钻削刀具的技术创新

作者：张宪 编译    来源：《工具展望》

欢迎访问e展厅 展厅 2 钻头/丝锥/板牙展厅 麻花钻, 钻咀, 丝攻, 丝锥, 板牙, ... 为了努力满足用户提高生产效率的需求，刀具制造商正在不断创新各种钻孔刀具的设计和制造策略。 在汽车、医疗器具、航空航天、普通工程等不同的制造行业，制造商们可以选用各种先进的钻孔刀具，包括高钻进率的整体硬质合金钻头、可转位刀片式钻头、可换硬质合金钻尖式钻头，以及使用日益增多的多功能钻头等，用于钻削各种小孔、深孔，以及一次完成钻孔、倒角、锪孔等加工而无需再进行二次加工。 刀具制造商们充分利用在刀具几何形状、基体材料和表面涂层方面的技术进步，不断推出新的刀具品种，扩展现有产品系列，并将定制设计的专用刀具定型为标准供货产品。 CNC机床（尤其是加工中心）、瑞士型车削中心以及可优化长钻头加工性能的长床身车床的技术进步也使先进钻削刀具的优势得以充分发挥。现代加工机床的高刚性和在高压力下输送大量冷却液的能力对于钻削加工也显得至关重要。 在金属切削加工中，缩短加工时间是人们追求的主要目标之一，对于孔加工也不例外。此外，某些行业对孔的精度要求很高，也给孔加工施加了额外的压力。例如，医疗和航空制造业对于孔的径跳精度和刀具寿命的一致性要求很高。制造商还面临着加工先进工件材料（如钛合金、Inconel合金、钴-铬合金等）的挑战。 整体硬质合金钻头由于其自身具有的高刚性以及其它四种仍在发挥效能的设计特点——硬质合金表面涂层、钻头几何形状、刃带宽度和背锥度（通常至φ25mm），因此仍是一种很好的加工选择。最有效的涂层设计是多层结构的PVD涂层（顶层为可防止切屑粘结的平滑层），它与具有良好抗崩刃性能的强韧硬质合金基体相结合，使钻头可采用更高的进给率进行加工。钻头几何形状需要根据每种特定工件材料（包括难加工材料）来设计。钻头刃带宽度的合理设计则可以提高钻头的钻孔精度和钻进能力。背锥度的大小会影响已加工孔与钻头的接触表面，因此必须根据不同的材料进行精确设计，以避免因发生摩擦而缩短刀具寿命。 日本不二越美国公司（Nachi America Inc.）刀具分部开发的最小量润滑（MQL）钻头、AG Power长钻头、钴高速钢非内冷却钻头和TiAlN涂层钻头已在福特、通用和本田的汽车厂得到成功应用，与粉末金属钻头相比，在曲轴上钻削油孔的数量可增加一倍，每件工件的加工成本降低了50％。 多功能孔加工刀具因能缩短加工时间、省略二次加工而极具开发价值。作为精密旋转工具夹头和其它整体配合式工具系统的制造商，英格索尔刀具公司（Ingersoll Cutting Tools）的制造工程师们意识到，将钻削、倒角、锪孔功能组合到一把刀具上可以达到加工刀柄拉钉所需要的高精度。为此，他们开发了集多种功能于一体的Qwik Twist可换钻尖式钻头。用该钻头在4000系列合金钢拉钉上进行钻孔、锪孔和倒角加工（孔径φ22.2mm，孔深98.3mm），加工时间可缩短7分钟以上。现在，Qwik Twist多功能钻头已被列入Ingersoll公司的孔加工刀具产品系列中，并安排了技术团队进行设计和制造。 为了将钻孔与倒角功能集成到一把刀具上，住友电工公司（Sumitomo Electric）开发了2种加工系统。一种适用于整体硬质合金钻体；另一种适用于SMD可换硬质合金钻尖的钻体。其中，SumiChamfer系统是在整体硬质合金钻头的钻体上牢固地嵌套一个环形倒角头，然后装夹在套筒夹头上进行加工。倒角环共有3种型号，可完成4～20mm孔径尺寸的钻削和倒角加工。该系统使用工业标准ER系列套筒夹头，随着加工孔径的增大，则相应使用夹紧力更大的大尺寸夹头[ER20（4mm），ER25（9.4mm），ER32（14.0mm）]。加工时可使用2种SumiChamfer式标准刀片，其中一种ACZ310牌号刀片适用于加工所有的工件材料。住友电工公司还为可换钻尖式SMD钻体开发了SMD sumiChamfer系列倒角环，适用于直径12～22.5mm公制或英制的标准SMD钻头。SMD倒角环使用标准的sumiChamfer式刀片，刀片分为有断屑槽和无断屑槽两种类型，均采用ACZ310牌号。 可换硬质合金钻尖的钻头具有用一根高速钢钻体完成一组孔径尺寸加工的能力，从而可减少刀具数量，降低加工成本。精密麻花钻公司（Precision Twist Drill Co.）开发了Hydra Drill可换钻尖式内冷却钻头，该钻头的钻孔深度为3倍和5倍孔径，有英制和公制两种系列，孔径尺寸范围14～22.5mm，适合在主轴可供冷却液的加工中心上对越野设备、汽车及其它类似零件进行钻削加工。该钻头设计用于大批量加工，可以替代整体硬质合金钻头，每一种尺寸的高速钢钻体可配置多达5种不同尺寸的钻尖，每一种钻头能覆盖约1.5mm的孔径范围。Hydra Drill钻头可以方便地更换钻尖而不必将钻体从主轴上取下，它能加工各种工件材料，包括铸铁、钢、不锈钢、镍基合金、钛合金等。 M.A.福特公司（M.A. Ford Mfg. Co. Inc.）认识到硬质合金钻头多功能加工能力的日益重要，为此建立了专用刀具分部，设计开发将钻孔、锪孔、倒角功能集于一体的多功能钻头。这种钻头用途广泛，尤其适合汽车零部件的高效加工，钻头直径范围6.4～12.7mm，最大容屑槽长度达254mm，可在曲轴上钻削孔深达15～20倍孔径的深孔。 为了满足对加工宽范围工件材料的不同钻头品种及规格的需求，M. A.福特公司还推出了新的标准钻头系列。该系列钻头能加工从低碳钢到镍基合金、Inconel合金和钛合金的各种工件材料。针对不同的加工对象，钻头设计采用了不同的容屑槽锥度、横刃和背锥角，选用了与加工相匹配的表面涂层，从而提高了钻削速度、生产效率和刀具寿命。 大昭和精密工具公司（BIG Kaiser Precision Tooling Inc.）推出了2种新的Sphinx整体硬质合金钻头（加工孔深为6倍孔径）。其中，Phoenix钻头用于加工孔径1～4mm的小孔；Quadro 15 Plus钻头用于加工孔径4～20mm的孔。Phoenix钻头设计用于在钢、不锈钢、铸铁和非铁材料上进行高速、高进给率钻削加工，其特点是直径2.5mm以上的钻头采用内冷却设计，并采用了Balzers公司的Futura Nano Top TiAlN涂层以提高钻头的耐磨性和排屑能力。Quadro 15 Plus钻头的特点是采用了6刃带的特殊钻尖几何形状、超细颗粒硬质合金材料和15°螺旋角，适合加工钢等长切屑材料以及铸铁，钻孔精度可达到H7级，因此无需再进行后续精加工。 伊斯卡公司（Iscar Metals Inc.）开发的Picco-MF多功能可转位刀具将精密小孔钻削功能与表面车削、外圆车削和内孔车削/镗削功能组合在一起。DR-MF系列刀具设计用于在瑞士型机床上加工汽车、模具、航空航天、医疗和普通工程等行业使用的微型零件，其特点是采用了两种分别用于钻削和车削加工的切削刃。大螺旋角切削刃的设计可将切削力减至最小，在低速进给时可实现最佳切屑控制。XCMT刀片采用了IC908牌号的亚微颗粒硬质合金基体和TiAlN多层涂层。该刀具既可用于右手切削也可用于左手切削。为了增强耐磨性，减小表面摩擦以改善排屑性能和防止堵塞，刀体涂覆了硬度为HRC60的涂层。 欧士机公司（OSG Tap & Die Inc.）为钻削深孔开发的Exocarb-Max超长钻头（FTO-GDXL）能够一次钻削30倍孔径的孔深，由于无需分段钻削，加工时间可比用枪钻加工缩短15倍。该钻头采用了内冷却方式和TiAlN涂层，钻头直径尺寸范围为2.5～20mm。 小孔和深孔钻削一直都是极具挑战性的加工难题。三菱材料美国公司（Mitsubishi Materials USA Corp.）提供的MSE (Mini Star)整体硬质合金钻头的直径尺寸范围为0.1～0.99mm（尺寸增量0.01mm）。这种钻头专门设计用于在瑞士型机床上钻削金属零件（如医疗零件）的精密微小孔。三菱材料公司还对其用于1～3mm孔径加工的小孔钻头增加了新的深孔钻削功能。MWS内冷却钻头的特点是采用了较长的螺旋槽和波形切削刃，从而可在钻削加工达10倍孔径的深孔时提高其断屑和排屑能力，该钻头可加工钢、不锈钢、合金钢、镍基合金等工件材料。三菱材料公司新推出的整体硬质合金超长钻头标准系列也采用了MWS型波形切削刃，直径3～5mm的钻头能够钻削加工达30倍孔径的深孔。 肯纳公司（Kennametal Inc.）HTS钻削系统的特点是能钻削大直径深孔。HTS钻削系统的直径尺寸范围为38～269mm，钻孔深度可达1.8～2.4m（8倍孔径），还可提供直径达381mm的定制钻头。这种模块化钻削系统的切削头上装夹有一组刀片，并可在加工直径范围内进行调整。该钻削系统能够加工除特硬材料以外的各种工件材料，包括钢、不锈钢、灰铸铁、球墨铸铁、钛合金、Inconel合金等。其应用实例包括：在钢制造纸轧辊上钻削直径为305mm、孔深为1.8～2.4m的大直径深孔；在K-Monel铸铁材料上钻削2个直径101.6mm、深度0.61m的孔，然后将工件转位180°后再重复钻削，最后加工出2个深度为1.22m的孔。进行这种深孔钻削加工时，要求机床具有较高的刚性，并应加注大量冷却液，以帮助排出加工产生的大量切屑。 山特维克可乐满公司（Sandvik Coromant Co.）推出的CoroDrill 805组合式可转位钻头采用了具有极佳排屑性能和内冷却设计的CoroDrill 800钻体。CoroDrill 805钻头设计用于在常规机床（如加工中心、车床和车－铣床）上钻削加工深孔，而不必将工件移至专用深孔钻削机床上进行加工。该钻头的加工直径范围为25～65mm，孔深可达13倍孔径，加工表面粗糙度Ra32μm。 瓦尔特公司（Walter Inc.）的Xtra-tec B401x系列钻头经过不断扩展，现在已有60种新的钻头直径规格、2种刀具材料牌号和为加工钢、铸铁和不锈钢而设计的各种几何钻型。该系列钻头的长度分别为3倍、5倍和7倍孔径，其钻孔进给率可比常规可转位刀片钻头提高一倍，且被加工孔的尺寸精度和表面光洁度很高。B401x系列钻头的特点是采用了全硬化钻体和镍基保护涂层，以减小与切屑的摩擦和侵蚀。钻头直径尺寸范围为13～31mm，钻头设计采用了正型刀片形状和与高速钢钻头类似的螺旋槽。 人们很容易想象用圆形钻头来钻削圆形孔。但在某些非常困难的加工场合，却需要使用方型钻头来钻削圆形孔。方形钻头主要用于去除折断在孔中的高速钢丝锥。T3公司（T3 Enterprises Inc.）开发的Omegadrill方形钻头采用了方槽设计，以提供钻头在极端钻削条件下所需的刚度和强度。钻头外部的方形容屑槽可以增强钻头的截面刚度，使其能钻透折断丝锥的芯部，钻削后残留在孔内的丝锥容屑槽碎片可用划线针或剔针等工具很容易地去除。Omegadrill钻头用硬质合金材料制造，采用负型钻尖几何形状，能够钻削硬度达HRC70的高硬材料。该钻头的其它用途还包括钻削去除折断在孔中的麻花钻头、销钉和螺钉取出器等。它能加工各种高硬材料，如钨铬钴合金、冷硬铸铁、淬硬钢，甚至还能加工花岗岩。(end)

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