高效微孔加工技術(shù)

 激烈的市場競爭使一些承包商花費很大氣力尋找一些難以加工，但卻能帶來利潤的機(jī)械加工業(yè)務(wù)。National Jet公司（位于馬里蘭州的Lavale）就是這樣的一家承包商。

    該公司從事機(jī)械加工承包生意已有67年的歷史。據(jù)介紹，它在微小型鉆孔方面享有聲譽，能加工小至0.001英寸(為人頭發(fā)直徑的三分之一)的微小型孔。這種能夠加工具有多達(dá)數(shù)千個微小孔的金屬零件的加工能力，為公司在紡織業(yè)和醫(yī)療器械工業(yè)贏得了大量的業(yè)務(wù)，因為很少有其他公司能具備這樣的加工能力。

    而且，交托給National Jet公司的大多數(shù)零件已由其他承包商進(jìn)行了預(yù)加工。于是National Jet公司成為一家在半成品零件上增鉆微小孔的專業(yè)切削公司。

    而這似乎與該公司一向主張自己動手加工的方針有沖突。在一般情況下它們都由手工刃磨硬質(zhì)合金微小型鉆頭。并使用它自己公司以前自己制造和銷售的微小型鉆孔機(jī)床加工。同時它們還加工EDM電極模具，用以配合各種各樣的獨特的內(nèi)孔形狀。這正符合了該公司決定努力去實現(xiàn)整機(jī)產(chǎn)品加工的大目標(biāo)，而不僅只局限于孔加工。

    National Jet公司在已引進(jìn)的CNC加工設(shè)備中，包括了有裝備有空氣主軸的瑞士車床和通過主軸內(nèi)孔冷卻的立式加工中心，以提高一般的機(jī)械加工和微小型孔的加工能力。

    該公司除了微小型鉆孔專長仍然吸引著大量用戶之外，還通過宣傳實行一次性加工的優(yōu)點：以最快速度加工，交付產(chǎn)品，減少零件加工工序和降低生產(chǎn)成本等贏得整個零件加工業(yè)務(wù)。

    National Jet公司銷售經(jīng)理Chuck Condor和總經(jīng)理James Odom擁有該公司微小孔加工和如何從用戶那里獲得市場信息，以及進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的有關(guān)情報。以下介紹的資料主要由他們提供。 

    不斷發(fā)展的微孔加工技術(shù) 

    National Jet公司于1937年由微型鉆孔技術(shù)的開拓者John Cupler建立。多年前，一個外國鉆頭制造商把自己所生產(chǎn)的最微型鉆頭送給Cupler，并問他是否能生產(chǎn)出如此小的鉆頭。而Cupler先生回答他們的方式是在這個鉆頭上鉆了個孔并將它送了回去。

    這些微型小孔只有在高倍顯微鏡下才能看到，許多微小型鉆孔的決定因素也類似于標(biāo)準(zhǔn)尺寸的鉆削加工。每當(dāng)對一項新任務(wù)進(jìn)行評估時，National Jet公司首先必須確定最為有效的孔加工方法。這很大程度上還得根據(jù)加工零件種類、內(nèi)孔直徑、幾何形狀、尺寸精度要求和深度、加工零件的批量大小，以及原來采用的加工方法等。

    裝有顯微鏡的手控機(jī)床經(jīng)常被用于科研項目、小批量生產(chǎn)或只需要極少數(shù)的微小孔加工。一些致力于微小孔加工機(jī)床開發(fā)的制造商，大多提供是手控式機(jī)床，這一加工方法要追溯到上世紀(jì)的三十年代。其它的盡管已經(jīng)用CNC工作臺加以改造，但仍然保持著用手工控制鉆頭的進(jìn)給，手動進(jìn)給這樣的微小直徑鉆頭，需要熟練的工人進(jìn)行手工感覺。National Jet公司已經(jīng)總結(jié)的許多微小孔鉆削的經(jīng)驗。“我們的熟練的工人操作者事實上都能由‘感覺’確認(rèn)微小型鉆頭是否已被磨鈍。”Condor先生說。

圖1 微小孔加工成了National Jet公司的技術(shù)專長。

圖示是一根0.003英寸直徑的人的頭發(fā)，被一個

0.001英寸的微小鉆頭鉆穿通過的圖示。

    啄鉆的加工程序在幾乎每一個微型鉆孔操作中都被用到，以保證順利排屑，保證微小孔的質(zhì)量，表面粗糙度和最佳化鉆頭使用壽命。

    冷卻液或輕質(zhì)油用以冷卻和從鉆尖排除切屑。根據(jù)Condor先生介紹，National Jet公司生產(chǎn)的大多數(shù)扁平型微小鉆頭所具有的長徑比（L/D）為7:1，而10:1通常被認(rèn)為是仍能保證提供緊密公差的最大比率。

    在一個曲面上鉆一微小孔，需要在零件上預(yù)鉆一微小盲孔進(jìn)行導(dǎo)向，以防止孔的彎曲或“偏斜”。進(jìn)行預(yù)鉆的導(dǎo)向微小鉆頭一般需設(shè)計得很短，具有的最大長徑比（L/D）為２:1。公司擁有一種專利的加工方法，可以在很尖銳的工件邊緣上加工微小型導(dǎo)向孔。

    對于高生產(chǎn)率加工或?qū)τ谟性S多微小孔需要加工的零件，National Jet公司將使用他們的CNC加工中心或車床。手動機(jī)床經(jīng)常用來在將任務(wù)交付新的CNC機(jī)床之前，對加工的工件進(jìn)行試鉆。這樣主要是為了確定在加工的過程中需要更換微鉆刀具的頻率。

    該公司新購置的2215 VMC由Fadal Machining Center公司（加利福尼亞州的 hatsworth）生產(chǎn)，經(jīng)主軸孔注入冷卻液，可鉆小于2.5 mm的小孔。這種加工方式，取消了啄鉆方法，因為切屑可通過冷卻液從切削區(qū)順利排除。更小的直徑鉆頭即使沒有冷卻液通道，也可以在這一機(jī)床上使用。零件的定位狀態(tài)可利用傳統(tǒng)的刃口尺或?qū)ｉT設(shè)計的直線度測試儀進(jìn)行檢查和對零件進(jìn)行定位調(diào)試。

    L32型瑞士車床由Marubeni Citizen-Cincom公司（新澤西州的 Allendale）生產(chǎn)，能提供圓柱體零件的完整加工，包括在一次裝夾中，實行微小孔鉆削。該車床具有兩個最高轉(zhuǎn)速達(dá)30000r/min的氣動主軸，驅(qū)動微小鉆頭加工。氣動主軸實際上被更多地用來進(jìn)行精密加工小直徑鉆孔而不是超高速加工。該車床還裝備有一個棒料進(jìn)給器，提供較長久的無人化零件加工。

圖2 使用一臺裝備有氣動主軸的瑞士車床

進(jìn)行一般車削、銑削操作和微小孔鉆削。

    Condor 先生承認(rèn)許多人對微小孔能夠在相對較低的速度下被加工完成感到驚訝，“我們對于直徑為0.005英寸的微小孔，選擇在500～3000r/min的主軸轉(zhuǎn)速下加工獲得了巨大成功,”Condor先生說，“在進(jìn)給量很小的情況下，沒有必要用數(shù)千轉(zhuǎn)每分的主軸轉(zhuǎn)速來加工微小孔。”

    鉆好微小孔后的去除孔口毛剌，也是完成好孔加工的一個重要因素。每次鉆孔都有需要清除孔出口處的毛刺。National Jet公司通常都采用拋光內(nèi)孔表面和使用一微小鉆頭捅出孔口毛刺至外的手工去毛刺方法。

    National Jet公司對于難以去除的毛刺，例如小直徑通油孔和非圓形的小孔都運用小直徑的鋼絲或通過EDM設(shè)備進(jìn)行去除。“但對于小深孔加工，我們一般不使用EDM，因為電極容易燒傷小孔底部和產(chǎn)生錐度。”Odom先生說。

圖3 微型 EDM 用于管材或其它的去毛

刺和鉆孔都比較困難或無法加工的場合。

    National Jet公司的EDM機(jī)床能夠加工小至0.001英寸直徑的微小孔。除了進(jìn)行微小孔加工，微型的EDM機(jī)床還能夠從零件中清除已折斷在小孔內(nèi)的小鉆頭。鉆頭的直徑非常微小，因而折斷是可以理解的。

    一些公司的EDM機(jī)床都有配備直線電機(jī)，用于X和Y軸的工作臺快速運動。同時還配備了托盤夾具系統(tǒng)，提供機(jī)外的零件快速裝夾和更換。EDM機(jī)床經(jīng)常整夜和周末都在進(jìn)行無人化作業(yè)。最新的EDM機(jī)床具有一套基于PC的機(jī)床控制系統(tǒng)，使原來供CNC加工中心上使用的CAM匯編程序，現(xiàn)在能迅速地變更到EDM機(jī)床上加工。

    微小孔的檢測 

    National Jet公司不是對每個零件上的每個微小孔都進(jìn)行檢測，它實際上是通過Nikon視覺系統(tǒng)對每個微小孔進(jìn)行檢測的。該視覺系統(tǒng)能對精密微小孔的尺寸精度和粗糙度進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果通過E-mail傳遞給用戶。

    但對于一些上設(shè)計有微小孔的零件，例如噴絲頭中有幾個幾何形狀精度要求很高的微小孔，用Nikon視覺系統(tǒng)是不能檢測的，為此，公司設(shè)計了一個能精確檢測小孔幾何形狀的新方法。為了檢查微小孔幾何形狀和微小孔的形狀輪廓，National Jet公司向孔中注入一個分成兩部分的橡膠泥，當(dāng)橡膠泥成型后，會被從孔中取出，微小孔輪廓和幾何形狀等有關(guān)信息能通過在測量顯微鏡下觀察橡膠模而得到。

圖4 經(jīng)預(yù)加工的噴絲頭零件，能提供很快的零件交付

圖5 用橡膠泥檢驗復(fù)雜微小孔幾何形狀。

以前對于微小孔的幾何形狀精度是無法檢查的。

    在一次裝夾中加工 

    National Jet公司所具有的很強微小型鉆孔能力已幫助公司走出最近的制造業(yè)不景氣的低谷。然而，公司認(rèn)為它必須將這一能力擴(kuò)展范圍到其它的工業(yè)領(lǐng)域，以創(chuàng)造出更好的商機(jī)。“我們的微小孔鉆削能力已在開始目標(biāo)外的工業(yè)領(lǐng)域獲得成功，例如無線電通訊和航空和航天工業(yè)，它能支持我們完成許多其他的R & D項目。”Condor 先生說。“我們的重點仍是不斷增長著的微小型零件的加工市場。”

    最近的經(jīng)濟(jì)衰退也重新堅定了在進(jìn)入微小孔加工市場后繼續(xù)前進(jìn)的決心。我們的微小孔加工，經(jīng)常是整個零件的最終加工�；蛘甙才旁诹慵�的接近最終加工工序。”Odom 先生說。National Jet公司最近作了不少努力，向用戶宣傳在一次裝夾中，完成整個零件加工（也稱一次性加工）的優(yōu)點。并購置新的CNC加工中心，將其計劃付諸于生產(chǎn)實際。

    這對一個已在制造業(yè)占有一席之地的制造商，跨過以往的專業(yè)界限進(jìn)一步走向柔性化，總是有幫助的。以下是National Jet公司總結(jié)出的一次性加工將給用戶帶來的經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)效益：

    ◆ 使產(chǎn)品迅速交付。由一家公司在一次裝夾中，完成整個零件加工，意味著只需很少運輸和搬運，加工時間集中，使加工產(chǎn)品能迅速交付。National Jet公司采用一次性加工方式的第一個零件是一個需要車螺紋加工和有一個關(guān)鍵的直徑為0.005英寸通孔的小體積汽化器。公司是在先進(jìn)行完所有要加工的工步后，最后在零件上鉆出微小孔的。National Jet公司為用戶證明了，它只用了原來加工時間的一半，就能在瑞士車床上加工好整個零件，最終為公司贏得這項生產(chǎn)任務(wù)。

    ◆快速適應(yīng)新產(chǎn)品設(shè)計變化，這一點也很重要�？焖龠m應(yīng)新產(chǎn)品設(shè)計變化，National Jet公司為它的主要的紡織業(yè)用戶，庫存了大量的噴絲頭等零件的粗制品。因為毛毯制造商不能為新的噴絲頭等待一個月的時間。公司采取了預(yù)先下料和粗加工毛坯，一旦接到訂單，能夠迅速地在粗制品上增加微小孔和零件所需的其它幾何特征。

    ◆一次性加工帶來高的加工精度，極大地減少了多次裝夾造成的安裝誤差，穩(wěn)定地保證了零件的加工精度。避免了以往因零件滿足不了指定規(guī)格而遭用戶的指責(zé)。

    另外，那些進(jìn)行整體零件生產(chǎn)的用戶車間可能不會考慮到那些在二級工序中重要的問題，比如微鉆的深度。

    ◆ 特殊經(jīng)驗。National Jet公司在其微小孔鉆削方面，積累了許多寶貴經(jīng)驗，它建議，有時通過設(shè)計結(jié)構(gòu)的改造，能使加工變得容易并使生產(chǎn)成本下降。“如果一用戶需要在零件上鉆出一個很難達(dá)到設(shè)計要求的微小孔，建議將圖紙設(shè)計成由一個大孔錐度過渡到微小孔的結(jié)構(gòu)形狀，將會使加工變得容易并不會影響產(chǎn)品性能。”Condor先生說。

    一個公司在制造業(yè)占有一個固定的專業(yè)位置固然重要。但是專業(yè)性很強的車間會很快發(fā)現(xiàn)，根據(jù)用戶的市場需要，研究開發(fā)新技術(shù)新工藝，靈活地為用戶提供多種技術(shù)服務(wù)，將對企業(yè)的發(fā)展有很重要的作用。這一多種技術(shù)服務(wù)的繼續(xù)發(fā)展，將會極大地提升企業(yè)在市場的競爭力。