VMC上的深孔加工

    采用立式加工中心進(jìn)行孔加工是最普通的加工方法，但是當(dāng)進(jìn)行深孔加工時(shí)，則會(huì)遇到很大困難。不過(guò)，目前已經(jīng)有許多有效的方法來(lái)解決這個(gè)難題。

    目標(biāo)在于精確地加工出這些孔，并達(dá)到良好的重復(fù)定位精度和表面精度以及良好的經(jīng)濟(jì)性。

    成功的深孔加工中最重要的因素是對(duì)加工原理的理解。你必須了解當(dāng)鉆孔時(shí)在孔的內(nèi)部所發(fā)生的一切，并知道如何應(yīng)用這些知識(shí)來(lái)指導(dǎo)你采用最有效的技術(shù)方法。

深孔加工的優(yōu)化編輯

    解決深孔加工的三個(gè)主要問(wèn)題：排出鉆屑且不能損傷工件表面；采用冷卻液來(lái)保持鉆具與工件的冷卻效果 ；以及使加工周期最小化。其它重要的因素包括加工精度，重復(fù)定位精度及表面粗糙度。通常來(lái)說(shuō)，深孔是由孔的直徑與深度的比例來(lái)定義的。習(xí)慣上將大于等于5:1的認(rèn)為是深孔加工。

加工深孔時(shí)采用穿軸式高壓冷卻方式將鉆屑沖刷到孔外。該技術(shù)

代替了周期退刀排屑，減少了潛在的破壞與刀具磨損，并提高了生產(chǎn)率。

    鉆屑必須足夠小才能從鉆槽中排出。長(zhǎng)的帶狀鉆屑可以破壞表面精度并造成過(guò)早的刀具磨損與斷裂。冷卻液必須到達(dá)刀具的頂端來(lái)保持鉆具與工件的冷卻，以及迫使鉆屑從孔內(nèi)排出。穩(wěn)固的設(shè)備結(jié)構(gòu)與良好的減震性能以及很小的軸向跳動(dòng)是獲取加工精度，重復(fù)定位精度及表面粗糙度所必需的。當(dāng)然，合適的鉆頭幾何形狀可以使深孔加工更加高效。

控制鉆屑的尺寸和形狀

    一些材料形成了細(xì)小的鉆屑，且能夠通過(guò)鉆槽容易地排出。有些材料卻形成長(zhǎng)的帶狀鉆屑。一種控制鉆屑尺寸和形狀的方法是采用特殊的加工周期。深孔加工與退刀相結(jié)合可以破碎鉆屑，令其小的足以從鉆槽排出，并且不會(huì)造成表面的損傷，可避免鉆具的過(guò)早磨損。

    一般來(lái)說(shuō)，有兩種深孔加工方法。一種采用均分退刀深度來(lái)達(dá)到最終的深度。另一種是不同的退刀深度，每次的深度逐步遞減。

在一般的深孔加工中，鉆頭從孔內(nèi)徹底退出。而采用穿軸式冷卻方式中，

為達(dá)到較高生產(chǎn)效率，這些周期退刀排屑被取消。在快速橫向移動(dòng)中，冷卻液流可以被切斷。

    大多數(shù)加工設(shè)備的控制系統(tǒng)提供了深孔加工的鉆削加工，控制鉆具鉆入材料特定的距離后，從孔內(nèi)完全退出，然后再鉆入孔中。此類鉆孔周期，當(dāng)鉆頭退出時(shí)，鉆屑在冷卻液沖刷下會(huì)落入孔中。這種情況尤其會(huì)發(fā)生在鋼料的加工中。當(dāng)鉆頭再次進(jìn)入后，它將撞擊位于孔底部鉆屑。鉆屑在刀具的作用下開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，將鉆屑切斷或熔化。在手動(dòng)鉆孔中，操作者能感覺(jué)到切屑阻礙鉆頭旋轉(zhuǎn)，就停止加工來(lái)清理吹凈鉆屑。無(wú)論如何，這樣的加工周期可以編寫到程序中，在上次退刀排屑前暫停加工，以避免此類情況的發(fā)生。

    在不同深度退刀加工循環(huán)的實(shí)例中，加工到1英寸使進(jìn)行第一次退刀排屑，下一次退刀只再鉆入0.5英寸深，接著再進(jìn)0.25英寸深,而最后一次退刀排屑只比上一次退刀再進(jìn)0.05英寸深。鉆頭在孔中鉆的越深，減少退刀深度將有助于消除刀具周圍鉆屑的堆擠。鉆的孔越深則冷卻液進(jìn)入也越困難，因此退刀既用于排出鉆屑也可以讓更多的冷卻液流到鉆具的頂部。

    使用機(jī)床控制系統(tǒng)編寫特殊的加工代碼，可以得到特殊加工路徑，在任何時(shí)候?qū)懭胄碌募庸の恢脮r(shí)，設(shè)備都能夠自動(dòng)運(yùn)行。

    退刀排屑并不只限于深孔加工，在每次退刀中，即使只有很小距離，它也能起到折斷鉆屑的作用，從而排除了鉆屑落入孔內(nèi)的問(wèn)題。退刀排屑的時(shí)間決定了鉆屑的長(zhǎng)度，去除纏繞在刀具上的鉆屑通常被稱作“天使的頭發(fā)”。這些鉆屑會(huì)令冷卻液隨著它從孔內(nèi)排出，使鉆頭上的熱量聚集而引起刀具的過(guò)分磨損。這種情況最終將導(dǎo)致刀具徹底損壞。深孔加工與退刀排屑的缺點(diǎn)是花費(fèi)了太多的時(shí)間來(lái)完成每個(gè)孔的加工。其時(shí)間將用在刀具的進(jìn)刀與快速的退刀，再快速地退回和進(jìn)刀。以一次退刀排屑的周期所需時(shí)間乘以被加工孔數(shù)再加上延誤的時(shí)間。即使每個(gè)孔只增加幾秒鐘，鉆孔效率也大大降低了。在工序多的產(chǎn)品加工中，這種低效率會(huì)成為嚴(yán)重制約。

讓冷卻液到達(dá)孔的底部

    在深孔加工過(guò)程，需要解決問(wèn)題還包括如何選用不同的冷卻液輸送方式。立式加工中心通常采用三種不同類型的冷卻系統(tǒng)：自流式，低壓穿軸式與高壓穿軸式。采用自流式，到達(dá)刀具頂端的冷卻液越來(lái)越少。最終幾乎沒(méi)有冷卻液能到達(dá)底部，之后加工便在干燥的狀態(tài)下進(jìn)行，結(jié)果就是鉆屑在鉆槽內(nèi)開(kāi)始堆積，即便如此，仍可見(jiàn)到冷卻液從孔的頂端漫出。事實(shí)上，孔的末端在干燥的狀態(tài)下被加工，此時(shí)刀具的溫度上升，并導(dǎo)致過(guò)早的磨損與斷裂。

    來(lái)自鉆頭上的熱量在孔周圍對(duì)工件進(jìn)行“熱處理”，而產(chǎn)生加工硬化。磨擦產(chǎn)生的熱量加熱了工件，隨后當(dāng)冷卻液最終到達(dá)被加熱的材質(zhì)上，冷卻液對(duì)其進(jìn)行淬火。在隨后一系列的退刀過(guò)程中，鉆頭與被硬化的材質(zhì)相遇，造成刀具過(guò)分的磨損或斷刀及局部損壞。

當(dāng)冷卻液不能到達(dá)深孔的底部時(shí)，切屑很可能堵塞了鉆槽，

使熱量聚集而損壞鉆具與工件。

    成功的深孔加工中至關(guān)重要是要有一種可以使冷卻液到達(dá)鉆頭頂端的方法，使其可以帶走熱量排出切屑。穿軸式冷卻系統(tǒng)提供了最好的解決方案。幾家立式加工中心的制造商提供了這種性能作為可選部分。例如：Fadal提供了350-psi穿軸式冷卻系統(tǒng)可輸送冷卻液到達(dá)刀具的頂端。系統(tǒng)在高壓下輸送冷卻液，如Chip Blaster液壓系統(tǒng)推進(jìn)冷卻液的壓力可達(dá)1,000psi，使鉆屑更有效的排出。

    采用低壓穿軸式冷卻系統(tǒng)，程序員可在安全范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)脑黾油说杜判嫉纳疃?并且在某些情況下可以徹底去除周期性排屑，節(jié)約加工時(shí)間。采用高壓穿軸式冷卻系統(tǒng)，不僅可以減少或去除排屑，而且提高進(jìn)刀速率及主軸速度。另一個(gè)好處就是可以延長(zhǎng)刀具的壽命。高壓穿軸式冷卻系統(tǒng)在節(jié)省時(shí)間并提高刀具壽命上有著很好的前景。

在冷卻液的高壓下，鉆屑破碎，并被動(dòng)地從鉆槽內(nèi)向上排出孔外。因?yàn)楫?dāng)主軸與進(jìn)刀的速率被提高時(shí)，排屑退刀的過(guò)程就可以取消，從而縮短了加工周期時(shí)間。采用較高的進(jìn)刀速率，形成地鉆屑也較細(xì)。

    通過(guò)軸來(lái)輸送冷卻液也可以提高通孔加工的產(chǎn)量。當(dāng)冷卻液不能充分地到達(dá)刀具的頂端，而鉆頭接近穿透點(diǎn)，孔邊緣的材料在被刀具沖掉之前變的薄而熱。采用冷卻液輸送到刀具的頂端，當(dāng)它很薄時(shí)，熱量在材料上的聚集很少，可允許其被鉆削除去而不是被沖掉。在孔的底部形成整齊的邊緣。這種情況更利于清理毛刺。

鉆具的幾何形狀

    鉆具的幾何形狀對(duì)成功的深孔加工是一個(gè)關(guān)鍵因素。鉆槽的尺寸與空間影響鉆屑的排出。例如，鉆具上開(kāi)放的凹槽使鉆屑能夠向上流動(dòng)并從孔內(nèi)容易排出，尤其在采用穿軸式冷卻系統(tǒng)中。但在孔的底部如果沒(méi)有液流，開(kāi)放凹槽設(shè)計(jì)也會(huì)遭受鉆屑堵塞和鉆的斷裂。

為達(dá)到高效的深孔加工，鉆具幾何形狀必須與加工方法以及工件材質(zhì)相匹配。

寬型鉆槽更利于鉆屑的排出。

    當(dāng)今的技術(shù)已經(jīng)能夠使刀具制造商依據(jù)鉆削加工的特性設(shè)計(jì)出更有利于排屑的鉆具，并最大程度地避免刀具過(guò)熱。采用較高級(jí)的合金鋼制造可提高壽命，這種刀具特性具有新形狀，可以輔助深孔加工。因?yàn)榈毒邉傂暂^大，在深孔加工中很少有偏離現(xiàn)象發(fā)生。

    在高速機(jī)床中，一些合金刀具有冷卻孔貫穿整個(gè)刀體。盡管此類刀具可以讓頂部有更多的冷卻液，但它們的價(jià)格非常昂貴。這此新型的刀具要求高壓冷卻液，高主軸速度，高電機(jī)功率才能發(fā)揮高效。如果加工設(shè)備缺乏這些特性，那么購(gòu)買這種刀具只是浪費(fèi)。

    標(biāo)準(zhǔn)的鉆削刀具在頂部又寬又薄。一些鉆的設(shè)計(jì)將頂部分成幾個(gè)小部分或者將其設(shè)計(jì)得更窄，從而提高刀具性能。也有些對(duì)頂部的幾何形狀進(jìn)行改進(jìn)。這些特殊的幾何形狀，可用來(lái)加工更深的孔，并提高光潔度，直線度，精確度，刀具的壽命與生產(chǎn)效率。

    另外，特殊的涂層有時(shí)也被應(yīng)用在刀具的刃口上以使磨擦產(chǎn)生的熱量達(dá)到最小。涂層有助于形成良好的鉆屑，使其更快的向上并排出孔內(nèi)。由涂層增加的成本與刀具壽命的延長(zhǎng)相抵消。

具有中心通孔的刀具，可以使高壓冷卻液到達(dá)孔的底部，

冷卻液沖刷出鉆屑并帶走熱量。

機(jī)床特性

    在深孔加工中設(shè)備的穩(wěn)固性起主要作用，因?yàn)樵O(shè)備基礎(chǔ)越不穩(wěn)定，在頂部與機(jī)臺(tái)上將產(chǎn)生越大的振動(dòng)，造成刀具的斷裂。對(duì)于深孔加工而言，設(shè)備所具有的特性包括：鑄件采用均勻薄壁以避免熱變形，具有大接觸表面的箱形結(jié)構(gòu)，不產(chǎn)生彎曲且堅(jiān)固的頭部與立柱。并要求低振動(dòng)的主軸。

    在深孔加工中，當(dāng)壓力作用在鉆頭上時(shí)，剛性較小的機(jī)床會(huì)導(dǎo)致立柱彎曲。結(jié)果造成鉆的彎曲，降低了精度并導(dǎo)致刀具磨損，最終導(dǎo)致刀具斷裂。在頭部過(guò)大壓力的作用下，鉆頭會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加工角度，并最終會(huì)脫離正確的加工位置。

    其它方面的改進(jìn)對(duì)改善鉆孔效果也有幫助。例如，一個(gè)系統(tǒng)用于維持主軸速度，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)確保在鉆具上對(duì)鉆屑有恒定的負(fù)載。在加工過(guò)程中如果主軸的速度降低，刀具的負(fù)載與切屑的負(fù)載將會(huì)增加并容易崩斷刀具。Fadal立式加工中心的主軸矢量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了這項(xiàng)功能。在這些立式加工中心中有另一個(gè)特性，那就是雙主軸電機(jī)線圈，可提供低速范圍到2,500rpm及高速范圍2,500到10,000rmp。該特性增加了采用雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)矢量驅(qū)動(dòng)的主軸電機(jī)在高速上運(yùn)行的功能。在深孔加工中也有益處，是刀具負(fù)載補(bǔ)償，使程序員設(shè)計(jì)刀具負(fù)載在不同的加工條件下隨著進(jìn)刀速率動(dòng)態(tài)變化。

滿足需求

    穿軸式冷卻，鉆頭的幾何形狀，合金刀具，涂層以及周期選擇是加工

    深孔時(shí)的重要因素。每個(gè)因素都影響孔的完整性，制造周期，刀具壽命及孔底的毛刺。深孔加工的最佳組合是采用高壓冷卻，帶有開(kāi)放式鉆槽，具有涂層的合金刀具及單次退刀完成孔的加工。

    當(dāng)我們考慮怎么使用手邊的工具時(shí)，必須要考慮鉆得種類、性能以及可選的加工設(shè)備。不同的工作，可以有很多種不同的加工方法。所以必須了解不同的材料，刀具，特性及加工設(shè)備在不同情況下的作用，這決定了我們是否能夠達(dá)到最終加工目標(biāo)。