氮化鈦鍍膜在軋制錐柄麻花鉆上的應用

朱世照，王振宇，劉陽陽，張桂山，尚升

河南一工鉆業(yè)有限公司

1 引言

近年來，隨著機床裝備業(yè)的快速發(fā)展，對金屬切削刀具提出了更高要求，既要高速、高效，也要高精度、高可靠性。傳統(tǒng)錐柄麻花鉆無法滿足現(xiàn)代加工要求，有逐漸被淺孔鉆、換頭鉆等硬質(zhì)合金類刀具替代的趨勢。硬質(zhì)合金類鉆頭只能在加工中心等高速且工況穩(wěn)定的機床上應用，否則鉆頭會折斷或崩刃，所以傳統(tǒng)的立鉆和搖臂鉆等仍廣泛使用錐柄麻花鉆。

錐柄麻花鉆的規(guī)格在φ10mm～φ100mm之間，一般采用軋制或銑制工藝制造，廣泛應用于臺鉆、立鉆和搖臂鉆的鉆孔加工，也可以應用于加工中心。隨著調(diào)質(zhì)鋼、不銹鋼在市場上的廣泛應用，傳統(tǒng)錐柄麻花鉆的切削壽命已不能滿足用戶需求。若采用高性能高速鋼制造麻花鉆，雖然可以提高其效率和壽命，但材料的成本很高，性價比不占優(yōu)勢，所以開發(fā)一種通用且高性能的錐柄麻花鉆顯得尤為重要。

2 氮化鈦鍍膜可行性分析

物理氣相沉積(PVD)是近年來快速發(fā)展的表面鍍膜技術，即在高速鋼(或硬質(zhì)合金)的基體上涂鍍氮化鈦、氮鋁化鈦、氮鉻鋁等硬質(zhì)鍍膜，其中氮化鈦鍍膜的通用性強，應用最廣。氮化鈦鍍膜厚度僅有幾微米，但硬度卻很高，可以達到1800HV以上，該鍍膜可以大幅度提高刀具的抗磨損性能，延長刀具切削壽命，提高切削速度。

氮化鈦鍍膜的性能取決于鍍膜和基體的結合是否牢固，鍍膜不能在鉆頭切削時剝落。一般進行鍍膜的高速鋼均采用磨削加工成型，這樣刀具表面的光潔度好，結合力強。但軋制錐柄麻花鉆是軋制成型，鉆頭表面的光潔度不高，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，鉆頭在鉆孔時分別有前刃面(溝槽)、后刃面和刃帶參與切削，其中后刃面和刃帶為磨制加工，光潔度滿足要求，僅有前刃面(溝槽)是軋制成型，光潔度不好，但可以采用溝槽拋光工藝，使錐柄麻花鉆溝槽的光潔度滿足要求。

3 試驗過程

3.1 試驗材料和方法

采用φ18mm軋制錐柄麻花鉆(螺旋角為30°)和φ18mm銑制錐柄麻花鉆(螺旋角為35°)，鉆頭材料均為M2高速鋼，鉆頭成品采用氧氮化處理和氮化鈦鍍膜處理。氧氮化處理是在550℃、60kW的密封井式爐里進行，每小時滴注工業(yè)氨水500mL，共3h，處理后鉆頭最外層為氧化膜(1～2μm)，內(nèi)部為15μm厚的滲氮層，表面硬度為920HV左右。氮化鈦鍍膜在PVD鍍膜機里進行，時間為6h，其中鍍膜時間為2.5h，氮化鈦鍍膜厚為2.5～3μm，硬度2000HV。鉆頭外觀見圖1。

圖1 氧氮化與氮化鈦鍍膜錐柄麻花鉆外觀

鉆孔切削試坯采用40Cr和201奧氏體不銹鋼，40Cr調(diào)質(zhì)處理(830℃鹽浴加熱15min，水冷，560℃鹽浴回火90min)，調(diào)質(zhì)硬度30～32HRC，試坯尺寸為φ220mm×32mm。201奧氏體不銹鋼試坯尺寸為φ190mm×20mm，硬度24～26HRC。

鉆床采用QX-1060L加工中心，鉆孔參數(shù)為線速度23m/min(400r/min)和15m/min(270r/min)，進給量0.2mm/r，通孔，乳化液冷卻。

3.2 切削壽命試驗

φ18mm錐鉆在40Cr調(diào)質(zhì)鋼(硬度30～32HRC)上的鉆削試驗結果見表1。

表1 40Cr調(diào)質(zhì)鋼鉆削試驗結果

φ18mm錐鉆在201不銹鋼(24～26HRC)上的鉆削試驗結果見表2。

表2 201不銹鋼鉆削試驗結果

4 試驗結果分析

4.1 鉆削40Cr試坯

軋制麻花鉆的螺旋角一般為30°，該螺旋角適用于加工調(diào)質(zhì)鋼，在線速度為23m/min時，氧氮化處理的鉆頭可以加工20孔以上；若切削速度降至15m/min，壽命可以翻倍，這主要是由于氧氮化處理的鉆頭紅硬性不高，無法適應高速切削。氮化鈦鍍膜的鉆頭可以在23m/min的切削速度下正常切削，這是由于鍍膜硬度高，抗磨損能力強，紅硬性好，切削壽命為氧氮化處理的3倍。

磨損失效后的鍍膜鉆頭通過重新修磨，壽命比氧氮化鉆頭壽命高兩倍，這是因為刃部修磨僅磨掉了刃口后面的鍍層，而鉆頭的溝槽和刃帶仍有鍍膜，因此修磨后的鉆頭仍保持較長壽命。

4.2 鉆削201奧氏體不銹鋼

鉆削奧氏體不銹鋼(如304、201不銹鋼等)的鉆頭需要有較大的螺旋角，一般為35°左右，而軋制鉆頭的螺旋角為30°，所以不適合在奧氏體不銹鋼上鉆孔(例如氧氮化軋制鉆頭僅能打5～9孔)。如果把φ18mm錐鉆螺旋角增至35°(用銑制方法加工)，經(jīng)氧氮化處理，用同樣參數(shù)鉆孔，鉆孔數(shù)可以達到20～30孔，這表明鉆頭螺旋角顯著影響奧氏體不銹鋼的鉆削壽命。

經(jīng)過氮化鈦鍍膜的軋制麻花鉆，雖然螺旋角也是30°，但由于鍍膜硬度高，摩擦系數(shù)小，不易粘屑，切削壽命大幅提高。同樣，重新修磨氮化鈦鍍膜鉆頭的刃口，槽內(nèi)和刃帶保留的鍍層也可以保證鉆頭有較高的壽命。

5 結語

(1)在調(diào)質(zhì)件上鉆孔，氮化鈦鍍膜軋制麻花鉆的壽命是氧氮化處理鉆頭壽命的3倍，重新刃磨后，壽命也能達到氧氮化處理的兩倍。如果降低氧氮化鉆頭的切削速度，能大幅提高鉆頭壽命。

(2)在201奧氏體不銹鋼上鉆孔，氮化鈦鍍膜的軋制麻花鉆壽命遠高于氧氮化處理鉆頭的壽命。鍍膜鉆頭重新修磨后，壽命還能保持較高水平，如果把鉆頭的螺旋角由30°增至35°，能大幅提高氧氮化處理的錐鉆壽命。