试述钻削高锰钢用钻头的模型设计与应用

马先田冯永刚杜建春

马先田冯永刚杜建春（黑龙江牡丹江市）

摘要：随着科技的发展，高温合金、不锈钢、高锰钢、钛合金、镍基合金等难加工材料相应地得到了广泛应用，这就对加工刀具提出了新的课题要求。高锰钢由于其显著的物理性能，工程机械、电力部门和冶金工业部门等经常用到它。加工高锰钢的一个突出问题就是它的加工硬化现象非常严重，使得钻削它的钻头强度受到挑战。钻削高锰钢时，在钻削深度、钻削速度、进给量一定和保证最大钻削力载荷条件下，以获得钻头钻尖最大强度为目标，确定钻头合理的几何参数。使用Ansys工具分析软件对改进前后的钻头进行应力、应变分析，通过比较，得到优化的钻头几何参数。

关键词：自顶向下高锰钢强度分析优化

0引言

钻削加工是机械加工业中应用最广的加工方法之一，麻花钻是使用最广泛的钻头。本文分析的钻头是其特殊形式：螺旋角β＝0°，即直槽钻头。在钻削过程中，钻尖先接触工件，主切削刃参与切削部分的长度随着钻头的轴线进给而增加。直至主切削刃完全参与切削。钻芯部分受力情况复杂：前角很大，楔角相应减小，降低了钻尖强度：横刃负前角绝对值很大，钻削时钻尖主要承受挤压，其处切屑不易排出，切屑与前、后刀面摩擦产生的热集中在钻尖处，进一步降低了钻芯的强度。

本文从钻尖强度考虑，使用Pro/E绘图工具，根据钻头的几何参数，建立钻头三维实体模型。应用Ansys分析软件，分析刀具受到载荷后的失效形式。优化钻头几何参数，提高刀具寿命。验证实际钻削高锰钢时，钻头失效形式是否与分析结果相同，为改进钻削高锰钢钻头提供了依据。

1高锰钢的基本性能

几乎所有钢铁中都含有锰元素，一般含量为0.35～0.70％，如果锰含量在0.70～1.20％之间时就成为锰钢，但是如果锰含量进一步增加，钢将变得脆而硬，失去了使用价值。但当钢中锰含量在11～18％时称为高锰钢。其物理性能也发生很大的转变：

1.1加工硬化严重高锰钢在加工过程中由于金属晶相结构发生改变，从奥氏体组织变为马氏体组织，从而产生严重的硬化现象。例如，高锰钢在经过水韧处理后的组织全是单一的奥氏体，物理机械性能稳定，硬度为HRB180～220。当高锰钢受到剧烈冲击和强大压力时，加工硬化现象就非常明显，加工后的工件的加工表面硬度高达HRB450～550。

1.2导热系数小、切削温度高高锰钢的导热系数很小，约为45钢的四分之一，加工高锰钢时，由于切削力和切削功率大，产生热量多，而其热导率又小，故切削温度高。当切削速度在50m/min以下时，高锰钢的切削温度比45号钢高200℃以上;当切削速度进一步提高时，差值减小，约在100～200℃之间。

1.3韧性高、延伸率大、断屑困难ZGMn13钢的韧性约为45钢的8倍，延伸率也较大，这不但使切削易变形，切削力增大，而且切屑强韧、不易断屑，给切屑处理带来困难。

1.4线膨胀系数大、加工精度不易保证ZGMn13钢的线膨胀系数约为20x10-6K-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。因此，精加工宜在工件冷却后进行

1.5切削力大由参考的文献和前人所作的试验得知，车削ZGMnl3的单位切削力约比加工45号钢(正火)增大60倍。瑞典Sandvik公司也有相同的试验数据。

综上所述，ZGMn13钢在切削加工时的主要困难是切削力大,切削温度高，刀具磨损快，耐用度低，断屑困难。

2钻头三维模型的建立

2.1钻头材料从加工成本、加工精度、生产效率、工件材料等方面考虑，硬质合金刀具因为含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物，硬度、耐磨性、耐热性都很高，在800～10000C高温时还能承担切削等特性，钻削高锰钢时选择硬质合金刀具。

ISO将切削用的硬质合金分三类：YG（K）类、YT（P）类、YW（M）类。YW（M）类即WC-TiC-TaC类硬质合金，因为在YT类中加入了TaC（NbC），其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度和强度、抗氧化能力、耐磨性等都得到提高，因此钻削高锰钢时，选用牌号为YW2的硬质合金刀具材料。

2.2钻头参数钻头直径d0＝29.5mm；螺旋角β＝0°，即直槽麻花钻；，顶角2ф＝118°；刃倾角λs＝8～59°；主偏角κr＝40～60°；前角γ0＝5～50°；后角α0＝5～10°；主切削刃倒棱，倒棱前角γ01＝8～40°；宽度br01＝1.2mm。

2.3钻头三维实体模型的建立由于钻头为焊接结构，假设无焊接应力；刀体部分强度大，不易破坏；以主切削刃和横刃的应力分析为主。钻头后角根据锥面刃磨法形成的后角确定，在使用Pro/E建立三维模型时，将刀片和刀体视为一体。建立实体模型如图1所示：

3应力分析

钻削高锰钢时，用Ansys分析钻头的强度，惯性力和阻尼在切削力的分析中作用微小，可以忽略，用静力学分析代替瞬态分析。分析步骤：

3.1定义模型为线弹性实体，弹性模量E＝6xe11，泊松比ν＝0.22。

3.2网格划分，主切削刃是前刀面和后刀面的交线，横刃是两个后刀面的交线，在单元格划分时，前、后刀面单元格长度等于钻头的进给量f＝0.2mm。这样，分析得到的结果更接近实际值。

3.3在模型的x和y方向，按比例施加载荷到切削刃和横刃上

3.4求解。结果如图2，从云图中可以看出，在钻尖和外缘处应力很集中，破坏的可能性最大。用该钻头钻削高锰钢道岔，钻头转速n＝500r/min，f＝0.2mm，ap＝14mm；钻头破坏形式如图3：平均加工到第二个高锰钢道岔后，在主切削刃的外缘和钻芯处，出现月牙形凹槽；随着加工的继续进行，破坏形式更加严重；平均在加工第十五个工件时，钻尖断裂。实验结果与分析结果很接近。

4钻头几何参数的改进

为提高钻头钻尖处强度，顶角确定2ф＝140°；前角α＝8～15°；为增加钻尖强度，后角主要根据进给量、工件材料、和加工条件等进行选择，加工高锰钢时，后角取值为5～10°；相应地，主偏角为40～60°；刃倾角为20～550；为增加主切削刃的强度，切削刃倒棱，其前角γ01＝1～+5°，倒棱宽度为br1＝0.8mm（注意：此处负倒棱比较特殊，取横刃与主切削刃的交点沿横刃指向钻头轴线方向1/6处的点，将其与横刃外缘点相连，此连线即为倒棱后的主切削刃。）；修磨棱边，修磨半径为r＝1mm。分析结果如图4，主切削刃和横刃处的应力分散，钻头整体强度得到提高。

5结论

5.1钻削高锰钢时，刀具的破损主要是由于钻头钻尖部分的强度不足，而引起刀具失效。

5.2应用Ansys分析软件，减少了实验环节，极大地降低了刀具的设计成本。

5.3横刃处排屑问题虽然可以通过修磨横刃前角得到解决，但降低了钻尖的强度。合理前角的取值还应进一步研究。