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目录一、前言―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――2二、零件名称――――――――――――――――――――――――――――――――――――4三、服役条件――――――――――――――――――――――――――――――――――――4四、失效形式――――――――――――――――――――――――――――――――――――4五、性能要求――――――――――――――――――――――――――――――――――――6六、材料选择――――――――――――――――――――――――――――――――――――6七、合金元素的作用―――――――――――――――――――――――――――――――6八、热处理工艺性能分析――――――――――――――――――――――――――――8九、材料的组织性能与各种热处理工艺的关系――――――――――――――9十、工艺路线――――――――――――――――――――――――――――――――――――9 十一、表面处理――――――――――――――――――――――――――――――――――17 十二、检验项目――――――――――――――――――――――――――――――――――18 十三、缺陷及其分析―――――――――――――――――――――――――――――――20 十四、绘制工装图及辅助工序―――――――――――――――――――――――――22 十五、参考资料――――――――――――――――――――――――――――――――――23一前言金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却，通过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的一种工艺。
金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却，通过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的一种工艺。
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
群钻的特征和使用性能普通麻花钻受其固有结构的限制，其几何形状存在着某些缺陷。
通过对其切削部分的修磨，可以得到一定改善。
“群钻”就是一种行之有效的修磨形式。
如果采用比普通高速钢性能更好的新型刀具材料，或变革麻花钻的结构，在此基础上再将钻头切削部分修磨成“群钻”钻型，则钻孔效果将进一步提高。
近年来，新刀具材料的研制技术和刀具的制造技术有了很大的发展，故使变革麻花钻的材料和结构成为可能。
此外，随着被钻孔材料和钻孔条件日益多样化，“群钻”的钻型也有了很多发展，形成了一个系列。
由于“群钻”的几何形状比较复杂，对其刃磨技术的进展也作相应报道。
1．新材料的“群钻”过去普通麻花钻一般用普通高速钢W6Mo5Cr4V2或W18Cr4V制造。
他们的硬度为62～64HRC磨成“群钻”后，切削性能的提高受到刀具材料的限制。
超硬高速钢的出现，使刀具切削性能出现了一个飞跃。
国外多用高钴超硬高速钢，美国的M42(110W1．5Mo9．5Cr4VCo8)和瑞典的HSP―15(W9Mo3Cr4V3Co10)是其中的佼佼者。
但它们的含钴量多，达8％～10％，价格昂贵。
国内多用少钴或无钴超硬高速钢，如501(W6Mo5Cr4V2AL)、(Co5Si(W12Mo3Cr4V3Co5Si)、V3N(W12Mo3Cr4V3N)等。
超硬高速钢的常温硬度达67～69HRC，比普通高速钢高出5HRC，高温硬度亦显著提高。
实践证明，用超硬高速钢制成麻花钻，再修磨成“群钻”形式，与普通高速钢“群钻”相比，钻孔效率可提高一倍以上。
目前，国内一些工具厂可根据用户需求，提供超硬高速钢麻花钻。
上述所有的高速钢都是用熔炼方法制造的。
有用粉末冶金工艺制造的高速钢，其性能优于熔炼高速钢。
如用粉末冶金高速钢制成麻花钻，再磨成“群钻”，其钻孔效率可成倍提高。
在高速钢钻头磨成“群钻”后，如在其工作部分表面上用PVD(物理气相沉积)法涂覆TiN薄层可使其切削性能大幅度提高。
麻花钻标准麻花钻标准麻花钻---FLUTED TWIST DRILL1.概述麻花钻是从实体材料上加工出孔的刀具,又是孔加工刀具中应用最广的刀具。
麻花钻由三部分组成：工作部分-工作部分又分为切削部分和导向部分。
切削部分担负着主要切削工作；导向部分的作用是当切削部分切入工作孔后起导向作用,也是切削部分的备磨部分。
为了提高钻头的刚性与强度,其工作部分的钻芯直径向柄部方向递增,每100mm长度上钻芯直径的递增量为1.4-2mm。
柄部--钻头的夹持部分,并用来传递扭矩。
柄部分直柄与锥柄两种,前者用于小直径钻头,后者用于大直径钻头。
颈部--颈部位于工作部分与柄部之间,磨柄部时退砂轮之用,也是钻头打标记的地方。
麻花钻已实施出口产品质量许可制度，未取得出口质量许可证的产品不准出口。
2.检验标准麻花钻产品均采用国家标准,并等效采用国际标准,见表6-10-56。
表6-10-56麻花钻检验标准产品名称国家标准等效国际标准适用范围(直径)粗直柄小麻花钻 GB/T6135.1-1996 - 0.10-0.35mm直柄短麻花钻 GB/T6135.2-1996 ISO235-1980 0.50-40.00mm直柄麻花钻 GB/T6135.3-1996 ISO235-1980 0.20-20.00mm直柄长麻花钻 GB/T6135.4-1996 ISO494-1975 1.00-31.50mm直柄超长麻花钻 GB/T6135.5-1996 ISO/DIS3292 2.0-14.0mm莫氏锥柄麻花钻 GB/T1438.1-1996 ISO235-1980 3.00-100.00mm莫氏锥柄长麻花钻 GB/T1438.2-1996 - 5.00-50.00mm莫氏锥柄加长麻花钻 GB/T1438.3-1996 - 6.00-30.00mm莫氏锥柄超长麻花钻 GB/T1438.4-1996 ISO/DIS3291-93 6.00-50.00mm3.检验项目、技术要求：(1)外观：不允许有裂纹、崩刃、烧伤、切削刃钝口及其他影响使用性能的缺陷。
麻花钻---FLUTED TWIST DRILL1.概述麻花钻是从实体材料上加工出孔的刀具, 又是孔加工刀具中应用最广的刀具。
麻花钻由三部分组成：工作部分-工作部分又分为切削部分和导向部分。
切削部分担负着主要切削工作；导向部分的作用是当切削部分切入工作孔后起导向作用,也是切削部分的备磨部分。
为了提高钻头的刚性与强度,其工作部分的钻芯直径向柄部方向递增,每100mm长度上钻芯直径的递增量为1.4-2mm。
柄部--钻头的夹持部分,并用来传递扭矩。
柄部分直柄与锥柄两种,前者用于小直径钻头,后者用于大直径钻头。
颈部--颈部位于工作部分与柄部之间,磨柄部时退砂轮之用,也是钻头打标记的地方。
麻花钻已实施出口产品质量许可制度，未取得出口质量许可证的产品不准出口。
2.检验标准麻花钻产品均采用国家标准,并等效采用国际标准,见表6-10-56。
表6-10-56麻花钻检验标准产品名称国家标准等效国际标准适用范围(直径)粗直柄小麻花钻GB/T6135.1-1996 - 0.10-0.35mm直柄短麻花钻GB/T6135.2-1996 ISO235-1980 0.50-40.00mm直柄麻花钻GB/T6135.3-1996 ISO235-1980 0.20-20.00mm 直柄长麻花钻GB/T6135.4-1996 ISO494-1975 1.00-31.50mm直柄超长麻花钻GB/T6135.5-1996 ISO/DIS3292 2.0-14.0mm莫氏锥柄麻花钻GB/T1438.1-1996 ISO235-1980 3.00-100.00mm莫氏锥柄长麻花钻GB/T1438.2-1996 - 5.00-50.00mm莫氏锥柄加长麻花钻GB/T1438.3-1996 - 6.00-30.00mm莫氏锥柄超长麻花钻GB/T1438.4-1996 ISO/DIS3291-93 6.00-50.00mm3.检验项目、技术要求：(1)外观：不允许有裂纹、崩刃、烧伤、切削刃钝口及其他影响使用性能的缺陷。
高速钢热处理方式高速钢热处理方式 2023-09-0321:59真空高压气冷淬火技术当前真空高压气冷淬火技术进展较快，相继消灭了负压(<1×105Pa)高流率气冷、加压(1×105~4×105Pa)气冷、高压(5×105~10×105Pa)气冷、超高压一(10×105~20×105Pa)气冷等技术，不但大幅度提高了真空气冷淬火力量，且淬火后工件外表光亮度好，变形小，还有高效、节能、无污染等优点。
真空高压气冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不锈钢和特别合金的固溶、时效，离子渗碳和碳氮共渗，以及真空烧结，钎焊后的冷却和淬火。
用6×105Pa高压氮气冷却淬火时、被冷却的负载只能是松散型的，高速钢(W6Mo5Cr4V2)可淬透至 70~100mm，高合金热作模具钢(如 4Cr5MoSiV)可达25~100mm。
用10×105Pa高压氮气冷却淬火时，被冷却负载可以是密集型的，比6×105Pa冷却时负载密度提高约 30%~4O%。
用20×105Pa超高压氮气或氦气和氮气的混合气冷却淬火时，被冷却负载是密集的并可捆绑在一起。
其密度较6×105Pa氮气冷却时提高 80%~150%，可冷却全部的高速钢、高合金钢、热作工模具钢及 Cr13%的铬钢和较多的合金油淬钢，如较大尺寸的 9Mn2V 钢。
具有单独冷却室的双室气冷淬火炉的冷却力量优于一样类型的单室炉。
2×105Pa氮气冷却的双室炉的冷却效果和4×105Pa的单室炉相当。
但运行本钱、修理本钱低。
由于我国根底材料工业(石墨、钼材等)和配套元器件(电动机)等水平有待提高。
所以在提高6×105Pa单室高压真空护质量的同时，进展双室加压和高压气冷淬火炉比较符合我国的国情。
真空高压气冷等温淬火外形简单的较大工件从高温连续进展快速冷却时简洁产生变形甚至裂纹。
高速钢是一种含多量碳(C)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等元素的高合金钢，热处理后具有高热硬性。
当切削温度高达600℃以上时，硬度仍无明显下降，用其制造的刀具切削速度可达每分钟60米以上，而得其名。
高速钢按化学成分可分为普通高速钢及高性能高速钢，按制造工艺可分为熔炼高速钢及粉末冶金高速钢。
普通高速钢高速钢是制造形状复杂、磨削困难的刀具的主要材料。
普通高速钢可满足一般需求。
常见的普通高速钢有两种，钨系高速钢和钨钼系高速钢。
钨系高速钢典型牌号为w18Cr4V，热处理硬度可达63-66HRC，抗弯强度可达3500MPa，可磨性好。
? 钨钼系高速钢典型牌号为W6Mo5Cr4V2，目前正在取代钨系高速钢，具有碳化物细小分布均匀，耐磨性高，成本低等一系列优点。
热处理硬度同上，抗弯强度达4700MPa，韧性及热塑性比w18Cr4V提高50％。
常用于制造各种工具，例如钻头、丝锥、铣刀、铰刀、拉刀、齿轮刀具等，可以满足加工一般工程材料的要求。
只是它的脱碳敏感性稍强。
另一牌号的普通高速钢为W9Mo3Cr4V，这是中国近几年发展起来的新品种。
强度及热塑性略高于W6Mo5Cr4V2，硬度为HRC63-64，与韧性相配合，容易轧制、锻造，热处理工艺范围宽，脱碳敏感性小，成本更低。
这三个牌号的普通高速钢在中国市场的比例分别为:W18Cr4V，16.5％；W6Mo5Cr4V2, 69％;W9Mo3Cr4V,11％。
高性能高速钢高性能高速钢具有更好的硬度和热硬性，这是通过改变高速钢的化学成分，提高性能而发展起来的新品种。
它具有更高的硬度、热硬性，切削温度达摄氏650度时，硬度仍可保持在60HRC以上。
耐用性为普通高速钢的1.5-3倍，适用于制造加工高温合金、不锈钢、钛合金、高强度钢等难加工材料的刀具。
主要品种有4种，分别为高碳系高速钢、高钒系高速钢、含钴系高速钢和铝高速钢。
? 高碳系高速钢牌号为9w18Cr4V，因含碳量高(0.9％)，故硬度、耐磨性及热硬性都比较好。
年产1200万件W6Mo5Cr4V2高速钢直柄麻花钻头热处理生产线车间的任务和工作制度车间的类别本次车间设计的类别定为成品热处理车间，主要承担产品最终阶段的热处理任务，主要实施淬火回火、渗碳、感应加热淬火等热处理，以达到产品最终技术要求。
这类车间常独立设置，常与机加工车间相邻或设在机加工车间内。
本设计方案的车间采用独立设置，故也称作独立热处理车间。
车间生产任务车间生产任务（或称生产纲领）是指车间承担的年生产量，是车间设计的最基础数据。
本设计方案中直柄麻花钻的年产量为1000万件（即330吨），故热处理车间的生产任务是年产1000万件（即330吨）。
本热处理车间生产的废品率为3%（包括热处理报废和运输报废），达30万件（即9.9吨），故热处理车间的实际生产任务为1030万件/年（即339.9吨/车间的工作制度及年时基数生产制度热处理车间常有长工艺周期的生产和热处理炉空炉升温时间长的情况，所以多数采用二班制或三班制。
本设计方案采用二班制。
设备年时基数设备年时基数为设备在全年内的总工时数，等于在全年工作日内应工作的时数减去各种时间损失，即F设=D设Nn（1-b%）——设备年时基数（h）；式中F设——设备全年工作日，等于全年日数（365天）-全年假日（10 D设天）-全年星期双休日（106天）=249天；N——每日工作班数；n——每班工作时数，一般为8h，对于有害健康的工作，有时为6.5h；b——损失率损失率，时间损失包括设备检修及事故损失，工人非全日缺勤而无法及时调度的损失，以及每班下班前设备和场地清洁工作所需的停工损失。
此处取6%。
计算F设的值：F设=249×2×8×（1-6%）=3744.96≈3744（h）工人年时基数工人年时基数可依据下式计算：F人=D人n（1-b%）——工人年时基数（h）；式中 F人——工人全年工作时日（249天）；D人b——时间损失率，一般取4%；时间损失包括病假、事假、探亲假、产假及哺乳、设备清扫、工间休息等工时损失。
计算F人的值：F人=249×8×（1-4%）=1912.32≈1912h。
高速钢直柄麻花钻结构设计及尺寸选用高速钢麻花钻的结构：标准高速钢麻花钻由三部分组成：(1)工作部分又分为切削部分和导向部分。
切削部分担负着主要切削工作；导向部分的作用是当切削部分切入工件孔后起导向作用，也是切屑部分的备磨部分。
为了提高钻头的刚性和强度，其工作部分的钻心直径dc向柄部方向递增，每100mm长度上钻心直径的递增量为1.4-2mm。
(2)柄部钻头的夹持部分，并用来传递扭矩。
柄部分直柄和锥柄两种，前者用于小直径钻头（钻头直径小于13mm皆采用直柄），后者用于大直径钻头（钻头柄为锥度状，一般其锥度均采用莫氏锥度）。
本设计方案所选麻花钻为直柄。
(3)颈部颈部位于工作部分和柄部之间，磨柄部时退砂轮之用，也是钻头打标记的地方。
为了制造方便，直柄麻花钻一般不制有颈部。
由于本设计方案采用直柄，因此不制颈部。
高速钢直柄麻花钻的类型和用途本设计方案选用的高速钢直柄麻花钻尺寸与结构：根据国家标准GB/T 6135.2-2008，本设计方案采用直径为6mm的高速钢直柄麻花钻，其尺寸与结构见下图钻头的服役条件：作为机床上使用的金属切削工具，其主要工作部分是刀刃或刀尖，钻头在钻削过程中，刃部与工件表面的金属相互作用，使钻头产生变形与断裂，并从工件整体上剥离下来，所以钻头本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击震动负荷。
在钻削过程中会产生大量切屑，因此钻头还受到工件与切屑强烈的摩擦作用；由于切屑层金属塑性变形以及刀刃与工件和切屑间强烈的摩擦作用所产生的大量切削热，使刃具的温度上升。
切削量增大和被切削金属的硬度升高，都会使切削热大量增加，从而使刃具的温度很快升高。
钻头的失效形式：强烈的机械摩擦使钻头刃部磨损变钝，特别在连续高速钻削时，因刃部温度升高而使硬度明显下降，加速磨损，失去钻削能力；钻头在受到冲击震动时会产生崩刃或折断；钻头因受弯曲、扭转、剪切应力作用而变形。
其中磨损是最普遍的形式，变形较少见。
钻头的性能要求：由上述服役条件和失效形式可知，作为制造麻花钻的材料应满足的要求是：钻头用钢应具有较高的硬度、高的耐磨性；足够的强度和韧性，以承受钻削中的冲击和震动，避免崩刃和折断；高的红硬性，即要有高的耐热性，在高温下能保持硬度、耐磨性、强度和韧性（能使刃具在500～600℃时仍保持55-60HRC高硬度能力）；良好的工艺性，如锻造性、热处理性、磨削加工型等，以便与制造；经济性，即价格要便宜。
材料的选择：为了获得上述韧性，钻头用钢一般是含碳量较高的碳素钢或合金钢。
这些钢中的马氏体内高碳量所造成的强烈的间隙固溶化效应，以及分布在基体中的大量高硬度未溶碳化物颗粒是钢获得高硬度和高耐磨性的基本保证。
因合金元素和高碳量的共同作用，在回火过程中析出的特殊碳化物，不仅进一步提高钢的耐磨性还提供了钢的红硬性。
极细的隐晶回火马氏体使钢具有足够的塑形和韧性，从基体中析出弥散碳化物在强化基体的同时也降低了马氏体的正方度c/a，改善了基体的塑形和韧性。
由于制造麻花钻的材料不同，麻花钻可以分为碳素钢麻花钻、硬质合金钢麻花钻和高速钢麻花钻等。
由于碳素钢麻花钻的红硬性较差，故现在基本上不使用，而硬质合金钢麻花钻的制造涉及到粉末冶金的知识，这里也不予讨论。
本设计方案选用高速钢作为麻花钻头的材料。
高速钢的性能特点:(1)具有很高的强度、硬度和耐磨性；(2)具有很高的红硬性，通用型高速钢在淬火回火后的硬度可达63～66HRC，在高速切削时刃部温度升至600℃左右，硬度仍保持在55HRC以上；(3)高速钢能在较高温度下保持高速切削能力和耐磨性，切削温度达500～650℃时仍能进行切削，同时具有足够高的强度，兼有适宜的塑形和韧性；(4)高速钢还有很高的淬透性，中小型工具在空气中即可淬透。
因此高速钢广泛应用于制造尺寸大、切削速度高、负荷重、工作温度高的各种加工刃具，如车刀、铣刀、刨刀、拉刀、钻头等，也可用来制造高耐磨性的冷作模具。
它的制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造。
高速钢钢种的比较：现在市场上使用比较多的是通用型高速钢，其中以钨系W18Cr4V和钨-钼系W6Mo5Cr4V2为代表。
钨钢W18Cr4V有良好的综合性能，在600℃的高温强度为48.5HRC。
优点是淬火时过热倾向小；含钒量较少，磨削加工性好；碳化物含量较高，塑形变形抗力较大。
缺点是碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度；强度和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成型方法制造的刀具。
钨钼钢W6Mo5Cr4V2碳化物分布细小、均匀，具有良好的力学性能，抗弯强度比W18Cr4V高10%～15%，韧性高50%～60%，可做承受力较大的刀具；热塑性好，便于制造热轧钻头等；磨削加工性也好。
目前各国广泛应用。
W18Cr4V与W6Mo5Cr4V2的力学性能比较见表2综合比较，最终选用W6Mo5Cr4V2作为直柄麻花钻头的材料。
W6Mo5Cr4V2高速钢的主要成分：W6Mo5Cr4V2高速钢是由大量钨、钼、铬、钒等元素组成的高碳高合金莱氏体工具钢，其主要合金成分见表3碳的作用：提高淬硬性和热硬性；随着碳含量的增加，淬火、回火后硬度和热硬性都增加；钨的作用：获得热硬性的主要元素，在钢中形成M6C，是共晶碳化物的主要组成，它还以二次碳化物的形式由奥氏体中析出；钼的作用：Mo和W可相互取代，故也是获得热硬性的元素，并减少碳化物的不均匀性；钒的作用：提高马氏体的回火稳定性，阻碍马氏体的分解同时提高高速钢的热硬性和耐磨性；铬的作用：铬在钢中主要存在于M23C6中，促使其溶于奥氏体中，增加奥氏体合金度；淬火加热时，铬几乎溶于奥氏体，主要起增加钢的淬透性作用。
热处理工艺：1、高速钢热处理的特点：(1)高速钢中莱氏体碳化物的形貌在热处理过程中不会改变，需要事先用热塑性成形的方法将莱氏体碳化物破碎成颗粒状并改善碳化物不均匀性；(2)为了改善高速钢本身的切削加工性，需要采用比较复杂的和严格的退火工艺，并且针对不同的情况有多种不同的退火方法；(3)高速钢中存在大量碳化物，强烈地阻碍加热时奥氏体晶粒的长大，直至接近开始熔化的温度仍能保持细小的奥氏体晶粒。
也唯有在足够高的温度下加热，使碳化物溶解，提高奥氏体合金元素和碳的含量，才能起到提高红硬性的作用，而韧性则随着淬火温度的升高而下降。
淬火加热温度对高速钢性能的影响十分敏感，对不同的刀具，应根据其使用情况选择合适的加热温度，并加以严格控制；(4)高速钢有很高的淬透性，而且一般刀具截面并不大，所以可以选择比较缓慢的淬火冷却方法，以求减小热处理畸变；(5)高速钢通常应在出现“二次硬化”的温度下进行多次回火。
高速钢热处理工艺过程：1、钻头的预备热处理工艺设计：高速钢预处理通常可采用普通退火、等温退火、循环退火、球化退火、锻造后快速球化退火及调质处理。
利用锻造余热退火高速钢中的碳化物即使在锻造温度下也不能完全溶于奥氏体，锻造后冷却还会析出部分碳化物，因而在退火温度下，残余碳化物的数量相当可观，它是退火冷却过程中奥氏体等温分解的非自发核心，其形状、大小、数量和分布对退火后的组织起着决定性的作用。
锻造后利用余热进行快速球化退火，是借助于锻造后钢中残留的大量弥散分布的碳化物，经随后短时较高温度的等温过程，使一些碳化物粒子圆形化，且极微细的碳化物发生溶解，在等温过程中基本上完成了球化步骤。
按此工艺，退火后的组织及硬度均优于常规球化退火，其球化时间仅为后者的1/4～1/3，既节能，退火件又具有良好的切削加工性。
普通退火及等温退火普通退火是目前应用最广的高速钢预处理工艺。
退火可在井式炉或箱式炉中进行，炉中最好设置可控气氛，工件一定要装箱密封，以防氧化脱碳。
普通退火操作时间一般要30h以上，为缩短时间，节约能源，人们寻找到更好的方法―高速钢等温退火工艺，退火温度一般为850～870℃，保温后快冷至等温转变曲线的拐弯处（730～750℃），保持一定的时间，使奥氏体等温分解，然后随炉冷至500～550℃出炉空冷。
等温退火可在空气炉中亦可在盐浴炉中进行，当在盐浴中退火时保温时间比在空气中缩短1/3左右。
循环退火用循环退火代替等温退火，不仅可缩短加热时间，细化奥氏体晶粒，改善组织，提高钢的强度、韧性和高速钢焊接工具的结构强度，而且有利于消除高速钢的淬火过热，防止晶粒异常长大和形成奈状断口，也有利于减少工具热处理变形及提高工具性能，并可提高生产效率、节约能源。
循环退火比等温退火处理的高速钢碳化物数量多、尺寸小而且淬火硬度、热硬性均高于等温退火1-3HRC。
循环退火还具有工艺周期短、生产效率高、节约能源等优点。
