用新型钢结硬质合金钻头加工铜镍合金

魔神

    

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。

表1 BFe30-1-1化学成分

适用标准

Ni+Co

Fe

Mn

Cu

Zn

Si

Pb

S

C

P

Sn

杂质 总和

GB5234 -85

29.0～32.0

0.5～1.0

0.5～1.0

0.5～1.2

基

≤0.3

≤0.15

≤0.01

≤0.05

≤0.006

≤0.03

≤0.7

表2 BFe_30-1-1力学性能

品种	状态	sb(MPa)	sb(%)	供货材料硬度
板材	M	≥375	≥23	60～70
	Y	≥535	≥3	100

1 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)。

图 Ø15mm钢结硬质合金麻花钻

2.1 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

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。

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。

2.4 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。

2.5 修磨横刃

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

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

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

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

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。

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。

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。

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 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。

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。

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。