硬质合金钻头修磨与涂层技术的应用探索

　　摘要：本文针对HOWO被动锥齿轮加工中硬质合金钻头的使用，讨论了硬质合金钻头各相关参数对加工性能的影响，并且对各种不同的涂层材料进行了使用寿命对比试验。通过对刀具相关参数的优化，重磨技术和涂层技术的应用，将钻头使用寿命提高了数倍,明显降低了刀具成本。
　　
　　一、项目背景简述
　　
　　桥箱齿轮车间被动锥齿轮盘孔原采用摇臂钻床，使用普通高速钢钻头进行加工。随着公司生产规模的不断扩大，原有加工方式已不能满足生产节拍，为此，车间内引进了*的数控加工中心。数控机床具有加工效率高、产品质量稳定等特点，特别适合大批量生产。
　　
　　目前车间内所加工的产品为HOWO被动锥齿轮，具有16个φ17的通孔，其材料为SAE8822H。该产品原材料硬度在HB165-190，由于含有一定成分的Ni元素，造成粘性较大。针对该工件的特性，选取合适的钻头，优化切削参数，提高加工效率成为当务之急。
　　
　　二、钻头材料的选取
　　
　　根据该材料的加工特性，要求钻头具有以下特点：
　　
　　1.足够的硬度。钻头的硬度必须大于被加工工件的硬度。
　　
　　2.足够的强度和韧性。由于钻头在加工工件时承受着很大的扭转力和轴向力，因此必须具有足够的强度和韧性。
　　
　　3.足够的耐磨性。由于被加工材料韧性好，要求切削时刀刃要足够锋利，因此刀具材料必须具有足够的抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。
　　
　　4.刀具材料与工件亲和力要差。由于该工件化学特性要高，因此要求刀具材料和钛合金亲和力要差，以免行程扩散而造成粘刀、断钻现象。
　　
　　目前，适用于做刀具的材料种类极其繁多，包括工具钢、硬质合金、超硬材料等。
　　
　　起初，尝试采用普通高速钢钻头进行涂层进行试验，普通高速钢钻头价格低廉，当采用涂层技术后，可以明显降低刀具与工件的摩擦系数，提高刀具寿命。但是由于机床转速较高，所使用钻头强度不够，加工过程中造成钻头折断，效果并不理想。
　　
　　硬质合金是发展起来的一种刀具材料，适用于大多数材料的粗精加工，包括钢、铸铁、特殊材料和塑料。为此，决定采用整体硬质合金钻头。
　　
　　三、钻头修磨各参数的确定
　　
　　1.麻花钻的主要辅助平面
　　　　由图1看出，麻花钻的几个主要辅助平面为：
　　
　　（1）基面：如果不考虑辅助运动，麻花钻头主切削刃上任意点的基面，是通过该点而又包含钻头中心线的平面。由于麻花钻的架构特点，钻头主切削刃上各点的基面是变化的。
　　
　　（2）切削平面：主切削刃上任意点的切削平面，是包含该点切削速度方向而又切于该点加工表面的平面。切削平面和基面垂直，且主切削刃上各点的切削平面均不相同。
　　
　　（3）中剖面：通过钻头的中心线并与两个主切削刃平行的平面称为中剖面，中剖面只有一个。
　　
　　（4）柱剖面：主切削刃上任意点的柱剖面是通过该点并以钻头中心线为中心线而做的圆柱面，主切削刃上不同的柱剖面是不同半径的圆柱面。
　　
　　2.麻花钻钻头的主要几何参数的选取
　　　　根据图2，麻花钻钻头的主要几何参数选择包括：
　　
　　（1）钻头顶角的选择。
　　
　　顶角是两主切削刃在中剖面上投影的夹角。标准麻花钻钻头的顶角为118°。钻头顶角较小时、切削刃长，切下的切屑宽，因而钻头扭矩较大，轴向抗力也大。同时切屑卷成螺旋状程度大，切屑所占的空间也大，排屑不顺畅，影响冷却。
　　
　　钻头顶角决定切屑宽度和钻头前角的大小。当钻头直径和进给量一定时，增大顶角，则铁屑变窄，单位切削刃上的负荷减轻。同时，钻头外圆处的刀尖角减小，减少了刀尖角的磨损速度，同时有利于散热，耐用度也得到提高。顶角对前角有很大影响，相应增加顶角有利于改善钻心处的切削条件。顶角影响切屑流出的方向。顶角较大，切屑卷曲成螺旋的程度较小，且比较平直，容易排出，即提高了排屑性能。
　　
　　根据相关刀具设计资料，结合所加工产品硬度不高，但粘性较大的特点，选取该钻头顶角为140°。
　　
　　（2）钻头切削刃前角和后角的选择。
　　
　　前角位于主切削刃上选定点的主剖面内，是前面与基面之间的夹角。根据相关刀具设计资料，主切削刃上任意点的前角λ0的计算公式为：


　　
　　式中



　　
　　由上式可以看出，麻花钻的前角λ0x是由钻头的其它几何参数决定的。麻花钻的前角通常在其外缘处为+30°，越往中心越小，中心处为-64°~-60°。在机床进行高速切削时，前角对切削变形及切削力的影响较小，同时采用较小的前角时可以增强刀尖强度。通过对外缘处为+30°前角和25°前角的对比试验可以看出，前角的减小对提高刀具寿命有明显的影响。为此，外缘处的前角取为25°。
　　
　　后角与前角位于同一主剖面内，是主后面与切削平面之间的夹角。对于麻花钻，主切削刃上任意点的后角在该点的柱剖面中测量，它是通过该点的切削平面和后刀面的夹角。后角在外缘处zui大，越靠近中心越小，公称直径为17mm的标准麻花钻的后角为9°~12°。
　　
　　根据刀具设计资料，后角的作用为减少刀具后刀面和已加工表面的摩擦力，从而获得比较高的表面粗糙度。当前角确定以后，后角越大，刃口越锋利，但会相应减小楔角影响刀具强度和散热面积。为此，将钻头后角选取的小一些，取为8°。
　　
　　（3）钻头螺旋角对钻头寿命的影响分析。
　　
　　由麻花钻的外形特点可知切削刃上各点螺旋角是变化的。越靠近外圆处螺旋角越大，前角也越大，切削刃越锋利，切削性能也越好。而靠近钻心处螺旋角zui小，切削性能越差，可以将此处磨削成球弧状，以改善切削条件。
　　
　　螺旋角直接影响主切削刃的前角。螺旋角越大，则刃口越锋利，切削越轻快，否则会造成严重的加工硬化现象使得刀刃很快磨损。螺旋角增大，切削刃强度减弱，磨损快，甚至会发生切削刃烧毁等现象。根据相关刀具设计资料，取螺旋角为30°可以满足使用要求，同时便于大批量生产。
　　
　　（4）刃口的相关处理。
　　
　　刃口的处理包括横刃修正、倒棱和倒刃等措施。
　　
　　其中横刃修正的b=-0.025×Dc，c值取0.32，横刃中的S型圆弧R=02×Dc。此外对内刃前角λ和进刀角β进行了相关计算。
　　
　　针对被加工材料，机床加工性能，加工参数，夹具工况等，对钻头的刃口进行了合适的钝化，提高钻头的钻削性能，降低了刀具磨损量。
　　
　　图3为经过钝化与不经过钝化的刃口在相同切削条件下，切削相同数量的工件后的微观分析。从图中可以看出，经过钝化处理的刃口磨损较小，且被加工产品质量稳定。
　　　　四、涂层技术的应用
　　
　　在切削参数不变的情况下，为了提高生产效率并降低生产成本，对刀具采用涂层技术，降低刀具磨损，以提高刀具耐用度越来越成为一种趋势。
　　
　　刀具涂层是指在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢（HSS）基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了刀具磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性。
　　
　　物理气相沉积（PVD）是一种物理气相反应生长法。沉积过程是在真空或低气压气体放电条件下，即在低温等离子体中进行的。涂层的物质源是固态物质，经过“蒸发或溅射”后，在工件表面生成与基材性能*不同的新的固态物质涂层。PVD涂层材料主要为TiN,TiCN,CrN,TiAlN,AlTiN,AlCrN,WC/C,DLC和金刚石等成份，不同的应用领域，需选用不同的涂层材料。涂层的厚度通常只有几个微米，硬度却是钢铁的2到5倍。
　　
　　通过与世界*级涂层公司合作,采用了其一代钻头涂层HELICA，其为第6代纳米级涂层，zui高工作温度可达1100℃，与钢的磨擦系数为0.25。
　　
　　下表为在切削参数和刀具参数*相同的条件下，经过数次试验之后做出的对比表：
　　由此可以看出，经过涂层之后的钻头加工数量有了明显提升，单件成本大大降低。
　　
　　五、结论
　　
　　1.在相应的加工材料、切削参数和使用环境下，钻头相关参数的优化改进，对于提高产品加工效率，降低刀具成本方面*。同时刀具涂层技术在减小刀具加工过程中的摩擦系数，降低刀具成本，提高刀具寿命等方面起到了明显的作用。
　　
　　2.对钻头相关修磨参数的修正国内应用并不多，需进一步进行相关探索和试验研究。
　　
　　3.此技术应用逐步得到了推广，现已在公司内其它产品的钻孔加工应用中已取得了初步成效。
　　
　　（文章来源：中国重汽济南桥箱有限公司）