刃部處理工藝及其硬質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進行4次進行實驗，設置0.12-0.2mm/r進給量、40-120m/min切削速度、22mm切深、300HB硬度，進行調質處理。通過實驗研究可見，無涂層鉆頭作業(yè)過程中，在進給量提升時，能促進排屑工作的順利進行，存在著排屑困難，應當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，提升切削速度時涂層鉆頭會出現(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)過程中結合實際需求提升切削速度。

關鍵詞：刃部處理工藝;硬質合金鉆頭;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用，結合材料的不同，鉆頭的選擇具有一定差異，一般材料可以使用高速鋼鉆頭，針對硬度較高的材料可以運用硬質合金鉆頭。目前切削加工工藝日益高效，鉆頭技術處理中大量運用了涂層、拋光等處理技術。因此要求加強刃部處理工藝的研究。

1? 刃部處理工藝

為了達到良好的切削效果，要求加強對刃口處理工藝的研究，切削時起著主導作用的部件為鉆頭的主切削刃，刃口形狀設計與相關參數(shù)的優(yōu)化對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、強度等之間的矛盾關系。涂層刀具在目前市場上占據(jù)了90%以上的比例，涂層刀具對于一些硬質合金以及高速鋼刀具基體運用較為廣泛，其中運用的技術主要包括物理氣相沉積法（PVD）、化學氣相沉積法（CVD）等相關技術，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

本次研究中運用了加工中心 Kistler9272 型測力儀、DmGHSC75 linear測力儀，本次研究中運用了硬質合金鉆頭，采用的是TiCN涂層，具有8mm直徑。

結合刃部處理方式的不同，分為A1、A2、A3、A4進行4次對比實驗，主要是由于刃部處理方式的不同，設置0.12-0.2mm/r進給量、40-120m/min切削速度，設置22mm切深，工藝處理完成之后涂抹乳化液冷卻。選擇40Cr材料進行加工，設置300HB硬度，進行作業(yè)的調質處理。運用單因素法進行作業(yè)，改變進給量、改變切削速度對作業(yè)進行對比實驗。實驗過程中的相關數(shù)值見表1。

3? 刃部處理工藝與硬質合金鉆頭鉆削力關系分析

3.1 進給量與鉆削力的關系

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

鉆頭作業(yè)過程中產生旋轉運動，工件則產生相對運動，而在作業(yè)過程中仍然存在著部分金屬殘留在加工表面，對鉆頭的正常運行構成了一定壓力。鉆頭實際運行過程中，由于自身的結構設計特征，在進給量逐漸增加的情況下，也增加了排屑的難度，容易和孔壁之間產生擠壓摩擦，綜合這些因素，在作業(yè)進行過程中，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，能夠促進排屑與切削過程[3]。切削力變化趨勢見圖1。

通過切削力增長的曲率能夠看出，拋光對切削力會產生一定的影響，拋光的形成會在一定程度上改善刀具表面粗糙度，能夠促進排屑，可降低切削力。同時拋光會促進刀具刃口鈍化，能夠提升切削力。但是在應用場合不同的情況下，所產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。拋光同樣會一定程度上改善TiCN涂層刀具表面粗糙度，促進排屑，降低切削力。同時也促進了拋光鈍化，提升了切削力，隨著應用場合的差異，影響也不同。

在單位時間內材料去除量逐漸增加的情況下，會降低表面粗糙度，從而改善鉆頭排屑性能，在進給量增大的情況下，不拋光鉆頭、切削力兩者之前的差值會逐漸增大，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。拋光后會影響涂層鉆頭的鋒利度，由此提升了切削力。微觀幾何結構變化等鉆頭本身的物理因素會影響切削力。對比不拋光與拋光兩種的處理方式下達到一致的切削力增長斜率[4]。

3.2 切削速度與鉆削力的關系

在進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，容易產生積屑瘤，因此在刀具的前角增加的情況下，切削力會先增大后呈現(xiàn)出減少的規(guī)律。在切削速度增大的情況下，切削溫度會隨之而升高，會降低加工金屬的硬度與強度，由此降低了切削力。進行鉆削力正交測試，設置600r/min主抽轉速、800r/min主抽轉速、1000r/min主抽轉速，采用0.1mm/r進給量、0.2mm/r進給量、0.3mm/r進給量。鉆削轉速、鉆削進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進給量、1000r/min主軸轉速。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，其中并不會產生積屑、粘刀現(xiàn)象，由此容易使得無涂層鉆頭、切削力變化趨勢可能存在不一致現(xiàn)象。在一定范圍內，提升切削速度并不會對鉆削過程造成較大的影響。在 80m/min切削速度下對比涂層鉆頭、無涂層鉆頭等作業(yè)情況，對比刀具中的每轉進給量。通過將涂層鉆頭鉆削力、無涂層和鉆頭鉆削力的對比可見，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? 結語

無涂層鉆頭作業(yè)過程中，在進給量提升時，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，能夠促進排屑工作的順利進行，要求采用小于未拋光的鉆頭。TiCN涂層鉆頭作業(yè)過程中，存在一個過渡層，具有較為良好的潤滑性能，在進給量提升的情況下，能夠保持較為良好的排屑性能，但是會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)過程中則不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。此次實驗進行過程中，在進給量不同的情況下，切削力的變化不夠明顯，在選擇鉆削高硬度材料時可以選擇此作為參考，可見在一定的范圍內提升切削速度不會對鉆削過程產生過大的影響。

參考文獻：

[1]李鑄宇，王洪陽，宿好陽，等.Application of abrasive electrochemical machining in carbide tool edge honing[J].大連工業(yè)大學學報， 2019， 038（002）：141-145.

[2]許成陽，王義文，許家忠，等.CFRP加工用內排屑鉆頭排屑條件的仿真分析及實驗研究[J].機械工程學報，2018.

[3]王華，陳燕，唐文亮，等.PCD與硬質合金鉆頭鉆削CFRP/Al疊層材料對比研究%Comparative Study of Drilling CFRP/Al Stacks with PCD and Carbide Drills[J].機械制造與自動化，2019（001）：23-25，54.

[4]王澤誠，解麗靜，高飛農.高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料小孔鉆削的試驗研究[J].工具技術，2019（10）：18-22.

[5]張高峰，袁雷，孫昊.液氮冷卻對碳纖維復合材料鉆削表面完整性的影響[J].表面技術，2019（10）：64-71.