论文部分内容阅读
摘要：本文研究中介绍了刃部处理工艺，分为A1、A2、A3、A4进行4次进行实验，设置0.12-0.2mm/r进给量、40-120m/min切削速度、22mm切深、300HB硬度，进行调质处理。通过实验研究可见，无涂层钻头作业过程中，在进给量提升时，能促进排屑工作的顺利进行，存在着排屑困难，应当采用小于未抛光的钻头。TiCN涂层钻头作业过程中，排屑性能良好，提升切削速度时涂层钻头会出现粘刀与积屑瘤现象， TiCN 涂层能够避免这一现象，作业过程中结合实际需求提升切削速度。
关键词：刃部处理工艺;硬质合金钻头;钻削力;积屑瘤
0 引言
金属切削的常见工具之一为钻头，在很多材料加工中均被运用，结合材料的不同，钻头的选择具有一定差异，一般材料可以使用高速钢钻头，针对硬度较高的材料可以运用硬质合金钻头。目前切削加工工艺日益高效，钻头技术处理中大量运用了涂层、抛光等处理技术。因此要求加强刃部处理工艺的研究。
1 刃部处理工艺
为了达到良好的切削效果，要求加强对刃口处理工艺的研究，切削时起着主导作用的部件为钻头的主切削刃，刃口形状设计与相关参数的优化对工艺性能也具有较大的影响作用。目前钻头刃口的常见型号包括“瀑布型”刃口、圆弧型刃口、斜面型刃口，主要包括钝化涂层、抛光等处理方式[1]。
目前市场上使用的常见刀具材料为涂层刀具，能够有效解决刀具使用过程中的一些常见问题，包括耐磨性、韧性、硬度、强度等之间的矛盾关系。涂层刀具在目前市场上占据了90%以上的比例，涂层刀具对于一些硬质合金以及高速钢刀具基体运用较为广泛，其中运用的技术主要包括物理气相沉积法（PVD）、化学气相沉积法（CVD）等相关技术，TiN、TiC、Al2O3是目前刀具常见的涂层材料，能够提升刀具的使用效率、加工速率与使用寿命[2]。
A1TiN+Si3N4纳米涂层、A1TiN+WCC涂层、富铝涂层AITiN是作业过程中的常见涂层，A1TiN涂层上的润滑性能较为良好，呈现深灰色，具有1000（0.05HV）硬度，摩擦系数不高，耐黏接摩擦性、润滑性能较为良好。
2 刃部处理效果研究
本次研究中运用了加工中心 Kistler9272 型测力仪、DmGHSC75 linear测力仪，本次研究中运用了硬质合金钻头，采用的是TiCN涂层，具有8mm直径。
结合刃部处理方式的不同，分为A1、A2、A3、A4进行4次对比实验，主要是由于刃部处理方式的不同，设置0.12-0.2mm/r进给量、40-120m/min切削速度，设置22mm切深，工艺处理完成之后涂抹乳化液冷却。选择40Cr材料进行加工，设置300HB硬度，进行作业的调质处理。运用单因素法进行作业，改变进给量、改变切削速度对作业进行对比实验。实验过程中的相关数值见表1。
3 刃部处理工艺与硬质合金钻头钻削力关系分析
3.1 进给量与钻削力的关系
在切削速度一致的情况下，在进给量逐渐增大的情况下，钻削力也会随之而不断增加。在进给量增加的情况下，会出现切削过程排屑的现象，通过刃口处理的钻头粗糙度会更低，能够促进排屑，改进切削过程。但是抛光后会降低刃口锋利度，但是影响可以忽略不计。
钻头作业过程中产生旋转运动，工件则产生相对运动，而在作业过程中仍然存在着部分金属残留在加工表面，对钻头的正常运行构成了一定压力。钻头实际运行过程中，由于自身的结构设计特征，在进给量逐渐增加的情况下，也增加了排屑的难度，容易和孔壁之间产生挤压摩擦，综合这些因素，在作业进行过程中，钻削力主要表现为线性增长局面。与A4相比，A3的钻削力较低，其原因之一为，在进给量提升的情况下，切削过程容易逐渐出现排屑困难的现象，而抛光处理之后的钻头在粗糙度上则较低，能够促进排屑与切削过程[3]。切削力变化趋势见图1。
通过切削力增长的曲率能够看出，抛光对切削力会产生一定的影响，抛光的形成会在一定程度上改善刀具表面粗糙度，能夠促进排屑，可降低切削力。同时抛光会促进刀具刃口钝化，能够提升切削力。但是在应用场合不同的情况下，所产生的影响也存在一定差异。TiCN涂层润滑性能较为良好，能够优化排屑性能。抛光同样会一定程度上改善TiCN涂层刀具表面粗糙度，促进排屑，降低切削力。同时也促进了抛光钝化，提升了切削力，随着应用场合的差异，影响也不同。
在单位时间内材料去除量逐渐增加的情况下，会降低表面粗糙度，从而改善钻头排屑性能，在进给量增大的情况下，不抛光钻头、切削力两者之前的差值会逐渐增大，且切削力增长斜率存在差异。切削性能主要受到表面粗糙度的影响。
在逐渐增加的情况下，涂层钻头使用过程中，在抛光后能够达到更大的钻头切削力。TiCN涂层钻头作业过程中能够提升其中的润滑性能，由此而构成良好的过渡层，因此能够得到基本一致的钻头排屑性能。抛光后会影响涂层钻头的锋利度，由此提升了切削力。微观几何结构变化等钻头本身的物理因素会影响切削力。对比不抛光与抛光两种的处理方式下达到一致的切削力增长斜率[4]。
3.2 切削速度与钻削力的关系
在进给量条件一致的情况下，钻削力呈现出先大后小的局面，40Cr属于塑性金属材料，切削时，容易产生积屑瘤，因此在刀具的前角增加的情况下，切削力会先增大后呈现出减少的规律。在切削速度增大的情况下，切削温度会随之而升高，会降低加工金属的硬度与强度，由此降低了切削力。进行钻削力正交测试，设置600r/min主抽转速、800r/min主抽转速、1000r/min主抽转速，采用0.1mm/r进给量、0.2mm/r进给量、0.3mm/r进给量。钻削转速、钻削进给量是影响钻削力的重要影响因素，在作业过程中，最佳的作业方案为0.1mm/r进给量、1000r/min主轴转速。钝化后刃口变化情况见图2。 在切削速度增大的情况下，涂层钻头钻削力会逐渐增大，其重要原因之一为TiCN涂层存在较为良好的润滑性能，其中并不会产生积屑、粘刀现象，由此容易使得无涂层钻头、切削力变化趋势可能存在不一致现象。在一定范围内，提升切削速度并不会对钻削过程造成较大的影响。在 80m/min切削速度下对比涂层钻头、无涂层钻头等作业情况，对比刀具中的每转进给量。通过将涂层钻头钻削力、无涂层和钻头钻削力的对比可见，与无涂层钻头相比，涂层钻头切削力更低，TiCN涂层润滑性能较为良好，在一定程度上降低了其切削力[5]。
4 结语
无涂层钻头作业过程中，在进给量提升时，存在着排屑困难，通过抛光处理的钻头在粗糙度表现上表现更低，能够促进排屑工作的顺利进行，要求采用小于未抛光的钻头。TiCN涂层钻头作业过程中，存在一个过渡层，具有较为良好的润滑性能，在进给量提升的情况下，能够保持较为良好的排屑性能，但是会影响涂层钻头锋利度，因此要求切削力比未抛光的钻头要大。在切削速度提升的情况下，无涂层钻头的钻削力会呈现出先增加后降低的局面，而涂层钻头的钻削力则一直增加。在切削作业进行过程中，无涂层钻头容易出现粘刀与积屑瘤现象，TiCN涂层在作业过程中则不会出现这种现象。此次实验进行过程中，在进给量不同的情况下，切削力的变化不够明显，在选择钻削高硬度材料时可以选择此作为参考，可见在一定的范围内提升切削速度不会对钻削过程产生过大的影响。
参考文献：
[1]李铸宇，王洪阳，宿好阳，等.Application of abrasive electrochemical machining in carbide tool edge honing[J].大连工业大学学报， 2019， 038（002）：141-145.
[2]许成阳，王义文，许家忠，等.CFRP加工用内排屑钻头排屑条件的仿真分析及实验研究[J].机械工程学报，2018.
[3]王华，陈燕，唐文亮，等.PCD与硬质合金钻头钻削CFRP/Al叠层材料对比研究%Comparative Study of Drilling CFRP/Al Stacks with PCD and Carbide Drills[J].机械制造与自動化，2019（001）：23-25，54.
[4]王泽诚，解丽静，高飞农.高体积分数SiCp/Al复合材料小孔钻削的试验研究[J].工具技术，2019（10）：18-22.
[5]张高峰，袁雷，孙昊.液氮冷却对碳纤维复合材料钻削表面完整性的影响[J].表面技术，2019（10）：64-71.
关键词：刃部处理工艺;硬质合金钻头;钻削力;积屑瘤
0 引言
金属切削的常见工具之一为钻头，在很多材料加工中均被运用，结合材料的不同，钻头的选择具有一定差异，一般材料可以使用高速钢钻头，针对硬度较高的材料可以运用硬质合金钻头。目前切削加工工艺日益高效，钻头技术处理中大量运用了涂层、抛光等处理技术。因此要求加强刃部处理工艺的研究。
1 刃部处理工艺
为了达到良好的切削效果，要求加强对刃口处理工艺的研究，切削时起着主导作用的部件为钻头的主切削刃，刃口形状设计与相关参数的优化对工艺性能也具有较大的影响作用。目前钻头刃口的常见型号包括“瀑布型”刃口、圆弧型刃口、斜面型刃口，主要包括钝化涂层、抛光等处理方式[1]。
目前市场上使用的常见刀具材料为涂层刀具，能够有效解决刀具使用过程中的一些常见问题，包括耐磨性、韧性、硬度、强度等之间的矛盾关系。涂层刀具在目前市场上占据了90%以上的比例，涂层刀具对于一些硬质合金以及高速钢刀具基体运用较为广泛，其中运用的技术主要包括物理气相沉积法（PVD）、化学气相沉积法（CVD）等相关技术，TiN、TiC、Al2O3是目前刀具常见的涂层材料，能够提升刀具的使用效率、加工速率与使用寿命[2]。
A1TiN+Si3N4纳米涂层、A1TiN+WCC涂层、富铝涂层AITiN是作业过程中的常见涂层，A1TiN涂层上的润滑性能较为良好，呈现深灰色，具有1000（0.05HV）硬度，摩擦系数不高，耐黏接摩擦性、润滑性能较为良好。
2 刃部处理效果研究
本次研究中运用了加工中心 Kistler9272 型测力仪、DmGHSC75 linear测力仪，本次研究中运用了硬质合金钻头，采用的是TiCN涂层，具有8mm直径。
结合刃部处理方式的不同，分为A1、A2、A3、A4进行4次对比实验，主要是由于刃部处理方式的不同，设置0.12-0.2mm/r进给量、40-120m/min切削速度，设置22mm切深，工艺处理完成之后涂抹乳化液冷却。选择40Cr材料进行加工，设置300HB硬度，进行作业的调质处理。运用单因素法进行作业，改变进给量、改变切削速度对作业进行对比实验。实验过程中的相关数值见表1。
3 刃部处理工艺与硬质合金钻头钻削力关系分析
3.1 进给量与钻削力的关系
在切削速度一致的情况下，在进给量逐渐增大的情况下，钻削力也会随之而不断增加。在进给量增加的情况下，会出现切削过程排屑的现象，通过刃口处理的钻头粗糙度会更低，能够促进排屑，改进切削过程。但是抛光后会降低刃口锋利度，但是影响可以忽略不计。
钻头作业过程中产生旋转运动，工件则产生相对运动，而在作业过程中仍然存在着部分金属残留在加工表面，对钻头的正常运行构成了一定压力。钻头实际运行过程中，由于自身的结构设计特征，在进给量逐渐增加的情况下，也增加了排屑的难度，容易和孔壁之间产生挤压摩擦，综合这些因素，在作业进行过程中，钻削力主要表现为线性增长局面。与A4相比，A3的钻削力较低，其原因之一为，在进给量提升的情况下，切削过程容易逐渐出现排屑困难的现象，而抛光处理之后的钻头在粗糙度上则较低，能够促进排屑与切削过程[3]。切削力变化趋势见图1。
通过切削力增长的曲率能够看出，抛光对切削力会产生一定的影响，抛光的形成会在一定程度上改善刀具表面粗糙度，能夠促进排屑，可降低切削力。同时抛光会促进刀具刃口钝化，能够提升切削力。但是在应用场合不同的情况下，所产生的影响也存在一定差异。TiCN涂层润滑性能较为良好，能够优化排屑性能。抛光同样会一定程度上改善TiCN涂层刀具表面粗糙度，促进排屑，降低切削力。同时也促进了抛光钝化，提升了切削力，随着应用场合的差异，影响也不同。
在单位时间内材料去除量逐渐增加的情况下，会降低表面粗糙度，从而改善钻头排屑性能，在进给量增大的情况下，不抛光钻头、切削力两者之前的差值会逐渐增大，且切削力增长斜率存在差异。切削性能主要受到表面粗糙度的影响。
在逐渐增加的情况下，涂层钻头使用过程中，在抛光后能够达到更大的钻头切削力。TiCN涂层钻头作业过程中能够提升其中的润滑性能，由此而构成良好的过渡层，因此能够得到基本一致的钻头排屑性能。抛光后会影响涂层钻头的锋利度，由此提升了切削力。微观几何结构变化等钻头本身的物理因素会影响切削力。对比不抛光与抛光两种的处理方式下达到一致的切削力增长斜率[4]。
3.2 切削速度与钻削力的关系
在进给量条件一致的情况下，钻削力呈现出先大后小的局面，40Cr属于塑性金属材料，切削时，容易产生积屑瘤，因此在刀具的前角增加的情况下，切削力会先增大后呈现出减少的规律。在切削速度增大的情况下，切削温度会随之而升高，会降低加工金属的硬度与强度，由此降低了切削力。进行钻削力正交测试，设置600r/min主抽转速、800r/min主抽转速、1000r/min主抽转速，采用0.1mm/r进给量、0.2mm/r进给量、0.3mm/r进给量。钻削转速、钻削进给量是影响钻削力的重要影响因素，在作业过程中，最佳的作业方案为0.1mm/r进给量、1000r/min主轴转速。钝化后刃口变化情况见图2。 在切削速度增大的情况下，涂层钻头钻削力会逐渐增大，其重要原因之一为TiCN涂层存在较为良好的润滑性能，其中并不会产生积屑、粘刀现象，由此容易使得无涂层钻头、切削力变化趋势可能存在不一致现象。在一定范围内，提升切削速度并不会对钻削过程造成较大的影响。在 80m/min切削速度下对比涂层钻头、无涂层钻头等作业情况，对比刀具中的每转进给量。通过将涂层钻头钻削力、无涂层和钻头钻削力的对比可见，与无涂层钻头相比，涂层钻头切削力更低，TiCN涂层润滑性能较为良好，在一定程度上降低了其切削力[5]。
4 结语
无涂层钻头作业过程中，在进给量提升时，存在着排屑困难，通过抛光处理的钻头在粗糙度表现上表现更低，能够促进排屑工作的顺利进行，要求采用小于未抛光的钻头。TiCN涂层钻头作业过程中，存在一个过渡层，具有较为良好的润滑性能，在进给量提升的情况下，能够保持较为良好的排屑性能，但是会影响涂层钻头锋利度，因此要求切削力比未抛光的钻头要大。在切削速度提升的情况下，无涂层钻头的钻削力会呈现出先增加后降低的局面，而涂层钻头的钻削力则一直增加。在切削作业进行过程中，无涂层钻头容易出现粘刀与积屑瘤现象，TiCN涂层在作业过程中则不会出现这种现象。此次实验进行过程中，在进给量不同的情况下，切削力的变化不够明显，在选择钻削高硬度材料时可以选择此作为参考，可见在一定的范围内提升切削速度不会对钻削过程产生过大的影响。
参考文献：
[1]李铸宇，王洪阳，宿好阳，等.Application of abrasive electrochemical machining in carbide tool edge honing[J].大连工业大学学报， 2019， 038（002）：141-145.
[2]许成阳，王义文，许家忠，等.CFRP加工用内排屑钻头排屑条件的仿真分析及实验研究[J].机械工程学报，2018.
[3]王华，陈燕，唐文亮，等.PCD与硬质合金钻头钻削CFRP/Al叠层材料对比研究%Comparative Study of Drilling CFRP/Al Stacks with PCD and Carbide Drills[J].机械制造与自動化，2019（001）：23-25，54.
[4]王泽诚，解丽静，高飞农.高体积分数SiCp/Al复合材料小孔钻削的试验研究[J].工具技术，2019（10）：18-22.
[5]张高峰，袁雷，孙昊.液氮冷却对碳纤维复合材料钻削表面完整性的影响[J].表面技术，2019（10）：64-71.