4 刀具磨损和刀具寿命
刀具磨损后会影响钻孔表面质量、直线度和刀具寿命。刀具破坏的常用指标有：破裂或崩刃，刀具极度磨损和钻孔的质量以及钻孔精度变差。Yongguo Wang研究了TiAlN涂层枪钻在微量润滑状态下加工锻钢S48CS1V过程中的切屑变形和刀具磨损现象，揭示了枪钻磨损的三个阶段：初级磨损、半稳定状态和剧烈磨损阶段。TiAlN涂层枪钻的主要磨损形式为导向条的粘结磨损、后刀面的化学扩散磨损、崩刃以及氧化磨损。产生粘结磨损和化学扩散磨损的主要原因为加工过程的高温和高压力。试验结果表明，由于延长了第一阶段和第二阶段的刀具磨损，所以TiAlN涂层枪钻的刀具寿命更长。未涂层枪钻由于摩擦系数大，工作产生扭矩也更大。芬兰拉彭兰塔理工大学I. Sihvo通过硬质合金枪钻(H15)加工微合金钢(硬度260 HV/30 (KV+20℃))，得出适合用于预测刀具状态的刀具磨损形式为刀尖后刀面磨损、内刃平均后刀面磨损、外刃平均后刀面磨损和外刃最大后刀面磨损(见图9)。
在实际生产过程中，无法直接测量刀具的磨损程度。但是，可以通过检测切削过程来判断刀具的磨损情况。芬兰拉彭兰塔理工大学I. Sihvo研究了枪钻加工过程中的轴向力与刀具磨损的关系，提出停止进给并不会对刀具磨损造成明显影响，因此可以通过停止进给的方法对加工过程进行加工状况检测。
图9 单刃枪钻的磨损形式
切削刃的几何形态对枪钻加工效果的影响非常显著。德国多特蒙德工业大学DirkBiermann等通过将磨粒射流喷向枪钻的切削刃使其产生光滑的圆角。42CrMo4+QT钻削试验表明，经过处理后的刀具寿命和切削稳定性都有所提高。但由于切削刃圆角的存在会导致刀具载荷会增大，钻孔表面的Rz值略有增大，但加工后孔表面粗糙度圆度和直线度均有所提高。处理后的刀具可以适应更大的进给速度进而提高枪钻加工效率。德国汉诺威大学B. Denkena 研究了倒圆切削刃对车削过程中的刀具磨损、切削力以及刀片的热载荷的影响规律，并绘制出了刀具寿命图，发现经过特殊处理的微观切削刃可有效提高刀具的切削性能和刀具寿命。Hyper Tool公司V.P. Astakhov研究了枪钻加工过程中刀具寿命的集群数据处理技术的应用，并进行了锻铸铁枪钻加工试验，分析了切削速度和进给量对轴向力和扭矩的影响。此外，推导出了刀具寿命方程，分析了外角和内角对枪钻寿命的影响规律，证明较大的外角可以有效提高刀具寿命。Wei Zhang研究了枪钻加工锰钢过程中的刀具磨损问题，重新设计一种具有两个外刃和倒圆的刀尖的新型钻头，使刀具寿命提高了33%。
通过抑制刀具磨损可以显著提高刀具有效使用寿命和钻孔质量。刀具的磨损形式主要取决于工件材料。一般的刀具磨损形式为前刀面磨损、后刀面磨损以及导向面磨损。通过刀具涂层、改善切削刃和改良钻头结构都可以降低刀具磨损和提高刀具寿命。在实际生产中很难直接得到刀具磨损情况，一般可以通过切削力、加工声音以及切屑来判断刀具的磨损状态，并及时更换钻头以免影响工件钻孔质量。
5 TC4钛合金和15-5PH固溶不锈钢的枪钻加工
(1)TC4钛合金加工
钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于(α+β)型钛合金，具有良好的综合力学机械性能，被广泛应用于航空航天、船舶、医疗和石油等领域。钛合金是一种典型的难加工材料，其材料特性如下：
(1)比强度高。钛合金的密度为4.51g/cm3，仅为钢的 60％左右。TC4室温抗拉强度为950MPa，高于钢的强度。
(2)化学活性好。高温下能与大气中的氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气等产生强烈的化学反应生成硬化层，使得脆性加大、塑性降低。
(3)耐腐蚀性好。钛合金表面能与氧、氮生成致密坚固的氧化膜，所以耐腐蚀性能优于不锈钢。
(4)热强性好。在钛合金中加入合金强化元素，可以大幅提高钛合金的热稳定性和高温强度。在 300-350℃下，其强度为铝合金强度的 3-4 倍。
(5)导热性差。TC4热导率为7.955W/m·K，仅为钢的1/4、铝的1/14。
(6)弹性模量小。TC4弹性模量为110GPa，约为钢的1/2。
由于钛合金的组织为六方晶格结构，在枪钻加工钛合金的过程中形成孪晶，使切屑很快卷曲离开前刀面，导致钛合金与前刀面接触面积小，单位压力高，刀具易产生崩刃。加之钛合金导热性差，切削温度高，并且钛合金与刀具的亲和性好，因此粘结磨损严重。由于钛合金较小的弹性模量，受挤压的加工表面回弹，导致后刀面磨损严重。基于以上特性可以得出结论，枪钻加工钛合金的刀具耐用度较低并且加工效率不高。因此，在保证加工质量的前提下，提高钛合金枪钻加工的刀具寿命和加工效率对钛合金枪钻加工具有重要意义。
(2)15-5PH不锈钢加工
15-5PH不锈钢(0Cr15Ni5Cu3Nb)是一种典型的沉淀硬化不锈钢，其主要的化学组成如表1所示。15-5PH不锈钢的抗拉强度σb ≥550MPa，硬度≤90HRB，时效后抗拉强度为1300MPa，具有优异的力学性能。在485时效后硬度提高到40-47HRC，同时变形非常小。15-5PH不锈钢固溶处理温度为1040℃，空冷或油冷到30℃以下获得马氏体组织。固溶处理的主要目的是改善钢和合金的塑性与韧性。15-5PH不锈钢固溶处理后密度为7.78g/cm3，弹性模量为
15-5PH固溶不锈钢在枪钻加工过程中存在以下问题：
(1)存在加工硬化现象，加剧刀具磨损。
(2)15-5PH不锈钢强度高，导热性差(约为45钢的1/2)，导致切削温度高、刀具寿命变短。
(3)由于材料塑性好，切削过程不易断屑，排屑困难。
(4)容易产生积屑瘤，导致加工精度变差。
15-5PH固溶不锈钢是一种典型的难加工材料，同钛合金一样存在切削温度高和刀具磨损严重等问题。但相比于钛合金，15-5PH更加难于断屑，并且积屑瘤的产生使钻孔精度变差。
表1 15-5PH不锈钢化学组成(%)
Ti6Al4V钛合金和15-5PH不锈钢是两种典型的难加工材料，材料硬度较高，在枪钻加工过程中存在切削力大和刀具磨损严重等问题。对于以上两种材料的枪钻加工，试验难度大、成本高，近年来相关研究不多。但随着我国航空航天领域的发展，深孔特征零件的出现及其高精度指标的要求，对现代深孔加工刀具和技术提出了更高的要求。如何在保证深孔加工质量的前提下提高刀具寿命和加工效率，是现代难加工材料枪钻加工急需解决的重要问题，对枪钻及其技术的研究具有重要的实际意义。
小结
枪钻是最早的深孔加工刀具之一，由于其加工效率高、表面质量好和加工范围广等优良特性，被广泛应用于航空航天、汽车、模具和医疗等制造行业，是目前深孔加工中使用最为广泛的加工方法。但是，枪钻在加工钛合金等难加工材料过程中，存在加工表面质量差、刀具破损严重等问题。近年来，国内外专家学者对枪钻进行了大量深入研究，发现改变枪钻刀具的材料、几何参数、加工工艺参数等方法可以显著提高枪钻的孔加工质量和刀具寿命，对难加工材料的深孔加工具有重要的指导意义。
原载《工具技术》 作者：杨吟飞
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