深冷处理对硬质合金直槽钻切削寿命的影响

张平，王蔓，王建新，张伟，贺凤宝，胡建中

(1.大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连116034;2.南通天工深冷新材料强化有限公司，江苏南通226000)

近年来深冷处理作为传统热处理工艺的扩展和延伸，对于传统的钢铁材料，深冷处理可转变残余奥氏体，提高工件的硬度，稳定工件尺寸;可析出超细碳化物，提高工件的耐磨性;可细化晶粒，提高工件的冲击韧性;可提高马氏体不锈钢的抗蚀性，提高工件的抛光性能等［1］，对于硬质合金，实验表明结果表明深冷处理提高了硬质合金的硬度、抗压强度和冲击韧性等力学性能［2］，但是对于硬质合金钻头经过深冷处理后切削性能是否产生改变的研究尚未见过相关报道。

孔加工在机械行业中有着重要的地位，为了提高钻头的加工寿命，人们采取了很多的措施，如优化刀尖的几何参数、钝化和涂层技术等。这些技术大部分是针对于表面，对于钻头材质的优化还没涉及。

实验选择3种不同的钻头:普通涂层直槽钻、深冷未涂层直槽钻和深冷涂层直槽钻。通过两组对比实验，首先确定深冷处理后刀具能够加工的可行性，然后再对3种刀具切削寿命进行比较。通过对比3种钻头在相同加工参数下，加工铸铁。观察刀具的磨损、轴向力、扭矩以及加工孔数量来分析深冷处理对刀具切削寿命的影响。

1 实验方案

1.1 实验目的

通过对比深冷处理过的涂层阶梯钻、深冷未涂层阶梯钻与普通涂层未深冷处理的阶梯钻，在同一个加工参数，加工同一张材料，加工孔数相同的情况下。观察刀具磨损量的多少与加工孔质量，分析深冷处理对刀具寿命的影响。

1.2 实验准备

三组刀具:(1)普通涂层直槽钻;(2)深冷未涂层直槽钻;(3)深冷涂层直槽钻;(刀具参数:锋角140°、直径5 mm/7 mm;后角8°、台阶长19 mm等)被加工材料:铸铁 (HT200)

机床:美国HSS VOP-VF5型加工中心。

1.3 实验方案

(1)机床参数:转速n=3 200 r/min;进给量f=0.1 mm/r;

(2)加工深度:h=10 mm;

(3)加工孔数量:120个(分别加工40个);

(4)更换新刀重新加工，进给量提高一倍，其他参数不变，进行寿命试验。

2 实验结果及分析

2.1 可行性实验

(1)加工完40个孔后观察刀具的磨损情况，刀具主刃磨损情况如图1所示。

图1 f=0.1 mm/r时，主切削刃磨损情况

明显可以看到1号钻头 (普通涂层直槽钻)的主切削刃和后刀面的磨损量最大，其次是2号，最好的是3号。

(2)刀具横刃处磨损如图2所示。

图2 f=0.1 mm/r时，横刃处磨损情况

1号钻头与2号钻头横刃的磨损量明显比3号钻头大，其中2号刀横刃处积削瘤严重。

(3)刀具前刀面磨损情况如图3所示。

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图3 f=0.1 mm/r时，前刀面磨损情况

从图中可以看出2号钻头前刀面磨损比较大，1号与3号磨损基本差不多，表现出涂层对于刀具前刀面的积极影响。

分析得到:2号钻头的横刃处明显出现积削瘤，出现积削瘤的主要原因是在邻近横刃的钻芯部分，虽然切削速度很低，但由于负前角很大，切削温度相当高，常形成较高的积削瘤［3］。1号和3号钻头的积削瘤相对比较少，可见涂层抑制了积削瘤的产生。

综合分析，通过上述可行性实验得到，经过深冷处理后的钻头能够进行切削。而且在耐磨性方面要比没有深冷处理过的钻头要强。可继续进行寿命试验。

2.2 寿命实验

更换新钻头，继续在同一机床上加工同一种材料。将进给量提高一倍即f=0.2 mm/r，连续加工，1号钻头 (普通涂层直槽钻)在加工到第136个孔的时候，出现断刀的情况。由于被加材料数量有限，2号钻头 (深冷未涂层直槽钻)加工了247个孔，3号钻头 (深冷涂层直槽钻)加工了284个孔。其中3号钻头在加工最后一个孔的时候由于意外情况出现断刀，因为钻头加工到了原来的孔上了，没有对心两个主刃产生了切削不平衡，从而使钻头被扭断。

(1)钻头主刃磨损情况如图4所示。

图4 f=0.2 mm/r时，主切削刃磨损情况

(2)钻头横刃处的磨损如图5所示。

图5 f=0.2 mm/r时，横刃磨损情况

可以看到2号钻头 (深冷未涂层直槽钻)横刃处的积削瘤依然明显，光亮处较为分散，积削瘤的产生保护了横刃。3号钻头 (深冷涂层直槽钻)看到横刃有一条光亮的线，说明是磨损产生的。没有积削瘤的产生。没有崩刃，正常磨损。

(3)钻头前刀面如图6所示。

图6 f=0.2 mm/r时，前刀面磨损情况

由于为干式切削，前刀面出现不同程度的积削瘤和灼烧情况。主刃相对比较完整，没有崩刃的现象。

(4)轴向力分析

经测力仪测得的轴向力如图7所示。

图7 最大轴向力折线图

从最大轴向力折线图分析，1号和3号刀的最大轴向力总体的趋势是增大的，轴向力主要是由于横刃产生的，说明它们的横刃有不同程度的磨损和积削瘤。3号刀的最大轴向力是最稳定的，除了几个奇异值以外。说明3号刀的耐磨性比较强，阻碍了轴向力的增大。

(5)扭矩分析

由图8分析，由于1号刀提前断刀，所以重点比较一下2号和3号刀。它们的扭矩总体的趋势是逐渐增大的，但是2号刀的波动比较明显，3号刀相对比较稳定。

图8 最大扭矩折线图

3 结论

综合分析，1号钻头 (普通涂层直槽钻)在相同的加工条件下，加工到136个孔的时候出现断刀。主要是由于硬质合金本身的机械性能决定的，其硬度高、韧性差和疲劳强度低。经过深冷处理过的钻头，硬度、抗弯强度、耐磨性及断裂韧性均有较大幅度的提高［4］。主要是因为在深冷处理之后发生了比较完全的粘结相Co的α→ε转变，这是一种多型性的马氏体转变，ε相塑性较好［5］。所以经过深冷处理过的2号和3号钻头没有出现断刀和崩刃的情况。其综合力学性能得到了优化。提高了刀具的寿命也就相应地提高了生产率，降低了生产成本。

［1］杨梅，郭智兴，熊计.深冷处理对硬质合金的影响［J］.硬质合金，2010，27(3):186 －192.

［2］樊恋.顶锤用 YL20.3硬质合金深冷处理研究［D］.长沙:湖南大学，2010.

［3］倪志福，陈壁光.群钻［M］.上海:上海科学技术出版社，1999:8－9.

［4］刘劲松，蒲玉兴，谭目发.硬质合金的深冷处理工艺及其研究进展［J］.材料热处理技术，2012，42(6):184－186.

［5］刘亚俊，李勇，首志新，等.YW1硬质合金深冷增强机理的研究［J］.机械工程师，2001(4):33－34.