一、各厂涂层钻头的寿命、可靠性及稳定性的比较

图17 钻尖经重磨后的6号试验组与A厂涂层钻头寿命试验结果的比较

图18 钻尖切短10mm后再重磨钻尖的7号试验组与I厂涂层钻头寿命试验结果的比较

二、各厂涂层钻头的寿命、可靠性及稳定性的分析

1. 涂层设备和其涂层工艺上差别的分析。
   这次10个参加试验的厂家，其采用的涂层设备大致由六个涂层设备公司(厂或所)制造，分别是：

   • A厂：引进由瑞士Barzers公司制造的涂层设备；
   • C厂，E厂和J厂：引进由美国Multi-Arc公司制造的涂层设备；
   • G厂和I厂：引进由美国VacTec公司制造的涂层设备；
   • B厂和D厂：根据A厂涂层设备的原理，国内某所自行研制和开发的涂层设备；
   • F厂：由该厂与某仪器厂合作研制的涂层设备；
   • H厂：由该厂与某真空所合作研制的涂层设备。

   1. 显 然，涂层设备和其涂层工艺的差别是造成这次试验中钻头寿命有如此大差别的主要原因。A厂涂层钻头的寿命全面的达到最高值，表明A厂从瑞士Barzers公 司引进的BAI-830型的涂层设备，有其独特的优越性，它的性能稳定可靠，布局合理，坩埚在中间，四周放置刀具和夹具，且有公、自转功能，因此刀具不但 能公转，而且能自转，加上该涂层设备采用电子直流加热刀具，升温较缓慢，同时选用了中等沉积速率，保证刀具的涂层组织细密，晶粒细小，厚度均匀，(由图1 可见)。此外A厂自引进设备以后，做了大量的工艺试验，基本上掌握了涂层的工艺，并且制订了企业标准，所以能全面取得较高的钻头寿命不足为怪。
   2. I厂采用从美国VacTec公司引进的涂层设备所涂层的钻头，其寿命q₀和R₉₀%值，仅次于A厂的水平，达到A厂的58.7%和44.3%，说明I厂的涂层设备，虽然尚不及A厂的涂层设备优越，但是I厂已基本上掌握了该涂层设备的工艺，而采用与其相同涂层设备的G厂，所涂层钻头的寿命并不突出，可见该厂对涂层工艺的掌握的熟练程度还不及I厂高。
   3. 在对C厂、E厂和J厂等三家都采用从美国Multi-Arc公司引进的涂层设备所涂层的钻头进行比较时，以J厂钻头的寿命值q₀比较高，达到这次试验的中等以上的水平，但是这三家都存在一个共性问题，就是涂层钻头的稳定与可靠性较差，而以C厂涂层钻头的q₀、b、R₉₀%值最低，说明该厂基本上还没有掌握该设备的涂层工艺。
   4. B厂和D厂的涂层钻头，其寿命在这次试验中取得中等以上的水平，说明由D厂自行研制和开发的国产涂层设备，已经达到一定的可供实用的阶段，这或许同D厂采用类似于A厂涂层的工艺或原理不无相关。
   5. 在这次试验中，C厂、E厂、F厂和H厂涂层钻头的q₀、b、R₉₀%值最低，C厂和E厂的钻头都是用从美国Multi-Arc公司引进的涂层设备涂层，E厂和H厂采用了国产的涂层设备。但是他们一个共同的特点是涂层工艺没有掌握，造成涂层钻头的寿命很低，没有能生产出达到中等寿命水平的涂层钻头。
2. 切削速度与钻尖重磨对涂层钻头寿命的影响分析
   将切削速度由v=35m/min分别降低到v=30m/min和升高到v=40m/min后以及钻尖重磨和切短10mm后重磨，涂层钻头的寿命q₀、b、R₉₀%值的比较见图16和图17。
   由图16的比较结果可以看出，将切削速度提高或降低，其寿命值q₀、b、R₉₀%似乎都比原来中速基本试验组的寿命值低，对提高速度后这些值的降低，比较容易解释，是由于切削温度也随之升高，使钻头寿命降低。但低速时仍然都比较低，尤其是b和R₉₀%降低很多，只有q₀降低较少。分析其原因可能同试验组的取样有关，因为，中速组是取自10个厂试验值的平均值，而高速5号组与低速8号组是从10个厂的标本中任抽取一支钻头组成，由于1号组中各厂的q₀、b、R₉₀%值本来就相差很大，尤以R₉₀%的值的差别最为显著，个别厂(如A厂)的q₀、b、R₉₀%值虽然较高，但还是不能改变1号试验组中q₀、b、R₉₀%值整体偏低的状况。如果仍取A厂的钻头进行不同速度对涂层刀具的试验。也许就会出现不同的结果。此外，不排除涂层钻头有一个最佳寿命的速度区存在，也许v=35/mvmin刚好落在这个区间里。
   从图17可以看出，同样的A厂或I厂的涂层钻头，无论是重磨或切短10mm再重磨钻尖，其q₀、b、R₉₀%值都有降低，基本上要降低达50%之多！但是对钻尖切短10mm后重磨的钻头，其寿命的下降幅度要较直接重磨钻尖钻头的寿命小很多，说明原来的磨损表面或经过切削的刃口处沟槽表面，在再次切削时会降低涂层的效果。

三、涂层钻头与未经涂层钻头的寿命、可靠性与稳定性以及切削力、扭矩、钻孔精度等的比较

1. 涂层与未涂层钻头的寿命值q₀、b、R₉₀%比较。
   如果将未涂层也未经任何表面处理的钻头组L试验组钻头的寿命值q₀、b、R₉₀%作为100%来考虑，那么A厂、I厂、D厂以及J厂等四家的涂层钻头的寿命值q₀、b、R₉₀%以钻头寿命最高的A厂为例，分别是L组的846%，506%和3514%。四家中最低的D厂，分别是L组的291%，154%和315%。涂层钻头的寿命提高这么多，还没有计算MRR同时提高140%的因素，可见涂层钻头对提高钻头寿命的显著性。
   对经氧、氮化表面强化处理的K试验组钻头，其寿命值q₀、b、R₉₀%分别为L组的140%，224%和348%，表明前者不仅提高了寿命，也提高了可靠性(MRR相同)。
2. 涂层与未涂层钻头的钻孔精度(扩张量)的比较
   1. 按表12的记录值，涂层钻头的平均扩张量及其标准差分别为：
      x_m=0.038mm；s=0.02123mm。
   2. 按表12的记录值，氧、氮化表面强化处理的K试验组钻头的平均扩张量及其标准差分别为：
      x_m=0.072mm；s=0.0152mm。
      按95%的置信度，取t_0.05，29=2.045，则涂层钻头与K试验组钻头的扩张量平均值锝95%置信度区间的大小分别是：

      1. 涂层钻头
         x_c=x_m±t_a(s/n^½)=0.038±2.045(0.02123/30^½)=0.038±0.008
      2. K试验组钻头
         x_c=x_m±t_a(s/n^½)=0.072±2.045(0.0152/30^½)=0.072±0.006
      因此，涂层钻头的扩张量几乎只有氧、氮化表面强化的K组钻头的53%，而置信区间的大小则基本接近，表明两者的差别高度显著。
涂层与未涂层钻头的钻孔表面粗糙度的比较
根据表14的粗糙度检测记录可知。涂层钻头所钻孔的表面粗糙度值R_a平均是氧氮化处理钻头所钻孔的31%，说明涂层钻头所钻孔的粗糙度有显著的改进。
涂层与未涂层钻头的钻削力与扭矩的比较
根据表17的涂层与不涂层钻头的轴向力与扭矩的平均值及其95%的置信区间，如仍以未经任何表面处理的钻头L组的轴向力与扭矩的平均值为100%，则与A厂、I厂、D厂以及J厂等四家的涂层钻头的轴向力与扭矩的平均值对比，见图19。


图 19 A厂、D厂、I厂以及J厂等四家的涂层钻头的轴向力与扭矩的平均值与未涂层钻头的对比

从图19可见涂层钻头的平均轴向力与扭矩分别是未涂层L组钻头的71.4～76.8%和85.4～90.8%，轴向力下降了约30%，扭矩约下降了10～15%。
涂层钻头的平均轴向力的95%置信区间的大小，约为平均值的5%，平均扭矩的95%置信区间的大小，约为其平均值的6.3%，未涂层钻头的平均轴向力的95%置信区间的大小，约为平均值的5.7%，平均扭矩的95%置信区间的大小，约为评值的4.5%。

K组钻头的v=24.04m/min，f=0.17mm/r；B组钻头的v=35m/min，f=0.287mm/r 图 20涂层钻头中的B组与经氧、氮表面处理的K组钻头磨损过程的比较

四、对涂层钻头与未涂层钻头磨损过程的比较

五、对涂层钻头与未涂层钻头的综合分析与讨论

1. 涂层工艺装备本身质量的差异
   例如，A厂钻头所采用的装备就有显著的优越性，这已被试验所证实。
2. 各厂掌握涂层工艺的熟练程度不同
   例如，都采用了相同的引进装备，却得到显然不同的试验结果，如I厂和G厂，以及J厂、C厂和E厂，他们分别引进了同一公司的装备，但涂层钻头的性能差别却特别大。
3. 涂层钻头本身涂层的质量
   如 涂层断口形貌、涂层厚度、结合力、相结构及涂层表面应力等方面的差异，由于涂层的质量必须达到一定的要求才能起到作用，例如涂层的厚度要控制在3µ左右较 理想(如A厂和I厂)；有些厂或者涂层厚度太厚，或者结合力差，涂层容易脱落(如：E厂和F厂)；涂层组织以细柱状或细粒状为佳；涂层表面的应力应控制为 压应力，而且压应力越大，似乎对涂层钻头的性能改善作用越大(见表4)；涂层时钻头的刃口不能被磕碰(如C厂的涂层钻头发现其刃口被磕碰，是其性能大为减 低的原因之一)；此外，涂层前对钻头的清洗处理十分关键，是提高涂层与基体的结合强度的主要手段，决不能被忽视，(如G厂涂层的结合强度较低，涂层脱落较 严重，是其寿命不高的主要因素之一)。
4. 切削条件对涂层的影响
   涂层钻头不但能够在较高的切削速度和进给量下钻孔，同时还具有较高的寿命(q₀、b、R₉₀%)，较低的切削力与扭矩，较好的钻孔精度与表面粗糙度，即使将钻尖重磨后再进行切削，相对未经涂层的钻头，其寿命仍有所提高。究其原因，显然是涂层起的作用。
5. TiN涂层提高钻头性能的机理分析
   TiN涂层究竟是因为什么原因能提高钻头的性能呢，根据这次试验的分析与研究的结果，可以认为主要有以下几个原因：

   1. 具 有较高的显微硬度(HV0.05=2200)，较低的磨擦系数(对钢是0.40)和导热率较低(kw/mk=0.07),同时涂层时的温度较低(约 500℃)，涂层后不会损伤钻头基体的性能，外观呈美观的金黄色，几乎可以用来切削各种材料等等。所有这些特点综合起来，使钻头切削时，产生较低的切削温 度与切削力，不容易产生使钻头很快磨损的粘接物，提高了涂层钻头的性能。通过这次试验，一个最大的收获就是让大家充分地体会到：真正的涂层钻头，确实能使 钻头的各项性能指标都提升几个档次。
   2. 对于像钻头这样的刀具，由于处于半封闭切削的状态，不太容易把冷却液输送到切削刃口处。在涂层钻头 出现以前，为了提高钻头的性能，有时采用喷油冷却的方式来提高钻头的寿命，但大量的使用冷却液，又会对环境造成污染。自出现了TiN涂层技术以后，部分刀 具可以进行干切削，这不仅减少了对环境的污染，而且对刀具的寿命又不致有太大的影响。尤其对于钻头，如果进行涂层，会取得较其他刀具更为显著的效果，如A 厂的钻头寿命就较未经涂层的钻头，不仅在MRR提高1.4倍的同时，其寿命还可提高5～7.5倍。这是因为钻头是连续切削的刀具，与非连续切削的刀具，例 如铣刀相比，它更受切削温度和积屑瘤与粘接磨损的影响，而涂层恰恰能够抑制积屑瘤与粘接磨损的影响，所以涂层的效果更明显。
   3. 氧、氮表面 强化处理的钻头与未经任何表面处理的钻头的比较氧、氮表面强化处理的钻头与未经任何表面处理的钻头相比，前者也有一定效果，其寿命能提高0.4倍，可靠性 与稳定性也有一定程度的改进，是目前最通行的表面强化处理的方法，在我国已经有近30年的使用历史，对该技术掌握的比较成熟。但是，对于钻头的整体磨制艺 已全面推广的厂或公司，如果要进行表面涂层或强化处理的话，采用TiN等涂层工艺是必然的最佳选择。

六、钻头综合性能指标的评估

第三部分 结论

1. 本试验中全部试验用的钻头，都是从委托成都量具刃具厂按国家标准GB1436-85同批制造的2000支精密级整体磨沟直柄麻花钻中任意抽取的，因此对涂层或氧、氮化处理前钻头本身质量的一致性，得到了可靠的保证。
2. 由于试验前做了较多的预试验和周密的试验设计与较科学的数据处理，试验方案又经过全部参加试验人员的论证，况且还采用了先进的检测仪器，因此，对涂层钻头所做的各项检验或试验的结果，相对地比较可信，对其评价也比较客观，得到参加试验厂家的一致认可。
3. 根 据试验所得的数据表明，十个厂家的涂层钻头，其各项性能指标，如寿命、切削力与扭矩、钻孔精度(扩张量)及钻孔表面粗糙度等，存在很大的差异。以A厂的涂 层钻头的性能相对最好，其各项性能指标都名列前茅，I厂次之，J厂、B厂、D厂及G厂等处于中、下水平，还有四个厂家的涂层钻头，其性能没有达到应有的水 平，如C厂、E厂、F厂及H厂等。
4. 如果将涂层钻头与氧、氮化处理钻头或未经任何表面处理的钻头进行比较，在涂层钻头的金属切除率MRR提高了1.4倍的同时，如果将A厂涂层钻头的寿命值q₀、b、R₉₀%都作为100%，结果经氧、氮化处理的钻头或未经任何表面处理的钻头，其寿命值q₀、b、R₉₀%分别只达到A厂涂层钻头的16.5%～11.8%、4.5%～19.7%和9.9%～2.8%。
5. 将涂层钻头的切削速度提高或降低和经过试验后将钻尖重磨或切短10mm后，再重磨钻尖，继续在与原来相同的切削条件下进行寿命试验，结果发现寿命值q₀、b、R₉₀%都有下降。直接重磨钻尖的涂层钻头，其寿命值q₀、b、R₉₀% 分别下降到42.4%、25.3%和41.7，但是切短10mm后重磨钻尖的涂层钻头，只分别下降到50.2%、40%和61.5%。说明涂层钻头即使经 过重磨，其寿命大约只下降50%左右。对于提高切削速度后涂层钻头的寿命，下降较多，只及原来的38.9%、26.6%和2.5%，对于降低切削速度后涂 层钻头的寿命也有所下降，原因尚不能查明，但是对涂层钻头而言，或许存在一个较佳的速度区间。
6. 涂层钻头的各项性能指标都有显著的提高， 但是经过本试验研究证实，关键是涂层本身的质量在起作用。在对涂层进行断口与形貌、涂层厚度、涂层结合强度及表面应力等的检测时，发现涂层的断口应有一个 较合适的显微组织，(如细柱状或细粒状)、较适宜的涂层厚度，(如3µm左右)、较高的结合强度、较大的压应力以及较高的刃口质量等。只要涂层钻头相对地 具备这些条件，就会取得较好的切削性能。例如，可显著地提高钻头寿命，降低切削力与扭矩，减少钻孔的扩张量，改善钻孔的表面粗糙度等。在本次试验中A厂的 涂层钻头之所以具有相对最高的切削性能，据分析和具有较高的涂层质量密切相关。
7. 十个厂家的涂层钻头，分别在引进和国产的六种类型的涂层设备上进行涂层，试验发现，各厂家的涂层钻头的各项性能相差很大，究其原因，有以下几个方面：
   1. 涂 层装备本身的性能有较大差异，例如瑞士Barzers公司的装备，由于其独特的涂层工艺和装料方式，被此次试验证实，是A厂涂层钻头取得较优异性能的关键 因素，其次从美国Multi-Arc公司和VacTec公司引进的涂层装备，相对国产涂层装备，其所涂层钻头的性能稍高一筹。
   2. 同样是引进的同一型号的涂层装备，但是所涂层钻头的性能却差别异常之大，说明有的厂家在引进该涂层装备后，尚未完全掌握其工艺，如C厂和E厂。
   3. 四家国产涂层装备中，D厂和B厂所涂层钻头的性能能够达到中等以上的水平，说明，国产涂层装备的性能，已达到一定的水平。但是，F厂和H厂的涂层装备，其性能与其他涂层装备相比，差得太多，应该认真总结经验教训，努力提高其涂层工艺水平。
8. 总 之，通过此次试验，获得了许多如何提高涂层钻头质量的经验，而这些经验的正确性基本上已被A厂涂层钻头为什么具有优异性能的分析与比较所证实，因为十家参 加试验的厂家中，只有A厂的涂层钻头，其涂层质量达到较为理想的程度，但是如果与国外的涂层钻头的性能进行比较，还存在一定的差距。据资料报道，德国某公 司涂层钻头的寿命，当用直径为10mm钻头，钻硬度为HB270的42CrMoV材料时，在v=45m/min，f=0.315mm/r的条件下，钻头的 寿命达到36米，而我国这次的试验条件，相对德国的条件而言，比较宽松，最高涂层钻头的寿命才达到约30米。