1.引言

　　自1882年英國人哈德菲爾德(Hadfield)發(fā)明了高錳鋼.它的使用已經(jīng)有一百多年的歷史。成為傳統(tǒng)的耐磨材料，得到了廣泛應(yīng)用。如挖掘機(jī)的鏟斗、破碎機(jī)的顎板和襯板、坦克的履帶板、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和履帶支承滾輪、鐵路轍叉等。ZGMn13鋼的耐磨特性是其它任何鋼種不可比擬的。但是，其有良好的工作性能的同時(shí)又表現(xiàn)出在對其進(jìn)行切削時(shí)的難加工性。它是一種典型的難加工材料，特別是在孔加工當(dāng)中，由于鉆削本身屬于半封閉式加工，使得ZGMn13鋼的鉆削更加困難。

　　2.ZGMn13鋼的基本性能

　　ZGMn13鋼的主要成分為：1.30%C、0.30%～0.80%Si、11.0%～14.0%Mn(Mn/C=10～12)。ZGMn13鋼鑄件的性質(zhì)硬而脆.機(jī)加工比較困難，不能實(shí)際應(yīng)用。其原因是在鑄態(tài)組織中存在著碳化物。實(shí)踐證明，ZGMn13鋼只有在全部獲得奧氏體組織時(shí)才呈現(xiàn)出最為良好的韌性和耐磨性。為了使ZGMn13鋼得到良好純奧氏體組織，必須進(jìn)行“水韌處理”。水韌處理是淬火處理的操作，其方法是把鋼加熱至臨界點(diǎn)溫度以上(約1000—1100℃)保溫一段時(shí)間，使鋼中碳化物能全部溶解到奧氏體中去，然后迅速浸淬于水中冷卻。由于冷卻速度非常快，碳化物來不及從奧氏體中析出，因而保持了均勻的奧氏體狀態(tài)。ZGMn13的原始硬度與45號鋼(正火)相近，約為HB180～220。當(dāng)ZGMn13鋼受到強(qiáng)大的沖擊時(shí).表面層硬度迅速提高到HB450～550，這種加工硬化層能夠達(dá)到0.3mm。因此有很高的耐磨性，而其心部仍保持原有的韌性。當(dāng)硬化層受到外力磨損脫落后還可以產(chǎn)生新的硬化層。

　　3.ZGMn13鋼的鉆削加工性

　　3.1加工硬化嚴(yán)重。

　　ZGMn13在已加工表面形成硬化層后。就很難再進(jìn)行加工。因此在實(shí)際鉆削過程中嚴(yán)禁中途停車，工藝設(shè)定時(shí)也要求盡量采用一次走刀。在鉆削中途如果鉆頭破損不能繼續(xù)切削的時(shí)候，再次換鉆頭切削時(shí)可以聽到刺耳的尖叫聲，這就是在加工硬化層切削的效果。由于鉆頭的橫刃有很大的負(fù)前角，在鉆削過程中屬于一種楔劈式刮削，而加工硬化過程又加大了軸向力，很容易使橫刃磨損或崩刃。

　　3.2導(dǎo)熱系數(shù)小。

　　ZGMn13的熱導(dǎo)率13W·m一1·k一1，為45號鋼的1/4.切削過程中熱量不能迅速傳導(dǎo)，致使切削溫度高，加劇鉆頭的磨損。在ZGMn13鐵路轍叉的中31.5孔鉆削過程中，鉆頭變得發(fā)紅，嚴(yán)重降低了鉆頭的耐用度。

　　3.3韌性高，塑性大。

　　ZGMn13的沖擊韌性值為2.9～4.9J·cm2，是45號鋼的6～10倍，伸長率(塑性)為50%～80%，是45號鋼的3～5倍。

　　這不但使切削易變形，切削力增大，而且切屑強(qiáng)韌、不易斷屑。切屑多呈折皺長帶狀。鉆削過程中非常容易纏繞在刀桿上。

　　3.4線膨脹系數(shù)大。

　　ZGMn13鋼的線膨脹系數(shù)約為20 10—6℃一1，與黃銅差不多。在切削熱和切削溫度作用下，工件局部迅速熱膨脹而變形，從而影響加工精度。

　　4.ZGMn13鋼的合理鉆削條件

　　4.1刀具材料。

　　隨著粉末冶金技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，硬質(zhì)合金刀具廣泛應(yīng)用于難加工材料的切削。但是我國硬質(zhì)合金制造水平與國外還有很大差距。仍須不斷提高。目前用于ZGMn13鋼鉆削的常用硬質(zhì)合金刀具材料有：YG8、YG6X、YS2、YW2、Y1v767和Y1v798等。雖然YG類硬質(zhì)合金較為常用，但其不適于高速切削。因?yàn)檗D(zhuǎn)速較高時(shí)，鉆頭外緣轉(zhuǎn)點(diǎn)處磨損較快，并加速后刀面磨損，刀具耐用度降低。在轉(zhuǎn)速較高且切削過程較平穩(wěn)的情況下可考慮選用Ⅵ ’類硬質(zhì)合金。YG類硬質(zhì)合金中添加適量的TaC或NbC(一般為0.5%～3%)，可提高其硬度和耐磨性而不降低其韌性。隨著硬質(zhì)合金中含鈷量的增加.這些優(yōu)點(diǎn)更為顯著。因此，以TaC和NbC為添加劑的通用型硬質(zhì)合金也適用于高錳鋼的鉆削加工。硬質(zhì)合金的涂層技術(shù)已經(jīng)有單一涂層發(fā)展成為復(fù)合涂層技術(shù)，很好地解決了硬質(zhì)合金硬度和韌性的矛盾。

　　4.2刀具結(jié)構(gòu)。

　　ZGMn13鋼用的鉆頭多數(shù)為焊接硬質(zhì)合金刀片結(jié)構(gòu)，也有使用可轉(zhuǎn)位淺鉆的場合。焊接結(jié)構(gòu)較為簡單，制造成本低。將E2型硬質(zhì)合金刀片鑲焊在刀槽中，焊接方法主要有氧氣一乙炔火焰釬焊和高頻感應(yīng)釬焊。但是由于硬質(zhì)合金刀片比刀體鋼料的線膨脹系數(shù)小得多，因此在焊接后有較多的殘余應(yīng)力，特別在較大釬焊面上很容易產(chǎn)生焊接裂紋。在ZGMn13鋼鐵路轍叉的鉆削過程中，由于焊接裂紋導(dǎo)致的鉆頭失效達(dá)10%以上。可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的鉆頭刀體制造較為復(fù)雜，刀片一般選用硬質(zhì)合金涂層刀片，所以鉆頭成本較高。

　　5.幾種鉆ZGMn13鋼常用硬質(zhì)合金鉆頭

　　5.1通用硬質(zhì)合金鉆頭。

　　這種鉆頭采用鑲片焊接形式。由于鉆頭鉆削時(shí)約有57%的鉆削力產(chǎn)生在橫刃上，所以通過磨短橫刃來減小軸向力，修磨橫刃前刀面增大前角，可以進(jìn)一步降低軸向力和扭矩，提高鉆頭耐用度。減小刀體螺旋角13至20。，增大鋒角2中到140。，以利于排屑。或磨成雙重鋒角，改善散熱條件。當(dāng)鉆削淺孔時(shí)可以采用直槽鉆頭，不僅可以增強(qiáng)鉆心強(qiáng)度，而且制造簡單，成本低。為了保持鉆頭鋒利，外緣轉(zhuǎn)角磨損尺寸小于lmm 時(shí)就應(yīng)該及時(shí)重磨。鉆削時(shí)冷卻要充分，不能間斷冷卻。干鉆削的生產(chǎn)實(shí)際表明，鉆頭的耐用度較低。

        5.2硬質(zhì)合金群鉆。

        這種硬質(zhì)合金鉆頭的結(jié)構(gòu)與制造，與通用硬質(zhì)合金鉆頭相同。鉆頭的刀體應(yīng)有良好的剛性和強(qiáng)度，一般用40Cr制造，長度也盡可能短些。刀片材料可用YG8或YW2，若選用齒冠刀頭，則鉆削效果更好。切削部分的幾何參數(shù)和幾何角度，與鉆鑄鐵群鉆基本相似，只是將尖高加大到0.08d(d為鉆頭直徑)，圓弧刃的圓弧半徑加大到0.4d，以提高刀尖強(qiáng)度，改善散熱條件起到分屑作用。同時(shí)，在外緣處磨出雙鋒角，并磨出負(fù)前角，把外緣處后角加大到20。。鉆頭磨好后，應(yīng)該用油石仔細(xì)鐾光，以提高刃面的光潔度，刃口不得有鋸齒。鉆削過程中冷卻要充分，條件允許，可將整個(gè)工件浸在切削液中進(jìn)行鉆孔。適當(dāng)選擇切削用量，可以使切削溫度控制在600℃左右范圍內(nèi)，這時(shí)加工條件較為有利。同時(shí)可以觀察到：當(dāng)工件較薄、鉆到出口時(shí)，材料達(dá)到暗紅的程度。

　　群鉆的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)同樣重要，與通用硬質(zhì)合金鉆頭相同。但是群鉆的刀尖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，刃磨要求較高，對于工作人員的技術(shù)水平要求非常高。

　　5.3無橫刃焊接式硬質(zhì)合金淺孔鉆。

　　這種鉆頭與通用硬質(zhì)合金鉆頭的顯著區(qū)別在于沒有橫刃，它被處在鉆芯部位的寬度為△、深度數(shù)毫米的縫隙所代替，從而在鉆芯部分形成非切削區(qū)。在非切削區(qū)，切削過程中會(huì)產(chǎn)生一直徑為△ 的小芯子，由于其強(qiáng)度低，因而會(huì)在縫隙中反復(fù)生成和折斷，而其折斷部分將隨切屑被一起帶走。由于鉆頭沒有橫刃，因此鉆削時(shí)軸向力較小，可降低30～50%。控制△是制造鉆頭的關(guān)鍵，一般取為0.8mm左右。為了有利于小芯子自行折斷，被加工材料的韌性越大，縫隙的寬度△應(yīng)越小。

　　5.4可轉(zhuǎn)位淺孔鉆。

        可轉(zhuǎn)位淺孔鉆的刀具角度由刀槽和刀片兩部分構(gòu)成，所以對于刀體的加工精度要求較高。由于鉆頭的切削刃由外刃和內(nèi)刃兩片刀片組成，因此它們不關(guān)于鉆頭軸線對稱。為了使鉆削時(shí)徑向力平衡，設(shè)計(jì)時(shí)須按力學(xué)平衡原理配置外刃和內(nèi)刃。鉆頭在鉆削中定心好，切削平穩(wěn)，加工精度高。采用凸三角形硬質(zhì)合金涂層刀片，刀片上的斷屑槽形成10。左右的正前角。后角為7。，切削刃較鋒利，可減小ZGMn13鋼的加工硬化。鉆頭鋒角為160。，切屑變形小，流動(dòng)方向接近排屑溝槽方向，有利于排屑。使用過程中須注意，當(dāng)孔鉆通的瞬時(shí)，有一薄片飛出，要安全防護(hù)。

　　6.加熱工藝應(yīng)用于ZGMn13鉆削加工

　　加熱方法主要有乙炔一氧氣火焰和等離子加熱法。前者簡單實(shí)用，后者在車削ZGMn13中做過實(shí)驗(yàn)。前者在鉆削ZGMn13鋼板料時(shí)有所應(yīng)用.效果顯著。水韌處理后的ZGMn13在重新加熱到350℃以上時(shí).碳化物會(huì)重新析出.并形成屈氏體或回火馬氏體.鋼的塑性和韌性會(huì)急劇下降.但是溫度超過600"C時(shí).塑性和韌性又很快增加。因此在這個(gè)溫度范圍內(nèi)鉆削時(shí)，平穩(wěn)省力、加工順利，不會(huì)產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。不僅保證了加工質(zhì)量、提高了生產(chǎn)效率.而且延長了刀具使用壽命。

　　應(yīng)用這種簡易加熱方法鉆削時(shí).將乙炔一氧氣氣焊槍對準(zhǔn)鉆孔中心位置加熱，范圍約為孔直徑的2倍，加熱到450℃左右，即鋼板見紅后，離開加熱立即下鉆，可以采用高轉(zhuǎn)速大進(jìn)給。實(shí)際證明乙炔一氧氣加熱鉆削高錳鋼是一種簡單實(shí)用效率高的機(jī)工方法。

　　7.結(jié)論

　　在ZGMn13鋼的鉆削過程中.主要就是解決加工硬化和切削熱的問題。任何一種新的鉆頭型式和加工方法都圍繞著這兩個(gè)問題進(jìn)行。只要是切屑變形小、排屑順暢.加工硬化就小，切削熱也相應(yīng)減小。除了傳統(tǒng)的鉆削加工形式外.還可以應(yīng)用特殊的加工方法，比如利用高錳鋼的低溫脆性，可以進(jìn)行低溫鉆削，目前低溫車削實(shí)驗(yàn)已經(jīng)有所成果，另外還可以應(yīng)用帶磁鉆削等方法。刀具材料的不斷更新和出現(xiàn)，為解決問題提供了保證。隨著研究的不斷深入，ZGMn13的難鉆削問題一定會(huì)得到長足的進(jìn)步。