氮化钛镀膜在轧制锥柄麻花钻上的应用

2022-04-19朱世照王振宇刘阳阳张桂山尚升

工具技术 2022年2期

朱世照，王振宇，刘阳阳，张桂山，尚升

河南一工钻业有限公司

1 引言

近年来，随着机床装备业的快速发展，对金属切削刀具提出了更高要求，既要高速、高效，也要高精度、高可靠性。传统锥柄麻花钻无法满足现代加工要求，有逐渐被浅孔钻、换头钻等硬质合金类刀具替代的趋势。硬质合金类钻头只能在加工中心等高速且工况稳定的机床上应用，否则钻头会折断或崩刃，所以传统的立钻和摇臂钻等仍广泛使用锥柄麻花钻。

锥柄麻花钻的规格在φ10mm～φ100mm之间，一般采用轧制或铣制工艺制造，广泛应用于台钻、立钻和摇臂钻的钻孔加工，也可以应用于加工中心。随着调质钢、不锈钢在市场上的广泛应用，传统锥柄麻花钻的切削寿命已不能满足用户需求。若采用高性能高速钢制造麻花钻，虽然可以提高其效率和寿命，但材料的成本很高，性价比不占优势，所以开发一种通用且高性能的锥柄麻花钻显得尤为重要。

2 氮化钛镀膜可行性分析

物理气相沉积(PVD)是近年来快速发展的表面镀膜技术，即在高速钢(或硬质合金)的基体上涂镀氮化钛、氮铝化钛、氮铬铝等硬质镀膜，其中氮化钛镀膜的通用性强，应用最广。氮化钛镀膜厚度仅有几微米，但硬度却很高，可以达到1800HV以上，该镀膜可以大幅度提高刀具的抗磨损性能，延长刀具切削寿命，提高切削速度。

氮化钛镀膜的性能取决于镀膜和基体的结合是否牢固，镀膜不能在钻头切削时剥落。一般进行镀膜的高速钢均采用磨削加工成型，这样刀具表面的光洁度好，结合力强。但轧制锥柄麻花钻是轧制成型，钻头表面的光洁度不高，经过分析发现，钻头在钻孔时分别有前刃面(沟槽)、后刃面和刃带参与切削，其中后刃面和刃带为磨制加工，光洁度满足要求，仅有前刃面(沟槽)是轧制成型，光洁度不好，但可以采用沟槽抛光工艺，使锥柄麻花钻沟槽的光洁度满足要求。

3 试验过程

3.1 试验材料和方法

采用φ18mm轧制锥柄麻花钻(螺旋角为30°)和φ18mm铣制锥柄麻花钻(螺旋角为35°)，钻头材料均为M2高速钢，钻头成品采用氧氮化处理和氮化钛镀膜处理。氧氮化处理是在550℃、60kW的密封井式炉里进行，每小时滴注工业氨水500mL，共3h，处理后钻头最外层为氧化膜(1～2μm)，内部为15μm厚的渗氮层，表面硬度为920HV左右。氮化钛镀膜在PVD镀膜机里进行，时间为6h，其中镀膜时间为2.5h，氮化钛镀膜厚为2.5～3μm，硬度2000HV。钻头外观见图1。

图1 氧氮化与氮化钛镀膜锥柄麻花钻外观

钻孔切削试坯采用40Cr和201奥氏体不锈钢，40Cr调质处理(830℃盐浴加热15min，水冷，560℃盐浴回火90min)，调质硬度30～32HRC，试坯尺寸为φ220mm×32mm。201奥氏体不锈钢试坯尺寸为φ190mm×20mm，硬度24～26HRC。

钻床采用QX-1060L加工中心，钻孔参数为线速度23m/min(400r/min)和15m/min(270r/min)，进给量0.2mm/r，通孔，乳化液冷却。

3.2 切削寿命试验

φ18mm锥钻在40Cr调质钢(硬度30～32HRC)上的钻削试验结果见表1。

表1 40Cr调质钢钻削试验结果

φ18mm锥钻在201不锈钢(24～26HRC)上的钻削试验结果见表2。

表2 201不锈钢钻削试验结果

4 试验结果分析

4.1 钻削40Cr试坯

轧制麻花钻的螺旋角一般为30°，该螺旋角适用于加工调质钢，在线速度为23m/min时，氧氮化处理的钻头可以加工20孔以上；若切削速度降至15m/min，寿命可以翻倍，这主要是由于氧氮化处理的钻头红硬性不高，无法适应高速切削。氮化钛镀膜的钻头可以在23m/min的切削速度下正常切削，这是由于镀膜硬度高，抗磨损能力强，红硬性好，切削寿命为氧氮化处理的3倍。

磨损失效后的镀膜钻头通过重新修磨，寿命比氧氮化钻头寿命高两倍，这是因为刃部修磨仅磨掉了刃口后面的镀层，而钻头的沟槽和刃带仍有镀膜，因此修磨后的钻头仍保持较长寿命。

4.2 钻削201奥氏体不锈钢

钻削奥氏体不锈钢(如304、201不锈钢等)的钻头需要有较大的螺旋角，一般为35°左右，而轧制钻头的螺旋角为30°，所以不适合在奥氏体不锈钢上钻孔(例如氧氮化轧制钻头仅能打5～9孔)。如果把φ18mm锥钻螺旋角增至35°(用铣制方法加工)，经氧氮化处理，用同样参数钻孔，钻孔数可以达到20～30孔，这表明钻头螺旋角显著影响奥氏体不锈钢的钻削寿命。

经过氮化钛镀膜的轧制麻花钻，虽然螺旋角也是30°，但由于镀膜硬度高，摩擦系数小，不易粘屑，切削寿命大幅提高。同样，重新修磨氮化钛镀膜钻头的刃口，槽内和刃带保留的镀层也可以保证钻头有较高的寿命。