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[摘 要]针对目前国内刹车片和摩擦材料行业而研发的硬质合金复合钻头。可在一次进给中同时完成大小孔的加工，大大提高生产效率及钻孔精度，刀具耐用度得到了较大提高，技术水平国内领先，填补了国内空白。该钻头选材合理，结构设计和切削参数的选择独特，其制造加工工艺也独有特色。本文从工艺分析入手，设计了钻头的整体加工工艺方案，并重点介绍了钻头的焊接工序和刃磨工序。
[关键词]硬质合金钻头 工艺路线 焊接 刃磨
中图分类号：G69 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0029-01
随着我国国民经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，汽车的需求量按国内专业人员预测每年都在25～30%的比例递增，这就为汽车刹车片厂家提供了巨大的市场空间，拓宽了为其配套的汽车制动器及摩擦材料行业的市场，品种不断扩大，产量不断增加。
为此，笔者专门研发了一种硬质合金复合钻头。该硬质合金复合钻头可在一次进给中同时完成大小孔的加工，大大提高生产效率及钻孔精度，刀具耐用度得到了较大提高，技术水平国内领先，填补了国内空白。该钻头选材合理，结构设计和切削参数的选择独特，其制造加工工艺也独有特色。
1.工艺性分析
该钻头是针对不同用户，在不同的使用条件下，采用不同的使用方法而專门设计的非标钻头。其具体的结构尺寸，选用材料和制造方法都各有不同。主要有两种形式，一种是整体式，即切削部分和夹持部分是同一种材料，经整体加工而成。另一种则是焊接式，即切削部分和夹持部分是分别采用不同材料经分别加工，再通过焊接而制成一体的。钻头的结构形式不同，所选用的刀具材料，所采用的加工方法都各不相同。整体式的钻头材料多采用整体高速工具钢或硬质合金。但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体上使用。我们所采用的方法是焊接。
1.1 柄部
钻头柄部为机械夹持部分，其性能要求是高的抗扭性，高的耐磨性，高的精度保持性。为此须采用符合要求的合金工具钢或调质钢，采用粗精加工分开，并配合适当的热处理手段，以保证质量要求。
1.2 刀头
刀头部分为直接参与切削加工部分，其性能要求是高的精度保持性，高的抗冲击性，高的耐用度，高的热红硬性。为此须采用符合要求的硬质合金，通过精确的数控线切割技术加工成型。
1.3 焊接
通过精确控制焊接温度、焊接速度，采用合适的焊接方法，将柄部和刀头部分焊接在一起。焊接时应注意不能出现过烧，焊不透，偏焊，错位等影响产品质量的现象。
1.4 整体
对焊接后的刀具整体进行精磨，保证同轴度，径向跳动，圆度，圆柱度，切削刃对称度等符合要求，并配以开出满足切削要求的前角，后角，主偏角和端面刃倾角，顶角，合理的排屑槽形式，合适的断屑方法。
2.工艺路线设计
下料→粗、精车刀柄外圆→铣镶刀槽→热处理→粗磨刀柄外圆/线切割合金刀片→焊接合金刀片→精磨各部外圆→序间检验→开刀具切削角度→修磨各切削刃→检验→喷砂磷化处理→打标记号→产品最终检验→包装→入库
3.重点工序控制
3.1 刀具的焊接工序
3.1.1 焊接方法的选择
传统的刀具设计，一般都是切削部分用硬质合金，而连接体部分用碳钢，采用一种很传统的黄铜钎焊的方式将两者连接在一起，只是对于不同的刀具尺寸和结构要求选用的材料形态不一，有片状，丝状，有膏状等等。对于本文所述刀具，用这种方法焊接显然是达不到设计要求的。因为其焊接强度太低，不能适应高速，高振动条件下的切削任务。因此，我们选择了熔焊，同时为了提高焊接质量，采用了气体保护焊--氩弧焊。因为熔焊从力学性能上来说，同等的受力面积环境下其焊接强度要比钎焊的强度高得多。但传统的氩弧焊接对于硬质合金的焊接来说难度较大，不易控制，容易产生裂纹，这个是跟焊接材料的选用及焊接的工艺关系密切。这也就带来了一个问题，即如何防止焊裂。此问题是我们重点解决的问题之一。
3.1.2 焊接温度对刀具的影响
焊接温度高、流动性好，易于熔合。但过高时，易烧穿，易形成焊瘤，成形也难控制，且接头塑性下降，弯曲易开裂。焊接温度低时，熔池较小，流动性差，易产生未焊透，未熔合，夹渣等缺陷。
焊接温度与焊接电流、焊条直径、焊条角度、电弧燃烧时间等有着密切关系，合理选择焊接电流与焊条直径，易于控制熔池温度，是焊缝成形的基础。因此我们根据操作者个人的技术水平不同，分别设置了多种参数组合，保证了工艺目标的实现。另外，运条方法的不同，也影响着焊接温度。圆圈形运条，熔池温度高于月牙形运条温度，而月牙形运条温度又高于锯齿形运条的熔池温度。为了控制熔池的温度，使之不至过于升高，我们采用了锯齿形运条方法，并且用摆动的幅度和在坡口两侧的停顿动作，有效的控制了熔池温度在合理的区间之内。
3.1.3 焊丝的选用对刀具的影响
针对不同的用户要求，我们分别选用了两种焊丝。一种是GMT-M3-2（SKH9）焊丝。该焊丝经过欧洲工业水准严格品质管制，具有高含碳量，成份优良，材料内部组织均匀，硬度稳定，而且还具有良好的耐磨性、韧性、耐高温等特性。另一种是GMT-SKD11焊丝。这种焊丝具有高硬度、高耐磨性及高韧性的特点，但焊前须先加温预热，否则易产生龟裂现象。
3.1.4 焊接速度对刀具的影响
速度过慢，热影响区加宽，晶粒粗大，变形也大；速度过快，易造成未焊透，未熔合，焊缝成型不良好等缺陷。所以，在保证焊缝所要求尺寸和质量的前提下，由操作者灵活掌握，将速度控制在合理的区间内。
3.1.5 施焊角度对刀具的影响 焊接时，焊条与焊接方向的夹角在90°时，电弧集中，熔池温度高。夹角小，电弧分散，熔池温度较低。我们选择了50-70°的夹角。
3.2 刀具的刃部角度刃磨
本钻头的工作角度主要有前角、后角、顶角。其中，
前角的选择依据是工件材料：塑性材料取大前角，脆性材料取小前角；强度、硬度低取大前角，否则取小前角；刀具材料：高速钢取大前角，硬质合金取小前角；加工性质：精加工取大前角，粗加工取小前角。针对本钻头的工作特点，我们采用的是小前角。后角的选择依据是精加工取大后角，粗加工取小后角。我们取的是大后角。顶角。顶角越小，则主切削刃越长，单位切削刃上的负荷减轻，轴向力减小，这对钻头轴向稳定性有力。且外圆处的刀尖角增大，有利于散热和提高刀具耐用度。但顶角减小会使钻尖强度减弱，切屑变形增大，导致扭矩增加。我们选择为112°。
至于主偏角和端面刃倾角。在钻头磨出顶角后，各点的主偏角也就确定了，随之刃倾角也就确定了下来。
为了保证刀头在磨削加工过程中不出现裂纹、烧伤等现象，提高生产率，且钻头切削角度的精度符合要求，我们采用了高速磨削技术，通过提高砂轮线速度，来改善表面加工质量，提高效率。这种加工方法具有磨削力小，磨削温度低，工件變形小，砂轮寿命长等特点。不仅对高塑性的难磨材料具有良好的磨削表现，而且对硬脆材料也能实现高效率的延性磨削[1]。
我们为此设计了一套专用的工艺装备，依靠自制的MR-1型复合钻头刃磨机床，采用陶瓷结合剂金刚石砂轮做为磨具，乳化型磨削液强制冷却，辅以专用夹具，专用检具，并将此工序作为质量控制点，由专人负责钻头的加工、检验，机床的维护、保养等工作，从而确保了钻头的质量。
MR-1型复合钻头刃磨机床，采用片状砂轮和蝶形砂轮，分别磨削钻头的各个切削刃、切削角度及排屑槽和断屑槽。砂轮线速度达到了60～80m/s，辅以高速磨削液的清洗、降温，使磨削时产生的磨屑、热量及时的得以排出磨削区，确保了磨削能有效顺利地进行。磨削时，应先磨出前角，后磨后角，以免崩刃。进给量不应超过0.02～0.03mm/行程，以避免热裂现象的发生[2]。
参考文献
[1] 李伯民，赵波.现代磨削技术[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2] 朱海燕，曹文琴.硬质合金钻头刃磨裂纹产生的原因及其预防措施的研究[J].机床与液压，2012，40（11）：161-163.
[关键词]硬质合金钻头 工艺路线 焊接 刃磨
中图分类号：G69 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0029-01
随着我国国民经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，汽车的需求量按国内专业人员预测每年都在25～30%的比例递增，这就为汽车刹车片厂家提供了巨大的市场空间，拓宽了为其配套的汽车制动器及摩擦材料行业的市场，品种不断扩大，产量不断增加。
为此，笔者专门研发了一种硬质合金复合钻头。该硬质合金复合钻头可在一次进给中同时完成大小孔的加工，大大提高生产效率及钻孔精度，刀具耐用度得到了较大提高，技术水平国内领先，填补了国内空白。该钻头选材合理，结构设计和切削参数的选择独特，其制造加工工艺也独有特色。
1.工艺性分析
该钻头是针对不同用户，在不同的使用条件下，采用不同的使用方法而專门设计的非标钻头。其具体的结构尺寸，选用材料和制造方法都各有不同。主要有两种形式，一种是整体式，即切削部分和夹持部分是同一种材料，经整体加工而成。另一种则是焊接式，即切削部分和夹持部分是分别采用不同材料经分别加工，再通过焊接而制成一体的。钻头的结构形式不同，所选用的刀具材料，所采用的加工方法都各不相同。整体式的钻头材料多采用整体高速工具钢或硬质合金。但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体上使用。我们所采用的方法是焊接。
1.1 柄部
钻头柄部为机械夹持部分，其性能要求是高的抗扭性，高的耐磨性，高的精度保持性。为此须采用符合要求的合金工具钢或调质钢，采用粗精加工分开，并配合适当的热处理手段，以保证质量要求。
1.2 刀头
刀头部分为直接参与切削加工部分，其性能要求是高的精度保持性，高的抗冲击性，高的耐用度，高的热红硬性。为此须采用符合要求的硬质合金，通过精确的数控线切割技术加工成型。
1.3 焊接
通过精确控制焊接温度、焊接速度，采用合适的焊接方法，将柄部和刀头部分焊接在一起。焊接时应注意不能出现过烧，焊不透，偏焊，错位等影响产品质量的现象。
1.4 整体
对焊接后的刀具整体进行精磨，保证同轴度，径向跳动，圆度，圆柱度，切削刃对称度等符合要求，并配以开出满足切削要求的前角，后角，主偏角和端面刃倾角，顶角，合理的排屑槽形式，合适的断屑方法。
2.工艺路线设计
下料→粗、精车刀柄外圆→铣镶刀槽→热处理→粗磨刀柄外圆/线切割合金刀片→焊接合金刀片→精磨各部外圆→序间检验→开刀具切削角度→修磨各切削刃→检验→喷砂磷化处理→打标记号→产品最终检验→包装→入库
3.重点工序控制
3.1 刀具的焊接工序
3.1.1 焊接方法的选择
传统的刀具设计，一般都是切削部分用硬质合金，而连接体部分用碳钢，采用一种很传统的黄铜钎焊的方式将两者连接在一起，只是对于不同的刀具尺寸和结构要求选用的材料形态不一，有片状，丝状，有膏状等等。对于本文所述刀具，用这种方法焊接显然是达不到设计要求的。因为其焊接强度太低，不能适应高速，高振动条件下的切削任务。因此，我们选择了熔焊，同时为了提高焊接质量，采用了气体保护焊--氩弧焊。因为熔焊从力学性能上来说，同等的受力面积环境下其焊接强度要比钎焊的强度高得多。但传统的氩弧焊接对于硬质合金的焊接来说难度较大，不易控制，容易产生裂纹，这个是跟焊接材料的选用及焊接的工艺关系密切。这也就带来了一个问题，即如何防止焊裂。此问题是我们重点解决的问题之一。
3.1.2 焊接温度对刀具的影响
焊接温度高、流动性好，易于熔合。但过高时，易烧穿，易形成焊瘤，成形也难控制，且接头塑性下降，弯曲易开裂。焊接温度低时，熔池较小，流动性差，易产生未焊透，未熔合，夹渣等缺陷。
焊接温度与焊接电流、焊条直径、焊条角度、电弧燃烧时间等有着密切关系，合理选择焊接电流与焊条直径，易于控制熔池温度，是焊缝成形的基础。因此我们根据操作者个人的技术水平不同，分别设置了多种参数组合，保证了工艺目标的实现。另外，运条方法的不同，也影响着焊接温度。圆圈形运条，熔池温度高于月牙形运条温度，而月牙形运条温度又高于锯齿形运条的熔池温度。为了控制熔池的温度，使之不至过于升高，我们采用了锯齿形运条方法，并且用摆动的幅度和在坡口两侧的停顿动作，有效的控制了熔池温度在合理的区间之内。
3.1.3 焊丝的选用对刀具的影响
针对不同的用户要求，我们分别选用了两种焊丝。一种是GMT-M3-2（SKH9）焊丝。该焊丝经过欧洲工业水准严格品质管制，具有高含碳量，成份优良，材料内部组织均匀，硬度稳定，而且还具有良好的耐磨性、韧性、耐高温等特性。另一种是GMT-SKD11焊丝。这种焊丝具有高硬度、高耐磨性及高韧性的特点，但焊前须先加温预热，否则易产生龟裂现象。
3.1.4 焊接速度对刀具的影响
速度过慢，热影响区加宽，晶粒粗大，变形也大；速度过快，易造成未焊透，未熔合，焊缝成型不良好等缺陷。所以，在保证焊缝所要求尺寸和质量的前提下，由操作者灵活掌握，将速度控制在合理的区间内。
3.1.5 施焊角度对刀具的影响 焊接时，焊条与焊接方向的夹角在90°时，电弧集中，熔池温度高。夹角小，电弧分散，熔池温度较低。我们选择了50-70°的夹角。
3.2 刀具的刃部角度刃磨
本钻头的工作角度主要有前角、后角、顶角。其中，
前角的选择依据是工件材料：塑性材料取大前角，脆性材料取小前角；强度、硬度低取大前角，否则取小前角；刀具材料：高速钢取大前角，硬质合金取小前角；加工性质：精加工取大前角，粗加工取小前角。针对本钻头的工作特点，我们采用的是小前角。后角的选择依据是精加工取大后角，粗加工取小后角。我们取的是大后角。顶角。顶角越小，则主切削刃越长，单位切削刃上的负荷减轻，轴向力减小，这对钻头轴向稳定性有力。且外圆处的刀尖角增大，有利于散热和提高刀具耐用度。但顶角减小会使钻尖强度减弱，切屑变形增大，导致扭矩增加。我们选择为112°。
至于主偏角和端面刃倾角。在钻头磨出顶角后，各点的主偏角也就确定了，随之刃倾角也就确定了下来。
为了保证刀头在磨削加工过程中不出现裂纹、烧伤等现象，提高生产率，且钻头切削角度的精度符合要求，我们采用了高速磨削技术，通过提高砂轮线速度，来改善表面加工质量，提高效率。这种加工方法具有磨削力小，磨削温度低，工件變形小，砂轮寿命长等特点。不仅对高塑性的难磨材料具有良好的磨削表现，而且对硬脆材料也能实现高效率的延性磨削[1]。
我们为此设计了一套专用的工艺装备，依靠自制的MR-1型复合钻头刃磨机床，采用陶瓷结合剂金刚石砂轮做为磨具，乳化型磨削液强制冷却，辅以专用夹具，专用检具，并将此工序作为质量控制点，由专人负责钻头的加工、检验，机床的维护、保养等工作，从而确保了钻头的质量。
MR-1型复合钻头刃磨机床，采用片状砂轮和蝶形砂轮，分别磨削钻头的各个切削刃、切削角度及排屑槽和断屑槽。砂轮线速度达到了60～80m/s，辅以高速磨削液的清洗、降温，使磨削时产生的磨屑、热量及时的得以排出磨削区，确保了磨削能有效顺利地进行。磨削时，应先磨出前角，后磨后角，以免崩刃。进给量不应超过0.02～0.03mm/行程，以避免热裂现象的发生[2]。
参考文献
[1] 李伯民，赵波.现代磨削技术[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2] 朱海燕，曹文琴.硬质合金钻头刃磨裂纹产生的原因及其预防措施的研究[J].机床与液压，2012，40（11）：161-163.