加工高硬度钢的整体硬质合金专用钻头设计

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加工高硬度钢的整体硬质合金专用钻头设计
张波， 祝新发， 孟漪

【作者机构】        上海工具厂有限公司
【来    源】        《工具技术》 2024年第11期 pp.111-113

摘要： 整体硬质合金钻头在加工高硬度钢时易出现钻头磨损较快和崩刃现象,需要对钻头的参数、刃口处理以及涂层进行特殊设计。通过对这类高硬度钢钻削钻头的刀具材料、设计参数、制造工艺、新涂层等方面的深入研究,优选出合适的设计参数及刀具涂层,并经过测试,达到了生产要求。

关键词： 整体硬质合金专用钻头;高硬度钢;小螺旋角;钻尖;横刃

1 引言

[size=1em]高硬度钢作为一种难加工材料被广泛应用于制造各种耐磨性要求高和高硬度的基础零部件。硬度大于50HRC钢件的切削加工被称为硬态切削,硬态切削是高硬度钢的最终加工方式,具有加工效率高、表面质量好的特点,近年来得到了越来越多的工业应用。

[size=1em]目前各制造厂家已经开发出相应的高硬度钢钻削钻头,随着硬质合金材料、新涂层、钻头设计参数等不断更新,有必要对高硬度钢切削进行刀具材料、设计参数、制造工艺、新涂层的深入研究。为此,本文开发了一种新型高硬度材料切削专用钻头,可以实现高硬度钢的直接切削,提高了加工效率。这类刀具的加工深度推荐采用1倍径深,市场上此类钻头的加工深度大部分在1.5倍径以内。本文将同类钻头的加工深度定为2倍径,以期望在更大范围内适应更广泛的市场需求。

2 高硬度材料加工专用钻头设计2.1 材料和涂层选择

[size=1em]整体硬质合金钻头采用含钴10%左右的硬质合金棒料,以实现硬度与韧性的加工需求匹配。根据钻头加工深度不同,选择不同的硬质合金牌号,硬度和强度需满足加工要求,材料的晶粒度直接决定硬质合金的韧性和硬度,尤其在深孔加工中对材料晶粒度有更高的要求。

[size=1em]在选择涂层时,要求涂层既具备较高的硬度,又要有较好的高温抗氧化性能。涂层可分为两种:一是常用的含Al涂层,二是采用三明治结构的新型涂层。通过试验优化,选择更适合加工高硬度材料的涂层材料。

[size=1em]钻头磨削完成后,在涂层前采用磁弹磨粒处理刃口及槽面,有利于涂层与硬质合金基体结合。涂层后增加去液滴抛光工序,使被加工孔精度更高,同时有利于排屑。

2.2 参数设计

[size=1em]高硬度材料加工专用钻头的螺旋角较小(仅12°),小螺旋角钻头的切削扭矩小,更适合恶劣的钻孔条件。刀尖处采用圆弧过渡,有助于提高刀尖强度,使切削过程中的负载更为均匀。根据高硬度钢的特点,钻头采用减小前角设计,以增强刃口强度,并通过适当加大后角的方式减少对工件的摩擦,从而得到较好的加工孔表面粗糙度。采用增量设计芯厚,以保证钻头的强度要求。表1为试验用钻头的主要设计参数。

[size=0.8em]表1 试验用钻头的主要设计参数

2.3 制造过程设计

[size=1em]被加工孔为配合孔,对精度、孔径、孔轴线垂直度以及孔直径尺寸要求较高。钻头在钻削时会产生抖动,造成孔径扩大,扩大量超出规定范围后无法满足设计要求。因此在钻头参数设计过程中,通过结构改进使钻头导向性更好,刚性更高,切削性能更好,相当于普通钻孔后增加一个扩孔工序。由于钻头刃口跳动会影响加工孔的轴线垂直度,所以在磨削过程中需严格控制。

[size=1em](1)钻头坯料加工时,所有规格钻头刃部公差带控制在0.005mm以内,柄部公差控制在(0,-0.005)mm以内,刃部外圆对柄部轴心的径向跳动控制在0.008mm以内。

[size=1em](2)在数控磨工序,钻头磨削成型后,采用1000粒度砂轮在数控机床上对槽面及刃部进行抛光,以增强涂层时的附着力。

[size=1em](3)钻头刃口采用手工钝化和磁弹磨粒钝化相结合方式处理,以保证切削刃口处光滑过渡,并能够在切削时起到保护刃口的作用。

[size=1em](4)涂层后再次用喷射磁性磨料对钻头进行抛光,以去除涂层液滴。

3 加工验证分析3.1 加工准备

[size=1em]试验加工用钻头如图1所示。上工制造的高硬度材料加工专用整体硬质合金钻头规格包括D8和D11,与市场外购的钻头(用X表示)进行试验对比,同样采用D8和D11两种规格。试验材料为9SiCr,硬度50～60HRC。

[size=0.8em]图1 试验用上工钻头

3.2 钻头试验过程

[size=1em]3.2.1 上工推荐参数切削对比

[size=1em]采用上工推荐的切削参数试切,如表2所示,上工的钻头涂层有两种,-N表示含铝涂层,-D表示新开发的切削高硬度钢专用涂层,X表示其他公司钻头,对比各厂家钻头的切削寿命情况。

[size=0.8em]表2 上工切削参数切削对比

[size=1em]表2参数条件下的各钻头磨损情况见图2。分析各钻头的刃口磨损情况可知:上工的新涂层钻头D8-D和D11-D的切削性能比较好,刃口磨损量小,另一款含铝涂层钻头在相同切削寿命情况下,后刀面的磨损情况明显比新涂层钻头后刀面磨损严重。X公司的两个规格的钻头在切削过程中均发生断裂,寿命最差。

[size=0.8em](a)D8-N

[size=0.8em](b)D8-D

[size=0.8em](c)X-D8

[size=0.8em](d)D11-N

[size=0.8em](e)D11-D

[size=0.8em](f)X-D11

[size=0.8em]图2 表2参数条件下的各钻头磨损情况

[size=1em]从各钻头的切屑形状分析可知,上工的切削参数对于上工的钻头适应性好,X公司的钻头并不匹配,甚至两个规格都出现折断(见图2c和图2f)。

[size=1em]综上,在上工的推荐切削参数下,其两种不同涂层钻头寿命均长于X公司钻头,新涂层的上工钻头相对更好,X公司的钻头切削稳定性差。

[size=1em]3.2.2 X公司推荐参数切削对比

[size=1em]采用X公司推荐的切削参数进行切削试验,表3为X公司推荐的切削参数。

[size=0.8em]表3 X公司切削参数对比

[size=1em]对比分析表3参数条件下各钻头的磨损情况可知:上工的D8-D和D11-D钻头刃口处的磨损较小,说明新型涂层的性能更优;含Al涂层的钻头寿命最差,在切削18m时发生断裂;X公司钻头在切削40m后因横刃部分单薄而在横刃处先破损,磨损情况相对于上工新涂层(见图3d)的钻头更严重。

[size=0.8em](a)D8-N

[size=0.8em](b)D8-D

[size=0.8em](c)X-D8

[size=0.8em](d)D11-D

[size=0.8em](e)X-D11

[size=0.8em]图3 表3参数条件下的各钻头磨损情况

[size=1em]采用X公司推荐的切削参数进行钻削可知,上工新涂层的钻头切削性能最好,磨损较小,寿命比X公司的钻头较长。

3.3 被加工孔精度

[size=1em]用户要求被加工孔的直线度在0.02mm内。分别测量上工规格为D8和D11钻头加工孔中心的直线度,D8孔直线度为0.017mm,D11孔的直线度为0.018mm。被加工孔径测量值为D8.009mm(要求要求全部达标。

3.4 试验结果分析

[size=1em]通过以上两种切削参数对比试验可以得出,上工的新涂层刀具耐磨损,切削性能最好。在改变切削参数后,各个厂家的钻头加工效率和钻头寿命差异较大,尤其是X公司的钻头,在低转速时折断的概率较大,改变参数后大大提高了钻头寿命;上工的钻头在转速较低时稳定性相对更好,调整参数后效率提高,切屑形状更好,有利于排屑。

[size=1em]从各钻头切削产生的切屑形状分析可知,切削转数偏低时,切屑较长,切屑比较松散,体积较大,容易堵塞,不易顺利排出,导致X公司的钻头断裂;切削转数偏高时,切屑形状呈短屑,更易排出;改变切削参数后能够改善排屑形状,有利于切削顺利排出和延长钻头寿命。

[size=1em]通过对比两家钻头的设计参数,上工钻头的横刃设计参数偏大,钻芯处强度较高,但横刃处在切削时受力较大,故磨损先从横刃开始。X公司钻头的横刃尺寸偏小,钻头芯部强度低,但切削阻力小,一般磨损先从主切削刃边缘开始。

4 结语

[size=1em](1)本文结合材料特性对刀具结构参数进行优化,在钻削高硬度材料时可以获得较高精度的孔。经切削试验验证,选择合适的切削参数有利于提高刀具使用寿命,对于不同厂家的刀具,应选择合适的加工参数。

[size=1em](2)涂层对刀具的切削寿命影响较大,采用相同材料和设计参数的刀具,在涂层材料不同时会影响10%～20%的刀具寿命,根据试验结果新型涂层刀具最优。

[size=1em](3)通过专用测量仪器对高硬度专用钻头加工的孔直线度及孔径尺寸进行测量,结果显示均达到客户要求。据市场调查,进口硬质合金强力钻在切削50～60HRC硬材料时的平均寿命为35～40m,本文研发的刀具达到并超过了进口刀具的寿命。

[size=1em](4)在设计此类钻头时可以根据试验反馈的相关信息,进一步优化横刃设计,从而提高钻头寿命。

[size=1em]参考文献

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Design of Integral Carbide Drill for Processing High Hardness Steel

[size=1em]Zhang Bo,Zhu Xinfa,Meng Yi

[size=1em]Abstract： In the high hardness steel processing,the integral cemented carbide are quick wear and broken edge,so it is necessary to design the high hardness steel,the drill parameter,the drill edge treatment and the coating in processing.Thruough test process and cutting result of the design,manufacture and coating of this kind of bit is introduced.Therefore,it is necessary to study the cutting tool material,design parameters,manufacturing process and new coating of high hardness steel.The suitable design parameters and the cutting tool coating are optimized through the test and the customer′s trial,in order to achieve the customer′s related requirements.

[size=1em]Keywords： carbide special drill;high hardness steel;small spiral angle;drill point;chisel edge

[size=1em]中图分类号： TG713+.1;TH162

[size=1em]文献标志码： A

[size=1em]DOI：10.3969/j.issn.1000-7008.2024.11.020

[size=1em]基金项目： 上海市产业协同创新项目(HCXBCY-2022-040)

[size=1em]收稿日期： 2023年8月

[size=1em]第一作者：张波,高级工程师,上海工具厂有限公司,200093上海市

[size=1em]First Author：Zhang Bo,Senior Engineer,Shanghai Tool Factory Co., Ltd.,Shanghai 200093,China