CN115971544A - 一种高速钢钻头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速钢钻头，包括工作部分、颈部、柄部以及冷却流道；所述冷却流道包括直流道和环绕直流道设置的螺旋形流道，所述直流道和螺旋形流道连通设置，所述螺旋形流道具有冷却液入口，所述直流道具有冷却液出口，所述冷却流道用于使冷却液从所述冷却液入口进入，依次流经所述螺旋形流道和所述直流道后，从所述冷却液出口流出；该冷却流道结构可有效带走钻头在工作时产生的热量，提高钻进效率。本发明还公开了高速钢钻头的制备方法，采用低功率、慢扫描速度的激光成型以及逐层激光重熔方法，实现复杂高速钢钻头的一体化成型，以及通过热处理和表面激光淬火，制备出表面坚硬耐磨、芯部高强韧的高速钢钻头，解决了高速钢变形和开裂问题。

Description

一种高速钢钻头及其制备方法

技术领域

本发明属于钻头制造技术领域，涉及一种具有冷却流道的高速钢钻头及其制备方法。

背景技术

高速钢具有高硬度、高耐磨性、高耐热性和较好的韧性，是受冲击和振动的钻具、切削刀具以及模具的首选材料。因含有较多碳及合金元素，传统熔铸和电渣重熔所制备的高速钢常常形成粗大的一次共晶碳化物与网状二次碳化物。粉末冶金法可解决碳化物粗大及分布不均匀的问题，却受到压制模具的限制，其高速钢制品结构形状较简单。随着现代工业不断发展，高速钢工模具正在向精密化、复杂化、小型化方向发展，对异形复杂结构产品的需求日益强烈。但由于压制模具和加工工具的限制，现有高速钢钻头结构简单，通常仅能依靠钻孔制造出直线型冷却流道，无法有效地带走高速钢钻头在工作过程中产生的热量。

发明内容

本发明的目的是为满足现代制造业对高性能钻具的迫切需求，发明和设计了一种具有内部随形冷却流道、外部碎屑通道的高速钢钻头，即内部冷却水道的形状随着高速钢钻头外形而变化，外部增设碎屑导出通道，可大幅提高高速钢钻头冷却效率和钻进效率，解决传统的高速钢钻头的简单直线型冷却流道无法快速、均匀散热的问题。

本发明其中一个实施例提供了一种高速钢钻头，包括工作部分、颈部、柄部以及冷却流道；

所述工作部分包括切削部分、导向部分和碎屑通道；其中，所述切削部分包括切削刃和螺旋槽，所述切削部分用于起到钻进和切削作用；所述导向部分包括副切削刃和螺旋槽，所述导向部分用于辅助钻进和切削，并导出切削碎屑；所述碎屑通道位于所述切削部分和所述导向部分的外沿，用于辅助导出切削碎屑；

所述冷却流道包括位于高速钢钻头中心位置的直流道和环绕所述直流道设置的螺旋形流道，所述直流道和所述螺旋形流道连通设置，所述螺旋形流道具有冷却液入口，所述直流道具有冷却液出口，所述冷却流道用于使冷却液从所述冷却液入口进入，依次流经所述螺旋形流道和所述直流道后，从所述冷却液出口流出。

在其中一个实施例中，所述碎屑通道包括两条或者两条以上的半弧形通道，所述两条或者两条以上的半弧形通道沿所述高速钢钻头的中心轴对称分布，用于辅助导出切削碎屑。

在其中一个实施例中，所述颈部包括圆弧形倒角，所述圆弧形倒角用于避免应力集中。

在其中一个实施例中，所述柄部末端设置有螺纹结构或者扁尾结构，用于起到固定和传力作用。

本发明其中一个实施例提供了一种高速钢钻头的制备方法，包括以下步骤：

设计和建模步骤：利用三维建模软件设计如以上任意一项实施例所述的高速钢钻头的三维模型，对所述三维模型进行分层切片处理，得到所述高速钢钻头的三维模型数据；

激光增材制造步骤：根据所述高速钢钻头的三维模型数据，在惰性气氛保护下，使用激光束加热熔融预先铺设的高速钢粉末，使高速钢冷却沉积于预热的基板上，随后使用激光束重复熔融沉积层；重复铺设高速钢粉末、激光加热熔融高速钢粉末和激光重复熔融沉积层的步骤，逐层成型高速钢钻头；

热处理和表面激光淬火处理步骤：对所述高速钢钻头进行固溶和油淬处理后，再通过激光淬火在所述高速钢钻头的表面形成细晶硬化层。

在其中一个实施例中，在使用激光束加热熔融预先铺设的高速钢粉末过程中，所采用的激光成型参数包括：激光功率100～190W、激光扫描速度500～750mm/s，激光扫描间距50～100μm。

在其中一个实施例中，在使用激光束重复熔融沉积层的过程中，所采用的激光成型参数包括：激光功率100～190W、激光扫描速度500～750mm/s，激光扫描间距50～100μm。

在其中一个实施例中，在使用激光束重复熔融沉积层的过程中，重复1-3次加热熔融高速钢沉积层，用于减少温度梯度和残余应力，抑制裂纹。

在其中一个实施例中，在所述激光淬火处理过程中，使用激光束快速加热高速钢钻头表面，使表面温度升至750～900℃，随后空冷，在高速钢钻头表面形成细晶粒硬化层，以获得表面耐磨损芯部较强韧的性能。

以上实施例提供的高速钢钻头或者高速钢钻头制备方法具有以下有益效果：

1、设计和制造了内部随形冷却流道、外部碎屑通道的高速钢钻头，实现结构和功能一体化，大幅提高钻头钻进效率、冷却效率和服役寿命。特别是，由于所述冷却流道包括位于高速钢钻头中心位置的直流道和环绕所述直流道设置的螺旋形流道，且所述直流道和所述螺旋形流道连通设置。当所述高速钢钻头在工作时，冷却液从所述冷却液入口进入，依次流经所述螺旋形流道和所述直流道后，从所述冷却液出口流出。即，所述内部随形冷却流道为避免相互干涉而采用内外环绕结构，即冷却液由冷却液入口进入，流经随高速钢钻头螺旋外形变化的随形冷却流道，再经过高速钢钻头中心位置的直流道，最后从冷却液出口流出；利用冷却液流经所述内部随形冷却流道，带走钻头工作时产生的热量，实现均匀散热，提高钻头钻进效率和服役寿命。

2、采用低功率、慢扫描速度的激光增材制造工艺，降低成型时温度梯度和残余应力，进一步地结合激光重熔，解决高速钢变形和开裂问题。

3、利用表面激光淬火技术，制备表面坚硬耐磨、芯部高强高韧的高性能高速钢钻头。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的高速钢钻头的结构示意图；

图2为图1中的高速钢钻头的冷却流道示意图；

图3为本发明实施例2提供的高速钢钻头的结构示意图；

图4为图2中的高速钢钻头的冷却流道示意图；

图5为本发明对比例1中所提供的传统粉末冶金工艺所制备的高速钢制品照片；

图6为本发明对比例2中所提供的不进行逐层激光重熔工艺所制备的高速钢制品照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明其中一个实施例提供了一种高速钢钻头，包括工作部分、颈部、柄部以及冷却流道；

所述工作部分包括切削部分、导向部分和碎屑通道；其中，所述切削部分包括切削刃和螺旋槽，所述切削部分用于起到钻进和切削作用；所述导向部分包括副切削刃和螺旋槽，所述导向部分用于辅助钻进和切削，并导出切削碎屑；所述碎屑通道位于所述切削部分和所述导向部分的外沿，用于辅助导出切削碎屑；

所述冷却流道包括位于高速钢钻头中心位置的直流道和环绕所述直流道设置的螺旋形流道，所述直流道和所述螺旋形流道连通设置，所述螺旋形流道具有冷却液入口，所述直流道具有冷却液出口，所述冷却流道用于使冷却液从所述冷却液入口进入，依次流经所述螺旋形流道和所述直流道后，从所述冷却液出口流出。

在以上实施例所提供的高速钢钻头中，通过在高速钢钻头的内部设置随形冷却流道，以及在外部设置碎屑通道，从而实现了高速钢钻头的结构和功能一体化，大幅提高钻头钻进效率、冷却效率和服役寿命。特别是，由于所述冷却流道包括位于高速钢钻头中心位置的直流道和环绕所述直流道设置的螺旋形流道，且所述直流道和所述螺旋形流道连通设置。当所述高速钢钻头在工作时，冷却液从所述冷却液入口进入，依次流经所述螺旋形流道和所述直流道后，从所述冷却液出口流出。即，所述内部随形冷却流道为避免相互干涉而采用内外环绕结构，即冷却液由冷却液入口进入，流经随高速钢钻头螺旋外形变化的随形冷却流道，再经过高速钢钻头中心位置的直流道，最后从冷却液出口流出；利用冷却液流经所述内部随形冷却流道，带走钻头工作时产生的热量，实现均匀散热，提高钻头钻进效率和服役寿命。

在其中一个实施例中，所述碎屑通道包括两条或者两条以上的半弧形通道，所述两条或者两条以上的半弧形通道沿所述高速钢钻头的中心轴对称分布，用于辅助导出切削碎屑。

在其中一个实施例中，所述颈部包括圆弧形倒角，所述圆弧形倒角用于避免应力集中。

在其中一个实施例中，所述柄部末端设置有螺纹结构或者扁尾结构，用于起到固定和传力作用。

在其中一个实施例中，在所述导向部分中，所述螺旋形流道与所述高速钢钻头的中心轴的距离大于所述导向部分的螺旋槽的底部与所述高速钢钻头的中心轴的距离，且所述螺旋形流道与所述高速钢钻头的中心轴的距离小于所述碎屑通道的底部与所述高速钢钻头的中心轴的距离。

本发明另一个实施例提供了一种高速钢钻头的制备方法，包括以下步骤：

设计和建模步骤：利用三维建模软件设计如以上任意一项实施例所述的高速钢钻头的三维模型，对所述三维模型进行分层切片处理，得到所述高速钢钻头的三维模型数据；

激光增材制造步骤：根据所述高速钢钻头的三维模型数据，在惰性气氛保护下，使用激光束加热熔融预先铺设的高速钢粉末，使高速钢冷却沉积于预热的基板上，随后使用激光束重复熔融沉积层；重复铺设高速钢粉末、激光加热熔融高速钢粉末和激光重复熔融沉积层的步骤，逐层成型高速钢钻头；

热处理和表面激光淬火处理步骤：对所述高速钢钻头进行固溶和油淬处理后，再通过激光淬火在所述高速钢钻头的表面形成细晶硬化层。

在以上实施例所提供的高速钢钻头的制备方法中，采用低功率、慢扫描速度的激光增材制造工艺，降低成型时温度梯度和残余应力，进一步地结合激光重熔，解决高速钢变形和开裂问题。此外，利用表面激光淬火技术，制备表面坚硬耐磨、芯部高强高韧的高性能高速钢钻头。

激光选区熔化selectivelasermelting,SLM)技术是以高能量密度激光束为热源，逐层选择性地熔融预先铺设的金属粉末，通过层间冶金结合形成三维金属实体。无模化、快速化和节约化的激光选区熔化SLM技术，能够克服传统加工方式所面临的形状结构复杂性、性能复杂性和功能复杂性等挑战，在难加工材料的成型方面具有得天独厚的优势。SLM成型过程中冷却速率高达10⁶～10⁸K/s，有利于形成细晶结构，产生细晶强化效应，有望解决高速钢组织偏析和碳化物粗大问题。然而目前关于SLM制造高速钢的相关报道较少，这源于高碳当量、高淬透性的高速钢焊接性能差，SLM快速熔融-凝固成型时易发生变形甚至开裂。

在以上实施例提供的高速钢钻头的制备方法中，通过激光选区熔化SLM技术设计和制备结构功能一体化的高速钢钻头，突破传统成形工艺在复杂形状上的限制，实现内外复杂结构一体化成型，提高钻具冷却速度、切削效率，延长服役寿命。并采取逐层激光重熔的方法，降低温度梯度和冷却速度，解决SLM成型高速钢的变形和开裂问题。

在其中一个实施例中，在使用激光束加热熔融预先铺设的高速钢粉末过程中，所采用的激光成型参数包括：激光功率100～190W、激光扫描速度500～750mm/s，激光扫描间距50～100μm。

在其中一个实施例中，在使用激光束重复熔融沉积层的过程中，所采用的激光成型参数包括：激光功率100～190W、激光扫描速度500～750mm/s，激光扫描间距50～100μm。

在其中一个实施例中，在使用激光束重复熔融沉积层的过程中，重复1-3次加热熔融高速钢沉积层，用于减少温度梯度和残余应力，抑制裂纹。

在其中一个实施例中，在所述激光淬火处理过程中，使用激光束快速加热高速钢钻头表面，使表面温度升至750～900℃，随后空冷，在高速钢钻头表面形成细晶粒硬化层，以获得表面耐磨损芯部较强韧的性能。

以下以具体的实施例来对本发明实施例提供的高速钢钻头或者高速钢钻头的制备方法进行详细说明。

实施例1

(1)高速钢钻头的结构

请一并参见图1和图2，本发明实施例1提供的高速钢钻头100包括：工作部分110、颈部120、柄部130以及随钻头外形变化的内部随形冷却流道140。其中工作部分110包括切削部分111、导向部分112，以及外侧4条碎屑通道113。切削部分111包括切削刃1111和螺旋槽1112，所述切削部分111用于起到钻进和切削作用；导向部分112包括副切削刃1121和螺旋槽1122，所述导向部分112辅助钻进和切削，并导出切削碎屑；高速钢钻头外侧设计有4条半弧形碎屑通道113，所述4条半弧形碎屑通道113沿钻头中心轴对称分布，辅助导出切削碎屑。颈部120设计有圆弧形倒角121，避免应力集中。柄部130末端有扁尾结构131。内部随形冷却流道140采用内外环绕结构。即，所述冷却流道140包括位于高速钢钻头中心位置的直流道141和环绕所述直流道141设置的螺旋形流道142，所述直流道141和所述螺旋形流道142连通设置。所述螺旋形流道142具有冷却液入口1421，所述直流道141具有冷却液出口1411。冷却液由冷却液入口1421进入，流经随高速钢钻头螺旋外形变化的随形冷却流道140，再经过高速钢钻头中心位置的直流道141，最后从冷却液出口1411流出；起到均匀散热效果。

(2)高速钢钻头的一体化成型

1)设计和建模步骤

利用三维建模软件设计上述高速钢钻头模型。对模型进行分层切片处理，分层层厚30μm，得到高速钢钻头三维模型数据；

2)激光增材制造步骤

选择CPM4V高速钢粉末作为原材料，将薄薄一层高速钢粉末铺设在基板上；

根据上述高速钢钻头三维模型数据，在惰性气氛保护下，使用激光束加热熔融预先铺设的薄层高速钢粉末，使高速钢冷却沉积于预热的基板上，激光成型参数包括：激光功率100W、激光扫描速度500mm/s，激光扫描间距50μm；

随后采用与激光成型参数相同的激光参数，再次将高速钢沉积层加热熔融，减少残余应力，降低裂纹密度；

重复铺设高速钢粉末、激光加热熔融高速钢粉末和激光重复熔融沉积层的步骤，逐层一体化成型高速钢钻头；

3)热处理和表面激光淬火步骤

对上述高速钢钻头加热到1150℃保温1小时，进行固溶处理，随后置于淬火油重快速冷却；

利用高能激光束加热高速钢钻头工作部分(110)，使工作部分(110)表面温度升至750℃，随后空冷，在高速钢钻头表面形成细晶粒硬化层，获得细晶强化和马氏体强化效果，使高速钢钻头表面坚硬耐磨，而芯部仍具有较高的强韧性。

实施例2

(1)高速钢钻头结构

请一并参见图3和图4，本发明实施例4提供的高速钢钻头200包括高速钢钻头包括：工作部分210、颈部220、柄部230以及随钻头外形变化的内部随形冷却流道240。

其中工作部分210包括切削部分211、导向部分212，以及外侧5条碎屑通道213。切削部分211包括切削刃2111和螺旋槽2112，切削部分211用于起到钻进和切削作用。导向部分212包括副切削刃2121和螺旋槽2122，导向部分212用于辅助钻进和切削，并导出切削碎屑。高速钢钻头外侧设计有5条半弧形碎屑通道213。所述5条半弧形碎屑通道213沿钻头中心轴对称分布，辅助导出切削碎屑。颈部220设计有圆弧形倒角221，所述圆弧形倒角221用于避免应力集中。柄部230末端设计有螺纹结构231。内部随形冷却流道240采用内外环绕结构。即，所述冷却流道240包括位于高速钢钻头中心位置的直流道241和环绕所述直流道241设置的螺旋形流道242，所述直流道241和所述螺旋形流道242连通设置。所述螺旋形流道242具有冷却液入口2421，所述直流道241具有冷却液出口2411。冷却液由冷却液入口2421进入，流经随高速钢钻头螺旋外形变化的随形冷却流道240，再经过高速钢钻头中心位置的直流道241，最后从冷却液出口2411流出；起到均匀散热效果。

(2)高速钢钻头的一体化成型

1)设计和建模步骤

利用三维建模软件设计上述高速钢钻头模型。对模型进行分层切片处理，分层层厚50μm，得到高速钢钻头三维模型数据；

2)激光增材制造步骤

选择M2型高速钢粉末作为原材料，将薄薄一层高速钢粉末铺设在基板上；

根据上述高速钢钻头三维模型数据，在惰性气氛保护下，使用激光束加热熔融预先铺设的薄层高速钢粉末，使高速钢冷却沉积于预热的基板上，激光成型参数包括：激光功率190W、激光扫描速度750mm/s，激光扫描间距100μm；

随后采用与激光成型参数相同的激光参数，将高速钢沉积层加热熔融2次，减少残余应力，降低裂纹密度；

重复铺设高速钢粉末、激光加热熔融高速钢粉末和激光重复熔融沉积层的步骤，逐层一体化成型高速钢钻头；

3)热处理和表面激光淬火步骤

对上述高速钢钻头加热到1050℃保温2小时，进行固溶处理，随后置于淬火油重快速冷却；

利用高能激光束加热高速钢钻头工作部分210，使工作部分210表面温度升至900℃，随后空冷，在高速钢钻头表面形成细晶粒硬化层，获得细晶强化和马氏体强化效果，使高速钢钻头表面坚硬耐磨，而芯部仍具有较高的强韧性。

对比例1

粉末冶金技术解决了传统铸造高速钢常见的网状碳化物问题，所制备的高速钢中碳化物颗粒很细，分布均匀，使其韧性明显改善。但粉末冶金工艺依赖模具将高速钢粉末压制成型，导致其高速钢制品外形结构简单，如图5所示。钻头的螺旋结构往往需要后续机械加工，更无法实现内部随形冷却流道。

对比例2

采用与实施例1相同的高速钢材料及激光增材制造参数，但不进行逐层激光重熔。因高速钢中高碳高合金含量，激光增材制造过程中高冷却速度和周期性热效应，产生脆性显微组织以及很高的残余热应力，未使得CMP4V高速钢开裂，如图6所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速钢钻头，其特征在于，包括工作部分、颈部、柄部以及冷却流道；

所述工作部分包括切削部分、导向部分和碎屑通道；其中，所述切削部分包括切削刃和螺旋槽，所述切削部分用于起到钻进和切削作用；所述导向部分包括副切削刃和螺旋槽，所述导向部分用于辅助钻进和切削，并导出切削碎屑；所述碎屑通道位于所述切削部分和所述导向部分的外沿，用于辅助导出切削碎屑；

所述冷却流道包括位于高速钢钻头中心位置的直流道和环绕所述直流道设置的螺旋形流道，所述直流道和所述螺旋形流道连通设置，所述螺旋形流道具有冷却液入口，所述直流道具有冷却液出口，所述冷却流道用于使冷却液从所述冷却液入口进入，依次流经所述螺旋形流道和所述直流道后，从所述冷却液出口流出。

2.根据权利要求1所述的高速钢钻头，其特征在于，所述冷却流道为随形冷却流道。

3.根据权利要求1所述的高速钢钻头，其特征在于，所述碎屑通道包括两条或者两条以上的半弧形通道，所述两条或者两条以上的半弧形通道沿所述高速钢钻头的中心轴对称分布，用于辅助导出切削碎屑。

4.根据权利要求1所述的高速钢钻头，其特征在于，所述颈部包括圆弧形倒角，所述圆弧形倒角用于避免应力集中。

5.根据权利要求1所述的高速钢钻头，其特征在于，所述柄部末端设置有螺纹结构或者扁尾结构，用于起到固定和传力作用。

6.一种高速钢钻头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

设计和建模步骤：利用三维建模软件设计如权利要求1～5任意一项所述的高速钢钻头的三维模型，对所述三维模型进行分层切片处理，得到所述高速钢钻头的三维模型数据；

激光增材制造步骤：根据所述高速钢钻头的三维模型数据，在惰性气氛保护下，使用激光束加热熔融预先铺设的高速钢粉末，使高速钢冷却沉积于预热的基板上，随后使用激光束重复熔融沉积层；重复铺设高速钢粉末、激光加热熔融高速钢粉末和激光重复熔融沉积层的步骤，逐层成型高速钢钻头；

热处理和表面激光淬火处理步骤：对所述高速钢钻头进行固溶和油淬处理后，再通过激光淬火在所述高速钢钻头的表面形成细晶硬化层。

7.根据权利要求6所述的高速钢钻头的制备方法，其特征在于，在使用激光束加热熔融预先铺设的高速钢粉末过程中，所采用的激光成型参数包括：激光功率100～190W、激光扫描速度500～750mm/s，激光扫描间距50～100μm。

8.根据权利要求7所述的高速钢钻头的制备方法，其特征在于，在使用激光束重复熔融沉积层的过程中，所采用的激光成型参数包括：激光功率100～190W、激光扫描速度500～750mm/s，激光扫描间距50～100μm。

9.根据权利要求8所述的高速钢钻头的制备方法，其特征在于，在使用激光束重复熔融沉积层的过程中，重复1-3次加热熔融高速钢沉积层，用于减少温度梯度和残余应力，抑制裂纹。

10.根据权利要求6所述的高速钢钻头的制备方法，其特征在于，在所述激光淬火处理过程中，使用激光束快速加热高速钢钻头表面，使其表面温度升至750～900℃，随后空冷，在高速钢钻头表面形成细晶粒硬化层，以获得表面耐磨损芯部较强韧的性能。

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