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。
' T( w; z; `; X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。
表1 BFe30-1-1化学成分
: y" p& Q9 w; f" y8 R# f适用标准
Ni+Co
Fe
7 Z# g7 V- x7 P+ k9 A$ r. QMn
2 h; P* q# @% V8 F/ CCu
Zn
Si
Pb
( I: L& d; G' H! l) @. US
C
; {, F9 L# E. C3 R5 EP
Sn
杂质
! C4 h9 D* q* F5 W3 N7 ?7 p' c% s总和
GB5234
, Q3 W8 J9 {- t* u% v4 A+ Q-85
29.0～32.0
0.5～1.0
0.5～1.0
0.5～1.2
8 O9 t( @/ Q1 P+ x, X9 P6 w% E2 ?基
- h) ~: k  J6 U1 y; g  ~: y≤0.3
≤0.15
≤0.01
≤0.05
≤0.006
& e% U7 ?& d3 P4 O$ a/ ]≤0.03
3 g: r# R- U7 L( v- R7 k1 ?  V9 S≤0.7
表2 BFe30-1-1力学性能
# p4 a" i, q6 w! m" B( c% U品种
状态
9 |' P& I% t& \( \sb(MPa)
6 w* ?5 B" b9 B+ vsb(%)
! t6 @6 R  ~4 l. [7 A! F$ @供货材料硬度
, {0 s( |9 i( ?8 P板材
M
- t8 Y+ l7 u3 v& d$ z1 X) H≥375
≥23
) G/ `( {- `1 i60～70
. G2 Z9 m1 N& H, ~Y
≥535
≥3
9 D5 o, S9 V0 ~# Z8 `0 I+ K  Q100
1 刀具材料
' @" k0 ]; R& P3 P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
7 |# X8 v& c3 x4 n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)。

  F, D4 F" [- u图 Ø15mm钢结硬质合金麻花钻
2.1 增大钻芯厚度K值
* x* p+ u# W% h8 o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
; b$ ~: K/ R- F  E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。
$ J; w6 m0 Q, ]' n/ A: i3 P3 L$ `2.3 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。
9 H; i1 Y& {+ y2 }) Y* f; I2.4 减小刃带宽度f
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。
) O3 b( I4 y+ g& E2.5 修磨横刃
! s- f. i% i, g' M& g# w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)。
  ~/ S8 U, k/ H6 L+ A3 钢结硬质合金钻头的制造
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。
; O. `; Z1 s# n$ Y, _4 M9 f  E3.1 车削加工
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。
3 c# {2 e# \' `+ W& L, k/ V: D3.2 铣削加工
$ _+ _* N* E0 r: g" {" }! Q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。
  Y8 x& A5 J5 p7 k3.3 磨削加工
: }  f1 Q+ k0 A- A0 l0 u. j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。
3.4 对焊
1 [) M4 r0 P; y$ l/ T) v' n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。
3.5 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。
% p7 O9 e; B0 {4 F2 B& e1 e4 钢结硬质合金钻头的合理使用
4.1 开机前的准备和检查
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。
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。
% m* u( l: Y9 |; D7 C& |4.3 切削液
8 Z4 Y* o1 `& 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。
5 加工效果
4 H* p& B% ^% Q" |0 P2 l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。
- W" ^+ O/ d8 x/ l0 N2 A6 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。
5 \3 `( ^1 g, ~: M$ U% E2 @3 H2 {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。
4 G, \, k% Y2 X! m9 Q- ^7 w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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