鉆削高速鋼鉆頭的壽命研究

張金剛 張 杰 李軍三 曾 嘉

（重慶紅江機械有限責任公司，重慶 402160）

在船舶柴油機制造領域，高速鋼是制造耐磨損運動件的關鍵材料。柴油發動機柱塞偶件壽命在很大程度上取決于高速鋼的性能，同時新型燃料噴射系統的核心零部件也在逐步應用高速鋼。因此，對于高速鋼加工的研究十分必要。

現階段，對于高速鋼零件孔系的加工存在一系列難題。例如，W6Mo5Cr4V2 鋼屬于鎢鉬系高速鋼，這類材質兼具鎢系和鉬系高速鋼的優點，具有較高的紅硬性、耐磨性、韌性和耐熱性[1]，廣泛應用于高速切削刀具等產品的制造。在鉆削過程中，鉆頭與這類材質的工件保持長時間接觸，因鎢鉬系高速鋼導熱性能差，切削熱很難散失，導致切削熱大量積累，切削區的溫度迅速上升。由于溫度升高，容易產生加工硬化，使得鉆頭的強度和耐磨性降低，磨損速度加快。影響硬質合金鉆頭壽命和工件加工效率的因素主要有4 種，刀具結構、涂層選擇、冷卻方式以及加工方法。

1 鉆頭結構分析

1.1 鉆頭磨損情況分析

在加工高速鋼材質孔系過程中，鉆削時主切削刃承擔了大部分切削力，切削刃邊緣處前角最大、刃口較薄、切削速度最大，因此邊緣處刃口磨損較快。正常磨損情況下，主切削刃為前后刀面同時磨損。一般是外周磨損情況決定鉆頭壽命。鉆芯部位的線速度較低，鉆頭橫刃以及鉆芯附近主切削刃的切削能力較弱、擠壓作用力較強[2]，導致鉆芯磨損快，切削軸向阻力增大。由于鉆頭排屑槽窄，鉆削容易出現堵屑等問題，使得鉆頭折斷的概率增大。因此，在鉆頭選擇上需要充分考慮鉆頭的排屑能力和綜合性能等。

1.2 鉆尖角度

最常見的2 種鉆頭角度是118°和135°，使用哪種角度的鉆頭主要取決于鉆孔的材料。118°鉆頭頂角適合加工較軟的材料，其切削刃為凸形刃，鉆削時的切削熱低，刀具磨損小，導致刀具頂角小，所受的鉆削阻力也小。這種角度的鉆頭在加工時推出的薄壁材料形成的毛刺會損壞切削刃，同時在鉆通孔時存在切削刃接觸不均的現象。135°頂角鉆頭適合加工耐熱性好的材質，其切削刃為凹形刃，能夠降低切削力和切削溫度，而且有助于斷屑。此外，凹形刃有利于降低刃口應力，提高刃口強度。這種角度的鉆頭在平坦切削過程中接觸更均勻，因此硬質合金鉆頭應選用135°頂角鉆頭。

1.3 鉆頭材料

根據高速鋼高強度、高硬度、高耐熱性的特點，硬質合金鉆頭應具備高熱導率、高耐熱性和一定的韌性。硬質合金鎢鋼（Wolfram Carbide，WC）具有熱導率高的特點，常作為硬質合金鉆頭的基材。增加TiC可以提高硬質合金刀具的耐熱性，增加5%～10%的Co 作為黏結劑能夠提升刀具的韌性。綜上所述，鉆頭材料主要由碳化物（WC、TiC、Co 等）組成。這種材料的鉆頭硬度一般為89 ～92 HRA，抗彎強度為1 200 ～1 800 MPa，能夠很好地適應高速鋼的加工環境。

1.4 鉆頭的橫刃形狀及特點

標準鉆頭橫刃前角為負值，鉆削時橫刃處會發生嚴重的擠壓從而形成很大的軸向力。一般情況，下橫刃處的鉆削力占整個鉆頭切削力的50%以上。常用鉆頭的橫刃形狀包括S 形和十字形。S 形鉆尖（見圖1）定心好，但鉆尖處強度不夠，十字鉆尖（見圖2）定心較好，軸向受力小。加工時，橫刃與主切削刃形成的過渡角起到斷屑的作用。在鉆削精度要求高的深孔時，通常先使用S 形鉆尖加工出引導孔，保證孔的定位精度，再用十字鉆尖鉆削至工藝要求深度。

圖1 S 形鉆尖

圖2 十字鉆尖

1.5 刀具表面處理

為改善表面摩擦條件，提升刀具的耐磨性和切削性能，降低摩擦熱，減少磨損，提高刀具的加工效率，延長刀具的使用壽命，應對刀具進行表面處理。刀具涂層首選TiAlN 涂層。有這類涂層的鉆頭適合在高速切削條件下使用，具有高抗氧化性、高熱穩定性、高硬度和高溫低摩擦等特點，能有效降低刀具與工件之間的摩擦系數，十分適合高速鋼加工工況。同時，為延長鉆頭壽命，需要分散加工產生的切削阻力，增強刃口的剛性和表面質量。因此，要強化刀具刃口，使硬質合金鉆頭刃口形成一個小圓弧[3]。

2 切削參數分析

切削速度、進給量等切削參數會對鉆削力和刀具壽命產生一定的影響。在切削速度一定的情況下，增大進給量能夠減少切削刃的切削次數，進而減少切削刃的磨損量，但切削的厚度增加會增大軸向阻力，增加刀具損壞的風險。切削速度的增大會加快刀具與材料的摩擦速度，進而升高切削溫度，而轉速降低有利于熱量傳導，能夠降低切削溫度。不同切削參數對鉆頭壽命的影響見表1。

表1 不同切削參數對鉆頭壽命的影響

綜上所述，加工高速鋼應采用135°鉆尖鉆頭，其材料由碳化物（WC、TiC、Co 等）組成，刀具涂層選擇TiAlN 涂層，加工時用S 形鉆尖引孔，十字鉆尖鉆深，選擇大進給、低轉速，以降低切削溫度，減少與工件的接觸時間，延長刀具使用壽命。

3 冷卻方式分析

在機械加工過程中，切削油（液）不可或缺，其具有如下作用。第一，潤滑作用。冷卻液可以減少前刀面與切屑、后刀面與已加工表面之間的摩擦，并形成一層潤滑膜，從而減小切削力和功率消耗，降低刀具與工件摩擦部位的表面溫度[4]，進而延長刀具壽命，并在鉆頭和工件之間形成一層良好的吸附膜。第二，冷卻作用。在高速加工過程中，刀具與工件之間會產生高溫。水溶性切削液主要用于降低大余量、粗加工過程中產生的熱量，從而減少刀具磨損。冷卻液對加工中的工件進行冷卻，如圖3 所示。第三，防銹作用。切削油（液）能夠在刀具與工件之間形成一層良好的吸附膜，起到防銹的作用。第四，清洗作用。切削油（液）能夠清潔工件上殘留的鐵屑。

圖3 冷卻液對加工中的工件進行冷卻

考慮經濟性和實用性，冷卻液一般選擇切削油和水溶性切削液。同時，冷卻液的選擇要充分考慮高速鋼的材料加工特性。在加工高速鋼零件中小孔系時，選擇切削油和水溶性切削液作為冷卻液進行對比實驗，鉆頭直徑為8 mm，鉆削線速度為40 m·min-1，進給速度為0.15 mm·r-1，實驗結果見表2。通過實驗可以發現，使用切削油的刀具比使用水溶性切削液的刀具加工壽命延長80%，鉆削質量提升一個等級。這是因為相較于水溶性切削液，切削油的潤滑性、積壓性能和抗粘接性更好。

表2 不同切削液對刀具壽命的影響

加工微小孔時，選擇直徑0.3 mm 的鉆頭，機床采用立式加工中心，轉速為7 000 r·min-1，進給量為0.006 mm·r-1，使用超聲波振蕩切削加工方式。超聲振蕩切削是使刀具以20 ～40 kHz 的頻率，沿切削方向高速振蕩的一種脈沖切削方式。1 個振蕩周期內，刀具的切削時間短，鐵屑排出順暢，切削熱量小。通過大量加工實驗發現，若采用水溶性切削液，則1 只鉆頭最多能加工約105 件零件，最少只能加工20 件零件。改用切削油作為冷卻液后，在加工條件不變的情況下，經過一段時間的切削實驗發現，刀具可加工零件數提升到600 件，刀具壽命延長6 ～8 倍。在加工微小孔徑時，鉆頭損壞主要受排屑和潤滑2 個方面的影響，因此加工高速鋼等耐高溫材質零件時盡可能使用切削油作為冷卻液[5]。

4 加工程序分析

硬質合金鉆頭有高壓冷卻液的情況下，鉆削一般材質時采用G1 方式鉆到最終深度。在鉆削過程中，鉆頭和加工面長時間接觸，大量熱集中在切削區域，而切削液、切屑和工件傳導可帶走大部分熱量，減少刀具磨損。對于高速鋼材質，若采用上述方式進行鉆削，則刀具磨損較快，刀具后刀面磨損，形成鋸齒狀。通過技術分析發現，鉆頭和切屑產生黏結、擴散磨損，導致后刀面磨損加快。因此，應采用振蕩鉆削加工方法，即鉆削時鉆頭和加工面不停接觸、分離，這樣鉆頭在加工時所受軸向鉆削力可減少約50%。為研究吃刀深度與刀具壽命的關系，選擇3.0 mm 和1.5 mm 的吃刀量進行切削實驗，發現在同等切削條件下，吃刀量1.5 mm 的刀具的壽命延長20%。

以鉆深為45 mm、吃刀量為1.5 mm 為例，編制高速鋼材質零件鉆孔加工程序，具體代碼為

G0 Y0 Z3;

G0 X0;

R1=1;起點

R2=-45;終點

WHILE R1 ＞R2;

R1=R1-1.5;步距

IF R1 ＜=R2;

R1=R2;

ENDIF;

G95 G0 Z=R1+2;

G1 Z=R1 F0.15;

G0 Z-1;

ENDWHILE;

G1 Z-1 F0.5;

G0 Z3;

M17;

5 結語

在加工產品零件的過程中，采用切削油作為加工冷卻液，可以使硬質合金鉆頭的壽命延長約80%。鉆頭切削時，當鉆削線速度為40 m·min-1、進給量為0.15 mm·r-1時，鐵屑形成小蝌蚪狀，排屑性能最好，刀具的使用壽命最長。本研究得出的加工參數對于加工高速鋼材質的零件具有普適性，適合大規模推廣應用。