，在加工硬质合金等难加工材料方面，激光加热辅助切削是一种非常有前景的加工方法。然而激光加热辅助切削硬质合金相关的研究应用较少，且现有研究结果并不理想。另外，需要进一步研究激光加热辅助切削过程中的温控稳定性及其对材料本构特征的影响，改善激光加热辅助切削过程中工件材料内部产生的热应力和热裂纹，提高加工质量。超声振动辅助加工是在刀具或工件上施加超高频率的超声振动从而对工件进行加工的一种特种加工方法，图6为超声振动辅助切削原理。加工过程中刀具和工件产生间歇性分离，当对脆性材料进行切削时，超声振动能够提高材料从脆性域向延性域转变的临界切削深度，可在一定程度上降低切削力和切削温度，提高刀具寿命，减少表面残余应力，改善表面质量。Zhang J.等对单晶金刚石椭圆振动切削硬质合金进行了研究，结果表明，较小的晶粒尺寸有利于减少脆性断裂，容易获得较好的表面质量。Nath C.等对PCD刀具超声椭圆振动切削硬质合金的切削性能进行了试验研究，得出转速比的增加会导致切削力和刀具磨损增加，刀具寿命缩短，表面粗糙度值增加。Liu K.等对超声振动辅助延性切削碳化钨的特性进行研究，试验结果表明，当最大未变形切削厚度小于临界值时可以实现延性模式切削。Nath C.等研究了碳化钨硬质合金的超声椭圆振动切削，结果表明，与传统切削相比，超声椭圆振动切削在各个方面都具有更好的切削性能，能大幅降低切削力和刀具磨损程度，获得的最小表面粗糙度，为0.036μm。与传统切削方法相比，超声振动辅助切削可以降低切削力和切削温度，延长刀具使用寿命，改善工件表面质量，适用于硬质合金的精密高效加工。但超声振动切削硬质合金的作用机理尚无统一结论，仍需进一步研究超声振动对材料本构特征和材料去除规律的作用机理。激光超声复合切削是在激光加热辅助切削的基础上对刀具附加超声振动的加工方法，其原理见图7。通过将高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被切除前的短时间内将局部加热到很高的温度，使材料的切削性能在高温下发生改变，降低屈服应力和硬度，软化材料；对刀具或工件施加高频超声振动，避免切削时刀具后刀面与已加工表面之间长时间摩擦，同时缓解刀具的崩刃破损和对工件加工质量的不利影响。激光超声复合切削充分利用超声振动和热加工的优点，在一定程度上减小了刀具磨损，降低了加工成本，提高了加工质量。段鹏针对激光超声复合切削加工硬质合金的机理进行研究，得出激光超声复合切削可以实现难加工材料延性域切削的结论。Jiao F.等针对碳化钨激光加热超声振动切削刀具的磨损特性进行研究。通过与传统切削、激光辅助切削和二维超声振动切削相比较，分析了不同切削方式下不同刀具的磨损特性及磨损机理，并讨论了刀具磨损对工件加工精度及表面质量的影响规律。张明军等通过对钨钴类硬质合金进行激光超声复合加工，分析了加工参数对表面粗糙度的影响。结果表明，对于表面质量的影响程度方面，激光功率和进给速度比背吃刀量及主切削速度起的作用更大，粗糙度值随激光功率和切削速度的增大先减后增，随着背吃刀量和进给速度的增加而增大。牛赢针对硬质合金激光超声辅助切削刀具磨损的特性进行研究，结果表明，激光加热与二维超声振动切削复合能有效减少后刀面磨损，延长刀具使用寿命，同时能够有效保证加工尺寸精度，提高工件表面质量，降低切削力。史龙飞针对激光超声复合加工硬质合金时各种参数的影响做了探究试验，通过修正有限元模型仿真试验结果得出，激光功率和进给速度对表面质量有较显著影响，而背吃刀量和主切削速度对表面质量的影响相对较小。李杰针对硬质合金超声激光辅助的切削形式进行研究发现，激光超声辅助加工过程中工件表面粗糙度与临界切削速度相关，当靠近临界切削速度时工件表面粗糙度值会突然增大。由此可见，激光超声复合切削以其优异的特性成功应用于硬质合金的精密高效加工。但目前激光超声复合切削加工仍处于基础研究阶段，只是从试验角度对切削力、切削温度、刀具磨损及表面质量进行了初步分析，对复杂加工条件下的材料去除机理需要深入研究，如何正确获得加工过程中热—力耦合关系及合理的加工参数更需要进一步探索。硬质合金材料的制备及应用一直受到研究机构和相关研究人员的高度重视，其切削加工性能也已成为切削研究的重要方向之一，如何在复杂工况下获得更高的加工质量、实现硬质合金材料的高效精密加工一直是学者们关注的焦点。基于以上分析，得到如下结论。（1）与传统加工方式相比，硬质合金材料的精密复合加工方法具有一定优势。（2）硬质合金的高硬度及高耐磨性使切削、磨削等传统加工方式在加工硬质合金时刀具及磨具磨损严重，工件表面易产生热裂纹等热损伤，表面完整性较差，同时加工所需的金刚石刀具价格昂贵，增加了加工成本。电火花加工硬质合金可以在一定程度上降低加工成本，提高表面质量，但硬质合金的高熔点、低导电率以及高脆性使得加工过程供给损耗大，效率相对较低。因此，虽然硬质合金的传统加工方法技术成熟，但加工效率低，刀具问题在一定程度上阻碍硬质合金材料的推广使用。（3）硬质合金的精密复合加工方法可以降低切削力、改善刀具磨损及提高加工质量。电解磨削、电火花磨削硬质合金可以减轻表面磨削烧伤，同时提高加工零件的使用性能；超声振动辅助切削可以有效降低切削力及切削温度，大幅改善硬质合金表面质量；激光加热辅助切削通过软化硬质合金材料，降低切削力、切削比能、表面粗糙度及刀具磨损，提高加工效率；激光超声复合加工方法充分结合超声振动辅助切削和激光加热辅助的优点，一定程度上降低了加工成本，提高了加工质量。（4）硬质合金材料的电解磨削、电火花磨削过程中合理工艺参数的确定，超声振动辅助切削过程中声学系统的稳定性及振幅最优匹配规律，激光加热辅助切削过程中温度监测及控制，以及激光超声复合切削过程中的热—力耦合关系、材料去除机理等方面，仍是硬质合金加工研究的关键，对硬质合金材料的高效精密加工技术进行深入研究具有重要意义。⊙文章版权归《工具技术》所有，欢迎转发，转载请联系。E-mail：toolmagazine@chinatool.nethttp://gjjs.cbpt.cnki.net工研所官方微信
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