刀具磨損后會影響鉆孔表面質(zhì)量、直線度和刀具壽命。刀具破壞的常用指標(biāo)有：破裂或崩刃，刀具極度磨損和鉆孔的質(zhì)量以及鉆孔精度變差。Yongguo Wang研究了TiAlN涂層槍鉆在微量潤滑狀態(tài)下加工鍛鋼S48CS1V過程中的切屑變形和刀具磨損現(xiàn)象，揭示了槍鉆磨損的三個階段：初級磨損、半穩(wěn)定狀態(tài)和劇烈磨損階段。TiAlN涂層槍鉆的主要磨損形式為導(dǎo)向條的粘結(jié)磨損、后刀面的化學(xué)擴散磨損、崩刃以及氧化磨損。產(chǎn)生粘結(jié)磨損和化學(xué)擴散磨損的主要原因為加工過程的高溫和高壓力。試驗結(jié)果表明，由于延長了第一階段和第二階段的刀具磨損，所以TiAlN涂層槍鉆的刀具壽命更長。未涂層槍鉆由于摩擦系數(shù)大，工作產(chǎn)生扭矩也更大。芬蘭拉彭蘭塔理工大學(xué)I. Sihvo通過硬質(zhì)合金槍鉆(H15)加工微合金鋼(硬度260 HV/30 (KV+20℃))，得出適合用于預(yù)測刀具狀態(tài)的刀具磨損形式為刀尖后刀面磨損、內(nèi)刃平均后刀面磨損、外刃平均后刀面磨損和外刃最大后刀面磨損(見圖9)。

在實際生產(chǎn)過程中，無法直接測量刀具的磨損程度。但是，可以通過檢測切削過程來判斷刀具的磨損情況。芬蘭拉彭蘭塔理工大學(xué)I. Sihvo研究了槍鉆加工過程中的軸向力與刀具磨損的關(guān)系，提出停止進(jìn)給并不會對刀具磨損造成明顯影響，因此可以通過停止進(jìn)給的方法對加工過程進(jìn)行加工狀況檢測。

圖9  單刃槍鉆的磨損形式

切削刃的幾何形態(tài)對槍鉆加工效果的影響非常顯著。德國多特蒙德工業(yè)大學(xué)DirkBiermann等通過將磨粒射流噴向槍鉆的切削刃使其產(chǎn)生光滑的圓角。42CrMo4+QT鉆削試驗表明，經(jīng)過處理后的刀具壽命和切削穩(wěn)定性都有所提高。但由于切削刃圓角的存在會導(dǎo)致刀具載荷會增大，鉆孔表面的Rz值略有增大，但加工后孔表面粗糙度圓度和直線度均有所提高。處理后的刀具可以適應(yīng)更大的進(jìn)給速度進(jìn)而提高槍鉆加工效率。德國漢諾威大學(xué)B. Denkena 研究了倒圓切削刃對車削過程中的刀具磨損、切削力以及刀片的熱載荷的影響規(guī)律，并繪制出了刀具壽命圖，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過特殊處理的微觀切削刃可有效提高刀具的切削性能和刀具壽命。Hyper Tool公司V.P. Astakhov研究了槍鉆加工過程中刀具壽命的集群數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，并進(jìn)行了鍛鑄鐵槍鉆加工試驗，分析了切削速度和進(jìn)給量對軸向力和扭矩的影響。此外，推導(dǎo)出了刀具壽命方程，分析了外角和內(nèi)角對槍鉆壽命的影響規(guī)律，證明較大的外角可以有效提高刀具壽命。Wei Zhang研究了槍鉆加工錳鋼過程中的刀具磨損問題，重新設(shè)計一種具有兩個外刃和倒圓的刀尖的新型鉆頭，使刀具壽命提高了33%。

通過抑制刀具磨損可以顯著提高刀具有效使用壽命和鉆孔質(zhì)量。刀具的磨損形式主要取決于工件材料。一般的刀具磨損形式為前刀面磨損、后刀面磨損以及導(dǎo)向面磨損。通過刀具涂層、改善切削刃和改良鉆頭結(jié)構(gòu)都可以降低刀具磨損和提高刀具壽命。在實際生產(chǎn)中很難直接得到刀具磨損情況，一般可以通過切削力、加工聲音以及切屑來判斷刀具的磨損狀態(tài)，并及時更換鉆頭以免影響工件鉆孔質(zhì)量。

(1)TC4鈦合金加工

鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(α+β)型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)機械性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、醫(yī)療和石油等領(lǐng)域。鈦合金是一種典型的難加工材料，其材料特性如下：

(1)比強度高。鈦合金的密度為4.51g/cm3，僅為鋼的 60％左右。TC4室溫抗拉強度為950MPa，高于鋼的強度。

(2)化學(xué)活性好。高溫下能與大氣中的氧氣、氮氣、二氧化碳、水蒸氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)生成硬化層，使得脆性加大、塑性降低。

(3)耐腐蝕性好。鈦合金表面能與氧、氮生成致密堅固的氧化膜，所以耐腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼。

(4)熱強性好。在鈦合金中加入合金強化元素，可以大幅提高鈦合金的熱穩(wěn)定性和高溫強度。在 300-350℃下，其強度為鋁合金強度的 3-4 倍。

(5)導(dǎo)熱性差。TC4熱導(dǎo)率為7.955W/m·K，僅為鋼的1/4、鋁的1/14。

(6)彈性模量小。TC4彈性模量為110GPa，約為鋼的1/2。

由于鈦合金的組織為六方晶格結(jié)構(gòu)，在槍鉆加工鈦合金的過程中形成孿晶，使切屑很快卷曲離開前刀面，導(dǎo)致鈦合金與前刀面接觸面積小，單位壓力高，刀具易產(chǎn)生崩刃。加之鈦合金導(dǎo)熱性差，切削溫度高，并且鈦合金與刀具的親和性好，因此粘結(jié)磨損嚴(yán)重。由于鈦合金較小的彈性模量，受擠壓的加工表面回彈，導(dǎo)致后刀面磨損嚴(yán)重?；谝陨咸匦钥梢缘贸鼋Y(jié)論，槍鉆加工鈦合金的刀具耐用度較低并且加工效率不高。因此，在保證加工質(zhì)量的前提下，提高鈦合金槍鉆加工的刀具壽命和加工效率對鈦合金槍鉆加工具有重要意義。

(2)15-5PH不銹鋼加工

15-5PH不銹鋼(0Cr15Ni5Cu3Nb)是一種典型的沉淀硬化不銹鋼，其主要的化學(xué)組成如表1所示。15-5PH不銹鋼的抗拉強度σb ≥550MPa，硬度≤90HRB，時效后抗拉強度為1300MPa，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。在485時效后硬度提高到40-47HRC，同時變形非常小。15-5PH不銹鋼固溶處理溫度為1040℃，空冷或油冷到30℃以下獲得馬氏體組織。固溶處理的主要目的是改善鋼和合金的塑性與韌性。15-5PH不銹鋼固溶處理后密度為7.78g/cm3，彈性模量為MPa。

15-5PH固溶不銹鋼在槍鉆加工過程中存在以下問題：

(1)存在加工硬化現(xiàn)象，加劇刀具磨損。

(2)15-5PH不銹鋼強度高，導(dǎo)熱性差(約為45鋼的1/2)，導(dǎo)致切削溫度高、刀具壽命變短。

(3)由于材料塑性好，切削過程不易斷屑，排屑困難。

(4)容易產(chǎn)生積屑瘤，導(dǎo)致加工精度變差。

15-5PH固溶不銹鋼是一種典型的難加工材料，同鈦合金一樣存在切削溫度高和刀具磨損嚴(yán)重等問題。但相比于鈦合金，15-5PH更加難于斷屑，并且積屑瘤的產(chǎn)生使鉆孔精度變差。

表1  15-5PH不銹鋼化學(xué)組成(%)

Ti6Al4V鈦合金和15-5PH不銹鋼是兩種典型的難加工材料，材料硬度較高，在槍鉆加工過程中存在切削力大和刀具磨損嚴(yán)重等問題。對于以上兩種材料的槍鉆加工，試驗難度大、成本高，近年來相關(guān)研究不多。但隨著我國航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，深孔特征零件的出現(xiàn)及其高精度指標(biāo)的要求，對現(xiàn)代深孔加工刀具和技術(shù)提出了更高的要求。如何在保證深孔加工質(zhì)量的前提下提高刀具壽命和加工效率，是現(xiàn)代難加工材料槍鉆加工急需解決的重要問題，對槍鉆及其技術(shù)的研究具有重要的實際意義。

槍鉆是最早的深孔加工刀具之一，由于其加工效率高、表面質(zhì)量好和加工范圍廣等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具和醫(yī)療等制造行業(yè)，是目前深孔加工中使用最為廣泛的加工方法。但是，槍鉆在加工鈦合金等難加工材料過程中，存在加工表面質(zhì)量差、刀具破損嚴(yán)重等問題。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對槍鉆進(jìn)行了大量深入研究，發(fā)現(xiàn)改變槍鉆刀具的材料、幾何參數(shù)、加工工藝參數(shù)等方法可以顯著提高槍鉆的孔加工質(zhì)量和刀具壽命，對難加工材料的深孔加工具有重要的指導(dǎo)意義。