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數控機床鑽頭的（de）鍛壓工藝優（yōu）化研究

2018-6-15 來源：河南職業技術學（xué）院作者：張朝傑, 陳建

摘要：采用不同的（de）始鍛溫度、終鍛溫度（dù）和鍛比，對含鍶（sī）數控機床鑽頭進行了鍛（duàn）壓試驗，並進行了表麵硬度、高溫（wēn）耐磨損性能和高（gāo）溫衝擊性能（néng）的測（cè）試與分（fèn）析。結果表明，隨著始鍛溫度、終鍛溫度、鍛比的增加，鑽頭的表（biǎo）麵硬度、高溫磨損體積和高（gāo）溫衝擊吸（xī）收功均先增大後（hòu）減小。鑽頭的優化工藝為始鍛溫（wēn）度 1180 ℃、終鍛溫度 950 ℃、鍛比 6。此工藝下（xià），鑽頭的表（biǎo）麵硬度達 78 HRC，600 ℃磨損體積低至 21×10-3mm3，600 ℃衝擊吸收功高達 58 J。

關鍵詞：鍛（duàn）壓工藝；始鍛溫度；終鍛溫度；鍛壓比；數控機床鑽頭

鑽頭是數控機床極為（wéi）重要的（de）零部件之一。鑽頭性能的好壞，直接關係到加工產品的質量和企業生產效率。高速鋼是一種常用的數控（kòng）機床鑽頭材料。但是，目前常用的 W18Cr4V 高速鋼鑽頭由於高溫性能不理想，導致它的（de）應（yīng）用受到限製。為此，本（běn）文在W18Cr4V 高速鋼鑽頭中（zhōng）添加少量的合（hé）金元素鍶（Sr）進行新型數控機床鑽頭的製備（bèi），並對不同鍛壓工藝下的新型數控機床鑽頭的表麵硬度、高溫耐磨性能、高（gāo）溫衝擊性能進（jìn）行了研究，優化出含鍶數控機床鑽頭的鍛壓工藝，為含鍶數控（kòng）機床鑽頭的應用提供了新的思路和試驗（yàn）數據。

1、試驗材料與方法

在 W18Cr4V 高速（sù）鋼中添加（jiā） 0.5wt%合金元素Sr，經過感應（yīng）熔煉和電渣重熔，獲取試（shì）驗需要的含鍶數控機（jī）床（chuáng）鑽頭（tóu）鋼錠。采用 EDX1800C 型（xíng） X射線熒光光譜儀（yí）對含鍶數控機床鑽（zuàn）頭鋼錠試樣進行化（huà）學分析，結果如表 1 所示。

表 1 試樣的（de）化學成（chéng）分(質量分數，%)

在 25MN 鍛壓機上進（jìn）行含鍶數控機（jī）床鑽頭的鍛壓試驗。在試（shì）驗過程中，對始鍛溫度、終鍛溫度（dù）和鍛比這三個重要的（de）工藝參數選取不同的（de）數值進行試驗。試樣的具體鍛壓（yā）工（gōng）藝參數如表2 所示。

表 2 試樣的鍛壓工藝參數

鍛壓過程中的毛坯加熱溫度為 450 ℃、模具預熱溫度為 350℃。由於 W18Cr4V 高速鋼的導熱性（xìng）較差，所（suǒ）以本試驗中（zhōng）的含鍶數控機床鑽頭鍛壓過程采用分段加（jiā）熱， 900 ℃以下低溫段加熱（rè）時間按 1min/mm 進（jìn）行計算選取，900 ℃以上（shàng）高（gāo）溫段加熱時間按（àn） 0.5min/mm 進行計算選取。由於加熱火次（cì）過多，容易因鍛壓抗力過大導致試樣開裂，所以，本實驗（yàn）的加熱火次選為：前（qián）三火（huǒ）為三鐓三拔、最後一火為修整成形（xíng）。鍛壓完成後的（de）鑽頭鍛件依次進行 880℃×3h+750 ℃×5 h 等溫退火處理、1280 ℃×30 min 油淬、560℃×1h 三次回火的熱處理，獲得所（suǒ）需的含鍶數控機床（chuáng）鑽頭測試試樣（yàng）。

含鍶（sī）數（shù）控機（jī）床鑽頭試樣（yàng）的表（biǎo）麵硬度（dù），采用HR-150A 型洛氏硬度計進行測試，測（cè）試溫（wēn）度為室溫。試樣的高溫摩擦磨損試驗，在 MMUD-5B 型高溫摩擦磨損試驗機上進行，試驗溫度為 600℃，記錄試樣的磨損體積，以磨損體積表征耐磨性能，並用（yòng）EVO18 型掃描電子顯微鏡觀察試樣的表（biǎo）麵磨損形貌。試樣（yàng）的高溫衝擊性能（néng），采用 JK-KC 型高溫衝擊試驗機進（jìn）行測試，測試溫度為 600℃，記錄（lù）試樣（yàng）的衝擊吸收功，並用（yòng） EVO18 型掃描電子顯（xiǎn）微鏡觀察試樣的衝（chōng）擊斷口形貌。

2、試驗結果及分析

2.1 表麵（miàn）硬度

采用不同的（de）始鍛溫度、終鍛溫度和鍛比（bǐ）製備出的含鍶（sī）數控機床鑽頭試樣的表（biǎo）麵硬度測試結果（鍛壓工藝（yì）參數對試樣表麵硬度的影響）如圖 1 所示。

圖 1 鍛壓工藝參數對試樣表麵硬度的影響

始鍛溫度（dù）對（duì）表麵硬度的影響為試樣 1～4，始鍛溫度（dù）對（duì）表麵硬（yìng）度的影響為試樣 5、6、3、7，鍛比對表麵硬（yìng）度的影響為試樣（yàng） 8、3、9、10。從圖可以看（kàn）出，始鍛溫度、終鍛溫度和鍛比均對含鍶數控機床鑽頭的表麵硬度產（chǎn）生明（míng）顯影響。隨始鍛溫度從1100 ℃增加至 1220℃、終鍛溫度從 850 ℃增加至 1000 ℃、鍛比（bǐ）從 4 增加至 10，鑽頭的表（biǎo）麵硬度均先增大後（hòu）減小；當始鍛溫度為 1180℃、終鍛溫度（dù）為 950℃、鍛比為（wéi） 6 時，含鍶數控機床（chuáng）鑽頭的表麵硬度值最大（78HRC）。

2.2 高溫耐磨損性能

采（cǎi）用不同（tóng）的始鍛溫度（dù）、終鍛溫度和鍛比製備出的含鍶數控機床鑽頭試樣，在 600℃下的高溫摩擦磨損試驗結果（鍛壓工藝參數對試（shì）樣高溫磨損體積的影（yǐng）響（xiǎng））如圖 2 所（suǒ）示。

圖 2 鍛壓工藝參數（shù）對試樣高溫磨損體積的影響

從圖2可以看出，始鍛溫度（dù）、終鍛溫度和鍛比均對含（hán）鍶數控機床鑽（zuàn）頭（tóu）高溫耐磨損（sǔn）性能產生顯著（zhe）影響。隨始鍛溫度從 1100 ℃增加至1220 ℃、終鍛溫（wēn）度從 850 ℃增加至 1000 ℃、鍛比從4 增加（jiā）至 10，鑽頭的磨損體積均先小後增大；當（dāng）始鍛溫（wēn）度為 1180℃、終（zhōng）鍛（duàn）溫度為 950℃、鍛（duàn）比為 6 時，鑽頭的 600 ℃磨損體積最小（xiǎo）（21×10-3mm3），鑽頭的高溫耐磨損性能最（zuì）佳。圖 3 是采（cǎi）用（yòng）始鍛溫度為 1180℃、終鍛溫（wēn）度（dù）為 950℃、鍛比為 6 的含鍶（sī）數控機床鑽頭試（shì）樣 3 在高溫摩擦磨（mó）損試驗後的表麵形貌 SEM照片。從圖 3 可以看出，在上（shàng）述（shù）鍛壓工藝（yì）參（cān）數下，含鍶數控機床鑽頭試樣 3 在（zài）高溫摩擦磨損試驗後表（biǎo）麵僅有少量的細小磨痕，無明顯的起（qǐ）皮或脫落，表現出較佳的（de）高溫耐磨損性能。

圖 3 試樣 3 在高溫（wēn）磨（mó）損試驗（yàn）後（hòu）的表麵 SEM 形貌

2.3 高溫衝擊性能

采（cǎi）用不同（tóng）的始鍛溫度、終鍛溫度和鍛比製（zhì）備出的（de）含鍶（sī）數控機床鑽（zuàn）頭試樣，在 600℃環境下（xià）的高溫衝擊性試驗（yàn）結果（鍛壓工藝（yì）參數對試樣高（gāo）溫衝擊性的影響）如圖 4 所示。

圖 4 鍛壓工藝參數對試樣高溫衝擊性能的影響

從圖（tú） 4 可以看出，始鍛溫（wēn）度、終響鍛溫度和鍛比均對含鍶數控機床鑽頭高溫（wēn）耐磨損（sǔn）性能產生顯（xiǎn）著影響。隨始鍛溫度（dù）從（cóng） 1100 ℃增加至1220 ℃、終（zhōng）鍛溫度從 850 ℃增加至（zhì） 1000 ℃、鍛比從4 增加至（zhì） 10，鑽頭的磨（mó）損體積均先增大後減小；當始鍛溫度為（wéi） 1180℃、終鍛溫度為 950℃、鍛壓比為 6時，含（hán）鍶數（shù）控機床鑽頭的 600℃衝擊吸收（shōu）功最大（58J），鑽頭的高溫衝擊性能最佳。圖5是采用（yòng）始鍛溫度為 1180 ℃、終鍛溫度（dù）為 950 ℃、鍛壓比為 6 的含鍶數控（kòng）機床鑽頭試樣 3 在高溫（wēn）衝（chōng）擊試驗後的斷口（kǒu）形貌SEM 照片。從圖5可以看出，在上述鍛壓（yā）參數下，含鍶數控機床鑽頭試樣

3 的高溫衝擊斷口（kǒu）由（yóu）較多的細小韌窩和少量的撕（sī）裂棱組成，表現（xiàn）出較（jiào）為明顯的（de）韌性斷裂特征和較佳的高溫衝擊性能。

圖 5 試樣（yàng） 3 高溫衝擊試驗後的斷口 SEM 形貌

2.4 討論與（yǔ）分析

在含鍶數控機床鑽頭的鍛（duàn）壓過程中，始鍛溫度、終鍛溫度和鍛比是非常重要的三個工藝（yì）參數。始鍛溫度的選擇關係到含（hán）鍶數控機床（chuáng）鑽頭鍛壓後的（de）組織與性能，始鍛溫度不宜過低（dī）也不（bú）宜（yí）過高（gāo）。在含鍶數控機床鑽頭鍛壓過程中，在保（bǎo）證不（bú）出現加熱缺（quē）陷的前提下，應該提高始鍛溫度，以便有充裕的時間進行鍛壓成形，減少加熱次數；但是始鍛溫（wēn）度過高，容易導致含鍶數（shù）控機床鑽（zuàn）頭（tóu）的晶粒粗化、組織分布不均勻，從而降低含鍶（sī）數控機床鑽頭的（de）高溫耐磨損（sǔn）性能和高溫衝擊性能。在鍛壓過程（chéng）中，含鍶數控機床鑽頭（tóu）的終鍛（duàn）溫度也需要進行合理選擇，過低或過高的終鍛溫（wēn）度都不利於獲得較（jiào）佳性能的鑽頭。這主要是因為如果含鍶數控（kòng）機床鑽頭的終鍛（duàn）溫度過低，一（yī）方麵因為嚴重的加工硬化使得鑽頭鍛壓困難，另一方麵（miàn）可能導致鑽頭在鍛壓過程中產生內部裂紋（wén），降低鑽頭的力學性能。相反，如果鍛壓（yā）過（guò）程中鑽頭的終鍛溫度過高，鍛（duàn）後的鑽頭晶粒長大明顯、內部組（zǔ）織難以達到致密化，從（cóng）而使得（dé）鑽頭的高溫耐磨損性能和高溫衝擊性能降低。在含鍶數控機床鑽頭（tóu）的鍛壓過程中，鍛（duàn）比也是重要的工藝參數。提高鍛比，有助於使得鍛件（jiàn）更加充分、均勻，從而獲得更加均勻（yún）的組織，改善含鍶數控機床鑽（zuàn）頭的綜合性能。因此，從提高含鍶數控機床鑽頭的高溫耐磨損性能和高溫衝擊性能出（chū）發，含（hán）鍶數控機（jī）床（chuáng）鑽頭的始鍛溫度優選為1180℃、終鍛溫度優選為 950℃、鍛（duàn）比優選為 6。

3、結論

（1）始鍛溫度、終鍛溫度和鍛比均對含鍶數控機床鑽頭的表麵硬度、高溫耐磨損性能和高溫衝擊性能產生重要影響。隨始鍛溫度（dù）從 1100 ℃增加至1220 ℃、終鍛溫度從 850 ℃增加至（zhì） 1000 ℃、鍛比從4 增加至 10，鑽頭的表（biǎo）麵硬度、高溫磨損體積和高溫衝擊吸收功均先增大後減小。

（2）當始鍛溫（wēn）度為 1180 ℃ 、終鍛溫（wēn）度為 950℃、鍛比為 6 時，含鍶數控機床鑽頭的（de）表麵硬（yìng）度值最大（78 HRC）、600 ℃磨損體積最小（21×10-3mm3）、600 ℃衝擊吸收功（gōng）最（zuì）大（58 J）。從提高（gāo）高溫耐磨（mó）損性能和高溫衝擊性能出發，含鍶（sī）數控機床鑽頭的始鍛溫度優選（xuǎn）為 1180 ℃、終鍛溫度優選為 950 ℃、鍛比優（yōu）選為 6。

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