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。
! w/ P" i* X7 c6 p) V4 g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。
, o% D3 n# t- B/ L6 R表1 BFe30-1-1化学成分
9 F2 c0 ]5 M# Z  A7 B适用标准
' ^  h% m: m9 |& |Ni+Co
Fe
4 X% Q* e  l* V* K. J5 n) A, G2 M5 _Mn
% E" l: s* W8 l8 o: p, U# oCu
% [$ I4 r  s. p$ l5 ]* dZn
8 H2 G2 O. G8 N9 g8 |7 aSi
Pb
S
C
P
! O1 P) p" H: n) TSn
* `1 Z" j9 l. f/ I5 L杂质
6 }$ e$ B* I1 ?) Z总和
$ U0 K. T+ p$ w! m1 O1 r" i+ UGB5234
; O9 j- E& A7 ~& \1 `* u& a-85
29.0～32.0
0.5～1.0
0.5～1.0
0.5～1.2
6 Z5 S: k+ \$ S" X基
, I- S; q" {2 q& v( q& n' y≤0.3
≤0.15
≤0.01
≤0.05
& a* X4 ^, L( j. K( _≤0.006
≤0.03
≤0.7
7 y' Y1 b* A; T& D( b/ D& ^表2 BFe30-1-1力学性能
品种
* d( C5 L2 t; Z# e' J+ d6 j0 v状态
/ R* A. Q2 m6 i( T" a+ Csb(MPa)
sb(%)
供货材料硬度
" z5 U: e4 a  {& q7 [板材
' j" h+ B3 j2 x0 j4 X9 wM
" T. Q% n6 W1 Q& B+ A≥375
: j; r% b1 x4 G! w2 K≥23
60～70
5 W' X; d3 ]* |# S4 F' {3 |% X7 ?1 rY
≥535
; r6 i# D0 g$ M# P  g≥3
; @8 S) C9 }" _6 j100
& i* I# Y1 j: c. r6 I8 ~/ A, e1 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
6 @  N, L. ?8 y4 O. {% N) w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)。

) P: J- {+ S. K& v. l+ b* [! E! [( M图 Ø15mm钢结硬质合金麻花钻
% C4 d) j/ T' C. |; U2.1 增大钻芯厚度K值
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
3 k# J- o; P5 g  [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。
1 t4 y8 B4 {% N3 Y2.3 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。
$ m$ @2 h  ]) O+ ~# t# Z/ P2.4 减小刃带宽度f
8 ~. @; {3 Q4 Z4 A! i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
! D$ Y$ }* i% V6 ?' r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)。
, j1 `% [: ~8 z0 B* Y1 w% _5 s3 钢结硬质合金钻头的制造
9 F% n  i) Z0 h/ ~* a5 A9 D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。
2 O) ~! Y8 i  j% S6 h6 A, ?, E& 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。
3.2 铣削加工
0 ?8 o0 ~2 c  C* i7 r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。
: D+ C6 X% F# a' k( o' m3.3 磨削加工
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
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。
# z$ d$ ]3 h. G3.5 热处理
5 K0 N+ F: S, R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
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。
/ h$ j& y9 X) J" G! M0 `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。
4.3 切削液
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 p4 q2 r3 U5 s1 A* Z9 E5 加工效果
- @. z+ W8 e9 V/ i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。
, h  F1 Y3 `7 D8 n6 需注意的问题
, ]; X  {1 v; g6 G& n+ L6 v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。
( s- b5 Y6 c9 S9 W. x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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