高锰钢ZGMn13的钻削加工

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1 引言
自1882年英国人哈德菲尔德(Hadfield)发明了高锰钢.它的使用已经有一百多年的历史。成为传统的耐磨材料，得到了广泛应用。如挖掘机的铲斗、破碎机的颚板和衬板、坦克的履带板、主动轮、从动轮和履带支承滚轮、铁路辙叉等。ZGMn13钢的耐磨特性是其它任何钢种不可比拟的。但是，其有良好的工作性能的同时又表现出在对其进行切削时的难加工性。它是一种典型的难加工材料，特别是在孔加工当中，由于钻削本身属于半封闭式加工，使得ZGMn13钢的钻削更加困难。
2 ZGMn13钢的基本性能
7 S( j2 V3 S9 B" [3 r+ S% Z8 cZGMn13钢的主要成分为：1.30％C、0.30％～0.80％Si、11.0％～14.0％Mn(Mn/C=10～12)。ZGMn13钢铸件的性质硬而脆.机加工比较困难，不能实际应用。其原因是在铸态组织中存在着碳化物。实践证明，ZGMn13钢只有在全部获得奥氏体组织时才呈现出最为良好的韧性和耐磨性。为了使ZGMn13钢得到良好纯奥氏体组织，必须进行“水韧处理”。水韧处理是淬火处理的操作，其方法是把钢加热至临界点温度以上(约1000—1100℃)保温一段时间，使钢中碳化物能全部溶解到奥氏体中去，然后迅速浸淬于水中冷却。由于冷却速度非常快，碳化物来不及从奥氏体中析出，因而保持了均匀的奥氏体状态。ZGMn13的原始硬度与45号钢(正火)相近，约为HB180～220。当ZGMn13钢受到强大的冲击时.表面层硬度迅速提高到HB450～550，这种加工硬化层能够达到0.3mm。因此有很高的耐磨性，而其心部仍保持原有的韧性。当硬化层受到外力磨损脱落后还可以产生新的硬化层。
% I) ^7 `! Y1 u5 b3 ZGMn13钢的钻削加工性
7 N0 E1 H8 J1 [* A3.1 加工硬化严重。ZGMn13在已加工表面形成硬化层后。就很难再进行加工。因此在实际钻削过程中严禁中途停车，工艺设定时也要求尽量采用一次走刀。在钻削中途如果钻头破损不能继续切削的时候，再次换钻头切削时可以听到刺耳的尖叫声，这就是在加工硬化层切削的效果。由于钻头的横刃有很大的负前角，在钻削过程中属于一种楔劈式刮削，而加工硬化过程又加大了轴向力，很容易使横刃磨损或崩刃。
0 k/ M- A, a2 X/ n8 l, m2 V- _3.2 导热系数小。ZGMn13的热导率13W·m-1·k-1，为45号钢的1/4.切削过程中热量不能迅速传导，致使切削温度高，加剧钻头的磨损。在ZGMn13铁路辙叉的中31.5孔钻削过程中，钻头变得发红，严重降低了钻头的耐用度。
) i  B: w: f6 n+ x) O4 l( e3.3 韧性高，塑性大。ZGMn13的冲击韧性值为2.9～4.9J·cm2，是45号钢的6～10倍，伸长率(塑性)为50％～80％，是45号钢的3～5倍。
这不但使切削易变形，切削力增大，而且切屑强韧、不易断屑。切屑多呈折皱长带状。钻削过程中非常容易缠绕在刀杆上。
3.4 线膨胀系数大。ZGMn13钢的线膨胀系数约为20 10—6℃—1，与黄铜差不多。在切削热和切削温度作用下，工件局部迅速热膨胀而变形，从而影响加工精度。
+ Z' ]2 p4 o5 {9 J3 F' y* N4 ZGMn13钢的合理钻削条件
4.1 刀具材料。随着粉末冶金技术的不断发展和成熟，硬质合金刀具广泛应用于难加工材料的切削。但是我国硬质合金制造水平与国外还有很大差距。仍须不断提高。目前用于ZGMn13钢钻削的常用硬质合金刀具材料有：YG8、YG6X、YS2、YW2、Y1v767和Y1v798等。虽然YG类硬质合金较为常用，但其不适于高速切削。因为转速较高时，钻头外缘转点处磨损较快，并加速后刀面磨损，刀具耐用度降低。在转速较高且切削过程较平稳的情况下可考虑选用Ⅵ ’类硬质合金。YG类硬质合金中添加适量的TaC或NbC(一般为0.5％～3％)，可提高其硬度和耐磨性而不降低其韧性。随着硬质合金中含钴量的增加.这些优点更为显著。因此，以TaC和NbC为添加剂的通用型硬质合金也适用于高锰钢的钻削加工。硬质合金的涂层技术已经有单一涂层发展成为复合涂层技术，很好地解决了硬质合金硬度和韧性的矛盾。
4.2 刀具结构。ZGMn13钢用的钻头多数为焊接硬质合金刀片结构，也有使用可转位浅钻的场合。焊接结构较为简单，制造成本低。将E2型硬质合金刀片镶焊在刀槽中，焊接方法主要有氧气—乙炔火焰钎焊和高频感应钎焊。但是由于硬质合金刀片比刀体钢料的线膨胀系数小得多，因此在焊接后有较多的残余应力，特别在较大钎焊面上很容易产生焊接裂纹。在ZGMn13钢铁路辙叉的钻削过程中，由于焊接裂纹导致的钻头失效达10％以上。可转位结构的钻头刀体制造较为复杂，刀片一般选用硬质合金涂层刀片，所以钻头成本较高。
) ~( r1 p# p0 N+ ?& l5 几种钻ZGMn13钢常用硬质合金钻头
4 A# k3 x+ b2 V; |( X: |5.1 通用硬质合金钻头。这种钻头采用镶片焊接形式。由于钻头钻削时约有57％的钻削力产生在横刃上，所以通过磨短横刃来减小轴向力，修磨横刃前刀面增大前角，可以进一步降低轴向力和扭矩，提高钻头耐用度。减小刀体螺旋角13至20°，增大锋角2中到140°，以利于排屑。或磨成双重锋角，改善散热条件。当钻削浅孔时可以采用直槽钻头，不仅可以增强钻心强度，而且制造简单，成本低。为了保持钻头锋利，外缘转角磨损尺寸小于lmm 时就应该及时重磨。钻削时冷却要充分，不能间断冷却。干钻削的生产实际表明，钻头的耐用度较低。
; u5 l2 D9 l: o+ t9 ]5.2 硬质合金群钻。这种硬质合金钻头的结构与制造，与通用硬质合金钻头相同。钻头的刀体应有良好的刚性和强度，一般用40Cr制造，长度也尽可能短些。刀片材料可用YG8或YW2，若选用齿冠刀头，则钻削效果更好。切削部分的几何参数和几何角度，与钻铸铁群钻基本相似，只是将尖高加大到0.08d(d为钻头直径)，圆弧刃的圆弧半径加大到0.4d，以提高刀尖强度，改善散热条件起到分屑作用。同时，在外缘处磨出双锋角，并磨出负前角，把外缘处后角加大到20。。钻头磨好后，应该用油石仔细鐾光，以提高刃面的光洁度，刃口不得有锯齿。钻削过程中冷却要充分，条件允许，可将整个工件浸在切削液中进行钻孔。适当选择切削用量，可以使切削温度控制在600℃左右范围内，这时加工条件较为有利。同时可以观察到：当工件较薄、钻到出口时，材料达到暗红的程度。
* X: w5 c4 G  `$ h$ P: ]' }9 O群钻的磨钝标准同样重要，与通用硬质合金钻头相同。但是群钻的刀尖结构复杂，刃磨要求较高，对于工作人员的技术水平要求非常高。
5.3 无横刃焊接式硬质合金浅孔钻。这种钻头与通用硬质合金钻头的显著区别在于没有横刃，它被处在钻芯部位的宽度为△、深度数毫米的缝隙所代替，从而在钻芯部分形成非切削区。在非切削区，切削过程中会产生一直径为△ 的小芯子，由于其强度低，因而会在缝隙中反复生成和折断，而其折断部分将随切屑被一起带走。由于钻头没有横刃，因此钻削时轴向力较小，可降低30～50％。控制△是制造钻头的关键，一般取为0.8mm左右。为了有利于小芯子自行折断，被加工材料的韧性越大，缝隙的宽度△应越小。
5.4 可转位浅孔钻。可转位浅孔钻的刀具角度由刀槽和刀片两部分构成，所以对于刀体的加工精度要求较高。由于钻头的切削刃由外刃和内刃两片刀片组成，因此它们不关于钻头轴线对称。为了使钻削时径向力平衡，设计时须按力学平衡原理配置外刃和内刃。钻头在钻削中定心好，切削平稳，加工精度高。采用凸三角形硬质合金涂层刀片，刀片上的断屑槽形成10。左右的正前角。后角为7。，切削刃较锋利，可减小ZGMn13钢的加工硬化。钻头锋角为160。，切屑变形小，流动方向接近排屑沟槽方向，有利于排屑。使用过程中须注意，当孔钻通的瞬时，有一薄片飞出，要安全防护。
7 V2 \% l* T( F# D6 加热工艺应用于ZGMn13钻削加工
% H1 I& v! T# ~4 h: J+ `加热方法主要有乙炔一氧气火焰和等离子加热法。前者简单实用，后者在车削ZGMn13中做过实验。前者在钻削ZGMn13钢板料时有所应用.效果显著。水韧处理后的ZGMn13在重新加热到350℃以上时.碳化物会重新析出.并形成屈氏体或回火马氏体.钢的塑性和韧性会急剧下降.但是温度超过600"C时.塑性和韧性又很快增加。因此在这个温度范围内钻削时，平稳省力、加工顺利，不会产生崩刃现象。不仅保证了加工质量、提高了生产效率.而且延长了刀具使用寿命。
应用这种简易加热方法钻削时.将乙炔一氧气气焊枪对准钻孔中心位置加热，范围约为孔直径的2倍，加热到450℃左右，即钢板见红后，离开加热立即下钻，可以采用高转速大进给。实际证明乙炔一氧气加热钻削高锰钢是一种简单实用效率高的机工方法。
7 结论
在ZGMn13钢的钻削过程中.主要就是解决加工硬化和切削热的问题。任何一种新的钻头型式和加工方法都围绕着这两个问题进行。只要是切屑变形小、排屑顺畅.加工硬化就小，切削热也相应减小。除了传统的钻削加工形式外.还可以应用特殊的加工方法，比如利用高锰钢的低温脆性，可以进行低温钻削，目前低温车削实验已经有所成果，另外还可以应用带磁钻削等方法。刀具材料的不断更新和出现，为解决问题提供了保证。随着研究的不断深入，ZGMn13的难钻削问题一定会得到长足的进步。