硬質（zhì）合金孔加工刀具的技（jì）術進展-刀具網-數控機床市（shì）場網

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硬質合金孔加工刀（dāo）具的技術進展（zhǎn）

2014-4-8 來源：數控機床市場網作者：

摘要: 簡要介紹了現代製（zhì）造技術中常用孔加工刀具的種類、硬質合金刀具的（de）材料與製備。以鑽頭為例, 分析了刀具參數、刃磨、刃口鈍化技術對切（qiē）削性能的影響, 綜述了硬質合金孔加工刀具技術的發展（zhǎn）趨勢。

關鍵詞: 孔加工; 硬質合金刀具; 技術進展

1 引言

隨著機械製造業的不斷（duàn）發展, 尤（yóu）其是近年來我國汽車、航空、軍工、模具等行（háng）業的快速發（fā）展, 對金屬（shǔ）切削加工刀具的需求不斷增大, 同時, 對（duì）刀具（jù）製造質量的要求也大大提高。在機械零件的切削加工中,孔加工占有較大比重, 約占機械零件加工總量的（de）1/ 3[ 1]。硬（yìng）質合金孔加工刀具（jù）因（yīn）具有高切削速度、高加工效率、高耐用度和高可靠性等（děng）顯著特點, 獲得了越來越廣泛的應用。隨著數控機床、加工（gōng）中心等現代加工設備的大量使用（yòng）, 以及生產的自動化及高效化, 這種趨勢將更趨明顯。據國（guó）外統計資料（liào）顯示, 在孔加工刀（dāo）具的總產值中,硬質（zhì）合金（jīn）刀具（jù）的（de）比例在不斷增大。目前, 與工業發（fā）達國家（jiā）相比, 我國（guó）硬質合金孔（kǒng）加工刀具在產品質量、刀具結構設計、刀具刃磨技術等方麵尚（shàng）存在較大差距, 製約了我國硬質合金孔加（jiā）工刀具的發展, 影響了（le）我國硬質合（hé）金孔加工刀具產品( 尤其是（shì）高端產（chǎn）品) 的市場占有率。因（yīn）此, 努力提高硬質（zhì）合（hé）金（jīn）孔加工刀（dāo）具的設計、製造和（hé）刃（rèn）磨（mó）技（jì）術,對於提高我國孔加工的質量和效（xiào）率、增加硬質合金孔（kǒng）加工刀具的國內外市場份（fèn）額具有重要（yào）意義。

2 硬質合金（jīn）孔加工刀具技術

2. 1 常用的孔加工（gōng）刀具類型

機械零（líng）件上需要加工的孔通常包括直孔（kǒng）、階梯孔、成型孔、具有特殊（shū）要求的（de）孔等各種形式。根據零件的功能不同, 對不同結（jié）構的孔有不同的（de）尺（chǐ）寸精度和表麵質量要求（qiú）。在機械加工中, 可以根據孔的結構和技（jì）術要求（qiú）, 采用不同的孔加工方法, 如鑽削、鉸（jiǎo）削、鏜削（xuē）等。常用的孔加工刀具種類（lèi）如表 1 所示。

孔加工刀具的共同特點（diǎn）是: 由於受孔徑限製, 又是在工件（jiàn）內部加工, 刀（dāo）具的強度及剛性較差（chà）、排屑及冷卻潤滑困難。因此, 為了（le）提高孔加（jiā）工的生產效率、加工（gōng）精度和刀具（jù）壽命, 就必須合理選擇刀具材料, 采用先進的刀具設計和製造技術。

2. 2 硬質合金刀具材料與製備技術

鑽頭、鉸刀和鏜刀的主要（yào）材（cái）質為高速鋼( HSS)和硬質合金(HM) 。高（gāo）速鋼刀具（jù）的特點是刃口鋒利（lì）、韌性好; 硬質合（hé）金刀具（jù）硬度（dù）很高, 但韌（rèn）性較差。高速鋼（gāng）與整體硬質合（hé）金刀具切削效率的（de）比（bǐ）較見圖（tú） 1。可以看出, 硬質合金（jīn）刀具在切削速度、加工質量及切削效率上都優於高速鋼刀具。

隨著電子技（jì）術、精密機械工程、微型機械加工和金屬成型技術的發展, 傳統的硬質合金刀具材料已不能滿足加工要求, 細晶粒、超細晶粒硬質（zhì）合金的使用越來越多。製造超細晶粒及納米晶粒硬（yìng）質合金材料的關鍵（jiàn）是生產出（chū）超細粉、納米粉（fěn）以及在燒（shāo）結時防止WC 晶粒長大（dà）。美國Nanodyne 公司用噴霧幹（gàn）燥轉化工藝大量生（shēng）產各種規（guī）格的WC2Co 混合粉, 其中最小粒度可達 20- 50nm。日本住友（yǒu）和東京鎢公司（sī）用WO3+ C 直接（jiē）碳化法（fǎ）生產出粒度 0.1- 0.2μm 的 WC粉。美國Dow 公司用快速還（hái）原碳化法大（dà）規模、低成本生產粒度0.2μm 的 WC 粉。雖然（rán）目前已能（néng）在實驗室製備出（chū）粒度幾納米的 WC 粉及 WC2Co 混（hún）合粉, 但由於在燒結過程中 WC 粒子的長大, 還不能生產出粒度 0.1μm 的納米晶粒硬質合金。為解（jiě）決這一問題, 可采用快速加（jiā）熱、短時保溫等（děng）工藝措施, 使WC 粒（lì）子來不及長大, 或（huò）添加抑製劑阻止 WC 粒子長大。日本住友煤（méi）炭開采株式會社研製的 DR. SIN -TER1000 係列電火花等離子燒結設備, 適合開發生產多（duō）種新型材（cái）料, 包（bāo）括超細晶粒（lì）乃至（zhì）納米晶粒硬質合金。韓國（guó）Seung I Cha 等人采用 WC- 10Co 納（nà）米複合粉進行了放電等離子（zǐ）燒結製備超（chāo）細硬質合金材料（liào）的研究, 對材料微觀結構和機械性能的分析結果（guǒ）表明, 在（zài）燒（shāo）結（jié）溫度為 1000° 時, 燒結體即可（kě）完全致密（mì）化, 無需添加抑製劑, 且合金的（de）晶粒尺寸（cùn）小於300nm, 這是傳（chuán）統燒結工藝無法達（dá）到的。

2. 3 硬質合金孔加工刀具參（cān）數

在孔加工中, 應用最廣泛的加工方式是鑽削加工。本文（wén）以鑽頭為例, 說明刀具參數對加工質量和刀具壽命的影響。影響（xiǎng）鑽頭切（qiē）削性（xìng）能的因素很多,如鑽頭的前角、槽型（xíng）、後角、螺旋角、橫刃等, 這裏對鑽頭的槽型及後角進行分析, 說明其對切削性能的影響（xiǎng）。

(1) 槽型（xíng）

鑽頭的槽型對（duì）其容屑、斷屑、排屑性能以及（jí）剛度、切（qiē）削穩定性等都有很大的影響。設計硬質合金鑽頭槽型時（shí）, 需要根（gēn）據不（bú）同的被加工材料和表麵質量要求, 合理設計槽型結構, 以滿足斷屑（xiè）要求（qiú）。近二十年來, 斷屑槽的槽型結構不斷改進, 相繼開發出了直（zhí）線刃、折（shé）線刃、曲線刃與曲麵型、多麵型凸起、凹（āo）坑型等型麵相結合的斷屑槽, 槽型曲麵越來越（yuè）複雜, 斷（duàn）屑性能也隨之（zhī）不斷提高。例如, 吳新涼等人（rén）對幾種典型的複合式槽型（xíng）結構( 包括雙槽結構、刀尖部分槽（cáo）背（bèi）向前（qián）突起及（jí）波浪形槽（cáo）背結構) 進行了斷屑試驗研究（jiū）, 結果表明, 複合式斷屑槽兼具各種簡單槽型的優點, 提高（gāo）了刀具的斷屑性能。龍新延等人建立了切削過程的仿真模型, 分析了刀具斷屑槽型參數凸台高度和斷屑槽寬（kuān）深比（bǐ）( Wn/ H) 對切削過程的影（yǐng）響, 證明 Wn/H 的變（biàn）化對切屑折斷的影響較大（dà）, 在以小（xiǎo）進給（gěi）量切削加工塑（sù）性好的材料時（shí）, 可選擇凸（tū）台高度較（jiào）大的刀具斷屑槽型。

(2) 後角

鑽頭（tóu）的後角能減小工件加工表麵與主後刀（dāo）麵（miàn）之間的摩（mó）擦力。應根（gēn）據不同（tóng）的被加工材料、刀具種類以及刀具直徑來選擇不同的刀具後角。一般而言（yán）,後（hòu）角隨著刀具直徑的增大而減小（xiǎo）, 加工塑性材料和精加工時應選用較大的後（hòu）角; 加工脆性材料和粗加工時應選用較小的後角。目前, 國內外（wài）硬質合金鑽頭的後角根據後刀麵型式的不同, 分為一個後角和兩個後角（jiǎo）兩種型式。AHNO刀具有限公司針（zhēn）對不同的（de）工件材料來選取（qǔ）後刀（dāo）麵（miàn）型式: 加（jiā）工鋼（gāng）件時, 一般采用雙弧麵型式, 後角取 7°- 12°; 加工鑄鐵、鋁合金（jīn）時, 采用四平麵型式, 第（dì）一後角取（qǔ） 6°-10°, 第二後角取 20° 。生（shēng）產實踐證明, 選取合適的後刀麵型式, 可以提高刀具的防幹涉能力和加工效率。

2. 4 硬質合金（jīn）刀具的刃磨及刃口鈍化（huà）

近年來, 隨著中、小批量生產對（duì）生產效率、自動化程度（dù）以及（jí）加工中心性能的要求不斷提高, 刀具刃磨技術、多軸數控刀具刃磨設備的發（fā）展帶動了孔（kǒng）加工刀具的發展, 其中最典型的就是, 在機（jī）械生產中已應用（yòng）多年、使用最為（wéi）廣泛（fàn）的整體結（jié）構鑽頭刃磨（mó）技術逐漸成熟, 通過對鑽頭刃口的修磨和強化（huà）, 改善了鑽（zuàn）削加工條件。

(1) 刃（rèn）磨

金屬切削刀具的刃磨既是刀具（jù）製造中（zhōng）的最後一道工序（xù）, 也（yě）是刀具重磨最重要的工序。刀具刃磨決定了刀（dāo）具切削部分的形狀及其幾（jǐ）何精度, 是保證刀（dāo）具切（qiē）削性能和產品質量的關鍵。

一汽解放汽車廠引（yǐn）進數控萬能工具磨床對刀具進行刃磨, 該機床采用五軸數控係統, 對鑽頭的切削刃部進行鏟磨, 通過改進鑽頭的鑽尖幾何角度, 嚐試提高鑽頭使用壽命, 經過多（duō）次試驗後發現, 在鋒角為130° 左右時加工平穩性最好, 加工工件的數量和質量明顯提高。在對（duì）鑽頭橫刃進行處理時, 采用大量切除方式鏟磨橫刃, 縮短橫刃寬度, 使鑽心的橫刃與主切削（xuē）刃接近十字交叉（chā）, 減（jiǎn）小（xiǎo）了鑽削中的軸向力和轉矩。郭延文（wén）等人將鑽頭後刀麵刃磨成雙曲麵,形成 S 型橫刃, 與錐麵麻花鑽（zuàn）相比, 這種鑽型的軸向（xiàng）力平均下降了24%, 扭矩平均下降了 25%, 鑽孔的定心性和刀具耐用度都得到了（le）改善。

(2) 刃口鈍化

經普通砂輪或（huò）金剛石砂輪刃磨形成的刀（dāo）具刃口, 存在不（bú）同程度的微觀缺口。通過對刀具刃口進行鈍化, 能有效（xiào）提高刃口強度、刀具壽命和切削過程的穩（wěn）定性。現代高速加工和自動化機（jī）床對刀具的（de）切削性能和穩定性（xìng）提出了更高要求, 特別是塗層刀具,在（zài）塗層之前必須經過刃口鈍化處理, 才能保證（zhèng）塗層的牢固（gù）性和使用（yòng）壽命。K. D. Bouzaki 等人采用有限元仿真與試驗相結合的方法, 分（fèn）析了刀具刃（rèn）口鈍化半徑對塗層刀具壽命的影響。Yung- Chang Yen 等人采用有（yǒu）限元仿真方法（fǎ）, 研究了刀具（jù）刃口（kǒu）半徑（jìng）對切削力、切削溫度等加工（gōng）要素的影響（xiǎng）。劉月萍通過有限元仿真與試驗相結（jié）合的方法, 研究了銑削鈦合金Ti6Al4V 刀具的不同刃口鈍化結構（gòu）及表麵質（zhì）量完整性。刃口（kǒu）鈍化技術是提高刀具壽命、減少刀具消耗的有效措施, 在經濟性（xìng）和技術性兩方麵（miàn）都行之有效。

3 硬質合金孔加工刀具的（de）發展趨勢

3. 1 硬質合（hé）金刀具材料

隨著機械加工技術（shù）的不斷發展, 對孔加工的要求日益提高（gāo）, 特別是在大批量的孔加工中, 為了獲得高（gāo）精（jīng）度的孔軸配合, 對（duì）孔的（de）尺寸精度、幾何形狀及表麵粗糙度提出了更高要求, 而傳統的硬（yìng）質合金刀具材料已難以滿足大批量（liàng）、高精度、高效率生產的需要。納米硬質合金刀具是能夠適應這種（zhǒng）需要的一種精（jīng）密孔加工（gōng）刀具。但是, 由於生產（chǎn）工藝不成熟、價格昂貴以及燒結過程（chéng）中納米晶粒容易瘋長等原因, 迄（qì）今世界上還沒有（yǒu）一家公司（sī）能實現粒度 100nm 硬質合金材料的工（gōng）業化規模生產。因此（cǐ）, 今後還需要進（jìn）一步研究納米硬質合金（jīn）材料（liào）的工業化生產（chǎn）與（yǔ）應用。此外（wài）, 國內在結合劑以 Ni 代 Co 上的研究主要集中在礦（kuàng）用硬質合金方麵, 在硬質合金（jīn）刀具材料方麵還沒有開發出正式牌號, 因此, 還（hái）需要對材料的高溫性能、耐磨（mó）性以及抗崩刃性等一係列問題進行深入、係統的研究。

3. 2 刀具（jù）塗（tú）層技術

由於孔加工技術的快速發展, 塗層硬質合金鑽頭（tóu）、鉸刀等孔加（jiā）工刀具的（de）使用（yòng）量（liàng）大幅（fú）增加, 此外, 隨著對刀具重磨要求的提高（gāo）, 越來越多（duō）的重磨（mó）刀具需要進（jìn）行重新塗層, 使塗層技術的應用有了更廣闊的前景。由於（yú）單一塗層材料難以滿足提高刀具綜合性能的要求, 因此（cǐ）塗（tú）層成份將趨於多元化、複（fù）合化。德國Guhring 公司和瑞士Vilab 公（gōng）司聯合開發（fā）了MOVIC 塗覆技術( 類似於表麵處理技術（shù）) , 製備出的塗層主要由二硫化錳材料（liào）構成, 具有很好的潤滑性能( 不粘結) , 該（gāi）技術正在繼（jì）續開（kāi）發和推廣運用之中。成（chéng）都工（gōng）具研究所開發的 Ti-C-N-O-Al 和Ti-C-N-B 兩個係列共三種高性能多元複合塗（tú）層, 具有較好的複合機械（xiè）性能和優良的切削性能。豪澤技術塗層進一步發展了其高功率脈（mò）衝磁控濺射（shè）技術(HIPIMS 和 HIPIMS+ ), 為改善塗層刀具（jù）的精度提供（gòng）了更多機會。今後的發展趨（qū）勢是, 通過工藝、材料和結（jié）構（gòu）創新, 進一步改進（jìn）各類塗層的性能, 如將多弧工藝與濺射（shè）工藝相結合, 優化塗層結構, 開發多層塗層以提高其韌性和結合力, 添加合金元素(如鉻、鋯、釩、硼（péng）、鉿、矽等), 提高塗層的硬度（dù）、韌性、化學穩定性、潤（rùn）滑（huá）性等, 同時努（nǔ）力（lì）開發納米多層塗層。

3. 3 刀具表麵微觀質量

隨著現代刀具（jù）製造（zào）技（jì）術的發展, 對（duì）刀（dāo）具表麵（miàn）質量的要求越（yuè）來越高, 要求刀（dāo）具的刃口及排（pái）屑槽表麵非常光滑（huá）。提高刀具磨削質量, 減少排屑槽表麵的細小裂（liè）紋, 能有效減少（shǎo）應力集中, 防止在加工過（guò）程中發生（shēng）崩刃。同時, 排屑槽表麵越光滑, 切屑流動就越順暢, 切屑（xiè）的溫升也越低, 刀具就可以（yǐ）采用較高（gāo）的切削速度, 並能提高刀（dāo）具壽命。由於孔加工刀具（jù）( 特別是深孔（kǒng）鑽) 在加工中排屑比較困難, 因此要求刀具排屑槽具有較高的表麵微觀質量, 使切屑能快速排出,從而提高孔加工的精度。國外利用磨料超聲振動研磨技術, 來提高刀具（jù）排屑槽的表麵光潔度, 當排屑槽表麵粗糙度值達到 R a0.08- 0.02μm 時, 可以獲得很（hěn）高的孔加工精度, 還能將切削（xuē）效率提高 10% , 國內也將（jiāng）致力於這（zhè）方麵（miàn）技術的研究與開發。

4 難加工材料刀具技術

為了滿足機械產品向高性能、多功能、高質量的方向發展, 以（yǐ）及產品結構輕量化、零件尺寸微型化的需求, 具有高（gāo）硬度、高韌（rèn）性和高耐磨性的難加工材料(如鈦合金、鎳（niè）基合金、超耐熱（rè）合金、陶瓷等) 的使用越來越（yuè）多。能否高效加工這些材料, 直接關係到我國汽車、航空航天、能源等重（chóng）要工業部門的發展和製（zhì）造業的整體水平的提升, 也是對切削（xuē）加（jiā）工技術的最大挑戰。在難加工材料的孔加工中, 切削軸向力大,鑽頭等（děng）刀具磨損劇烈、易產生較大撓（náo）曲, 導致鑽孔偏斜, 影響鑽孔精度。因此, 需要大力發展具有優異耐磨性和較低摩擦係數的硬質（zhì）合金刀具（jù）材料, 選擇與（yǔ）難加工材料（liào）特點（diǎn）相適應的前角、後角、切入（rù）角等刀具幾何形狀, 並對刃尖進行（háng）適當鈍化處理, 以提高切削性能、延長刀具壽命。

5 結語

孔加工是機械加工中（zhōng）不可或（huò）缺、應用廣泛的基礎加工技術, 對產品的質量、成本等具有重要影響。

隨著產品的小型化和高性能化, 對孔加（jiā）工技術（shù）的（de）要求越來越高, 為了充（chōng）分發（fā）揮數控加工、高效加（jiā）工、自動（dòng）化加工等現代加（jiā）工（gōng）技術的優（yōu）勢, 孔加工刀具必須滿足高切削速（sù）度、大進給量、大切深、刀具壽命長等苛刻要求。硬質（zhì）合金孔加工刀具因具有高速度（dù）、高效率、高壽命、高（gāo）可靠（kào）性等優勢, 正取代高速鋼刀具,成為孔加工的主（zhǔ）流刀具（jù）。隨著硬質合金材料細化、塗層（céng）技（jì）術的發展, 以及刀具表麵微（wēi）觀質量的（de）提高, 孔加（jiā）工的質量和效率將會進一步提高。

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