小直徑鉆頭的正確使用
發(fā)布日期：2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽：3835
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直徑小于3.175mm的鉆頭，通常稱為微鉆。要使微鉆在使用中發(fā)揮高效率，必須考慮一系列因素：如鉆頭本身的各項要素、加工參數(shù)、孔深、安裝的完善性及工件的結(jié)構(gòu)等。要把這些相互影響又對鉆削過程十分敏感的因素處理好，需要有科學(xué)的創(chuàng)新精神。 Guhring(美國)公司的市場部經(jīng)理Mark Megal說：“在很多場合，使用微鉆你得邊琢磨邊干。” 盡管目前工具制造商已經(jīng)在微鉆的材料和幾何參數(shù)方面完成了很多開發(fā)，不需要每件事都從頭試驗，但是要把鉆削過程中諸多因素都加以很好控制，仍然不是一項簡單的工作。
微鉆的長徑比顯著加大 眾所周知，鉆頭的長度和直徑之比越大，其彎曲傾向增加。減小長徑比，可以減小撓曲力，從而避免鉆頭折斷和孔徑誤差加大。較深的孔要求鉆頭有較大的長徑比。通常孔深超過3倍直徑就是“深孔”，而微鉆的孔深一般都要超過這個限度。 如直徑為3.175mm的鉆頭加工孔深31.75mm的孔，長徑比達10:1；而直徑為0.508mm的鉆頭加工孔深25.4mm的孔，其長徑比達到50：1。所以，隨著鉆頭直徑減小和脆性的增加，撓曲便成為產(chǎn)生很多問題的根源。而控制鉆頭的脆性，就要在刀具基體的硬度和韌性之間加以權(quán)衡。 一般說來，高速鋼鉆頭容許有一定的撓度并能承受相應(yīng)的彎曲力，但是，高速鋼具有的這種彈性變形能力和較低的硬度，也使其耐磨性降低，從而限制了刀具的壽命。 而硬質(zhì)合金則具有高剛性和高硬度，所以能使刀具壽命較長、加工精度較高。 M.A.Ford制造公司的鉆削生產(chǎn)部經(jīng)理Joe Kueter指出，硬質(zhì)合金的高耐磨性使其制成微鉆后速度達到高速鋼的3倍，且壽命也能提高；同時，硬質(zhì)合金的高剛性有助于正確定位和保持孔的尺寸。 然而，硬質(zhì)合金也不是萬能的，剛性高會使其容易崩裂。 Guhring公司的現(xiàn)場銷售工程師Peter Jones指出，用M35鈷高速鋼做微型鉆頭，可以在硬質(zhì)合金和普通高速鋼(M2、M7)之間取得較好的折衷。他說：“切削時在孔中產(chǎn)生熱，加上刀具的輾壓，使切削刃變鈍，并劃出溝道，最終導(dǎo)致工具損壞。而較高的含鈷量，使M35的抗熱性增加，并能較長時間保持刀刃鋒利。” 此外，硬質(zhì)合金鉆頭需要仔細地安裝和使用，精確的同心度特別重要，因為不同心造成的側(cè)向負荷會導(dǎo)致鉆頭崩裂。 三菱金屬材料(美國)公司的銑削和鉆削部高級生產(chǎn)經(jīng)理Larry Brenner建議：應(yīng)盡量在鉆頭旋轉(zhuǎn)的機床(如加工中心)上使用微鉆，他指出，加工中心的主軸能給予鉆頭正確的中心線定位，而車床上工件的偏心會導(dǎo)致鉆頭撓曲。因此，假如在車床上使用微鉆，則必須把每個影響同心度的因素事先調(diào)整好，特別對硬質(zhì)合金鉆頭更要注意，因其不能適應(yīng)彎曲變形。 假如在車床上使用微鉆，最好把刀具轉(zhuǎn)塔的安裝孔重新鏜一刀，并且使用可調(diào)式鏜孔刀夾，以便把鉆頭和工件的同心度調(diào)至最佳狀態(tài)。 Brenner進一步指出，要把刀夾的跳動降至最小限度。為此，應(yīng)首選熱縮性刀夾，其次是液壓刀夾。要求刀夾套筒端面處的最大跳動值在0.005～0.0076mm范圍內(nèi)。 消除初始定心誤差 任何鉆頭工作時，開始幾轉(zhuǎn)至關(guān)重要。因為開始切削時，鉆頭承受偏心力。此外，工件表面的不規(guī)則形狀會引起橫向滑步，導(dǎo)致刀具彎曲、折斷，或者至少是增大孔的偏差。 對于直徑3mm以下的鉆頭，三菱公司建議先用剛性好的定心鉆打一個深度為1～2倍直徑的初始孔。定心鉆的鉆尖頂角應(yīng)等于或大于最終鉆孔的微鉆頂角。若定心鉆的頂角較小，則隨后微鉆切入時，兩切削刃比頂尖先接觸工件，容易引起崩刃。 如果不用定心鉆，則可采用這樣的方法：使微鉆開始切入時的進給量遠低于隨后的正常進給量。例如鉆頭直徑1.613mm，孔深12.7mm，正常進給量規(guī)定為0.0508mm/r，開始用0.0127mm/r的進給量推進0.254mm，也可推進到刃帶開始接觸工件，然后再轉(zhuǎn)為正常進給。這種辦法同樣可防止鉆頭滑步。 Brenner指出，微鉆使用中的另一挑戰(zhàn)是要盡量提高轉(zhuǎn)速，以發(fā)揮生產(chǎn)潛力，但就最大轉(zhuǎn)速規(guī)范而言，鉆頭往往走在機床的前面。有的機床在其最高轉(zhuǎn)速下運行，仍未達到微鉆的最佳切削速度。例如直徑為1mm的鉆頭，切削速度達到91.44m/min，要求機床主軸轉(zhuǎn)速達到28000r/min。 被加工材料的硬度，對于確定微鉆切削速度和進給量的初始推薦值有很大影響。例如，M.A.Ford公司推薦：用直徑為1.32mm的整體硬質(zhì)合金鉆頭加工1018低碳鋼(20HRC)時，其切削速度選用91.44m/min，進給量選用0.038mm/r。但是該鉆頭加工塑料和合成材料時，切削速度可達198.12m/min，進給量達0.127mm/r。加工難加工材料(如鎳基合金、鈦合金)時，切削速度僅為15.24～18.29m/min，進給量僅為0.0305mm/r。
分步鉆孔序列
通常，鉆削微型深孔采用分步鉆孔序列，即周期性退出鉆頭，以便折斷切屑，防止堵塞。分步鉆孔也有助于防止在孔底持續(xù)擠壓，這一點在加工冷作硬化材料時尤為重要。 Brenner指出，一般認為分步切削就得把鉆頭完全退出來，其實不然。若采用中斷進給(幾轉(zhuǎn)或短時)，同樣可以斷屑。另外，完全退出鉆頭還易產(chǎn)生喇叭口以及將部分切屑留在孔內(nèi)，所以不得不對其再切削。這些情況都是不希望出現(xiàn)的。 許多問題往往發(fā)生在鉆孔深度的最后20%這一段內(nèi)。Brenner指出，這是因為隨著孔的逐漸加深、切屑排出十分困難的原因所致。具體的解決辦法因工件及材料的狀況而異。應(yīng)用工程師應(yīng)按具體情況確定分步切削方案。 談到加工線路板的微鉆，雖然從鉆頭材質(zhì)和直徑大小來看，同設(shè)計用于加工韌性材料的微鉆十分相似，但是，兩者的切削幾何參數(shù)卻有很大差異。 M.A.Ford公司的Kueter指出，雖然經(jīng)過仔細安裝調(diào)試，線路板鉆頭也可用于加工較硬的材料，但Ford公司一般不這么做，寧肯精心制備適用于韌性工件材料的專門鉆頭。一個重要的方向是盡量縮短槽長，以提高鉆頭的強度。Kueter還特別說明，用戶要求鉆削25.4mm的深孔，但我們提供的鉆頭槽長不一定要達到25.4mm，一般提供槽長為9.525mm或12.7mm的鉆頭即可。 Kueter指出，有些線路板鉆頭制成所謂“階梯式柄部。”例如，一支直徑為0.1524mm的鉆頭，鉆削孔深為1.524mm，槽全長也制成1.524mm，但鉆頭工作部分直徑不直接從槽尾連接到直徑3.175mm的柄部，而是通過一個0.762mm中間直徑加以過渡。對此Kueter認為，鉆削韌性材料時，鉆頭伸出長度應(yīng)盡量短，所以加一段過渡直徑的結(jié)構(gòu)是不可取的。 Kueter還指出，從幾何參數(shù)的角度來看，線路板鉆頭通常采用較大的螺旋角，溝槽截面尺寸也較其它微鉆薄。而對于加工不銹鋼和其它難加工材料的微鉆，則采用較小的螺旋角和較厚的溝槽截面尺寸。他還指出，為了減小微鉆上的應(yīng)力，制成倒錐——直徑向柄部方向減小——是十分必要的。倒錐量一般為0.005～0.127mm。因為鉆頭槽長常小于25.4mm，所以每25.4mm長度上的倒錐通常為0.0127～0.0254mm。Kueter強調(diào)，只要鉆孔有深度，就需要倒錐度。特別是對鈦合金等加工中出現(xiàn)“回縮”的材料，若沒有適當(dāng)?shù)牡瑰F度，鉆頭將被膠結(jié)在孔里。 Kueter介紹了一家用戶為克服鈦合金加工時“回縮”現(xiàn)象的獨特方法：要求工具廠供應(yīng)的鉆頭鉆尖處徑向跳動處于公差上限，這樣在鉆孔時擴張量較大，工件“回縮”也不至于抱住鉆頭。 內(nèi)冷卻效果好 實踐證明，采用內(nèi)冷卻鉆頭對提高深孔加工的生產(chǎn)率十分有效。它的優(yōu)點不僅在于把切削液直接送到鉆尖處，起冷卻作用，而且還能發(fā)揮強制排屑和幫助斷屑的作用。在孔深大于3倍直徑時，采用內(nèi)冷卻鉆頭加工時其效果更為明顯，但迄今為止，內(nèi)冷卻鉆頭往往限于直徑3mm以上的鉆頭。 CooL Jet系統(tǒng)公司的全國銷售經(jīng)理Colin ELdon說，正確使用HPC(高壓冷卻)系統(tǒng)，能極大地提高生產(chǎn)率。他回顧一家用戶的實際例子：鉆頭直徑1.397mm，孔深13.335mm，工件材料為302不銹鋼。以往采用常規(guī)冷卻(壓力為4個大氣壓)，采用鈷高速鋼鉆頭，轉(zhuǎn)速為1600r/min，單件工時42秒，鉆頭壽命175件。后來采用雙鉆頭加工新工藝：首先，采用三菱公司的MZE型整體硬質(zhì)合金定心鉆，無冷卻，轉(zhuǎn)速為6000r/min，進給量0.0254mm/r，定心孔深2.54mm。第二步，采用三菱公司MZS型內(nèi)冷卻微鉆，轉(zhuǎn)速9000rpm，進給量0.0203mm/r，分步切削步長1.397mm，冷卻液壓力達102個大氣壓。兩支鉆頭的單件加工工時合計為16.5秒(節(jié)省工時60%)，刀具壽命增加到875件。獲得如此巨大的好處，代價僅為每個零件刀具費用提高3.3%。 三菱公司的Brenner介紹，該公司生產(chǎn)直徑1mm至3mm的微鉆，冷卻壓力至少達到68個大氣壓，隨鉆頭上的兩個微小冷卻孔尺寸而變。冷卻孔最小直徑為0.1524mm，用于直徑最小的鉆頭。為了確保充分的冷卻液流量，必須保證有足夠的壓力。對于大尺寸鉆頭，內(nèi)冷卻孔直徑達到1.524mm，在68個大氣壓下，其冷卻液流量達16.4升/分，而在同樣壓力下，用微鉆鉆削時的冷卻液流量僅為1.89升/分。 三菱公司還建議：冷卻系統(tǒng)應(yīng)能濾掉尺寸小至5微米的質(zhì)點；使用的精密過濾套，不論采用內(nèi)密封還是外密封，應(yīng)能在68個大氣壓保持密封。并建議采用水溶性冷卻液，帶EP類添加劑，如硫、氯等。由于油的粘度為水的8～10倍，所以不宜采用。 M.A.Ford公司最新生產(chǎn)的內(nèi)冷卻微鉆系列(最小直徑1mm)，增加了鉆芯增量，這有助于保證鉆頭強度。內(nèi)冷卻螺旋孔貫穿鉆體，位置可貼近槽的前部或背部。 該公司專注于開發(fā)小螺旋角內(nèi)冷卻鉆頭，因為它有助于切屑排出孔外。Kueter指出，內(nèi)冷卻鉆頭應(yīng)能大大減少分步切削次數(shù)，在加工冷作硬化型材料如304或316號不銹鋼時尤其重要。
小孔帶來大挑戰(zhàn) Starro精密產(chǎn)品公司是一家從事瑞士式螺紋加工和其它加工服務(wù)的公司。在內(nèi)冷卻微鉆的應(yīng)用方面和M.A.Ford公司有密切合作。該公司的銷售和制造副總裁Lee Dwyer指出：“必須懂得，你所選用的冷卻液和刀具幾何角度能帶來什么效果。” Starro公司與眾不同之處就是在某些生產(chǎn)工序上公差保持在±0.005mm。Dwyer指出，現(xiàn)有的鉆削數(shù)據(jù)，通常都用于鉆頭旋轉(zhuǎn)的場合，所以Starro公司不得不自行開發(fā)許多適用于螺旋機床和加工中心的微鉆應(yīng)用程序。Dwyer指出：定心是決竅，必須使機床處于良好狀態(tài)，主軸徑向跳動要小于0.0025mm；內(nèi)冷卻微鉆的主要優(yōu)點是可提高刀具壽命和切削速度。與不用冷卻液的硬質(zhì)合金鉆頭相比，內(nèi)冷卻鉆頭的刀具壽命提高到3倍，切削速度提高30%，具體隨工件材料而異。 對于長期應(yīng)用微鉆的場合，對整個切削系統(tǒng)的每一個要素加以優(yōu)化則顯得格外重要。 Kyocera Tycom公司的工業(yè)用微型刀具分公司全國銷售經(jīng)理Tom Krueger指出：對于小批量生產(chǎn)，可使用價格低廉的標(biāo)準工具。但對于特定產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)車間應(yīng)對整個工序流程進行分析和優(yōu)化。 對于某種特定的工件材料，采用專用的鉆頭、鉆尖幾何參數(shù)、槽長、螺旋角以及柄部的直徑和長度，可以獲得最佳的使用效果。若再對使用鉆頭的機床進行認真分析，將會使生產(chǎn)率進一步提高。 Krueger列舉一個實例：在一臺特殊機床上，用一直徑為0.0381mm的鉆頭加工一種不銹鋼醫(yī)用零件，工件和刀具的轉(zhuǎn)速均為5000rpm，反向旋轉(zhuǎn)。由于接受Kyocera Tycom公司建議，對加工過程進行改進，如調(diào)整機床的同心度，結(jié)果生產(chǎn)率成倍提高。 實踐證明，要想提高生產(chǎn)率，就得花時間、金錢，加上積極工作。例如Starro公司就在設(shè)備和生產(chǎn)工藝過程方面進行了投入，并開展一系列微鉆應(yīng)用的研究工作。該公司的銷售副總裁Dwyer指出，不花費力氣，不會有收獲。
