硬质合金钻头的改进 - 文章

硬质合金钻头的改进

作者：淮阴工学院叶伟昌来源：CMJ 中国机械与金属

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硬质合金钻头具有弹性模量高、刚性好、工效高和刀具寿命长等特点，而被广泛应用于生产制造中。本文介绍了近十几年来正在迅速发展的硬质合金钻的种类及其改进的方法，并介绍一些刀具制造厂商近几年来推出的典型先进钻头产品。

硬质合金钻头的改进

加工硬脆材料，如合金铸铁、玻璃、大理石、花岗岩、淬硬钢及印刷线路板等复合层压材料，宜选用硬质合金钻。

适合于钻削灰铸铁的ф10~ф30mm的锥柄镶焊硬质合金刀片的钻头，在国家标准GB10946中已作了规定。这种钻头其刃部螺旋槽只起排屑作用，不形成切削刃前角。其切削部分相当于一个扁钻，可根据被加工材料情况，在扁钻的前端磨出顶角、前角、后角和横刃斜角，并修磨横刃，一般采用平面刃磨法。由于硬质合金既硬又脆，故前角和后角值选得应比高速钢麻花钻要小些。

镶焊硬质合金刀片的钻头主要用于加工铸铁一类硬脆材料，加工钢料时常会产生崩刃现象。近十几年来出现了几种新结构，应用方面有所突破。例如，德国MAPAL公司开发的Mega高速钻头，可在不降低刀具使用寿命和钻削质量的情况下，将钢件切削速度提高到200 m/min，进给率提高约25%，钻削作业时间可缩短60% ~70% 。

采用新型切削刀片

图1所示为用于硬质合金钻上的一种新型切削刀片。该刀片与刀体的接触端制成120°V形槽，以增加焊接强度，同时可防止刀片沿钻头刀槽径向移动。此外，因刀片的前刀面作成近似于钻头排屑槽的截面形状，这样可使钻头主切削刃上有较大的正前角（达15°），并能改善排屑条件。用这种刀片作的钻头，在钻削普通钢、合金钢和钛合金等高强度材料时，其使用寿命可比采用标准切削刀片的硬质合金钻提高2~3倍。

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图1 硬质合金钻上用的新型切削刀片

整体硬质合金麻花钻

整体硬质合金麻花钻（一般直径小于ф20mm）具有弹性模量高、刚性好、工效高和刀具寿命长等特点，因而在生产中、尤其是在小孔加工（直径小于ф5mm，最小可达ф0.1mm）中应用日广。这种钻头的特点是﹕螺旋角较大（达35°），顶角常用118°，但也有用到130°~150°的，可避免横刃损坏；容屑空间较大，约占截面积的60%，且容屑槽的表面粗糙值也较小（Ra 0.4~0.2m），因此切削轻快，排屑顺利。用其钻削一般碳钢和铸铁时，切削速度可达V=50~60 m/min，钻高强度钢和不锈钢时V =15~25 m/min，进给量f=0.010~0.015 mm/r或用手进给；一般用乳化液冷却。整体硬质合金小麻花钻通常用平面刃磨并修磨横刃的形式，刃磨时应注意横刃的偏心和钻缘高度差的问题。这种钻头在钻削不锈钢、耐热钢、印刷电路板、铜箔与环氧树脂夹玻璃丝布层压板等材料时，都有较好的效果。国外同行在这方面的研发可圈可点，比如日本三菱公司采用特殊工艺制作出一种带内冷却供油孔的MZS硬质合金小钻头，其直径为ф3~ф4.5mm，油孔直径为ф0.4~ф0.6mm（而Kennametal公司推出的带内冷却高性能整体硬质合金钻头的最小直径已达到1.5 mm）；由于采用高压内冷却，冷却效果好，故其使用寿命和切削效率均远比普通整体硬质合金小麻花钻要高。该公司开发出的一种金刚石涂层硬质合金钻，直径为ф0.2~ф3.0mm，用其加工铝合金时，转速高达32,000 r/min，进给量为0.094 mm/r，进给速度为3,008 mm/ min，而在此加工条件下，钻头的使用寿命为可钻30万个孔。

著名阿诺刀具针对汽车行业开发出适合不同加工条件的整体硬质合金内冷却深孔麻花钻（被加工材料包括灰铸铁、球墨铸铁、合金钢、铸造铝合金等），它具有刚性好、排屑优异、切削效率高和刀具寿命长等优点，在汽缸体、缸盖和曲轴加工中大有取代目前枪钻加工之势；Seco刀具（上海）公司在CIMT 2011上推出的一款整体硬质合金钻头，可广泛应用于汽车、石油天然气、模具、医疗设备以及通用机械行业。与传统的 HSS 钻头以及普通整体硬质合金钻头相比，它可加工长径比L/D=20~30的深孔，不但能保证极好的孔质量，而且刀具寿命长和生产率高。

近年来美国Kennametal公司推出的一款SPF钻头（见图2），深受用户的青睐，它适于加工碳纤维强化聚合物基复合材料（CFRP），这种材料具有比强度高、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，其密度仅为钢的1/4，但强度却是钢的10倍。既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，可广泛应用于航空航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域。特别是可以用在风力发电等环保性新能源开发中。

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SPF钻头的钻尖具有特殊几何形状，使得钻头定心性好，且使刃口十分锋利，避免了钻孔时产生分层和纤维不能切断的现象；钻头的基体材料为整体硬质合金，表面是多层光滑的CVD金刚石涂层，故其耐磨性高，排屑性能好，钻头的使用寿命可达普通PCD（聚晶金刚石）钻的2倍以上，而钻孔费用则可降低50。

针对CFRP材料的特性，日本黛杰（Dijet）工业株式会社开发出一种用金刚石（PCD）与硬质合金整体烧结而成的“比梦”钻（见图3）。它是在硬质合金基体上加工出螺旋槽，并向其中填充烧结金刚石粉末，在高温高压条件下一体烧结而成的。由于是整体烧结，故它不但可制作出小直径钻（其最小直径可达0.4mm），并能使烧结金刚石制成与硬质合金钻同样的螺旋刃，其刃部外周有30°的螺旋角，独特的排屑槽与钻尖结构不仅可提供极佳的孔圆度，同时将使钻削轴向力最小化，可防止孔口崩边及起毛等现象，能稳定地得到良好的表面粗糙度和孔径精度。用其对机翼零件CFRP（厚2.5mm）和铝合金（A7075，厚2.5mm）的叠板加工时，切削速度可达126 m/min，转速10,000 r/min，进给量为500 mm/min。与金刚石涂层钻头相比，“比梦”钻可进行重磨，故它可大幅度延长刀具使用寿命，降低加工成本。据称，“比梦”钻同样适合于加工金属基复合材料（MMC）、石墨、碳材、和硬质合金等一类难加工材料。

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在整体硬质合金钻头钻削加工中，外径处切削速度最高，摩擦和磨损大，而近中心处切削速度最低，在横刃中心尖点处减小为零，切入困难、易崩刀，长期以来这一问题困扰着整体硬质合金钻头的效率和寿命。美国ATI Stellram刀具公司推出的HARDCORE刚骨——蓝钻（见图4）成功地解决了这一难题。该钻头的特点﹕一是采用了一种硬质合金棒料专利产品，其芯部使用韧性很好的硬质合金材料，以适应刀具中心处低切削速度的切削，而外部采用硬度非常高的抗磨硬质合金材料来满足钻头外切削刃处高切削速度的切削要求；二是表面使用了专利的涂层（蓝色表面），保证钻头有更好的耐磨性、耐热性和锋利性；三是特殊的刃带设计与磨制，使其断屑和排屑大为流畅，且可使刃带达到“0”跳动，故它可以稳定地加工出高精度（可达H7级）和表面粗糙度值较小的孔（Ra1.6m）。HARDCORE刚骨——蓝钻与当今普通整体硬质合金钻相比，其刀具寿命和切削速度分别可提高4倍和2倍。

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三刃带硬质合金钻

美国Kennametal公司新近推出一种加工航空航天用不锈钢的具有三条不等距刃带的整体硬质合金钻头，受到了用户的欢迎。它能以钻代铰，加工出孔的圆度和圆柱度为普通硬质合金钻的1/4，孔的倾斜度几乎为“0”，钻出孔的精度能达到铰孔的质量要求。并且钻头磨损后，用户可以自己方便地进行修磨。由于钻出的孔倾斜度极小，所以在机床上加工时不需要钻引导孔或中心孔，而使孔的加工效率大大提高。

山高（Seco）刀具（上海）有限公司新生产的一款SD245A 型4 条刃带钻头，据称亦具有上述三条不等距刃带的整体硬质合金钻同样的功能。

硬质合金可转位浅孔钻

图5所示为带内冷却供油孔的机夹硬质合金可转位刀片浅孔钻，目前在数控机床与加工中心机床上广泛使用。两侧硬质合金刀片相互错开，并用沉孔螺钉夹紧在刀体上，一个刀片靠近钻头中心，另一个靠近外缘，切削时起分屑作用。根据钻头中心与外缘处工作条件不同的特点，两个刀片可以选用不同的牌号。该钻头常用直径为ф16~ф55 mm，主要适用于钻削孔深与孔径之比小于3的浅孔，特殊的达6。采用内冷却，冷却效果好。若使用TiN、TiCN、TiAlN涂层刀片，切削速度V=50~150 m/min，进给量f=0.08~0.3 mm /r ，工效比高速钢麻花钻高3~4倍。

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图6为美国Kennametal公司推出的一种全新改良型DFS机夹硬质合金可转位刀片浅孔钻，外侧采用方形刀片以提供经济性，内侧采用三角形刀片以获得出色的定心能力。用其钻削大多数的钢件、铸铁、球墨铸铁、多种铝合金、奥氏体和PH不锈钢和高温合金都能获得更好的孔加工质量。据报道，该公司新近还推出一款具有三种高性能材质（KCPK10，KCU25，KCU40）创新型Beyond刀片的可转位刀片浅孔钻，用于钻削钢材、不锈钢和铸铁孔时，无论是在稳定的高速加工条件下（推荐用KCPK10材质Beyond刀片），还是在高速高进给情况下（用KCU25材质刀片），甚至在苛刻的不稳定应用中（用KCU40材质刀片可加工断续孔），均有卓越的效果。所有Beyond刀片都采用CVD（化学气相沉积) 涂层，通过配以HP、FP和MD合适断屑槽型，很“给力”可实现切屑的自主控制，保证切屑可靠的碎断，并使钻头使用寿命大幅度提高。与普通标准刀片相比，不但刀具寿命长，孔的表面质量好，而且材料切除率至少可提高20%。

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可换刀头式硬质合金钻

图7所示为MAPAL公司研发的一款可以有限修磨的可换刀头式硬质合金钻，与可换刀片式钻头相比，在同等情况下可换刀头式钻头可达到与整体硬质合金钻头一样的孔加工质量。该钻头的关键是具有四条定心导向刃带，及运用了一种高稳定性的鼠齿盘式新型联接机构，在圆周上有12个放射状齿形（ф24.5 mm以上为18个齿），在提供更大转矩传递能力的同时，也能够保证高的同心度和互换精度，并且刀头装卸快捷方便。

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图8为瑞典Sandvik公司新推出的一种加工钢和铸铁件用带内冷却供油孔的可换刀头式硬质合金钻，适于加工中间范围公差IT9~IT10的孔。该钻头的特点是﹕钻体与刀头之间的可靠接口可确保极高的稳定性和精度，并且刀头装卸快捷方便；而新的钻尖槽形及刚性刀体既保证了高进给率，又优化了切屑控制，使切削过程更加高效和安全。该钻头的标准直径ф12~ф20.99 mm 。

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ISCAR公司新推出的束魔变色龙钻据称也具有上述瑞典Sandvik公司可换头式硬质合金钻的优点，该钻头提供四种不同标准几何形状的可换刀头，分别用于钻削钢、难加工材料、铸铁和铝合金。束魔变色龙钻的标准直径ф7~ф25.9 mm，钻削孔深为1.5XD、3.5XD、8XD和12XD的孔。

展望

必须指出，目前由于硬质合金制造技术的进步，材料的细晶粒化使硬质合金钻的韧性得到很大改善，先进的涂层技术使钻头切削性能大大提高（2011年欧瑞康巴尔查司涂层公司推出的一款纳米多层结构新涂层—BALINIT® PERTURA，钻削速度可以达到210 m/min，进给量为0.2mm/r，钻削500个孔只需要13 min，大大缩短了加工时间，提高生产效率85%），而刀具结构的创新弥补了硬质合金工艺性差的不足，使其可制作大尺寸和复杂刃形的钻头。

所以近几年来，国外一些著名刀具公司，如Walter、Kennametal、Sandvik、Seco等已相继推出了各种整体硬质合金钻头（在CIMT 2012上，日本三菱综合材料株式会社展出的超长硬质合金麻花钻MWS和MNS，可在钢件和铝合金上加工出长径比达40的深孔；而在EMO 2011欧洲国际机床展览会上Walter公司展出的一款创记录的“extremely deep” 整体硬质合金钻头，可钻出长径比高达70的深孔，它采用XD技术，可在一道工序中钻出深孔而无需退刀，通过内冷却孔进行冷却，且不需要任何特殊的冷却装置）、可转位刀片钻头和可换头式硬质合金钻头等产品，覆盖了小直径、大直径和大长径比等领域，由于其高效率、长寿命和高质量而占领了钻头大半个市场，特别是在一些现代化程度较高的生产在线，传统的高速钢麻花钻已淡出人们视野，渐被高生产率的硬质合金钻所取代。因此，硬质合金钻是今后钻头发展的趋向。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/31/2013)


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