钻削高速钢钻头的寿命研究

张金刚 张 杰 李军三 曾 嘉

（重庆红江机械有限责任公司，重庆 402160）

在船舶柴油机制造领域，高速钢是制造耐磨损运动件的关键材料。柴油发动机柱塞偶件寿命在很大程度上取决于高速钢的性能，同时新型燃料喷射系统的核心零部件也在逐步应用高速钢。因此，对于高速钢加工的研究十分必要。

现阶段，对于高速钢零件孔系的加工存在一系列难题。例如，W6Mo5Cr4V2 钢属于钨钼系高速钢，这类材质兼具钨系和钼系高速钢的优点，具有较高的红硬性、耐磨性、韧性和耐热性[1]，广泛应用于高速切削刀具等产品的制造。在钻削过程中，钻头与这类材质的工件保持长时间接触，因钨钼系高速钢导热性能差，切削热很难散失，导致切削热大量积累，切削区的温度迅速上升。由于温度升高，容易产生加工硬化，使得钻头的强度和耐磨性降低，磨损速度加快。影响硬质合金钻头寿命和工件加工效率的因素主要有4 种，刀具结构、涂层选择、冷却方式以及加工方法。

1 钻头结构分析

1.1 钻头磨损情况分析

在加工高速钢材质孔系过程中，钻削时主切削刃承担了大部分切削力，切削刃边缘处前角最大、刃口较薄、切削速度最大，因此边缘处刃口磨损较快。正常磨损情况下，主切削刃为前后刀面同时磨损。一般是外周磨损情况决定钻头寿命。钻芯部位的线速度较低，钻头横刃以及钻芯附近主切削刃的切削能力较弱、挤压作用力较强[2]，导致钻芯磨损快，切削轴向阻力增大。由于钻头排屑槽窄，钻削容易出现堵屑等问题，使得钻头折断的概率增大。因此，在钻头选择上需要充分考虑钻头的排屑能力和综合性能等。

1.2 钻尖角度

最常见的2 种钻头角度是118°和135°，使用哪种角度的钻头主要取决于钻孔的材料。118°钻头顶角适合加工较软的材料，其切削刃为凸形刃，钻削时的切削热低，刀具磨损小，导致刀具顶角小，所受的钻削阻力也小。这种角度的钻头在加工时推出的薄壁材料形成的毛刺会损坏切削刃，同时在钻通孔时存在切削刃接触不均的现象。135°顶角钻头适合加工耐热性好的材质，其切削刃为凹形刃，能够降低切削力和切削温度，而且有助于断屑。此外，凹形刃有利于降低刃口应力，提高刃口强度。这种角度的钻头在平坦切削过程中接触更均匀，因此硬质合金钻头应选用135°顶角钻头。

1.3 钻头材料

根据高速钢高强度、高硬度、高耐热性的特点，硬质合金钻头应具备高热导率、高耐热性和一定的韧性。硬质合金钨钢（Wolfram Carbide，WC）具有热导率高的特点，常作为硬质合金钻头的基材。增加TiC可以提高硬质合金刀具的耐热性，增加5%～10%的Co 作为黏结剂能够提升刀具的韧性。综上所述，钻头材料主要由碳化物（WC、TiC、Co 等）组成。这种材料的钻头硬度一般为89 ～92 HRA，抗弯强度为1 200 ～1 800 MPa，能够很好地适应高速钢的加工环境。

1.4 钻头的横刃形状及特点

标准钻头横刃前角为负值，钻削时横刃处会发生严重的挤压从而形成很大的轴向力。一般情况，下横刃处的钻削力占整个钻头切削力的50%以上。常用钻头的横刃形状包括S 形和十字形。S 形钻尖（见图1）定心好，但钻尖处强度不够，十字钻尖（见图2）定心较好，轴向受力小。加工时，横刃与主切削刃形成的过渡角起到断屑的作用。在钻削精度要求高的深孔时，通常先使用S 形钻尖加工出引导孔，保证孔的定位精度，再用十字钻尖钻削至工艺要求深度。

图1 S 形钻尖

图2 十字钻尖

1.5 刀具表面处理

为改善表面摩擦条件，提升刀具的耐磨性和切削性能，降低摩擦热，减少磨损，提高刀具的加工效率，延长刀具的使用寿命，应对刀具进行表面处理。刀具涂层首选TiAlN 涂层。有这类涂层的钻头适合在高速切削条件下使用，具有高抗氧化性、高热稳定性、高硬度和高温低摩擦等特点，能有效降低刀具与工件之间的摩擦系数，十分适合高速钢加工工况。同时，为延长钻头寿命，需要分散加工产生的切削阻力，增强刃口的刚性和表面质量。因此，要强化刀具刃口，使硬质合金钻头刃口形成一个小圆弧[3]。

2 切削参数分析

切削速度、进给量等切削参数会对钻削力和刀具寿命产生一定的影响。在切削速度一定的情况下，增大进给量能够减少切削刃的切削次数，进而减少切削刃的磨损量，但切削的厚度增加会增大轴向阻力，增加刀具损坏的风险。切削速度的增大会加快刀具与材料的摩擦速度，进而升高切削温度，而转速降低有利于热量传导，能够降低切削温度。不同切削参数对钻头寿命的影响见表1。

表1 不同切削参数对钻头寿命的影响

综上所述，加工高速钢应采用135°钻尖钻头，其材料由碳化物（WC、TiC、Co 等）组成，刀具涂层选择TiAlN 涂层，加工时用S 形钻尖引孔，十字钻尖钻深，选择大进给、低转速，以降低切削温度，减少与工件的接触时间，延长刀具使用寿命。

3 冷却方式分析

在机械加工过程中，切削油（液）不可或缺，其具有如下作用。第一，润滑作用。冷却液可以减少前刀面与切屑、后刀面与已加工表面之间的摩擦，并形成一层润滑膜，从而减小切削力和功率消耗，降低刀具与工件摩擦部位的表面温度[4]，进而延长刀具寿命，并在钻头和工件之间形成一层良好的吸附膜。第二，冷却作用。在高速加工过程中，刀具与工件之间会产生高温。水溶性切削液主要用于降低大余量、粗加工过程中产生的热量，从而减少刀具磨损。冷却液对加工中的工件进行冷却，如图3 所示。第三，防锈作用。切削油（液）能够在刀具与工件之间形成一层良好的吸附膜，起到防锈的作用。第四，清洗作用。切削油（液）能够清洁工件上残留的铁屑。

图3 冷却液对加工中的工件进行冷却

考虑经济性和实用性，冷却液一般选择切削油和水溶性切削液。同时，冷却液的选择要充分考虑高速钢的材料加工特性。在加工高速钢零件中小孔系时，选择切削油和水溶性切削液作为冷却液进行对比实验，钻头直径为8 mm，钻削线速度为40 m·min-1，进给速度为0.15 mm·r-1，实验结果见表2。通过实验可以发现，使用切削油的刀具比使用水溶性切削液的刀具加工寿命延长80%，钻削质量提升一个等级。这是因为相较于水溶性切削液，切削油的润滑性、积压性能和抗粘接性更好。

表2 不同切削液对刀具寿命的影响

加工微小孔时，选择直径0.3 mm 的钻头，机床采用立式加工中心，转速为7 000 r·min-1，进给量为0.006 mm·r-1，使用超声波振荡切削加工方式。超声振荡切削是使刀具以20 ～40 kHz 的频率，沿切削方向高速振荡的一种脉冲切削方式。1 个振荡周期内，刀具的切削时间短，铁屑排出顺畅，切削热量小。通过大量加工实验发现，若采用水溶性切削液，则1 只钻头最多能加工约105 件零件，最少只能加工20 件零件。改用切削油作为冷却液后，在加工条件不变的情况下，经过一段时间的切削实验发现，刀具可加工零件数提升到600 件，刀具寿命延长6 ～8 倍。在加工微小孔径时，钻头损坏主要受排屑和润滑2 个方面的影响，因此加工高速钢等耐高温材质零件时尽可能使用切削油作为冷却液[5]。

4 加工程序分析

硬质合金钻头有高压冷却液的情况下，钻削一般材质时采用G1 方式钻到最终深度。在钻削过程中，钻头和加工面长时间接触，大量热集中在切削区域，而切削液、切屑和工件传导可带走大部分热量，减少刀具磨损。对于高速钢材质，若采用上述方式进行钻削，则刀具磨损较快，刀具后刀面磨损，形成锯齿状。通过技术分析发现，钻头和切屑产生黏结、扩散磨损，导致后刀面磨损加快。因此，应采用振荡钻削加工方法，即钻削时钻头和加工面不停接触、分离，这样钻头在加工时所受轴向钻削力可减少约50%。为研究吃刀深度与刀具寿命的关系，选择3.0 mm 和1.5 mm 的吃刀量进行切削实验，发现在同等切削条件下，吃刀量1.5 mm 的刀具的寿命延长20%。

以钻深为45 mm、吃刀量为1.5 mm 为例，编制高速钢材质零件钻孔加工程序，具体代码为

G0 Y0 Z3;

G0 X0;

R1=1;起点

R2=-45;终点

WHILE R1 ＞R2;

R1=R1-1.5;步距

IF R1 ＜=R2;

R1=R2;

ENDIF;

G95 G0 Z=R1+2;

G1 Z=R1 F0.15;

G0 Z-1;

ENDWHILE;

G1 Z-1 F0.5;

G0 Z3;

M17;

5 结语

在加工产品零件的过程中，采用切削油作为加工冷却液，可以使硬质合金钻头的寿命延长约80%。钻头切削时，当钻削线速度为40 m·min-1、进给量为0.15 mm·r-1时，铁屑形成小蝌蚪状，排屑性能最好，刀具的使用寿命最长。本研究得出的加工参数对于加工高速钢材质的零件具有普适性，适合大规模推广应用。