鉆削技術(shù)與刀具的發(fā)展近況

最近在德國金屬加工行業(yè)所做的一項(xiàng)調(diào)查表明，鉆削加工是機(jī)械加工車間耗時(shí)最多的工序。事實(shí)上，在所有的加工工時(shí)中，有36％消耗在孔加工操作上。與此對應(yīng)的是，車削加工耗時(shí)為25％，銑削加工耗時(shí)為26％。因此，采用高性能整體硬質(zhì)合金鉆頭取代高速鋼和普通硬質(zhì)合金鉆頭，能夠大幅度減少鉆削加工所需的工時(shí)，從而降低孔加工成本。
    過去幾年來，切削加工參數(shù)（尤其是切削速度）在不斷提高，特別是高性能整體硬質(zhì)合金鉆頭的切削速度提高明顯。20年前，整體硬質(zhì)合金鉆頭的典型切削速度為60～80m/min。如今，在機(jī)床能夠提供足夠的功率、穩(wěn)定性和冷卻液輸送能力的條件下，采用200m/min的切削速度鉆削鋼件已不足為奇。盡管如此，與車削或銑削加工的一般切削速度相比，鉆削加工在加工效率上還有很大的提高潛力。
    整體硬質(zhì)合金鉆頭對于基體的韌性要求很高，而鉆頭的磨損在可控和均勻穩(wěn)定的情況下是可以接受的。因此，典型的鉆削刀具牌號(hào)比車削或銑削刀具含有更多的鈷元素。
    鉆頭材質(zhì)通常采用微細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，以提高切削刃強(qiáng)度，確保均勻磨損而不發(fā)生崩刃。用硬質(zhì)合金鉆頭加工時(shí)通常要使用水基切削液，因此切削刃處的溫度并不太高，但要求鉆頭具有抗熱沖擊性。性能最佳的鉆頭牌號(hào)是典型的純碳化鎢材料，而無需大量添加碳化鉭或碳化鈦。
    對于整體硬質(zhì)合金鉆頭而言，涂層必須發(fā)揮比僅僅提高表面硬度和耐磨性更大的作用。涂層必須在刀具與工件材料之間提供隔熱層并保持化學(xué)惰性；必須將工件材料與涂層之間的粘結(jié)作用降至最低以減小摩擦；涂層表面必須盡可能光滑；此外，麻花鉆的涂層還必須具有抗裂紋擴(kuò)散能力。鉆削加工的動(dòng)力學(xué)特性可能會(huì)引起微裂紋，為了保持刀具壽命，就必須阻止裂紋擴(kuò)散。通過選擇正確的涂層工藝和生成適當(dāng)?shù)耐繉语@微結(jié)構(gòu)，可使涂層材料處于壓應(yīng)力狀態(tài)下，從而大幅度延長刀具壽命。
    采用多層涂層可以獲得良好的使用效果。多層涂層能阻止微裂紋在各層涂層之間擴(kuò)散，即使有個(gè)別涂層出現(xiàn)損壞和剝落，其它的涂層仍可對硬質(zhì)合金基體起到保護(hù)作用。對于鉆削刀具，采用納米涂層和精確定制涂層也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?
    例如，一種頂層采用TiN的新型TiAlN納米涂層可使在鉆削加工不銹鋼時(shí)遇到的許多問題迎刃而解。平滑的TiN頂層涂層可減小刀具與工件材料的粘結(jié)與摩擦，而下層的TiAlN納米涂層可為刀具提供硬度和耐磨性。這種涂層具有極佳的防裂紋擴(kuò)散性和防熱震性，在鉆削不銹鋼時(shí)切削速度可達(dá)70～80m/min，幾乎是常規(guī)鉆頭的2倍。
    為了充分發(fā)揮現(xiàn)代硬質(zhì)合金基體和表面涂層的優(yōu)異性能，就必須對鉆頭的幾何參數(shù)和鉆型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須根據(jù)加工用途對鉆尖、鉆尖角、刃帶形狀、切削刃制備、排屑槽型、排屑槽和刃帶的數(shù)量等進(jìn)行合理調(diào)整。
    高效切削鉆頭一般都采用四種鉆尖幾何形狀中的一種。其中，帶橫刃的四面體鉆尖容易磨制，同時(shí)易于控制磨削公差，但它的中心余隙較小，當(dāng)進(jìn)給量較大時(shí)后刀面會(huì)與孔底接觸，因此影響進(jìn)給率的提高。另一種是錐形鉆尖，與四面體鉆尖相比它的中心余隙較大，因此鉆削時(shí)產(chǎn)生的軸向推力較小，但這種鉆尖幾何形狀較為復(fù)雜，不易保證刀具制造和管理的一致性。除上述兩種鉆尖型式外，可供選擇的還有螺旋鉆尖，它又分為兩種不同類型：傳統(tǒng)的螺旋鉆尖帶有一個(gè)排屑槽，切屑可從中心部位排出；新型螺旋鉆尖則同時(shí)磨制出排屑槽和后刀面，從而可消除鉆削臺(tái)階，進(jìn)一步改善切屑流。由于這兩種鉆尖設(shè)計(jì)的中心余隙大于其它幾種鉆尖幾何形狀，因此具有很高的進(jìn)給能力。此外，新型螺旋鉆尖還具有高速切削能力，并能以較小的軸向推力進(jìn)行鉆削。這種鉆尖幾何形狀的唯一缺點(diǎn)是制造鉆頭時(shí)所需的磨削工藝比較復(fù)雜。
    在選擇鉆頭時(shí)，除刀具壽命和加工速度外，另一個(gè)需要考慮的主要因素是孔的加工質(zhì)量。近年來，如何減少毛刺成為關(guān)注的重點(diǎn)。去毛刺是一種典型的手工工序，加工成本很高，如果操作不當(dāng)，還可能引起嚴(yán)重問題。
    整體硬質(zhì)合金鉆頭在高速回轉(zhuǎn)和進(jìn)給時(shí)會(huì)對工件材料產(chǎn)生很大壓力。因此，采用常規(guī)的鉆型設(shè)計(jì)或鉆尖角度加工時(shí)，會(huì)在通孔的出口處產(chǎn)生較大毛刺。為解決這一問題，最簡單的方法是將鉆尖角增大到135°～145°，鉆尖角在此范圍內(nèi)的鉆頭可在孔的出口處產(chǎn)生一個(gè)圓盤，并使工件材料始終處于拉應(yīng)力作用下，使材料易于切削而不只是將其推出工件之外。切削刃制備、鉆頂?shù)估饧捌渌鼛缀螀��?shù)優(yōu)化措施也會(huì)對減少毛刺起到很大作用。
    在鉆削灰鑄鐵和延性鑄鐵時(shí)則會(huì)產(chǎn)生完全不同的問題。這些材料脆性較大，在通孔的出口處更容易出現(xiàn)材料崩碎現(xiàn)象而不是形成毛刺。材料崩碎不僅會(huì)影響工件質(zhì)量，還可能導(dǎo)致鉆頭破損。專為鑄鐵加工而設(shè)計(jì)的鉆頂?shù)估饪梢允广@頭以非常平穩(wěn)的方式鉆出工件，并保持切削直至最后一轉(zhuǎn)，從而有助于避免材料崩碎現(xiàn)象的發(fā)生。
    鉆尖設(shè)計(jì)需要根據(jù)排屑槽的幾何參數(shù)而不斷調(diào)整。切削刃數(shù)、橫刃厚度、排屑槽寬度、刃帶寬度等都是設(shè)計(jì)鉆尖時(shí)需要考慮的因素。此外，工件材料的影響也不容忽視。
    在鋼件上鉆孔時(shí)，二槽麻花鉆通常是最佳的刀具選擇。這種鉆頭使用方便，易于重磨，具有極好的容錯(cuò)性，足以將徑跳誤差減至最小，并能容忍機(jī)床和工件的不穩(wěn)定性。
    具有2個(gè)以上排屑槽的鉆頭在鉆削大長徑比的孔或在有內(nèi)應(yīng)力的工件材料（如鑄鋼）上鉆孔時(shí)具有性能優(yōu)勢。三槽鉆頭由于有3條刃帶和3個(gè)切削刃，因此在鉆削時(shí)具有更好的導(dǎo)向性和自定心能力。但由于此類鉆頭不能承受太大扭矩，因此只推薦用于加工灰鑄鐵和非鐵族材料。具有2個(gè)切削刃和4條刃帶的鉆頭也可作為一種可選刀具方案（尤其在需要刀具內(nèi)冷卻的情況下）。
    具有4條刃帶的麻花鉆在加工鋼和鑄鐵材料時(shí)性能優(yōu)異，因?yàn)槠淙蒎e(cuò)性非常好，并能以超過單槽鉆頭約一倍的高進(jìn)給率進(jìn)行鉆削加工。這種鉆頭也是鉆削加工深度可達(dá)30倍孔徑的深孔的首選刀具，其鉆削速度約為常規(guī)槍鉆的5倍。
    對于鋁合金材料的加工，采用直槽鉆頭可獲得最佳的鉆孔精度，并能以相對簡易的方式加工出復(fù)雜的階梯孔型。直槽鉆頭的缺點(diǎn)是對刀具夾持精度要求極高，此類鉆頭對徑向跳動(dòng)、過高的切削速度和進(jìn)給率或較低的冷卻液壓力缺乏容錯(cuò)能力。
    在鉆削加工（尤其是深孔鉆削）中存在一個(gè)非常嚴(yán)重的問題，就是如果鉆頭在開始階段偏離了孔的中心線（跑偏），那么在后面的加工中就幾乎無法糾偏，刃帶將引導(dǎo)鉆頭沿偏心位置下鉆直至孔底。但由于鉆頭具有螺旋角，因此鉆出的孔也將呈螺旋形。為了避免出現(xiàn)這種問題，最重要的是必須有一個(gè)具有良好自定心能力的正確鉆尖。此外，改善鉆頭的導(dǎo)向性也有助于防止跑偏。2條刃帶的鉆頭在鉆削開始階段只能獲得25％的支撐，因此即使受到很小的力，也容易偏離中心向大多數(shù)方向移動(dòng)。而4條刃帶的鉆頭可以在所有方向上獲得支撐，因此能加工出具有更好圓度和圓柱度的孔。4刃帶鉆頭在非均勻鉆削或通孔鉆削中也能提供更佳的支撐性能，而此類鉆削作業(yè)在諸如液壓零件的加工中是十分常見的。
    在如今的鉆孔加工中，排屑必須受到完全控制，而不是像過去那樣，只要操作者感到鉆削力加大，就可以隨時(shí)采用提鉆啄擊的方式。一個(gè)至關(guān)重要的問題是，從切屑在鉆尖處形成開始，就必須以一種可使切屑與排屑槽易于匹配的方式來實(shí)現(xiàn)成屑和斷屑，并將切屑以較小的摩擦力順暢排出孔外。
    鉆削加工的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理實(shí)際上有助于切屑的控制，由于鉆尖中心處的切削速度為零，因此切屑或多或少會(huì)在橫刃的周圍流動(dòng)，并將在排屑槽內(nèi)完全成形，只要排屑槽具有正確的幾何形狀，就很容易生成尺寸大小如一的切屑。此外，排屑槽直至兩端全部采用負(fù)的橫刃錐度并將槽壁表面磨光，也有助于形成自由切屑流，實(shí)現(xiàn)在受控狀態(tài)下進(jìn)行鉆削加工。
    使用正確的鉆頭和合理的鉆削工藝參數(shù)，可以提高生產(chǎn)效率，降低加工成本。但應(yīng)如何看待刀具成本呢？首先，這些先進(jìn)鉆頭幾何形狀與傳統(tǒng)鉆頭幾何形狀相比制造難度更大，因此一般來說新型鉆頭的價(jià)格也比傳統(tǒng)鉆頭更貴。但是，這種新型鉆頭可以重磨4～5次，雖然每一次重磨后刀具壽命會(huì)降低約10％，但仍然可能實(shí)現(xiàn)節(jié)省刀具費(fèi)用50％以上。
    不過，每次重磨后引起的鉆頭壽命降低也可能帶來一些問題。為了保證加工安全，只有具有高安全系數(shù)的鉆頭才能用于加工，因此用戶必須使用一套監(jiān)測跟蹤系統(tǒng)來及時(shí)更換重磨過的鉆頭。為解決這一問題，唯一的方法是采用“用過即棄”式產(chǎn)品，但使用一次性的整體硬質(zhì)合金鉆頭通常很不經(jīng)濟(jì)。
    一種新的模塊式鉆頭設(shè)計(jì)能夠有效避免上述問題。這種鉆頭采用了可換式硬質(zhì)合金鉆尖，其切削性能和刀具壽命與高效整體硬質(zhì)合金鉆頭不相上下。鉆尖與鋼制鉆柄之間沒有采用螺紋連接或其它在小直徑鉆頭上難以操作的連接方式。由于設(shè)計(jì)鉆尖時(shí)不必考慮重磨需要，因此可對鉆尖幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化，鉆尖的橫刃區(qū)采用了正前角，以減小切削力和改善自定心能力。由于合金鋼鉆體與整體硬質(zhì)合金鉆頭相比剛性有所下降，因此采用正前角對鉆頭剛性進(jìn)行補(bǔ)償至關(guān)重要。
    與常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭不同，模塊式鉆頭的排屑槽并非從前至后都采用相同的螺旋角，而是在排屑槽前部采用右手螺旋線以加速切屑流動(dòng)，在排屑槽后部則采用很小的負(fù)螺旋角，負(fù)螺旋角對于增加鉆頭的穩(wěn)定性和減小振動(dòng)特別有用，同樣，它對于補(bǔ)償鋼制鉆體的剛性降低也十分重要。
    與整體硬質(zhì)合金鉆頭相比，模塊式鉆頭的另一個(gè)不同之處是冷卻液的出口位于排屑槽內(nèi)，直接對準(zhǔn)切削刃的前刀面（整體硬質(zhì)合金鉆頭冷卻孔的出口則是在鉆尖側(cè)面），這種設(shè)計(jì)的重要性在于切削刃前刀面通常是加工溫度最高的區(qū)域，非常需要在切屑與刀具材料之間提供有效冷卻。這種冷卻孔設(shè)計(jì)在優(yōu)化冷卻效果的同時(shí)，還可對切屑產(chǎn)生一種熱沖擊作用，有助于改善切屑控制。由于鉆頭橫刃不直接暴露在冷卻液沖擊下，因而也有利于切屑在切削速度非常低的橫刃區(qū)成形。
    除了刀具壽命一致性好以外，使用模塊式鉆頭的另一個(gè)重要優(yōu)勢是可以大大減少刀具存量。使用常規(guī)硬質(zhì)合金鉆頭時(shí)，由于有大量鉆頭經(jīng)常處于重磨再處理流程中，因此對鉆頭存量需求很大。使用一次性鉆頭則省去了重磨再處理流程，刀具存量就等于在機(jī)加工的鉆頭數(shù)量（或許再在工具架上預(yù)備少量備件）。