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。如挖掘機的鏟斗、破碎機的顎板和襯板、坦克的履帶板、主動輪、從動輪和履帶支承滾輪、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又表現(xiàn)出在對其進行切削時的難加工性。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.機加工比較困難，不能實際應(yīng)用。其原因是在鑄態(tài)組織中存在著碳化物。實踐證明，ZGMn13鋼只有在全部獲得奧氏體組織時才呈現(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溫度以上(約1000—1100℃)保溫一段時間，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ZGMn13鋼受到強大的沖擊時.表面層硬度迅速提高到HB450～550，這種加工硬化層能夠達到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加工硬化嚴重。

　　ZGMn13在已加工表面形成硬化層后。就很難再進行加工。因此在實際鉆削過程中嚴禁中途停車，工藝設(shè)定時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)切削的時候，再次換鉆頭切削時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導熱系數(shù)小。

　　ZGMn13的熱導率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，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。因為轉(zhuǎn)速較高時，鉆頭外緣轉(zhuǎn)點處磨損較快，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，由于焊接裂紋導致的鉆頭失效達10%以上。可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的鉆頭刀體制造較為復雜，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。當鉆削淺孔時可以采用直槽鉆頭，不僅可以增強鉆心強度，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 時就應(yīng)該及時重磨。鉆削時冷卻要充分，不能間斷冷卻。干鉆削的生產(chǎn)實際表明，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，以提高刀尖強度，改善散熱條件起到分屑作用。同時，在外緣處磨出雙鋒角，并磨出負前角，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，可將整個工件浸在切削液中進行鉆孔。適當選擇切削用量，可以使切削溫度控制在600℃左右范圍內(nèi)，這時加工條件較為有利。同時可以觀察到：當工件較薄、鉆到出口時，材料達到暗紅的程度。

　　群鉆的磨鈍標準同樣重要，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)，切削過程中會產(chǎn)生一直徑為△ 的小芯子，由于其強度低，因而會在縫隙中反復生成和折斷，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。為了使鉆削時徑向力平衡，設(shè)計時須按力學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，流動方向接近排屑溝槽方向，有利于排屑。使用過程中須注意，當孔鉆通的瞬時，有一薄片飛出，要安全防護。

　　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。前者簡單實用，后者在車削ZGMn13中做過實驗。前者在鉆削ZGMn13鋼板料時有所應(yīng)用.效果顯著。水韌處理后的ZGMn13在重新加熱到350℃以上時.碳化物會重新析出.并形成屈氏體或回火馬氏體.鋼的塑性和韌性會急劇下降.但是溫度超過600"C時.塑性和韌性又很快增加。因此在這個溫度范圍內(nèi)鉆削時，平穩(wěn)省力、加工順利，不會產(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.將乙炔一氧氣氣焊槍對準鉆孔中心位置加熱，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)速大進給。實際證明乙炔一氧氣加熱鉆削高錳鋼是一種簡單實用效率高的機工方法。

　　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問題進行。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，可以進行低溫鉆削，目前低溫車削實驗已經(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得到長足的進步。