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硬质合金钻头是新发展的刀具材料

发布时间:2018/4/26 13:44:46   点击次数:547次

硬质合金钻头是新发展的刀具材料
硬质合金钻头是靠钻压和自身旋转产生的冲击载荷破碎岩石的。在凿岩钻进中,钻头经受高频率的冲击载荷,且受到扭转、弯曲、拉伸、压缩等多种复合应力的作用,在高速回转碰撞的环境下经受岩石、岩粉和矿水等工作介质的磨损与腐蚀。
国内外使用的牙轮钻头,多为三牙轮钻头。这种钻头的特点是:轴压和冲击载荷分布范围较大且均匀,并能充分利用有效空间,钻进平稳。牙轮钻头用硬质合金齿的尺寸和形状必须适用于岩石的特性,要求耐磨性好,强度高,不易碎裂和折断。牙轮钻头使用的硬质合金齿主要有:球形齿,锥球齿,楔形齿,边楔齿和用于轮背与爪尖的平顶齿等。
所谓硬质合金是以碳化钨粉末为基体,以钴粉作粘结剂经加压、烧结而成。通常含碳化钨94%,含钴6%。由于其硬度很高,非常耐磨,有一定强度,适于高速切削。但韧性差,非常脆,为了改善硬质合金的性能,有的采用在碳化基体上化学汽相沉积一层5~7微米的特硬碳化钛(TIC)或氮化钛(TIN),使其具有更高的硬度。有的用离子注入技术,将钛、氮、和碳注入其基体一定的深度,不但提高了硬度和强度而且在钻头重磨时这些注入成份还能内迁。还有的用物理方法在钻头顶部生成一层金刚石膜,极大的提高了钻头的硬度与耐磨性。
钻头材料的选取
根据材料的加工特性,要求钻头具有以下特点:钻头的硬度必须大于被加工工件的硬度;由于钻头在加工工件时承受着很大的扭转力和轴向力,因此必须具有足够的强度和韧性;由于被加工材料韧性好,要求切削时刀刃要足够锋利,因此刀具材料必须具有足够的抗磨损能力,这样才能减少加工硬化;由于该工件化学特性要高,因此要求刀具材料和钛合金亲和力要差,以免行程扩散而造成粘刀、断钻现象。
目前,适用于做刀具的材料种类极其繁多,包括工具钢、硬质合金、超硬材料等。
起初,尝试采用普通高速钢钻头进行涂层进行试验,普通高速钢钻头价格低廉,当采用涂层技术后,硬质合金钻头可以明显降低刀具与工件的摩擦系数,提高刀具寿命。但是由于机床转速较高,所使用钻头强度不够,加工过程中造成钻头折断,效果并不理想。
硬质合金钻头是新发展起来的一种刀具材料,硬质合金钻头适用于大多数材料的粗精加工,包括钢、铸铁、特殊材料和塑料。为此,决定采用整体硬质合金钻头。
钻头修磨各参数的确定
1.麻花钻的主要辅助平面
麻花钻的几个主要辅助平面为基面、切削平面、中剖面和柱剖面。
如果不考虑辅助运动,麻花钻头主切削刃上任意点的基面,由于麻花钻的架构特点,硬质合金钻头钻头主切削刃上各点的基面是变化的。
主切削刃上任意点的切削平面,是包含该点切削速度方向而又切于该点加工表面的平面。切削平面和基面垂直,且主切削刃上各点的切削平面均不相同。主切削刃上任意点的柱剖面是通过该点并以钻头中心线为中心线而做的圆柱面,硬质合金钻头主切削刃上不同的柱剖面是不同半径的圆柱面。
2.麻花钻钻头的主要几何参数的选取
麻花钻钻头的主要几何参数选择包括钻头顶角的选择、钻头切削刃前角和后角的选择、钻头螺旋角对钻头寿命的影响分析以及刃口的相关处理。
钻头顶角决定切屑宽度和钻头前角的大小。当硬质合金钻头直径和进给量一定时,增大顶角,则铁屑变窄,单位切削刃上的负荷减轻。顶角对前角有很大影响,相应增加顶角有利于改善钻心处的切削条件。顶角影响切屑流出的方向。根据相关刀具设计资料,结合所加工产品硬度不高,但粘性较大的特点,选取该硬质合金钻头钻头顶角为140°。
麻花钻的前角是由钻头的其他几何参数决定的。在机床进行高速切削时,前角对切削变形及切削力的影响较小,同时采用较小的前角时可以增强刀尖强度。当前角确定以后,后角越大,刃口越锋利,但会相应减小楔角影响刀具强度和散热面积。为此,将钻头后角选取的小一些,取为8°。
3.钻头螺旋角对钻头寿命的影响分析
由麻花钻的外形特点可知切削刃上各点螺旋角是变化的,螺旋角直接影响主切削刃的前角。螺旋角越大,则刃口越锋利,切削越轻快,否则会造成严重的加工硬化现象使得刀刃很快磨损。根据相关刀具设计资料,取螺旋角为30°可以满足使用要求,同时便于大批量生产。
4.刃口的相关处理
刃口的处理包括横刃修正、倒棱和倒刃等措施。针对被加工材料、机床加工性能、加工参数以及夹具工况等,对硬质合金钻头钻头的刃口进行了合适的钝化,提高硬质合金钻头的钻削性能,降低了刀具磨损量。
涂层技术的应用
在切削参数不变的情况下,为了提高生产效率并降低生产成本,对刀具采用涂层技术,降低刀具磨损,以提高刀具耐用度越来越成为一种趋势。
刀具涂层是指在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上,利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物。涂层作为一个化学屏障和热屏障,减少了刀具与工件间的扩散和化学反应,从而减少了刀具磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性。
经过涂层之后的钻头加工数量有了明显提升,单件成本大大降低。
硬质合金的硬度与强度,不仅和碳化钨与钴的配比有关,也与粉末的颗粒有关。超微细颗粒的硬质合金钻头,其碳化钨相晶粒的平均尺寸在1微米以下。这种硬质合金钻头钻头,不仅硬度高而且抗压和抗弯强度都提高了。为了节省成本现在许多钻头采用焊接柄结构,原来的钻头为整体都是硬质合金,现在后部的钻柄采用了不锈钢,成本大大下降但是由于采用不同的材质其动态的同心度不及整体硬质合金钻头,特别在小直径方面。


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