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硬质合金钻头的合理选用 |
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作者：张宪 编译 |
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过去，人们一直认为钻削加工必须在较低的进给量和切削速度下进行，这种观点在使用普通钻头的加工条件下曾经是正确的。如今，随着硬质合金钻头的出现，钻削加工的概念也发生了变化。事实上，通过正确选用合适的硬质合金钻头，可以大幅度提高钻削生产率，降低每孔加工成本。
硬质合金钻头的基本类型
可供用户选择的硬质合金钻头分为四种基本类型：整体硬质合金钻头、硬质合金可转位刀片钻头、焊接式硬质合金钻头和可更换硬质合金齿冠钻头。每种钻头都具有适合特定加工条件的优点。
（1）整体硬质合金钻头
整体硬质合金钻头适于在先进的加工中心上使用。这种钻头采用细颗粒硬质合金材料制造，为延长使用寿命，还进行了TiAlN涂层处理，专门设计的几何刃型使钻头具有自定心功能，在钻削大多数工件材料时具备良好的切屑控制及排屑性能。该钻头的自定心功能和严格控制的制造精度可确保孔的钻削质量，钻削后不需再进行后续精加工。
（2）硬质合金可转位刀片钻头
安装硬质合金可转位刀片的钻头可加工孔径范围很广，加工深度范围为2D～5D（D为孔径），可应用于车床和其它旋转加工机床。
（3）焊接式硬质合金钻头
焊接式硬质合金钻头是在钢制钻体上牢固焊接一个硬质合金齿冠制成。这种钻头采用自定心几何刃型，切削力小，对大多数工件材料均可实现良好的切屑控制，加工出的孔表面光洁度好，尺寸精度和定位精度都很高，不必再进行后续精加工。该钻头采用内冷却方式，可用于加工中心、CNC车床或其它高刚性、高转速机床。
（4）可更换硬质合金齿冠钻头
可更换硬质合金齿冠钻头是近年开发的新一代钻削刀具。它由钢制钻体和可更换的整体硬质合金齿冠组合而成，与焊接式硬质合金钻头相比，其加工精度不相上下，但由于齿冠可更换，因此可降低加工成本，提高钻削生产率。这种钻头可获得精确的孔径尺寸增量并具有自定心功能，因此孔径加工精度很高。
下图所示为Seco-Carboloy公司开发的CrownLoc钻头的连接机构。钻体与硬质合金齿冠之间采用精密磨制的互锁V形槽连接机构相互锁紧，可确保钻头组合体具有与焊接式硬质合金钻头相同的尺寸精度和整体刚性。同时，这种锁紧机构只有唯一的正确配合位置，使齿冠易于安装到与之匹配的拉杆上，从而可保证更换齿冠时的重复定位精度。当通过锁紧螺钉拉紧拉杆时，齿冠/钻体组合体相互牢固锁紧，其连接刚度足以胜任大进给、高转速的高生产率孔加工要求。Seco-Carboloy公司采用先进的注射成型工艺制造的硬质合金齿冠具有极高的材质均匀性，使齿冠具有均匀的强度和统一的热变形性能。Seco公司目前可提供三种特定几何刃型的CrownLoc钻头：第一种是具有常规的刃口钝化半径、刃带宽度和倒锥角的通用几何刃型，适合加工大多数型号的钢材料；第二种是具有较宽刃带和倒棱的几何刃型，适合加工铸铁材料；第三种几何刃型可减少切削热和加工硬化，适合加工不锈钢和超级合金材料。
图 Seco-Carboloy公司CrownLoc钻头的结构
选用硬质合金钻头的考虑因素
（1）加工精度
选用硬质合金钻头时，首先需要考虑钻削加工的尺寸精度要求。一般来说，被加工孔径越小，其公差也越小。因此，钻头制造商通常根据被加工孔的名义直径尺寸对钻头进行分类。在上述四种类型的硬质合金钻头中，整体硬质合金钻头的加工精度最高（φ10mm整体硬质合金钻头的公差范围为0～0.03mm），因此它是加工高精度孔的最佳选择；焊接式硬质合金钻头或可更换硬质合金齿冠钻头的公差范围为0～0.07mm，比较适合一般精度要求的孔加工；安装硬质合金可转位刀片的钻头比较适合重载粗加工，虽然它的加工成本通常低于其它几种钻头，但其加工精度也比较低，公差范围为0～0.3mm（取决于钻头的长径比），因此它一般用于精度要求不高的孔加工，或者通过换装镗刀片完成孔的精加工。
（2）加工稳定性
除了考虑钻孔精度要求外，选择钻头时还需考虑加工机床的稳定性。机床稳定性对于钻头的安全使用寿命和钻孔精度至关重要，因此需要仔细检验机床主轴、夹具及附件的工作状态。
此外，还应考虑钻头自身的稳定性。例如，整体硬质合金钻头刚性最好，因此可达到很高的加工精度。而硬质合金可转位刀片钻头的结构稳定性较差，容易发生偏斜。这种钻头上安装了两片可转位刀片，其中内刀片用于加工孔的中心部分，外刀片则加工从内刀片至外径处的外缘部分。由于在加工初始阶段只有内刀片进入切削，钻头处于不稳定状态，极易引起钻体偏斜，且钻头越长，偏斜量越大。因此，在使用长度超过4D的硬质合金可转位刀片钻头进行钻削加工时，在开始钻进阶段时应适当减小进给量，进入稳定切削阶段后再将进给率提高到正常水平。焊接式硬质合金钻头和可更换硬质合金齿冠钻头是由两条对称切削刃组成可自定心的几何刃型，这种具有高稳定性的切削刃设计使其在切入工件时不需要减小进给率，只有当钻头倾斜安装与工件表面成一定倾角切入时例外，此时建议在钻入、钻出时将进给率减小30％～50％。由于此类钻头的钢制钻体可产生微小变形，因此非常适合用于车床加工；而整体硬质合金钻头由于脆性较大，用于车床加工时较易折断，尤其当钻头定心状况不佳时更是如此。
（3）排屑与冷却液
排屑是钻削加工中不容忽视的问题。事实上，钻削加工中遇到最多的问题就是排屑不畅（加工低碳钢工件时尤其如此），且无论使用何种钻头均无法回避这一问题。加工车间经常采用外部注入冷却液的方式辅助排屑，但这种方法只有在被加工孔深小于孔径以及减小切削参数的情况下才有效。此外，必须选用与钻头直径相匹配、合适的冷却液种类、流量和压力。对于没有安装主轴内冷却系统的机床，则应使用冷却液导管。被加工的孔越深，排屑就越困难，需要的冷却液压力也越大，因此应保证钻头制造商推荐的最小冷却液流量，如冷却液流量不足，则需要减小加工进给量。
（4）每孔加工成本
生产率或每孔加工成本是影响钻孔加工最重要的因素。为提高生产率，钻头制造商正致力于研究可集成多种操作工序的加工方法，并开发可实现高进给、高转速加工的钻削刀具。
最新开发的可更换硬质合金齿冠钻头具有优异的加工经济性。钻头磨损后，用户不必更换整个钻体，只需更换硬质合金齿冠即可，其购买费用只相当于焊接式或整体硬质合金钻头重磨一次的费用。硬质合金齿冠更换容易且重复性精度极高，加工车间可用一支钻体配备多个齿冠，以加工不同孔径尺寸的孔。这种模块化的钻削系统可减少直径12～20mm钻头的编目费用，同时还可节省对焊接式或整体硬质合金钻头进行重磨时需要的备份刀具费用。
在考虑每孔加工成本时，还应将钻头的总寿命计算在内。一般来说，一支整体硬质合金钻头只能重磨7～10次，一支焊接式硬质合金钻头只能重磨3～4次，而可更换硬质合金齿冠钻头在加工钢料时，其钢制钻体至少可更换齿冠20～30次。
由于焊接式或整体硬质合金钻头需要重磨，为避免刀具发生破损，车间在使用这种钻头时倾向于采用较低的切削参数，因此也会影响钻削生产率。而可更换硬质合金齿冠钻头不需重磨，车间在加工时可采用最大的进给量和切削速度而不必担心齿冠破损。
在许多情况下，由于焊接式或整体硬质合金钻头重磨后的切削刃形状和刃口处理状态与新钻头难以完全吻合，因此其切削性能也与新钻头存在一定差异。此外，如重磨过程中对切削刃处理不当，可能使刃口容易破损、钻削扭矩和钻削力加大、切削热增加，从而导致钻头寿命缩短。而新型可更换硬质合金齿冠钻头的工作寿命则更为稳定一致。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(7/2/2004) |
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