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钻头、车刀、铣刀的热处理 1.钻头的热处理 （1）普通钻头的热处理 通常钻头切削时切削速度较高，钻尖往往呈现红热状态，属于重切削，主要的失效形式是钻尖的后隙面磨损。钻头除要求有较高的耐磨性和一定的热硬性外，一定要有较好的韧性。钻头一般都采用高速钢制造，国内常用的牌号为W5Mo5Cr4V2、W18Cr4V和W9Mo3Cr4V。国外也采用M1（W2No8Cr4V）、M7（W2Mo9Cr4V2）、M10（Mo8Cr4V2）等牌号。在采用热轧法制造钻头时，还必须选择有较好热塑性的高速钢，国内工具厂一般都选用通用型高速钢，如W5Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V等牌号。切削难加工材料的钻头国外常采用M33（W2Mo10Cr4V2Co8）、M36（W6Mo5Cr4V2Co8）、M4（W5Mo5Cr4V4）和T15（W12Cr4V5Co5）等牌号高速钢。 据报道在国外用于深孔加工的钻头，由于切屑不易排除，要求更高的热硬性，常常采用钴高速钢制造，如采用M34（W2Mo8Cr4V2Co8）、M33（W2Mo10Cr4V2Co8）。根据国外试验，这两种钴高速钢制造的直径24mm的深孔钻头的寿命分别为M2（W5Mo5Cr4V2）高速钢钻头的2倍和3倍。 国内高速钢钻头热处理后的硬度要求为63～66HRC（直径3mm以下的小规格钻头除外）。国内高速钢钻头的淬火加热一般是在盐浴炉中进行的。W6Mo5Cr4V2钢钻头的淬火加热温度通常为1210～1230℃；W18Cr4V钢钻头的淬火温度通常为1260～1280℃；W9Mo3Cr4V钢钻头的淬火加热温度通常为1210～1230℃。高速钢钻头的淬火冷却在盐浴中进行分级冷却，国内工具厂常采用的分级冷却温度为580～620℃。但根据国外的经验，采用450～550℃分级淬火会有较高的寿命。 在钻头的热处理过程中，如何减少淬火畸变和对已经产生的畸变进行矫直是一个重要技术难题。减少钻头淬火畸变有以下几种方法：首先是在淬火之前进行去应力处理，对钻头毛坯进行700℃加热后空冷的正火，可以消除机械加工产生的应力；其次是在淬火加热之前要进行充分的预热，在淬火时尽量采合理的淬火温度和保温时间；最后是在冷却时采用稍高的分级冷却温度，必要时采用等温淬火，并且可以通过调节等温温度和等温时间来减少畸变。 钻头淬火时总是要产生畸变的，再好的热处理方法也很难做到100%合格，因此钻头淬火后的矫直也很重要。通常在工具热处理车间采用手工矫直，钻头矫直要花费大量的人工，并且矫直设备要占据车间很大生产面积。如何提高钻头矫直的效率对钻头热处理来说意义重大。因此，国内有很多专业工具厂试验制造了各种钻头矫直机械，在生产中发挥了重大作用。 图5-3所示为国内某工具厂用于锥柄钻头矫直的三辊矫直机，两个平行的下辊以200r/min的速度转动，上辊通过手动变向开关控制油压系统使其升降。矫直时用手钳夹持钻头送入两下辊之间，搬动变向开关使上辊压在钻头上面并滚动，于是弯曲部分逐渐矫直。 [size=0.85em]图5-3 用于钻头矫直的三辊矫直机 [size=0.7em]1—下辊 2—变向开关 3—上辊 4—液压缸 5—油管 6—代伐压力计 7—压力阀 8—液压泵 9—过滤罩 10—油箱 11—电动机 12、13、16—带轮 14—刃部 15—钻头 在国产的钻头中除大规格和特小规格以外其余规格大多数为轧制钻头，即采用四辊轧机生产的热轧钻头，此外还有一些较大规格的钻头采用轧扭方法制造。轧制钻头和轧扭钻头由于经过了高温加热，轧制温度和随后的退火对钻头的寿命有较大的影响，因此对轧制钻头和轧扭钻头来说选择最佳轧制温度和良好的热处理规范是非常重要的。 国外曾对W6Mo5Cr4V2高速钢进行过最佳轧制温度试验，轧制温度范围为1000～1150℃，变形率为0～80%。试验表明，W6Mo5Cr4V2高速钢在1025～1050℃温度范围内进行轧制，能保证高速钢的奥氏体晶粒度细小均匀，钻头有较高的强度和寿命。这是由于W6Mo5Cr4V2高速钢在1100℃开始再结晶（30%变形率时），过高的轧制温度会引起奥氏体晶粒的再结晶，晶粒粗大不均匀，因而钢的强度和工具的寿命下降。图5-4所示为W6Mo5Cr4V2高速钢轧制温度和轧制后的退火对试样强度的影响，所有3组试样全部经1230℃淬火，560℃回火3次（每次1h）处理，然后进行强度测试验。试验表明，W6Mo5Cr4V2高速钢在1050℃轧制时有最高的强度，轧制后经低温回火退火的试样比高温相变退火的试样强度高。 图5-5所示为钻头的寿命与轧制温度和退火规范的关系，试验结果表明，经1050℃轧制的钻头有最高的寿命，同时还表明轧制后直接热处理钻头的寿命比长时间退火后再热处理钻头的寿命长得多。 [size=0.85em]图5-4 W6Mo5Cr4V2高速钢的强度与轧制温度和退火规范的关系 [size=0.85em]图5-5 钻头的寿命与轧制温度和热处理规范的关系 [size=0.7em]1—轧制后直接热处理 2—轧制后860℃，10h退火后再热处理 如何提高高速钢钻的头寿命，美国Cliveland麻花钻公司在这方面有很好的经验。该公司的技术总监认为，钻头的制造技巧是包括材料、几何形状、热处理和质量保证等诸多环节的，钻头材料的质量保证起关键作用。该公司最早的钻头材料采用M1（W2Mo8Cr4V）高速钢，也曾采用过M2（W6Mo5Cr4V2）高速钢，后来又采用了M7（W2Mo9Cr4V2）高速钢。M7高速钢高的碳含量（1.00%～1.04%）和高的V含量（1.75%～2.05%）赋予钻头较好的耐磨性和较长的寿命。 热处理控制是影响钻头使用寿命的决定性因素。在美国麻花钻行业，热处理是标准的。钻头淬火采用常规的盐浴炉预热、加热和热浴冷却淬火。盐浴的温度控制和保温时间是非常关键的。美国Cliveland麻花钻公司从1920年以来都是用盐浴作加热介质的，他们认为这是一种理想的方法，它可以保证钢的表面的碳含量不改变。该公司曾试验高频感应淬火，但无法保证不过热，并且温度和时间都不好控制。该公司标准的回火方法是两次回火，回火后短时间内做喷砂处理。 美国Cliveland麻花钻公司把表面强化作为提高高速钢钻头寿命的重要手段，直径3.2mm以上的钻头热处理后进行盐浴渗氮，然后进行蒸汽处理。蒸汽处理早在1930年就开始应用，钻头的表面强化在切削工具中应用最早，用量最大。 （2）小规格钻头的热处理 直径3mm以下的小规格钻头（仪表钻头）的热处理与普通钻头有所不同。一方面是由于高速钢小规格钻头可以进行空冷淬火，另一方面高速钢小规格钻的失效形式与大规格钻头不同，据统计70%以上的小规格钻头由于折断而失效，当然有时是由于钻尖磨损切削阻力增大，导致钻头折断的。所以对小规格钻头除了要求有高的耐磨性外，还必须有高的强度和韧性以防切削时折断。小规格钻头在国内一般多用W6Mo5Cr4V2等牌号高速钢制造，硬度稍低于普通钻头，一般为62～65HRC。小规格钻头的热处理可以采用以下两种方法。 1）盐浴热处理。小规格钻头对热硬性要求不高，硬度也稍低于普通钻头，可以采用较低的淬火加热温度和正常的回火温度；也可以采用正常淬火加热温度和较高的温度（≥600℃）回火，可得到更高的强度和韧性的配合。具体的热处理工艺可以根据生产实际情况进行选择。 以下是W6Mo5Cr4V2高速钢小规格钻头的一种生产应用的热处理工艺，可以作为参考。由于小规格钻头尺寸很小，可以不用预热，在盐浴炉中采用1200～1210℃进行淬火加热，然后空冷淬火，并于560～580℃进行3次回火，每次回火1～1.5h。 小规格钻头采用专用淬火加热夹具效果很好，图5-6所示为小规格钻头淬火的专用夹具，钻头的柄部吸附于磁性夹具之上，刃部浸入盐浴中加热。 小规格钻头允许的热处理畸变甚小，淬火产生的畸变很难在冷状态下矫正，因此可采用如图5-7所示的预加应力的方法矫直，即采用回火热矫直的方法。把小规格钻头整齐地排列在正三角形的铁盒中，用楔铁插入施压，装夹后在硝盐炉或空气炉中回火。 [size=0.85em]图5-6 小钻头淬火用磁性夹具 [size=0.7em]1—钻头 2—钢板 3—磁铁 4—手柄 [size=0.85em]图5-7 小钻头回火矫直夹具 [size=0.7em]1—钻头 2—压板 3—楔铁 4—上盖 5—三角盒 2）真空热处理。高速钢小钻头采用真空热处理工可以提高生产效率，避免淬火脱碳，减少热处理畸变。以下是W6Mo5Cr4V2高速钢小钻头真空淬火方法的举例。用ϕ20mm左右的不锈钢套筒装钻头，套筒高于钻头长度5～10mm，装量松紧适当，套筒放在托盘上，可放3～4层。装量可达1000～1500件。 小钻头的真空热处理工艺规范大体如下： ①预热。750℃，20min，真空度为0.133Pa。 ②预热。850℃，20min，真空度为0.133Pa。 ③预热。1050℃，20min，真空度为133.3Pa。 ④加热。1205～1210℃，20min，真空度为133.3Pa。 ⑤冷却。6.7×103Pa，氮气冷却。 2.车刀的热处理 车刀的使用条件不同，在性能要求方面也有所不同。通常车刀属于连续切削工具，一般不会有较大的冲击载荷，因此在韧性要求方面相对较低。在进行精车或轻切削时，车刀发热量较少，车刀的失效形式主要是后隙面的机械磨损，此时影响车刀寿命的主要性能是车刀的硬度。在进行粗车、重切削或切削难加工材料时，车刀的发热量较大，前面切屑流动引起刀尖发热，刀具切削主要取决于刀具的抗软化能力，此时影响车刀寿命的主要因素是热硬性。在切削表面不平或材料质量不均匀的工件和带有沟槽的工件以及在机床本身有较大振动时，车刀要求有较高的抗冲击能力，此时车刀要求有较高的韧性。 国内专业工具厂生产的通用型车刀常采用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等通用高速钢制造。为了满足车刀的高耐磨性、高热硬性的要求，尤其是切削用量较大及切削难加工材料和切削长工件中间不得换刀等情况，应采用高碳高速钢、高碳高钒高速钢，甚至可以采用含钴的高速钢，如CW6Mo5Cr4V2、W12Cr4V5Co5、W6Mo5Cr4V2AI等牌号高速钢制造车刀。加工有色金属等软材料的车刀有时也可采用合金工具钢制造。 在国外根据车刀的使用情况选择车刀的材料，对轻切削和精车等以后隙面磨损为主的车刀选择W系高速钢，对于重切削或切削难加工材料的车刀选择Co高速钢或高V高速钢，对于断续切削和有较强冲击的车刀应该选择韧性较好的Mo系高速钢。 在对车刀进行热处理时，特别是机械厂的自制车刀，必须根据车刀的使用情况，包括切削载荷的大小、发热情况、被加工材料的情况以及切削时有无冲击等使用情况的不同，判断对车刀的主要性能的要求，然后在确定车刀的热处理规范。总体来说，除了要求高韧性的用于断续切削的车刀以外，车刀的热处理应尽量提高淬火温度，以便得到较高的硬度和热硬性。 专业工具厂生产的车刀，一般无法确定使用条件，只能根据车刀的材料和车刀的尺寸选择淬火加热规范。以下是车刀热处理规范的举例，在盐浴炉加热条件下，经过850℃预热后，车刀参考淬火加热温度范围： W6Mo5Cr4V2高速钢车刀：断面尺寸9mm×9mm以下，淬火加热温度为1235～1245℃；断面尺寸9mm×9mm以上，淬火加热温度为1240～1250℃。W18Cr4V高速钢车刀：断面尺寸9mm×9mm以下，淬火加热温度为1290～1300℃；断面尺寸9mm×9mm以上，淬火加热温度为1300～1310℃。 车刀的淬火加热温度在所有工具中是最高的，几乎接近钢的熔点，因此淬火后钢的晶粒度比较粗大，达到8～8.5级，具有轻度过热组织，但不允许出现碳化物网、莱氏体等严重过热或过烧组织，以免过分降低钢的力学性能。由于淬火温度很高，钢中的小颗粒碳化物充分溶解，因此钢的热硬性得到充分发挥，有利于车刀寿命的提高。 由于车刀的淬火加热温度高，容易产生过热现象，因此除严格控制淬火加热温度外，还必须更精准地控制淬火加热保温时间。车刀的淬火加热保温时间应根据车刀的尺寸来确定，图5-8所示为车刀淬火加热系数与车刀尺寸的关系，它为车刀淬火加热保温时间的选择提供了依据。 车刀淬火冷却通常采用油冷或在580～620℃的盐浴分级冷却。对厚度≤12mm，长度达200mm的细长车刀，为减少畸变，可在240～280℃的硝盐中保温1.5～2h，进行分级淬火。 车刀直立装夹时，淬火后不经矫直就能达到畸变的允许值。对细长车刀可在油冷或分级淬火后于室温下冷矫直。 高速钢车刀一般在560℃进行3次回火，每次保温1～1.5h，也可在560℃进行2次回火，每次保温2～2.5h。 车刀淬火后可以进行-80～-70℃的冷处理以提高车刀的切削性能。如果进行-190℃的深冷处理，对提高车刀的切削性能效果会更好。 3.铣刀的热处理 （1）平面铣刀的热处理 平面铣刀属于高速连续重切削工具，因此对工具的耐磨性要求是第一位的，对热硬性的要求也比较高。由于是连续切削，且平面铣刀的切削刃比较厚，因此对韧性的要求不是很高。国内制造平面铣刀常用的材料是W6Mo5Cr4V2高速钢和W18Cr4V高速钢。在国外也采用M36（W6Mo5Cr4V2Co8）等含钴高速钢或采用合金元素含量很高的粉末高速钢制造。采用ASP60粉末高速钢制造的平面铣刀，硬度可以达到69～70HRC。为使平面铣刀有更高的寿命，常常对其施以氮化钛涂层。 关于平面铣刀的热处理，这里介绍一个较有参考价值的工艺曲线。图5-9所示为日本早年的M2（W6Mo5Cr4V2）高速钢平面铣刀的热处理工艺曲线，其特点是在正规热处理之前有一个去应力的工序，即在700℃保温30min，然后空冷，这样处理可以减少铣刀热处理时产生的畸变。另一个特点是分级淬火冷却温度，采用540℃的分级冷却温度，这比国内多数工具厂应用的600℃左右的分级温度要抵，这有利于得到较高的寿命，而且在分级冷却之后还采用280℃的第二次保温，这对减少畸变有好处。3次回火的温度为540℃，稍低于国内的常用回火温度。 [size=0.85em]图5-8 车刀淬火加热系数与车刀尺寸的关系 [size=0.85em]图5-9 日本早年铣刀的热处理工艺路线图 （2）锯片铣刀的热处理 锯片铣刀属于断续切削工具，刀齿要承受一定冲击力，而且由于齿部尖锐锋利，因此刀齿必须有较高的韧性，同时还要有一定的耐磨性和热硬性。国内专业工具厂生产的锯片铣刀多用W6Mo5Cr4V2高速钢制造。 锯片铣刀的热处理比较重要的问题有两个：一是如何选择较好的热处理规范，得到较长的寿命；二是如何保证锯片铣刀在热处理过程中产生的畸变在合格范围之内。 国家标准对锯片铣刀的硬度要求：厚度≤1mm时，硬度为62～65HRC；厚度>1mm时，硬度为63～66HRC。国内某工具厂采用国外进口的W6Mo5Cr4V2高速钢钢板制造的锯片铣刀，热处理后有时硬度达到67HRC，硬度上限超差，但是在进行常规的切削性能试验时通常还是符合出厂标准的。如何对待硬度超标的锯片铣刀，这种进口高速钢板制造的锯片铣刀采用什么样的热处理规范才能得到较长的寿命，为解决这些问题该厂对锯片铣刀的热处理规范进行了专门的试验。 他们对用W6Mo5Cr4V2高速钢钢板制造的63mm×1mm的锯片铣刀，采用不同的规范进行热处理。四种热处理规范分别为：①1230℃淬火，560℃、3次回火；②1230℃淬火，590℃、1次回火+560℃、2次回火；③1215℃淬火，560℃、3次回火；④1200℃淬火，560℃、3次回火。 对不同规范处理的锯片铣刀进行了切削试验，取每种规范处理的5片锯片铣刀切削长度的平均值作为锯片铣刀的寿命。试验还详细地测定了每组锯片铣刀的崩刃情况和磨损值。四种规范处理的锯片铣刀的平均切削长度分别为1000mm、1700mm、3100mm和3700mm。 试验中切削长度达到6500mm（6.5m）时，各组锯片铣刀的平均磨损值如图5-10所示。试验结果说明如下： 1）采用规范1处理的锯片铣刀，即1230℃淬火，560℃、3次回火的锯片铣刀硬度超标，达到67HRC。切削试验中磨损值最大，切削长度虽然达到了500mm的出厂标准，但在几种处理规范中切削长度最短，仅为1000mm，并且脆性大，崩刃情况严重。 2）采用规范4处理的锯片铣刀，即1200℃淬火，560℃、3次回火的锯片铣刀的磨损量最小，切削长度最长，达到3700mm，并且锯齿崩刃情况较轻微。 3）处理进口高速钢钢板制造的锯片铣刀可以采用稍低的淬火加热温度，使锯片铣刀的硬度降到合格范围之内，锯片铣刀的寿命可以达到较高值，并且减少了锯片铣刀的崩刃情况。 日本有人也持有相近的看法，认为高速钢刀具的硬度一般以65HRC为标准，但是在正常组织的状态下，也容易出现67～68HRC的高硬度。在这种情况下本来可以期望得到非常好的切削性能，但由于硬度高容易引起微小的崩刃，使刀具不能继续使用，这也是韧性不足的结果，因此这些刀具的硬度必须下降些。 锯片铣刀的热处理的另一个关键的问题是淬火畸变。最具代表性的是密齿锯片铣刀的热处理。密齿锯片铣刀外径尺寸为300～350mm，厚度只有2mm。这种又大又薄的锯片铣刀，要求热处理的硬度为63～66HRC，平面平直度<0.5mm。这种畸变难题的解决可以作为解决薄片状工具淬火畸变的典型代表。 [size=0.85em]图5-10 热处理规范对锯片寿命的影响 国内某厂W6Mo5Cr4V2高速钢制造的密齿锯片，采用短时间等温、分级淬火与压力矫正相结合的方法，较好地解决了锯片铣刀淬火畸变问题。锯片铣刀的具体淬火规范为：1200℃加热3min；580～620℃分级1.5min；260～280℃等温20～40min 密齿锯片铣刀淬火后的矫正过程大体如图5-11所示。锯片在等温槽中等温后，每次从等温槽中取出2片，迅速将其表面残盐擦去，放在卡板上，上面放一个垫片，用400kN的液压机逐渐加压，以后每放一个锯片就加一个垫片，用油压机反复加压，每套夹具可以放12～14片锯片。最后用M30×200mm大螺栓穿入夹具中心孔，用4个M20×200mm的小螺栓穿入夹板4个角上的通孔，用大扳手将螺母拧紧。锯片在夹具中夹紧后冷却至40～50℃时进行回火。 回火温度为560℃，回火时间为90min，回火次数为3次。经过这种淬火压平和回火紧压的方法很好地解决了锯片铣刀的淬火畸变问题。 国外也曾采用淬火与加压矫正相结合的方法对锯片铣刀进行淬火。加压是机床上进行的，锯片铣刀淬火加热后在盐浴中冷却到650℃，然后把多片重合起来在机床上用气动的方法进行加压，并用喷嘴进行冷却。生产效率为150～180件/h，锯片铣刀的畸变合格率为95%。 [size=0.85em]图5-11 密齿锯片铣刀回火夹具示意图 [size=0.7em]1—卡板 2—垫片 3—锯片 4—螺栓
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发表于 2025-5-25 15:05:00
