不同刃口形貌的S鉆尖麻花鉆鉆削性能研究

曾騰輝

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門361100）

0 引 言

硬質(zhì)合金鉆頭是一種用于高效鉆削各類材料的孔加工刀具，在機(jī)械加工中具有廣泛的應(yīng)用[1]，較傳統(tǒng)的高速鋼鉆頭具有效率高、精度高、剛性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，但由于硬質(zhì)合金本身的材料特性，鋒利的刃口無法斷屑且在密閉的加工環(huán)境中容易造成崩刃、斷刀，影響硬質(zhì)合金鉆頭的切削性能和耐用度，限制了應(yīng)用推廣。

隨著新切削技術(shù)的發(fā)展，對(duì)刀具性能需求有了更高要求，僅依靠基體材質(zhì)、涂層及幾何輪廓已無法滿足刀具性能提升需求，并且隨著刀具表面處理工藝的進(jìn)一步發(fā)展，刃口形狀已經(jīng)成為影響刀具性能的第四因素。刃口處理工藝的出現(xiàn)，解決了之前鉆頭因無處理導(dǎo)致鋒利刃口容易崩刃、切屑無法成形等問題，使得硬質(zhì)合金鉆頭耐用度得到極大提高且加工效率獲得有效保證。

本文用同一規(guī)格S鉆尖麻花鉆通過不同刃口處理工藝獲得負(fù)倒棱、圓弧形兩種刃口形貌，然后通過加工Q345材料的高速鉆削試驗(yàn)，并從試驗(yàn)過程的磨損進(jìn)程、切屑形狀等維度綜合分析，獲得S鉆尖麻花鉆較優(yōu)的刃口形貌。

1 不同刃口形貌的麻花鉆性能對(duì)比

1.1 S鉆尖麻花鉆

S鉆尖廣泛運(yùn)用于P類材料的加工，被各個(gè)主流廠家廣泛運(yùn)用，如日本OSG最新推出的ADADO系列產(chǎn)品、德國(guó)WALTER推出的DC150系列產(chǎn)品、日本住友推出的GSHGSSDP-U系列產(chǎn)品及日本三菱推出的MVSMHS系列產(chǎn)品。S鉆尖在加工Q345、Q235等材料時(shí)，充分發(fā)揮切削力小、斷屑性能良好的特點(diǎn)，適應(yīng)國(guó)內(nèi)各類工況的加工。本文所述的麻花鉆S形鉆尖如圖1所示，采用X形橫刃、波形刃及J形槽[3]，為廈門金鷺特種合金有限公司專利產(chǎn)品。

1.2 鉆頭刃口形貌

硬質(zhì)合金麻花鉆的刃口形貌主要有兩種，分別是圓弧形和負(fù)倒棱兩種形式，圓弧形刃口形貌如圖2所示，負(fù)倒棱刃口形貌如圖3所示。歐美、日系等主流刀具廠家的硬質(zhì)合金麻花鉆主要系列產(chǎn)品均采用這兩種刃口形貌。將刀具放到兩個(gè)夾盤中，刀具在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)作前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以便使整個(gè)刀具刀刃得到均勻的鈍圓[4]，進(jìn)而獲得圓弧形刃口形貌；將刀具放入與水平呈27°的V型裝置，然后水平放置金剛石銼刀并往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而獲得負(fù)倒棱刃口形貌。

1.3 試驗(yàn)刀具選用

圖1 麻花鉆S形鉆尖

圖2 圓弧形刃口形貌

圖3 負(fù)倒棱刃口形貌

選用4支刃徑φ3 mm采用S鉆尖麻花鉆，外形尺寸基于DIN6537 L設(shè)計(jì)，兩支鉆頭的刃口形貌加工成圓弧形狀，編號(hào)為A1、A2，另兩支鉆頭的刃口形貌加工成負(fù)倒棱形狀，編號(hào)為B1、B2，鉆頭外形參數(shù)尺寸及刃口設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。為了保證試驗(yàn)因素的單一性，4支鉆頭除了刃口形貌不同外，其余因素均相同。

表1 鉆頭外形尺寸及刃口設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4 試驗(yàn)用工件材料

Q345是一種低合金鋼，內(nèi)部執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1591-2018，其中Q代表屈服強(qiáng)度下限，345表示鋼材的屈服強(qiáng)度為345 MPa。Q345綜合力學(xué)性能良好，低溫性能亦可，塑性和焊接性良好，用做中低壓容器、油罐、車輛、起重機(jī)、礦山機(jī)械、電站、橋梁等承受動(dòng)荷的結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件、建筑結(jié)構(gòu)、一般金屬結(jié)構(gòu)件，熱軋或正火狀態(tài)使用，可用于-40℃以上寒冷地區(qū)的各種結(jié)構(gòu)[1]。

Q345試驗(yàn)用工件材料的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：C≤0.20%，Mn ≤1.70%，Si≤0.50%，P≤0.035%，S≤0.035%，材料布氏硬度為180～200 HB。

1.5 試驗(yàn)條件及切削參數(shù)

1）試驗(yàn)條件。試驗(yàn)條件包括試驗(yàn)設(shè)備、刀柄選用、產(chǎn)檢環(huán)境、冷卻液、冷卻形式及切削參數(shù)等項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表2所示，切削參數(shù)如表3所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

表3 切削參數(shù)

2）切削參數(shù)確認(rèn)。圓弧形或負(fù)倒棱刃口形貌的鉆頭，每齒進(jìn)給量Fn可以通過rn/h的值確定，正常情況下rn/h值應(yīng)該控制在0.2～0.6之間。其中：rn代表刃口圓弧值，刃口圓弧值rn的圖示說明[5]如圖3所示；h代表鉆削深度，在切削過程中工件材料與刀具接觸點(diǎn)產(chǎn)生的熱應(yīng)力最小[5]，不同rn/h刃口圓弧值對(duì)應(yīng)的熱應(yīng)力分布[5]如圖4所示。

圖4 刃口圓弧值rn的圖示說明

圓弧形刃口rn/h值計(jì)算：

∵rn=Sa=0.01～0.02 mm，h=fz=fn/2=F/N/2=849÷8488÷2=0.05 mm；

∴rn/h=0.01÷0.05～0.02÷0.05=0.2～0.4。

負(fù)倒棱刃口rn/h值計(jì)算：

∵br= 0.03～0.05 mm，rn=br·cos γb=0.026～0.045 mm，h=fz=fn/2=F/N/2=849÷8488÷2≈0.05 mm；

∴rn/h=0.026÷0.05～0.045÷0.05=0.52～0.90。

綜上計(jì)算可知，rn/h值均小于1，切削參數(shù)能夠較好地反映刀具的實(shí)際性能。

1.6 切削性能對(duì)比試驗(yàn)

1）刀具刃口實(shí)際形貌參數(shù)測(cè)量及掃描。采用LMI Technologies GmbH公司的MikroCAD premium光學(xué)掃描儀器對(duì)A1、A2、B1、B2四支鉆頭進(jìn)行刃口參數(shù)測(cè)量及形貌掃描，A1刃口形貌掃描如圖5所示，A2刃口形貌掃描如圖6所示，B1刃口形貌掃描如圖7所示，B2刃口形貌掃描如圖8所示。

圖5 不同rn/h刃口圓弧值對(duì)應(yīng)的熱應(yīng)力分布

圖5 A1刃口形貌掃描

圖6 A2刃口形貌掃描

圖7 B1刃口形貌掃描

圖8 B2刃口形貌掃描

A1、A2采用TMD插入式鈍化工藝加工，圓弧值實(shí)測(cè)分別為0.016 mm、0.018 mm，B1、B2采用手工鈍化工藝加工，br值實(shí)測(cè)分別為0.04 mm、0.038 mm，γb值實(shí)測(cè)分別為27.6°、28.3°。

2）后刀面磨損對(duì)比。在同一臺(tái)加工中心上用同一批Q345工件材料進(jìn)行切削對(duì)比試驗(yàn)，每加工74個(gè)孔后觀察鉆頭狀況，確認(rèn)是否出現(xiàn)崩刃，在第74、296、888、1480、2072、2664、3256、4144個(gè)孔時(shí)取下鉆頭，在KEYENCE VHX500設(shè)備測(cè)量后刀面磨損值，圖9為磨損值對(duì)比散點(diǎn)圖。

圖9 磨損值對(duì)比散點(diǎn)圖

在加工888個(gè)孔后，A1鉆頭磨損急劇加快，加工至2072孔時(shí)后刀面磨損達(dá)到0.102 mm，遠(yuǎn)大于其它刀具，A2鉆頭磨損值均勻、增加平緩，加工完4144孔后，磨損值為0.083 mm，在4支刀具中表現(xiàn)最佳。B1、B2鉆頭在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，磨損表現(xiàn)基本相同，磨損值較A2鉆頭略大，加工性能表現(xiàn)與A2保持同一水平。

圖10為鉆頭加工第4144孔對(duì)應(yīng)后刀面磨損狀態(tài)，A2鉆頭的磨損狀態(tài)如圖10（a）所示，B2鉆頭的磨損狀態(tài)如圖10（b）所示，兩支鉆頭后刀面的磨損形式都以黏結(jié)磨損為主，右圖顯示整條后刀面的磨損均勻性明顯優(yōu)于左圖，但磨損寬度大于左圖。另外，左圖后刀面附著了大量的黑色黏著物，而右圖明顯較少，黑色物質(zhì)為加工過程中的碎屑在高溫切削過程中因切削熱產(chǎn)生高溫熔化后黏著導(dǎo)致，黑色附著物越少代表切削過程中產(chǎn)生的熱量越少，鉆頭磨損對(duì)切削熱的影越小。

圖10 第4144個(gè)孔對(duì)應(yīng)鉆頭后刀面

3）前刀面磨損對(duì)比。圖11為鉆頭加工第4144孔對(duì)應(yīng)前刀面磨損狀態(tài)，A2鉆頭的磨損狀態(tài)如圖11（a）所示，B2鉆頭的磨損狀態(tài)如圖11（b）所示，兩支鉆頭后刀面的磨損形式都呈現(xiàn)出明顯的月牙洼磨損。右圖顯示負(fù)倒棱刃口鉆頭在加工4144孔后刃口完好、磨損均勻，沒有出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，并且刃口基本不存在積屑瘤；左圖顯示圓弧形刃口鉆頭在加工4144孔后，在靠近圓周處出現(xiàn)崩刃，見圖中圈中所示，整條刃存在不同程度的積屑瘤，切削刃未能保持完好。綜上，負(fù)倒棱刃口形貌的麻花鉆在前刀面刃口的表現(xiàn)明顯優(yōu)于圓弧形刃口形貌的麻花鉆。

圖11 第4144個(gè)孔對(duì)應(yīng)鉆頭前刀面

4）切屑形態(tài)對(duì)比。圖12為兩種刃口形貌鉆頭對(duì)應(yīng)的切屑形態(tài)，圓弧形刃口形貌加工切屑如圖12（a）所示，負(fù)倒棱刃口形貌加工切屑如圖12（b）所示。切屑形成和排屑是鉆削中的最優(yōu)先考慮的因素，并影響孔質(zhì)量和整個(gè)工藝的可靠性。當(dāng)切屑可以從鉆頭中沒有阻力地排出時(shí)，切屑形成是可以接受的。查看切屑，如果沒有長(zhǎng)和彎曲，沒有卷曲，則切屑堵塞。切屑堵塞可能導(dǎo)致鉆頭徑向移動(dòng)并影響孔質(zhì)量、鉆頭壽命和可靠性。切削實(shí)驗(yàn)證明兩種刃口形貌對(duì)應(yīng)的切屑都能通過排屑槽輕松排出，但明顯圓弧形刃口鉆頭存在類似蝌蚪的切屑尾巴，而負(fù)倒棱刃口形貌的鉆頭明顯較短甚至沒有切屑尾巴，從切屑形態(tài)的對(duì)比上看，負(fù)倒棱刃口形成的切屑形態(tài)優(yōu)于圓弧形刃口，能夠在切削過程中更容易排出切屑。

圖12 切屑形態(tài)

2 結(jié) 語(yǔ)

通過不同刃口形貌的麻花鉆性能對(duì)比試驗(yàn)，在實(shí)際刃口形貌、前刀面磨損、后刀面磨損及切屑形態(tài)等方面進(jìn)行了對(duì)比，分析了不同刃口形貌對(duì)刀具切削性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的切削條件下：圓弧形刃口的后刀面磨損量小于負(fù)倒棱刃口，但圓弧形刃口在切削過程中出現(xiàn)大量因高溫產(chǎn)生黑色附著物；負(fù)倒棱刃口形貌的麻花鉆在前刀面刃口均勻磨損、無明顯崩刃及切屑瘤，表現(xiàn)明顯優(yōu)于圓弧形刃口形貌的麻花鉆；從切屑形態(tài)的對(duì)比上看，負(fù)倒棱刃口形成的短而卷曲的切屑形態(tài)優(yōu)于圓弧形刃口，在切削過程中有更出眾的排屑能力。