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技術(shù)文章硬質(zhì)合金鉆頭是新發(fā)展的刀具材料
發(fā)布時間:2018/4/26 13:44:46 點擊次數(shù):1343次硬質(zhì)合金鉆頭是新發(fā)展的刀具材料
硬質(zhì)合金鉆頭是靠鉆壓和自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的沖擊載荷破碎巖石的。在鑿巖鉆進中,鉆頭經(jīng)受高頻率的沖擊載荷,且受到扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸、壓縮等多種復(fù)合應(yīng)力的作用,在高速回轉(zhuǎn)碰撞的環(huán)境下經(jīng)受巖石、巖粉和礦水等工作介質(zhì)的磨損與腐蝕。
國內(nèi)外使用的牙輪鉆頭,多為三牙輪鉆頭。這種鉆頭的特點是:軸壓和沖擊載荷分布范圍較大且均勻,并能充分利用有效空間,鉆進平穩(wěn)。牙輪鉆頭用硬質(zhì)合金齒的尺寸和形狀必須適用于巖石的特性,要求耐磨性好,強度高,不易碎裂和折斷。牙輪鉆頭使用的硬質(zhì)合金齒主要有:球形齒,錐球齒,楔形齒,邊楔齒和用于輪背與爪尖的平頂齒等。
所謂硬質(zhì)合金是以碳化鎢粉末為基體,以鈷粉作粘結(jié)劑經(jīng)加壓、燒結(jié)而成。通常含碳化鎢94%,含鈷6%。由于其硬度很高,非常耐磨,有一定強度,適于高速切削。但韌性差,非常脆,為了改善硬質(zhì)合金的性能,有的采用在碳化基體上化學汽相沉積一層5~7微米的特硬碳化鈦(TIC)或氮化鈦(TIN),使其具有更高的硬度。有的用離子注入技術(shù),將鈦、氮、和碳注入其基體一定的深度,不但提高了硬度和強度而且在鉆頭重磨時這些注入成份還能內(nèi)遷。還有的用物理方法在鉆頭頂部生成一層金剛石膜,極大的提高了鉆頭的硬度與耐磨性。
鉆頭材料的選取
根據(jù)材料的加工特性,要求鉆頭具有以下特點:鉆頭的硬度必須大于被加工工件的硬度;由于鉆頭在加工工件時承受著很大的扭轉(zhuǎn)力和軸向力,因此必須具有足夠的強度和韌性;由于被加工材料韌性好,要求切削時刀刃要足夠鋒利,因此刀具材料必須具有足夠的抗磨損能力,這樣才能減少加工硬化;由于該工件化學特性要高,因此要求刀具材料和鈦合金親和力要差,以免行程擴散而造成粘刀、斷鉆現(xiàn)象。
目前,適用于做刀具的材料種類極其繁多,包括工具鋼、硬質(zhì)合金、超硬材料等。
起初,嘗試采用普通高速鋼鉆頭進行涂層進行試驗,普通高速鋼鉆頭價格低廉,當采用涂層技術(shù)后,硬質(zhì)合金鉆頭可以明顯降低刀具與工件的摩擦系數(shù),提高刀具壽命。但是由于機床轉(zhuǎn)速較高,所使用鉆頭強度不夠,加工過程中造成鉆頭折斷,效果并不理想。
硬質(zhì)合金鉆頭是新發(fā)展起來的一種刀具材料,硬質(zhì)合金鉆頭適用于大多數(shù)材料的粗精加工,包括鋼、鑄鐵、特殊材料和塑料。為此,決定采用整體硬質(zhì)合金鉆頭。
鉆頭修磨各參數(shù)的確定
1.麻花鉆的主要輔助平面
麻花鉆的幾個主要輔助平面為基面、切削平面、中剖面和柱剖面。
如果不考慮輔助運動,麻花鉆頭主切削刃上任意點的基面,由于麻花鉆的架構(gòu)特點,硬質(zhì)合金鉆頭鉆頭主切削刃上各點的基面是變化的。
主切削刃上任意點的切削平面,是包含該點切削速度方向而又切于該點加工表面的平面。切削平面和基面垂直,且主切削刃上各點的切削平面均不相同。主切削刃上任意點的柱剖面是通過該點并以鉆頭中心線為中心線而做的圓柱面,硬質(zhì)合金鉆頭主切削刃上不同的柱剖面是不同半徑的圓柱面。
2.麻花鉆鉆頭的主要幾何參數(shù)的選取
麻花鉆鉆頭的主要幾何參數(shù)選擇包括鉆頭頂角的選擇、鉆頭切削刃前角和后角的選擇、鉆頭螺旋角對鉆頭壽命的影響分析以及刃口的相關(guān)處理。
鉆頭頂角決定切屑寬度和鉆頭前角的大小。當硬質(zhì)合金鉆頭直徑和進給量一定時,增大頂角,則鐵屑變窄,單位切削刃上的負荷減輕。頂角對前角有很大影響,相應(yīng)增加頂角有利于改善鉆心處的切削條件。頂角影響切屑流出的方向。根據(jù)相關(guān)刀具設(shè)計資料,結(jié)合所加工產(chǎn)品硬度不高,但粘性較大的特點,選取該硬質(zhì)合金鉆頭鉆頭頂角為140°。
麻花鉆的前角是由鉆頭的其他幾何參數(shù)決定的。在機床進行高速切削時,前角對切削變形及切削力的影響較小,同時采用較小的前角時可以增強刀尖強度。當前角確定以后,后角越大,刃口越鋒利,但會相應(yīng)減小楔角影響刀具強度和散熱面積。為此,將鉆頭后角選取的小一些,取為8°。
3.鉆頭螺旋角對鉆頭壽命的影響分析
由麻花鉆的外形特點可知切削刃上各點螺旋角是變化的,螺旋角直接影響主切削刃的前角。螺旋角越大,則刃口越鋒利,切削越輕快,否則會造成嚴重的加工硬化現(xiàn)象使得刀刃很快磨損。根據(jù)相關(guān)刀具設(shè)計資料,取螺旋角為30°可以滿足使用要求,同時便于大批量生產(chǎn)。
4.刃口的相關(guān)處理
刃口的處理包括橫刃修正、倒棱和倒刃等措施。針對被加工材料、機床加工性能、加工參數(shù)以及夾具工況等,對硬質(zhì)合金鉆頭鉆頭的刃口進行了合適的鈍化,提高硬質(zhì)合金鉆頭的鉆削性能,降低了刀具磨損量。
涂層技術(shù)的應(yīng)用
在切削參數(shù)不變的情況下,為了提高生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本,對刀具采用涂層技術(shù),降低刀具磨損,以提高刀具耐用度越來越成為一種趨勢。
刀具涂層是指在強度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼(HSS)基體表面上,利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物。涂層作為一個化學屏障和熱屏障,減少了刀具與工件間的擴散和化學反應(yīng),從而減少了刀具磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性。
經(jīng)過涂層之后的鉆頭加工數(shù)量有了明顯提升,單件成本大大降低。
硬質(zhì)合金的硬度與強度,不僅和碳化鎢與鈷的配比有關(guān),也與粉末的顆粒有關(guān)。超微細顆粒的硬質(zhì)合金鉆頭,其碳化鎢相晶粒的平均尺寸在1微米以下。這種硬質(zhì)合金鉆頭鉆頭,不僅硬度高而且抗壓和抗彎強度都提高了。為了節(jié)省成本現(xiàn)在許多鉆頭采用焊接柄結(jié)構(gòu),原來的鉆頭為整體都是硬質(zhì)合金,現(xiàn)在后部的鉆柄采用了不銹鋼,成本大大下降但是由于采用不同的材質(zhì)其動態(tài)的同心度不及整體硬質(zhì)合金鉆頭,特別在小直徑方面。
