目前，对于各类材料的深孔加工一般采用硬质合金枪钻，它能够适应大部分金属材料的切削加工，但在加工含硬质点的有色金属，比如高硅铝合金时，还存在很多问题。这些问题中最突出的就是枪钻磨损严重、寿命低。因此，将高硬度与高耐磨性的PCD复合片应用于枪钻是一种很好的解决途径。现在PCD枪钻已经上市，但与其相关的研究却不多。本文就此展开研究，探索PCD枪钻的制造工艺，致力于开发出具有良好性能的PCD枪钻。
1 PCD枪钻设计
PCD枪钻采用硬质合金枪钻做基体，在硬质合金刀头上焊接PCD刀片刃磨而成。PCD复合刀片选择ADICO公司360R508/1.6-CX产品，规格为：粗粒度，总厚度1.6mm，PCD层厚0.6mm。由于要与标准硬质合金枪钻做对比试验，因此刀尖几何参数的设计与标准的硬质合金枪钻相同(见表1)。
表1 枪钻几何参数
2 PCD枪钻制造工艺
PCD枪钻从坯料到成品的制造过程涉及多种加工方式，包括车、铣、磨、焊和电火花线切割等。按枪钻各结构部分来分，其制造过程可分为以下部分：①柄部加工；②柄部与杆部的焊接；③杆部与头部的焊接；④PCD安装槽的加工；⑤柄部与头部的外圆磨；⑥头部的工具磨；⑦PCD刀片的切割；⑧PCD刀片的焊接；⑨PCD刀片的刃磨。
PCD枪钻的制造可以借鉴硬质合金枪钻，但是其焊接与刀尖刃磨工艺更复杂。PCD复合片耐热性较差，焊接温度不能超过700℃，温度过高易造成PCD刀片烧伤，影响刀片的硬度和强度。保温时间也要适当，焊缝过短达不到要求的焊接强度，过长则容易造成刀片的热损伤。焊后应缓慢冷却，以防温度降低过快，增大焊接应力影响焊接强度。故不应直接置于地面等导热较快的地方，可置于保温箱或埋入石英砂中，以达到延缓降温时间的目的。焊料的选择方面，实践证明焊料中的含银量不宜低于40%，才能同时满足低温和高强度的要求，因为含银量高会降低焊料的熔点。采用进口银基焊料，焊剂为国产牌号QJ102。
为了刃磨出高质量的PCD刀具，需从以下几方面综合考虑：PCD刀具磨床的选择、金刚石砂轮的选择和磨削参数的选择。
①PCD刀具磨床的选择
由于PCD刀具具有很高的硬度和耐磨性，在用金刚石砂轮刃磨时，具有磨削力大、去除率低等特点，一般的万能工具磨床、硬质合金枪钻专用刃磨设备等已不能满足要求。要想获得高质量的刃口，必须使用专用的PCD磨床，该设备具有以下特点：机床具有足够的刚性及稳定性；砂轮架能够作横向摆动；配备光学投影装置和高精度回转工作台；磨削力大小可调。
②砂轮的选择
在PCD刀具刃磨过程中，金刚石砂轮的选择是重中之重。砂轮粒度与结合剂是影响刃磨过程的主要因素。一般来讲，砂轮粒度越小，获得的刃口越平整，刀具磨削表面粗糙度越低，但磨削效率也相应降低。砂轮结合剂主要有树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂。树脂结合剂砂轮易制造，成本相对较低，但在磨削PCD刀具时效率低下；陶瓷结合剂砂轮被广泛应用于PCD刀具的刃磨过程中，其自砺性好，刚性高，易获得高质量的刃口；金属结合剂砂轮成型性好，韧性较好，但自砺性不如陶瓷剂砂轮。
③磨削参数的选择
在PCD枪钻刃磨过程中，由于磨削压力较大，刀具必须与砂轮始终保持接触，以保证磨削过程的顺利进行，同时也避免砂轮表面出现沟痕。砂轮摆幅应根据刀具尺寸合理选择。刃磨过程中为充分利用砂轮，必须使其保持均匀磨损，可以通过调节砂轮的摆动频率、摆动幅度与磨床转速等参数来实现。
据此国外学者Kenter提出了磨削覆盖率的概念，公式如下
U=W/S=Wn/4Swfw
式中，W为PCD刀具刃口长度；S为砂轮转动一圈砂轮架位移；n为砂轮转速；Sw为砂轮摆动幅度；fw为砂轮摆动频率。
当覆盖率U≥1时满足要求，由公式可看出，通过调节砂轮转速与摆幅摆频可满足覆盖率要求。FC-200D超硬刀具磨床的转速可在1000-4000r/min之间进行调节。如果刃磨时转速过高，磨削区域温度会急剧上升，造成PCD材料石墨化。根据实际生产经验，选择转速为1500r/min。磨削过程中磨削压力越大，刃磨效率越高，但刃磨表面质量会下降。磨削压力的大小可以通过调节工作台调定压力来改变，工作台调定压力是指工作台通过施力装置施加给金刚石砂轮的压力。选取工作台调定压力为129×2N。
通过以上工艺研究制造的PCD枪钻见图1，图2是该枪钻头部的放大图。
图1 PCD枪钻
图2 PCD枪钻头部
3 PCD与硬质合金枪钻比较试验
试验工件材料：硅铝合金Φ140×60两块，牌号ZL117。化学成分和机械性能分别见表2、表3。
表2 化学成分
表3 机械性能
表4 切削用量(设计)
试验步骤及结果分析：分别用两支枪钻以表4中的切削用量进行钻削试验，记录切削过程中的平均扭矩、平均轴向力、最大扭矩和最大轴向力，并汇总成折线图如图3、图4所示。从图中可以看出，钻削过程中PCD枪钻的平均轴向力与平均扭矩均小于硬质合金枪钻，且切削力的数值变化比硬质合金枪钻小，说明PCD枪钻在钻削过程中要比硬质合金枪钻稳定。图5为钻削加工后PCD枪钻与硬质合金枪钻切削刃附近的前刀面情况，可以看出PCD枪钻的前刀面无明显变化，而硬质合金枪钻前刀面出现了明显的粘屑情况，部分区域甚至出现了积屑瘤。通过比较试验数据，说明按上述工艺加工的PCD枪钻是可行的。
图3 平均轴向力变化规律
图4 平均扭矩变化规律
(a)PCD枪钻
(b)硬质合金枪钻
图5 前刀面对比图
小结
PCD枪钻是一种新型的深孔加工刀具，能缓解甚至解决其他类型深孔加工刀具所面临的诸多矛盾。本文主要进行了两方面的探索工作：第一，分析PCD枪钻制造过程中的影响因素，形成了切实可行的PCD枪钻制造工艺；第二，通过试验研究，验证了该PCD枪钻制造工艺的可行性，但其复杂的制造工艺还有待完善，切削性能也有待研究。因此迫切需要进行以下研究：
(1)进一步完善枪钻的制造工艺，钎焊过程开发温度可控设备，以保证焊接质量；
(2)进行更多种类材料的钻削试验，推广PCD枪钻的应用范围。
(3)从产品角度来看，还需进行更多的试验，以分析PCD枪钻相对于硬质合金枪钻在寿命、性价比等方面的差异。
原载《工具技术》 作者：胡泽朝
