钨钢加工的挑战：汉鼎超声波如何克服钨钢加工难点

2022年09月01日

关于钨钢材料

图1. 钨钢材料块材示意图

钨钢（Tungsten Carbide），主要由碳化钨（WC）及钴（Co）所构成的硬质合金。钨钢可说是最硬、最耐磨的金属之一，其硬度及密度约为钢铁（steel）的二至三倍。钨钢具硬度高、耐磨、耐热及耐腐蚀等优良性能，尤其是高硬度和耐磨性。钨钢的莫氏硬度约为8.5～9，且钨钢的材料特性使它即使处在高温险峻的环境下，材料也不易氧化变质。

钨钢常用于高精度机械加工、高精度刀具材料、车床、冲击钻钻头、玻璃刀刀头、瓷砖割刀之上，坚硬不怕退火，但质脆。钨钢材料的高硬度及耐热性被广泛应用在许多产业，例如金属加工、金属模具、钨钢模具、耐磨零件、金属成形刀具、精密轴承、喷嘴、锯片切割刀片、电子产业零件等。其中钨钢在精密机械产业应用在许多产品，最常被用作切削刀具材料；另外，高硬度、耐磨特性也让钨钢经常被用来制作适用于高速高温环境下的高性能磨耗零件。

如何加工钨钢？

由于钨钢具高硬度材料特性，使其难以使用传统车床、铣床或钻孔加工。虽然还是可以使用一些特殊刀具，包括PCD 、CBN 及陶瓷刀具，但这些切削刀具通常很快就会因为钨钢的高硬度而产生严重磨耗，失去其锐利度。

图2. 金属材料研磨加工过程

一般而言，会使用钻石磨棒来进行钨钢的研磨加工，或是使用放电加工（EDM）的方式来加工钨钢材料。虽然钨钢可以使用上述工法来做加工，但实际上，在这些钨钢加工的过程中，一直以来都面临到加工效率与工件加工质量的挑战。

钨钢加工难点

钨钢加工：工件加工质量与刀具寿命的挑战

钨钢的高硬度使其极度难以加工。具备高硬度的材料通常也带有质脆的特性，因此钨钢的硬脆性使其在加工过程中，容易产生脆性断裂、开裂。一般来说，难以使用传统的加工手法来加工钨钢材料。虽然可以使用一些特殊的刀具，如PCD 、CBN 及陶瓷刀具来进行钨钢加工，但这些刀具很容易因为磨耗而变钝。

图3. 工业用钨钢切削刀具

钨钢加工：加工效率的挑战

在进行钨钢加工时，控制好刀具的振动以及切削力是非常重要的。由于钨钢具有高密度及硬脆特性，若没有控制好刀具振动及切削力，工件很容易产生细微裂痕或碎片。因此，钨钢加工的过程通常极为费时，充满挑战。

汉鼎超声波能为钨钢加工带来哪些助益呢？

图4. 汉鼎超声波应用于钨钢加工过程

汉鼎的超声波辅助加工技术提供刀具一个高频率，每秒超过20,000次的纵向微振动。这样的机制可有效降低切削力，并且帮助排屑过程更顺畅。

图5. 汉鼎超声波加工技术带来高频纵向振动辅助排屑过程

超声波高频率振动不仅减少刀具和工件之间的摩擦力，还能有机会提升进给率。如此一来，大幅提升了工件加工质量及刀具寿命的稳定性；进给率的提高也节省了加工时间，有效提升加工效率。

图6. 汉鼎超声波加工技术帮助降低切削力, 带来更稳定的刀具寿命

排屑过程变得顺畅能同时减少过量的切屑在刀具和工件上产生摩擦。汉鼎超声波辅助加工带来的高频率微振动，除了能更容易断屑以降低缠屑发生的情况之外，高速振动下的快速提刀、下刀，也让切削液更容易进入工件，达到有效的润滑。这也为工件加工质量及刀具寿命的稳定性带来很大的助益。

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汉鼎成功案例分享：钨钢加工

钨钢：镜面研磨加工

图7. 钨钢镜面研磨工件

汉鼎在一块20x20mm的钨钢块材上进行镜面研磨加工。使用汉鼎的HSKE40超声波刀柄，并整合中心出水、自动换刀及CNC自动化系统。完成整个加工工序（从粗磨到镜面研磨）仅使用一支刀具，且钨钢工件的表面加工质量达到光学镜面等级以上，Ra（表面粗糙度）值小于0.002μm。

这个加工工艺的产品被广泛应用在精密机械产业及汽车产业中，特别是用作钨钢模具、冲压模具零部件、螺丝及螺帽冲棒，或是高压平板油、气闸阀等。

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钨钢：内螺纹孔与外形研磨加工

图8. 钨钢内螺纹孔与外形研磨加工

汉鼎在一块50x70x10mm的钨钢块材上进行内螺纹孔（M10x1.5P）以及外形研磨（h形状）的加工。使用汉鼎的HSKA63超声波刀柄，并整合中心出水、自动换刀及CNC自动化系统。相较于传统放电加工须耗费超过12小时，汉鼎仅花不到5个小时完成整个加工工艺过程。其中h形状的表面粗糙度从原先Ra值大于0.8μm，完成加工后，平均Ra值小于0.1μm。

这个加工工艺的产品被广泛应用在精密机械产业与电子产业中，特别是用作钨钢精密模具、冲压模具零部件及冲棒。

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钨钢加工常见问题

Q1 如何确定一般用来加工钨钢的刀具是否适用于汉鼎超声波加工模组装备呢？

A1 汉鼎超声波加工模组能根据客户端使用的刀具，自动扫描到刀具适用的频率（标准频率范围20 – 32kHz）。此套装备也可依据客户端使用的特殊刀具，针对扫频范围作适当的调整。多年来，已获得多数国内外客户端实际的加工应用验证，一般加工厂常用的刀具皆适用汉鼎超声波加工模组装备。

图9. 汉鼎超声波加工驱动模组

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Q2 欲使用汉鼎超声波加工模组装备进行钨钢加工时，如何适当地调整进给率及超声波振幅等加工工艺参数呢？

A2 汉鼎拥有坚强的研发与技术团队，期望提供客户所需服务，并帮助客户克服加工钨钢时的难点。针对技术服务，其中包括提供优化后的加工工艺参数及其他相关服务，来确保客户端在使用汉鼎超声波辅助加工产品时，能获得最佳的使用体验。让客户了解到，这不仅是购买一项产品，更重要的是合作间知识与技术的交流。

图10. 汉鼎超声波加工刀柄

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参考资料
1. AZO Materials - What is Tungsten Carbide or Hard Metal?
2. A.L.M.T. Corp. SUMITOMO ELECTRIC GROUP - Characteristics of tungsten carbide
3. Premium Machining Co. - Machining of Tungsten Carbide