孔加工技术发展动向

作者：工具展望 王文光 编译

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 在机械零件加工作业中，孔加工所占比例相当大，与高速铣削相类似的高速、高精度钻削加工已提上议事日程，高效率孔加工对于促使零部件生产合理化是不可或缺的重要工艺过程。近年来，零部件生产大都采用以CNC机床为中心的生产形态，进行孔加工时，也大都采用加工中心、CNC电加工机床等先进设备。无论哪个领域的孔加工，实现高精度和高速化都是取得用户订单的重要竞争手段。 高速孔加工所用加工中心(MC)的条件 实现孔加工高速化的先决条件是必须采用高速加工中心，而机床的高速化必须满足下列条件。 1.配备高速回转主轴 钻头和立铣刀一样带有中心齿，由于中心齿附近有一种圆周速度，因此，切削速度向高速化发展时，主轴的转速也必须实现高速化。特别是在使用小直径钻头时，主轴的高速化更是不可缺少的。今后，随着孔加工高速化的进展，预计转速达30000～100000r/min的主轴需求将不断增多。同时，由于达到规定的高速回转所需时间很短以及要求Z向(钻头切削方向)主轴伸出长度应控制在最小程度之内，因此，高速主轴的配置是实现高速高精度孔加工不可缺少的条件。 2.可动部分具有动作敏捷的功能 主轴和工作台等可动部分应尽可能减轻重量，以实现动作快捷化，这也是进行高速孔加工必须具备的条件。1个孔的加工时间只需数秒钟，因此，必须缩短孔与孔之间的工具移动时间，这是实现高效率切削的关键问题，解决此问题的途径首先即为可动部件的动作必须灵活快捷。例如，即便达到了高精度的定位精度，但如机床可动部分的动作不够灵敏快捷，也就不可能满足当前用户提出的实现高速孔加工的要求。通常是用加速度特性(G值)来判断机床可动部分的快捷性能，当G=0.8～1.5时，可判断该机床为具有高度快捷性能的加工中心。 3.工作台与机床整体面积的比例应较小 作为加工中心的用户，他们希望工作台及工作台以外的部分所占空间应尽可能少一些。尤其是孔加工这类加工成本较高而附加价值又较低的加工领域，最好使用那种结构紧凑的加工中心。如日本理化研究所试制的高速CNC铣床，其加工范围为300mm2，机床本体所占面积950mm2，机床所占面积约为可加工最大工件尺寸的三倍，整个结构相当紧凑。该铣床主轴转速为45000r/min，可进行高速切削。主轴为XY方向移动式结构(工作台仅限Z轴移动)，其加速度特性值G=1.5，表明该机床具有快捷动作功能。 4.主轴可直接供给冷却液 在钻削过程中，加工L/D(钻头直径与孔深之比)在5以上的孔必须特别注意排屑问题，最好选用带供油孔的钻头，以便进行稳定的加工。采用由主轴中心供给冷却液的方式，对于更换卡具的锁紧螺栓则更为方便。 5.具有孔加工用CNC工具插补功能 CNC切削的特点在于可以进行控制工具轨迹的合理加工，在对孔进行CNC切削加工时，可采用螺旋切削、等高走刀、对切等工具插补方式，具有这些功能的CNC控制系统均可在孔加工中加以应用。 跨入高速钻孔加工新时期 长期以来都是利用钻头进行高精度孔、螺纹孔等通孔及螺栓孔等的加工，最近，这类加工已经向高速切削方向迅速发展。 在孔加工作业中，目前仍大量使用高速钢麻花钻，但各企业之间在孔加工精度和加工效率方面已逐渐拉开了差距。高速切削钻头的材料以陶瓷涂层硬质合金为主，如MAZAK公司和森精机制作所在加工铸铁时，即采用了陶瓷涂层钻头。在加工铝合金等有色材料时，可采用金刚石涂层硬质合金钻头、DLC涂层硬质合金钻头或带金刚石烧结体刀齿的钻头。总之，今后将会不断开发出许多新型的高速切削钻头。 在各种涂层钻头中，陶瓷涂层硬质合金钻头特别重视耐磨性、耐热性及润滑性，其涂层工艺也采取多层涂覆方式，如利用TiAlN、TiN、TiCN等复合氮化物形成复合涂层结构。钻头的切削条件总的趋势是高速化，随着被加工材料的不同，切削速度已可分别达到200～300m/min。 高速钻头切削是一种高速大进给量的发展趋势，类似球头立铣刀切削条件的发展趋势。切削实践表明，提高切削速度有利于切屑形态的合理化和改善加工表面的粗糙度，预计今后仍将沿着高速切削的方向发展；提高进给量对断屑排屑和延长刀具寿命非常有利，因此，今后也仍将沿着大进给的方向不断发展。 目前，高速孔加工大都采用主轴带供液孔的加工中心，这种设备有利于提高钻头的切削速度。例如，用φ10mm涂层硬质合金钻头在S45C材料上加工浅孔时，切削速度可达250m/min，进给速度可达1600mm/min(相当于0.2mm/r)，在此条件下，加工1个孔只需1秒钟左右。日立精机公司、布拉萨工业公司均采用此条件进行浅孔加工。布拉萨公司在此条件下，用金刚石涂层硬质合金钻头在铝合金杆料上加工小直径孔时，1个孔只需0.2～0.5秒钟左右即可完成。预计，今后小直径孔加工将进入1秒钟加工1个孔的高速加工时期。 高速切削对钻头寿命的影响因素甚多，诸如由于切削热较高而引起刃部磨损，切削振动将导致崩刃、切屑缠绕，甚至引起钻头折断等。 为了减少上述故障对钻头寿命的影响，可采取如下一些技术措施： (1)选用耐磨性优异，适宜于高速钻削的刀具材料，例如涂层硬质合金等。 (2)选取适应高速切削的切削刃形状，如确定合适的钻尖角和刃口倒棱等。通常钻尖角可选为130°～140°，这种角度可有效减小切削扭矩；另外，可采取十字形修磨等方式，使切削刃与被切削面的接触面积尽可能减小。同时，应尽量提高柄部和切削刃部分的振摆精度及凸缘部分的高度精度。 (3)选用夹持刚性和振摆精度高的夹具，同时应减轻夹具重量，以利于动作快捷化。例如，HSK刀柄的热装式结构就是目前比较理想的夹持系统。 (4)高速钻削时，为了提高刃口冷却和排屑效果，可采用直接向切削刃供给冷却液的供液方式，以获得稳定的切削效果。冷却液中，除切削液外，还可添加少量植物油和空气，形成混合的雾状冷却剂。 可转位钻头的发展动向 可转位钻头是一种作为切削刃的刀片可更换的工具，与普通钻头相比，其直径较大，不过最近已开发出φ10mm的小型可转位钻头。目前，可转位钻头已系列化，几乎可以涵盖整体式钻头系列的各类产品。钻头刀片一般采用涂层硬质合金材料制作，只有少数产品采用烧结高速钢、金刚石烧结体、CBN烧结体等材料。可转位钻头通常只有1个刀片，也可有两个刀片，即分别为中心齿和外周齿。在进行大直径孔加工时，钻头可安装2个以上的刀片。装单个刀片的钻头与整体式钻头类似，尖端为三角形状，这样可减小切削阻力；为了便于切屑的分断，刀片均带有断屑槽。刀片夹紧方式因厂家而异，在多数情况下，均采用1个或几个螺钉紧固刀片。当带有2个以上刀片时，刀片形状和断屑槽形状均各不相同。最近这一趋势尤为明显。 可转位钻头开发的初期，只能加工深度为钻头直径3倍左右的孔，目前已发展到可加工5D～8D(D为钻头直径)的深孔。在加工那些孔规格统一的零件时，使用可转位钻头效果最为明显。例如，利用装有多刀片的钻头，可同时对孔入口处进行倒棱和锪孔等作业，这对提高孔加工效率是极为有利的。 CNC孔加工技术 CNC切削是使切削加工更加合理化的加工方式，进行CNC孔加工时，可采用具有多方向切削功能的立铣刀、螺旋切削插补及等高切入插补等方式，它要求选用尽可能少的刀具来对少量孔进行最为合理的加工。近来，生产中采用高速铣削方式进行孔加工即为此类加工的应用实例。高速铣削具有下述特点： (1)利用球头立铣刀和螺旋插补的钻头，可进行镗削和倒棱加工； (2)球头立铣刀配合螺旋插补法，可进行锥度孔的连续加工； (3)加工螺纹用的立铣刀配合螺旋插补法，可进行各种螺纹孔加工； (4)立铣刀配合等高切入插补，可对孔进行半精加工和精加工。 总之，利用工具插补功能，可对任意尺寸的高精度孔进行高效率精密加工。尤其在采用高速铣削时，各刀齿所承受的负荷相对较轻，因而用同一把涂层硬质合金立铣刀，可对多种被加工材料进行高速高精度孔加工。今后，这种加工方式可望进一步用于干式切削领域。 高速高精度孔加工 除采用CNC切削方式对孔进行精密加工外，还可采用镗削和铰削等方式对孔进行高精度加工。随着加工中心主轴的高速化，已可采用镗削工具对孔进行高速精密加工。据报道，目前在铝合金材料上进行φ40mm左右的镗削加工时，切削速度已可提高到1500m/min以上。在用CBN烧结体作切削刃加工钢材、铸铁及高硬度钢时，也可采用这样的切削速度。预计，今后镗削加工的高速化将会迅速普及推广。 为了实现镗削加工的高速化和高精度化，必须注意刀齿振动对加工表面粗糙度和工具寿命的影响。为了防止加工精度和工具寿命下降，所选用的加工中心必须配备动平衡性能优异的主轴，所选镗削刀具也必须具有很高的动平衡特性。尤其是镗削工具的刀齿部分，应选择适用于高速切削的几何形状、刀具材料及装卡方式。切削刃端部的R应较大，以利于提高加工效率；在保证获得同等加工表面粗糙度的前提下，应加大进给量。但加大进给量应适可而止，否则将增大切削阻力，不利于提高加工效率。切削刃带应设置0.1mm以下的负倒棱，这样可有效保持刀具寿命的稳定。 至于刀具材料，则视被加工材料性质而有所不同。如加工40HRC以下的钢等材料时，可选用金属陶瓷刀具，这种刀具在v=300m/min以上的高速切削条件下，可获得良好的加工表面粗糙度与较长的刀具寿命。涂层硬质合金刀具则适用于对60HRC以下的钢材等进行高速切削，刀具寿命非常稳定，但切削速度稍低于金属陶瓷刀具。 CBN烧结体刀具适用于加工高硬度钢、铸铁等材料，切削速度可达1000m/min以上，而且刀具寿命非常稳定。CBN刀齿的刃带部分应进行适当的倒棱处理，这种处理对进行稳定的高速切削和延长刀具寿命极为有利。在对铝合金等有色金属及非金属材料进行超高速切削时，可选用金刚石烧结体刀具，这种刀具切削稳定，刀具寿命也很长。应注意的是，使用金刚石刀具时，刀齿刃带必须进行倒棱处理，这是保证切削稳定的重要条件。 在铰削加工方面，目前尚未见到高速、高精度的新型刀具问世，该领域的研究开发工作似乎处于停滞不前的状态。高速铰刀迄今仍被某些特定的用户用来进行高速高精度孔加工。这种铰刀带有负前角，刚性高，断屑效果好，在高速切削条件下，可进行稳定的精密孔加工。该铰刀的特点是，采用较大的负前角和奇数刀齿，其高速切削的速度是过去的铰刀无法达到的，因此，可以说此种设计对铰刀的传统概念进行了大胆的突破，是一种高效率的铰削刀具。 高速螺纹切削刀具 随着CNC切削的发展，目前已开发出一些相应的复合型刀具产品，如将钻削和螺纹切削融为一体的新型螺纹加工刀具，钻孔和螺纹切削在一个行程内完成。这种复合型刀具使螺纹孔加工更加合理，加工效率也大为提高。 螺纹切削用的新型立铣刀采用了螺旋切削插补方式，该立铣刀可加工M3以上的螺纹孔，排屑性能良好，可获得稳定的高精度加工效果。一般的丝锥也正在朝着高速切削和加工高硬度钢的方向发展，攻丝刀具的应用范围正在不断扩大。 丝锥实现高速切削的基本条件如下： (1)应重视刀齿的切削功能，例如，选择刀齿设计有后角的丝锥，切削效果比较理想； (2)丝锥的夹持应选用刚性良好的夹具，如选用弹簧夹具、热装式夹具等。 (3)加工中心等机床在切削回转过程中，应具有很高的同步精度。 对于高速攻丝作业，如能满足攻丝刀具、工具轨迹及切削条件、夹具及所用加工中心的功能，即可实现稳定的高精度高效率螺纹切削加工。 今后所要求的微细孔加工技术 随着IT相关产业的发展，近年来，光学和电子工业所用装置的零部件产品的需求急速增长，这种增长刺激了微细形状及高精度加工技术的迅速发展。其中，微细孔加工技术的开发应用尤其引人注目。微细孔加工早已在印刷电路板等加工中加以应用，包括钢材在内的多种被加工材料，均可用钻头进行小直径加工。例如，Dijet公司最近开发出一种新型麻花钻，它将聚晶金刚石和硬质合金烧结成一个整体作为切削刃，这种钻头可对铝合金、镁合金、石墨和塑料等进行高速高精度加工，刀具寿命也大幅度延长。该钻头的螺旋角为30°，最小直径为φ0.4mm，同时还生产一种挤光钻头，最小直径为φ0.88mm。这类钻头产品已系列化，最显著的特点是加工表面粗糙度得到极大的改善。 三菱综合材料公司开发出一种金刚石涂层硬质合金钻头，直径为φ0.2～3.0mm。这种钻头在加工铝合金时，转速可高达32000r/min，进给量为0.09mm/r，进给速度为3008mm/min，在此条件下，刀具寿命为加工30万个孔。 在加工高硬度工件的钻头品种中，MMC神钢工具公司开发的钻头表现极佳。用该公司的φ0.4mm钻头加工SKD11材料(60HRC)时，可在转速6000r/min、进给速度30mm/min条件下，进行长时间稳定的切削加工。三菱综合材料公司最近推出一种带供油孔的小直径钻头(φ2mm)，在切削速度60m/min、进给量0.02mm/r的条件下，加工SUS630材料(长径比为L/D=6)的深孔，其刀具寿命为加工600个孔以上。 目前，小直径孔加工中，利用钻头切削的直径最小可至φ50μm左右。小于φ50μm的孔则多采用电加工来完成。为了抑制毛刺的产生，许多研究者提出可采用超声波振动切削的方式。目前，正在探索一种应用范围广而且工艺合理的超声波振动切削模式，其中包括研究机床的适应特性等内容。随着这些问题的顺利解决，今后可望更好地实现直径更小、L/D值更大的微小深孔加工，钻削的速度会更快，加工精度会更高。 近年来，随着高速铣削的出现，以铣削刀具为中心的切削加工正在进入高速高精度化的加工时期。目前，孔加工的高速化明显滞后于其他切削加工。零件的快捷生产是制造业赖以生存的重要条件，因而孔加工技术不能成为机械加工的瓶颈工艺，它必须沿着切削高速化的方向快速跟进，尽快步入高速高精度化的加工行列。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/5/2004)