用新型钢结硬质合金钻头加工铜镍合金

huqian2009

汽轮机冷凝器(热交换器)管板通常选用低碳钢或低合金钢材料制造，但对于一些要求具有耐腐蚀性和较高机械性能的管板，则需选用铜镍合金材料BFe30-1-1，这种材料的化学成分和力学性能分别见表1和表2。
由于材料成分含镍较高，因此机械加工性很差，尤其对于在半封闭状态下进行的钻孔工序，加工更为困难。如采用W18Cr4V高速钢标准麻花钻加工，由于被加工材料韧性和粘性均较大，切削刃极易粘屑并产生积屑瘤，使刀具刃口迅速钝化，从而导致刀具校正刃与孔壁剧烈挤压和摩擦，产生刺耳噪声，加工几个或几十个孔后，刀具主切削刃和侧刃即严重磨损，如继续加工，则切屑会将管板孔壁拉出较深沟槽，严重时会造成钻头折断。为解决铜镍合金管板孔的加工难题，我们研制了新型钢结硬质合金钻头。
! Q7 ^% ^" }4 X9 J1 \$ Y表1 BFe30-1-1化学成分
2 Q; A4 f( D3 q1 Z, A适用标准
- d3 a5 }- v" A! E: GNi+Co
/ y8 _+ a0 r2 z; `/ p4 w/ Z1 C' [Fe
( V: z- d3 _7 R6 Y3 aMn
Cu
: f. O3 b9 R+ F  N9 ]. YZn
: C, F3 N* n( Z4 t: cSi
$ c" I% f) G4 w8 {Pb
S
C
3 T  \4 R. Z3 H* R$ fP
& x- ^3 o3 _+ s% {$ c2 |Sn
) p( Z" i. s% {7 @( x9 u杂质
$ V, q" z9 i3 ^: {3 d总和
GB5234
7 M- J& W. [% F5 k-85
29.0～32.0
0.5～1.0
0.5～1.0
0.5～1.2
基
≤0.3
& h- d: t; F+ v# n& y9 V) e; V≤0.15
7 i% \3 ]. @! u4 Z4 m≤0.01
≤0.05
≤0.006
1 U* |) v8 O- m8 W+ ?9 ]' J≤0.03
≤0.7
表2 BFe30-1-1力学性能
3 h; D% n6 V* y品种
* X! }4 \( ~5 p; V$ a! k状态
sb(MPa)
& C6 w2 i$ S: msb(%)
供货材料硬度
2 b$ `- ~, ?- U( N0 L* @, i) E板材
9 s: F' @( O0 K0 MM
≥375
≥23
60～70
- O( k8 m% e8 _Y
≥535
& \' v& a2 y/ N) b/ k≥3
1 }2 ]! t  N4 g) e! A. x100
- J3 Z3 j0 l% k" y3 [# j1 刀具材料
刀具材料选用株洲硬质合金厂提供的D3牌号钢结硬质合金，这是一种新型工具材料，由高速钢粉末和硬质合金粉末混合后压制、烧结而成，主要成分为W18Cr4V(70%)和WC(30%)。钢结硬质合金的使用性能介于硬质合金和高速钢之间，其硬度高于高速钢(热处理硬度68～71HRC ) ，而强度高于硬质合金，用其制作的麻花钻可在摇臂钻床上对铜镍合金管板孔进行钻削加工。钢结硬质合金钻头在结构及几何角度上作了某些改进，较为显著地提高了切削效率和刀具寿命，可以满足加工要求。在Vc=26～30m/min, f=0.36～0.50mm/r条件下，刀具每刃磨一次可加工150～300个孔。
2 钢结硬质合金钻头的结构设计
钢结硬质合金钻头加工铜镍合金时，在提高切削效率和刀具寿命方面具有较大优势，但由于其强度低于高速钢刀具，如采用标准型式麻花钻结构，则无法进行正常加工。为此，需对钻头结构和几何角度作如下改进设计(见图)。

7 p* w3 w4 l  q/ I1 D+ d7 C" i图 Ø15mm钢结硬质合金麻花钻
5 [: [- w- Q9 |+ g( M6 N, b8 G9 M2.1 增大钻芯厚度K值
# j! @. x3 M4 J1 T3 K& c国家标准规定，钻芯厚度K 值每100mm增大1.4～2.0mm，现改为每100mm增大2.2～2.8mm。增大钻芯厚度可提高钻头切削部分刚度。
2.2 减小螺旋角β
6 q/ F( K" r/ P% H国家标准规定Ø15mm麻花钻螺旋角b=30°，现改为β=25°。减小螺旋角有利于粘而硬的切屑顺利排出。
6 ^% Z. A, I( l/ r0 Q% P5 G2.3 主切削刃增开分屑槽
在两个对称的180°主切削刃上交叉开出三条月牙形分屑槽，以减小轴向切削力，同时可为排屑创造有利条件。
. i+ j1 D  g2 E, B. N% G$ {2.4 减小刃带宽度f
  Z# U! A) C4 m. E# b, t国家标准规定Ø15mm麻花钻刃带宽度f＝1.0mm，现减小f=0.75 mm。减小刃带宽度可减小刃带与孔壁的摩擦，减少刀具磨损。
2.5 修磨横刃
& c8 {0 T+ z/ T3 S" V9 H钻削轴向力的大小与横刃的大小密切相关，为减小切削抗力，将横刃宽度改为0.7～1.0mm(约为原横刃宽度的1/3)。
3 钢结硬质合金钻头的制造
3 m! N, v. K% T- Q钢结硬质合金刀具的制造工艺不同于普通高速钢和硬质合金刀具，具有一定特殊性，其加工要点如下。
3.1 车削加工
; E: o2 c. M2 m( Q- ^* t% z1 Y# {钢结硬质合金坯料硬度一般为32～35HRC ，硬质合金成分为WC ，切削用量宜采用低速小走刀量和较大切深，刀具材料宜选用YG类牌号，以YG8N为佳。
9 ?2 C! ]( A! l0 x. u' p. I  \3.2 铣削加工
钻头沟槽和刃背的铣削加工可采用标准型式的高速钢成型铣刀，但切削用量的选用应比加工普通高速钢钻头时低(约为2/3)。加工过程中不宜使用切削液，因为铣削产生的切屑一般为碎屑，易与切削液混合为糊状，会加剧刀具磨损。
3.3 磨削加工
' b2 K7 {3 Q/ t7 d& w/ p磨削钢结硬质合金钻头的钻刃时，采用金刚石或碳化硅砂轮为佳，砂轮应经常修整，以保持磨轮刃口的锋利性，否则易使刀刃退火，有时由于磨削径向力过大，甚至会使刀具对焊处发生断裂。
2 W- K- H' v7 s- }+ C( |! a! `3.4 对焊
& c$ H2 Y: ]. L* ~0 d, q; v钢结硬质合金钻头的头部和柄部(40Cr)材料的导热率相差较大，如仍采用高速钢刀具对焊工艺无法保证对焊质量，为此对焊前应将40Cr刀柄先行加热，然后再快速放在对焊机上与钢结硬质合金棒料一起对焊。
6 r; c9 u4 v) [" H8 Z: _) d3.5 热处理
钢结硬质合金钻头的热处理是保证钻头质量的重要环节。淬火温度对刀具硬度影响较大，如淬火温度＞1260 ℃ ，会出现金属析出现象，使刀具硬度和强度大为降低；如淬火温度＜1180 ℃ ，则难以保证钻头的硬度要求。试验结果表明，最佳热处理工艺参数为：1200 一1230 ℃ 淬火，560 ℃ 三次回火。
4 钢结硬质合金钻头的合理使用
) {$ g! n0 ?' i' ?8 H2 L4 V4.1 开机前的准备和检查
# n2 q/ l$ |: N5 e: Q! H与高速钢钻头相比，钢结硬质合金钻头性质较脆，抗振性和抗冲击性较差，因此将钻头安装在过渡套和主轴内孔中时，钻尖应避免与工件碰撞(最好在机床或工件上放一块木板)。钻头安装好后应检查其径向跳动(要求控制在0.03mm以内)，径跳过大加工时易使钻尖振碎，另外还应检查钻头180°锋角的对称性，钻刃不对称将影响加工稳定性，并使孔径扩大。
6 N% H9 c) e: B+ a7 ^4.2 切削用量
根据对BFe30-1-1材料的钻削试验，以Ø15mm钻头为例，推荐切削用量为n=500～630r/min, f=0.36～O.50mm/r 。一般情况下，当出现不正常的钻孔噪声或切屑颜色明显变化时，就应及时对钻头进行修磨。为安全和方便起见，也可制订强制性钻头刃磨标准，达到规定切削长度即对钻头进行刃磨。
* y" m1 \, U: F/ F0 c! E: V4.3 切削液
0 L2 _9 x$ ~0 r  D1 M2 t5 T为延长刀具寿命，钻削BFe30-1-1材料时应进行充分冷却。切削液宜选用冷却效果较好的水剂极压切削液，如无条件时也可使用乳化切削液。
4 a; x& i: o: T8 ~0 u5 加工效果
采用新型钢结硬质合金麻花钻加工BFe30-1-1材料的切削效率比采用高速钢刀具提高4～5倍，刀具寿命也从原来每刃磨一次加工1.5～2m增加到10～15m。此外，切削过程稳定可靠，基本消除了加工噪声，改善了操作环境。
) p/ ]! v3 z% W! w9 ~6 需注意的问题
为改善钢结硬质合金刀具的切削性能，必须进一步提高刀具材料强度，改善材料的对焊性能。
应进一步完善钢结硬质合金材料的冷、热加工工艺，以降低刀具加工成本，保证加工质量。
* d; n9 Q7 Z4 a4 B! \7 d应结合加工实践选取最佳刀具几何角度和切削用量，以防止钻头折断，提高刀具寿命。
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