深冷處理對硬質合金直槽鉆切削壽命的影響

張平，王蔓，王建新，張偉，賀鳳寶，胡建中

(1.大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧大連116034;2.南通天工深冷新材料強化有限公司，江蘇南通226000)

近年來深冷處理作為傳統(tǒng)熱處理工藝的擴展和延伸，對于傳統(tǒng)的鋼鐵材料，深冷處理可轉變殘余奧氏體，提高工件的硬度，穩(wěn)定工件尺寸;可析出超細碳化物，提高工件的耐磨性;可細化晶粒，提高工件的沖擊韌性;可提高馬氏體不銹鋼的抗蝕性，提高工件的拋光性能等［1］，對于硬質合金，實驗表明結果表明深冷處理提高了硬質合金的硬度、抗壓強度和沖擊韌性等力學性能［2］，但是對于硬質合金鉆頭經過深冷處理后切削性能是否產生改變的研究尚未見過相關報道。

孔加工在機械行業(yè)中有著重要的地位，為了提高鉆頭的加工壽命，人們采取了很多的措施，如優(yōu)化刀尖的幾何參數、鈍化和涂層技術等。這些技術大部分是針對于表面，對于鉆頭材質的優(yōu)化還沒涉及。

實驗選擇3種不同的鉆頭:普通涂層直槽鉆、深冷未涂層直槽鉆和深冷涂層直槽鉆。通過兩組對比實驗，首先確定深冷處理后刀具能夠加工的可行性，然后再對3種刀具切削壽命進行比較。通過對比3種鉆頭在相同加工參數下，加工鑄鐵。觀察刀具的磨損、軸向力、扭矩以及加工孔數量來分析深冷處理對刀具切削壽命的影響。

1 實驗方案

1.1 實驗目的

通過對比深冷處理過的涂層階梯鉆、深冷未涂層階梯鉆與普通涂層未深冷處理的階梯鉆，在同一個加工參數，加工同一張材料，加工孔數相同的情況下。觀察刀具磨損量的多少與加工孔質量，分析深冷處理對刀具壽命的影響。

1.2 實驗準備

三組刀具:(1)普通涂層直槽鉆;(2)深冷未涂層直槽鉆;(3)深冷涂層直槽鉆;(刀具參數:鋒角140°、直徑5 mm/7 mm;后角8°、臺階長19 mm等)被加工材料:鑄鐵 (HT200)

機床:美國HSS VOP-VF5型加工中心。

1.3 實驗方案

(1)機床參數:轉速n=3 200 r/min;進給量f=0.1 mm/r;

(2)加工深度:h=10 mm;

(3)加工孔數量:120個(分別加工40個);

(4)更換新刀重新加工，進給量提高一倍，其他參數不變，進行壽命試驗。

2 實驗結果及分析

2.1 可行性實驗

(1)加工完40個孔后觀察刀具的磨損情況，刀具主刃磨損情況如圖1所示。

圖1 f=0.1 mm/r時，主切削刃磨損情況

明顯可以看到1號鉆頭 (普通涂層直槽鉆)的主切削刃和后刀面的磨損量最大，其次是2號，最好的是3號。

(2)刀具橫刃處磨損如圖2所示。

圖2 f=0.1 mm/r時，橫刃處磨損情況

1號鉆頭與2號鉆頭橫刃的磨損量明顯比3號鉆頭大，其中2號刀橫刃處積削瘤嚴重。

(3)刀具前刀面磨損情況如圖3所示。

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圖3 f=0.1 mm/r時，前刀面磨損情況

從圖中可以看出2號鉆頭前刀面磨損比較大，1號與3號磨損基本差不多，表現(xiàn)出涂層對于刀具前刀面的積極影響。

分析得到:2號鉆頭的橫刃處明顯出現(xiàn)積削瘤，出現(xiàn)積削瘤的主要原因是在鄰近橫刃的鉆芯部分，雖然切削速度很低，但由于負前角很大，切削溫度相當高，常形成較高的積削瘤［3］。1號和3號鉆頭的積削瘤相對比較少，可見涂層抑制了積削瘤的產生。

綜合分析，通過上述可行性實驗得到，經過深冷處理后的鉆頭能夠進行切削。而且在耐磨性方面要比沒有深冷處理過的鉆頭要強。可繼續(xù)進行壽命試驗。

2.2 壽命實驗

更換新鉆頭，繼續(xù)在同一機床上加工同一種材料。將進給量提高一倍即f=0.2 mm/r，連續(xù)加工，1號鉆頭 (普通涂層直槽鉆)在加工到第136個孔的時候，出現(xiàn)斷刀的情況。由于被加材料數量有限，2號鉆頭 (深冷未涂層直槽鉆)加工了247個孔，3號鉆頭 (深冷涂層直槽鉆)加工了284個孔。其中3號鉆頭在加工最后一個孔的時候由于意外情況出現(xiàn)斷刀，因為鉆頭加工到了原來的孔上了，沒有對心兩個主刃產生了切削不平衡，從而使鉆頭被扭斷。

(1)鉆頭主刃磨損情況如圖4所示。

圖4 f=0.2 mm/r時，主切削刃磨損情況

(2)鉆頭橫刃處的磨損如圖5所示。

圖5 f=0.2 mm/r時，橫刃磨損情況

可以看到2號鉆頭 (深冷未涂層直槽鉆)橫刃處的積削瘤依然明顯，光亮處較為分散，積削瘤的產生保護了橫刃。3號鉆頭 (深冷涂層直槽鉆)看到橫刃有一條光亮的線，說明是磨損產生的。沒有積削瘤的產生。沒有崩刃，正常磨損。

(3)鉆頭前刀面如圖6所示。

圖6 f=0.2 mm/r時，前刀面磨損情況

由于為干式切削，前刀面出現(xiàn)不同程度的積削瘤和灼燒情況。主刃相對比較完整，沒有崩刃的現(xiàn)象。

(4)軸向力分析

經測力儀測得的軸向力如圖7所示。

圖7 最大軸向力折線圖

從最大軸向力折線圖分析，1號和3號刀的最大軸向力總體的趨勢是增大的，軸向力主要是由于橫刃產生的，說明它們的橫刃有不同程度的磨損和積削瘤。3號刀的最大軸向力是最穩(wěn)定的，除了幾個奇異值以外。說明3號刀的耐磨性比較強，阻礙了軸向力的增大。

(5)扭矩分析

由圖8分析，由于1號刀提前斷刀，所以重點比較一下2號和3號刀。它們的扭矩總體的趨勢是逐漸增大的，但是2號刀的波動比較明顯，3號刀相對比較穩(wěn)定。

圖8 最大扭矩折線圖

3 結論

綜合分析，1號鉆頭 (普通涂層直槽鉆)在相同的加工條件下，加工到136個孔的時候出現(xiàn)斷刀。主要是由于硬質合金本身的機械性能決定的，其硬度高、韌性差和疲勞強度低。經過深冷處理過的鉆頭，硬度、抗彎強度、耐磨性及斷裂韌性均有較大幅度的提高［4］。主要是因為在深冷處理之后發(fā)生了比較完全的粘結相Co的α→ε轉變，這是一種多型性的馬氏體轉變，ε相塑性較好［5］。所以經過深冷處理過的2號和3號鉆頭沒有出現(xiàn)斷刀和崩刃的情況。其綜合力學性能得到了優(yōu)化。提高了刀具的壽命也就相應地提高了生產率，降低了生產成本。

［1］楊梅，郭智興，熊計.深冷處理對硬質合金的影響［J］.硬質合金，2010，27(3):186 －192.

［2］樊戀.頂錘用 YL20.3硬質合金深冷處理研究［D］.長沙:湖南大學，2010.

［3］倪志福，陳壁光.群鉆［M］.上海:上海科學技術出版社，1999:8－9.

［4］劉勁松，蒲玉興，譚目發(fā).硬質合金的深冷處理工藝及其研究進展［J］.材料熱處理技術，2012，42(6):184－186.

［5］劉亞俊，李勇，首志新，等.YW1硬質合金深冷增強機理的研究［J］.機械工程師，2001(4):33－34.