刃部處理工藝及其硬質(zhì)合金鉆頭鉆削力分析

張曉波

摘要：本文研究中介紹了刃部處理工藝，分為A1、A2、A3、A4進(jìn)行4次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)置0.12-0.2mm/r進(jìn)給量、40-120m/min切削速度、22mm切深、300HB硬度，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。通過實(shí)驗(yàn)研究可見，無涂層鉆頭作業(yè)過程中，在進(jìn)給量提升時(shí)，能促進(jìn)排屑工作的順利進(jìn)行，存在著排屑困難，應(yīng)當(dāng)采用小于未拋光的鉆頭。TiCN涂層鉆頭作業(yè)過程中，排屑性能良好，提升切削速度時(shí)涂層鉆頭會(huì)出現(xiàn)粘刀與積屑瘤現(xiàn)象， TiCN 涂層能夠避免這一現(xiàn)象，作業(yè)過程中結(jié)合實(shí)際需求提升切削速度。

關(guān)鍵詞：刃部處理工藝;硬質(zhì)合金鉆頭;鉆削力;積屑瘤

0? 引言

金屬切削的常見工具之一為鉆頭，在很多材料加工中均被運(yùn)用，結(jié)合材料的不同，鉆頭的選擇具有一定差異，一般材料可以使用高速鋼鉆頭，針對(duì)硬度較高的材料可以運(yùn)用硬質(zhì)合金鉆頭。目前切削加工工藝日益高效，鉆頭技術(shù)處理中大量運(yùn)用了涂層、拋光等處理技術(shù)。因此要求加強(qiáng)刃部處理工藝的研究。

1? 刃部處理工藝

為了達(dá)到良好的切削效果，要求加強(qiáng)對(duì)刃口處理工藝的研究，切削時(shí)起著主導(dǎo)作用的部件為鉆頭的主切削刃，刃口形狀設(shè)計(jì)與相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化對(duì)工藝性能也具有較大的影響作用。目前鉆頭刃口的常見型號(hào)包括“瀑布型”刃口、圓弧型刃口、斜面型刃口，主要包括鈍化涂層、拋光等處理方式[1]。

目前市場(chǎng)上使用的常見刀具材料為涂層刀具，能夠有效解決刀具使用過程中的一些常見問題，包括耐磨性、韌性、硬度、強(qiáng)度等之間的矛盾關(guān)系。涂層刀具在目前市場(chǎng)上占據(jù)了90%以上的比例，涂層刀具對(duì)于一些硬質(zhì)合金以及高速鋼刀具基體運(yùn)用較為廣泛，其中運(yùn)用的技術(shù)主要包括物理氣相沉積法（PVD）、化學(xué)氣相沉積法（CVD）等相關(guān)技術(shù)，TiN、TiC、Al2O3是目前刀具常見的涂層材料，能夠提升刀具的使用效率、加工速率與使用壽命[2]。

A1TiN+Si3N4納米涂層、A1TiN+WCC涂層、富鋁涂層AITiN是作業(yè)過程中的常見涂層，A1TiN涂層上的潤滑性能較為良好，呈現(xiàn)深灰色，具有1000（0.05HV）硬度，摩擦系數(shù)不高，耐黏接摩擦性、潤滑性能較為良好。

2? 刃部處理效果研究

本次研究中運(yùn)用了加工中心 Kistler9272 型測(cè)力儀、DmGHSC75 linear測(cè)力儀，本次研究中運(yùn)用了硬質(zhì)合金鉆頭，采用的是TiCN涂層，具有8mm直徑。

結(jié)合刃部處理方式的不同，分為A1、A2、A3、A4進(jìn)行4次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，主要是由于刃部處理方式的不同，設(shè)置0.12-0.2mm/r進(jìn)給量、40-120m/min切削速度，設(shè)置22mm切深，工藝處理完成之后涂抹乳化液冷卻。選擇40Cr材料進(jìn)行加工，設(shè)置300HB硬度，進(jìn)行作業(yè)的調(diào)質(zhì)處理。運(yùn)用單因素法進(jìn)行作業(yè)，改變進(jìn)給量、改變切削速度對(duì)作業(yè)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)值見表1。

3? 刃部處理工藝與硬質(zhì)合金鉆頭鉆削力關(guān)系分析

3.1 進(jìn)給量與鉆削力的關(guān)系

在切削速度一致的情況下，在進(jìn)給量逐漸增大的情況下，鉆削力也會(huì)隨之而不斷增加。在進(jìn)給量增加的情況下，會(huì)出現(xiàn)切削過程排屑的現(xiàn)象，通過刃口處理的鉆頭粗糙度會(huì)更低，能夠促進(jìn)排屑，改進(jìn)切削過程。但是拋光后會(huì)降低刃口鋒利度，但是影響可以忽略不計(jì)。

鉆頭作業(yè)過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件則產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而在作業(yè)過程中仍然存在著部分金屬殘留在加工表面，對(duì)鉆頭的正常運(yùn)行構(gòu)成了一定壓力。鉆頭實(shí)際運(yùn)行過程中，由于自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征，在進(jìn)給量逐漸增加的情況下，也增加了排屑的難度，容易和孔壁之間產(chǎn)生擠壓摩擦，綜合這些因素，在作業(yè)進(jìn)行過程中，鉆削力主要表現(xiàn)為線性增長局面。與A4相比，A3的鉆削力較低，其原因之一為，在進(jìn)給量提升的情況下，切削過程容易逐漸出現(xiàn)排屑困難的現(xiàn)象，而拋光處理之后的鉆頭在粗糙度上則較低，能夠促進(jìn)排屑與切削過程[3]。切削力變化趨勢(shì)見圖1。

通過切削力增長的曲率能夠看出，拋光對(duì)切削力會(huì)產(chǎn)生一定的影響，拋光的形成會(huì)在一定程度上改善刀具表面粗糙度，能夠促進(jìn)排屑，可降低切削力。同時(shí)拋光會(huì)促進(jìn)刀具刃口鈍化，能夠提升切削力。但是在應(yīng)用場(chǎng)合不同的情況下，所產(chǎn)生的影響也存在一定差異。TiCN涂層潤滑性能較為良好，能夠優(yōu)化排屑性能。拋光同樣會(huì)一定程度上改善TiCN涂層刀具表面粗糙度，促進(jìn)排屑，降低切削力。同時(shí)也促進(jìn)了拋光鈍化，提升了切削力，隨著應(yīng)用場(chǎng)合的差異，影響也不同。

在單位時(shí)間內(nèi)材料去除量逐漸增加的情況下，會(huì)降低表面粗糙度，從而改善鉆頭排屑性能，在進(jìn)給量增大的情況下，不拋光鉆頭、切削力兩者之前的差值會(huì)逐漸增大，且切削力增長斜率存在差異。切削性能主要受到表面粗糙度的影響。

在逐漸增加的情況下，涂層鉆頭使用過程中，在拋光后能夠達(dá)到更大的鉆頭切削力。TiCN涂層鉆頭作業(yè)過程中能夠提升其中的潤滑性能，由此而構(gòu)成良好的過渡層，因此能夠得到基本一致的鉆頭排屑性能。拋光后會(huì)影響涂層鉆頭的鋒利度，由此提升了切削力。微觀幾何結(jié)構(gòu)變化等鉆頭本身的物理因素會(huì)影響切削力。對(duì)比不拋光與拋光兩種的處理方式下達(dá)到一致的切削力增長斜率[4]。

3.2 切削速度與鉆削力的關(guān)系

在進(jìn)給量條件一致的情況下，鉆削力呈現(xiàn)出先大后小的局面，40Cr屬于塑性金屬材料，切削時(shí)，容易產(chǎn)生積屑瘤，因此在刀具的前角增加的情況下，切削力會(huì)先增大后呈現(xiàn)出減少的規(guī)律。在切削速度增大的情況下，切削溫度會(huì)隨之而升高，會(huì)降低加工金屬的硬度與強(qiáng)度，由此降低了切削力。進(jìn)行鉆削力正交測(cè)試，設(shè)置600r/min主抽轉(zhuǎn)速、800r/min主抽轉(zhuǎn)速、1000r/min主抽轉(zhuǎn)速，采用0.1mm/r進(jìn)給量、0.2mm/r進(jìn)給量、0.3mm/r進(jìn)給量。鉆削轉(zhuǎn)速、鉆削進(jìn)給量是影響鉆削力的重要影響因素，在作業(yè)過程中，最佳的作業(yè)方案為0.1mm/r進(jìn)給量、1000r/min主軸轉(zhuǎn)速。鈍化后刃口變化情況見圖2。

在切削速度增大的情況下，涂層鉆頭鉆削力會(huì)逐漸增大，其重要原因之一為TiCN涂層存在較為良好的潤滑性能，其中并不會(huì)產(chǎn)生積屑、粘刀現(xiàn)象，由此容易使得無涂層鉆頭、切削力變化趨勢(shì)可能存在不一致現(xiàn)象。在一定范圍內(nèi)，提升切削速度并不會(huì)對(duì)鉆削過程造成較大的影響。在 80m/min切削速度下對(duì)比涂層鉆頭、無涂層鉆頭等作業(yè)情況，對(duì)比刀具中的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。通過將涂層鉆頭鉆削力、無涂層和鉆頭鉆削力的對(duì)比可見，與無涂層鉆頭相比，涂層鉆頭切削力更低，TiCN涂層潤滑性能較為良好，在一定程度上降低了其切削力[5]。

4? 結(jié)語

無涂層鉆頭作業(yè)過程中，在進(jìn)給量提升時(shí)，存在著排屑困難，通過拋光處理的鉆頭在粗糙度表現(xiàn)上表現(xiàn)更低，能夠促進(jìn)排屑工作的順利進(jìn)行，要求采用小于未拋光的鉆頭。TiCN涂層鉆頭作業(yè)過程中，存在一個(gè)過渡層，具有較為良好的潤滑性能，在進(jìn)給量提升的情況下，能夠保持較為良好的排屑性能，但是會(huì)影響涂層鉆頭鋒利度，因此要求切削力比未拋光的鉆頭要大。在切削速度提升的情況下，無涂層鉆頭的鉆削力會(huì)呈現(xiàn)出先增加后降低的局面，而涂層鉆頭的鉆削力則一直增加。在切削作業(yè)進(jìn)行過程中，無涂層鉆頭容易出現(xiàn)粘刀與積屑瘤現(xiàn)象，TiCN涂層在作業(yè)過程中則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。此次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，在進(jìn)給量不同的情況下，切削力的變化不夠明顯，在選擇鉆削高硬度材料時(shí)可以選擇此作為參考，可見在一定的范圍內(nèi)提升切削速度不會(huì)對(duì)鉆削過程產(chǎn)生過大的影響。

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