孔加工技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

   在機(jī)械零件加工作業(yè)中，孔加工所占比例相當(dāng)大，與高速銑削相類似的高速、高精度鉆削加工已提上議事日程，高效率孔加工對于促使零部件生產(chǎn)合理化是不可或缺的重要工藝過程。近年來，零部件生產(chǎn)大都采用以CNC機(jī)床為中心的生產(chǎn)形態(tài)，進(jìn)行孔加工時(shí)，也大都采用加工中心、CNC電加工機(jī)床等先進(jìn)設(shè)備。無論哪個(gè)領(lǐng)域的孔加工，實(shí)現(xiàn)高精度和高速化都是取得用戶訂單的重要競爭手段。

1 高速孔加工所用加工中心（MC）的條件

實(shí)現(xiàn)孔加工高速化的先決條件是必須采用高速加工中心，而機(jī)床的高速化必須滿足下列條件。

1.1 配備高速回轉(zhuǎn)主軸

   鉆頭和立銑刀一樣帶有中心齒，由于中心齒附近有一種圓周速度，因此，切削速度向高速化發(fā)展時(shí)，主軸的轉(zhuǎn)速也必須實(shí)現(xiàn)高速化。特別是在使用小直徑鉆頭時(shí)，主軸的高速化更是不可缺少的。今后，隨著孔加工高速化的進(jìn)展，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)速達(dá)30000～100000r/min的主軸需求將不斷增多。同時(shí)，由于達(dá)到規(guī)定的高速回轉(zhuǎn)所需時(shí)間很短以及要求Z向（鉆頭切削方向）主軸伸出長度應(yīng)控制在最小程度之內(nèi)，因此，高速主軸的配置是實(shí)現(xiàn)高速高精度孔加工不可缺少的條件。

1.2 可動(dòng)部分具有動(dòng)作敏捷的功能

   主軸和工作臺等可動(dòng)部分應(yīng)盡可能減輕重量，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作快捷化，這也是進(jìn)行高速孔加工必須具備的條件。1個(gè)孔的加工時(shí)間只需數(shù)秒鐘，因此，必須縮短孔與孔之間的工具移動(dòng)時(shí)間，這是實(shí)現(xiàn)高效率切削的關(guān)鍵問題，解決此問題的途徑首先即為可動(dòng)部件的動(dòng)作必須靈活快捷。例如，即便達(dá)到了高精度的定位精度，但如機(jī)床可動(dòng)部分的動(dòng)作不夠靈敏快捷，也就不可能滿足當(dāng)前用戶提出的實(shí)現(xiàn)高速孔加工的要求。通常是用加速度特性（G值）來判斷機(jī)床可動(dòng)部分的快捷性能，當(dāng)G=0.8～1.5時(shí)，可判斷該機(jī)床為具有高度快捷性能的加工中心。

1.3 工作臺與機(jī)床整體面積的比例應(yīng)較小

   作為加工中心的用戶，他們希望工作臺及工作臺以外的部分所占空間應(yīng)盡可能少一些。尤其是孔加工這類加工成本較高而附加價(jià)值又較低的加工領(lǐng)域，最好使用那種結(jié)構(gòu)緊湊的加工中心。如日本理化研究所試制的高速CNC銑床，其加工范圍為300mm2，機(jī)床本體所占面積950mm2，機(jī)床所占面積約為可加工最大工件尺寸的三倍，整個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊。該銑床主軸轉(zhuǎn)速為45000r/min，可進(jìn)行高速切削。主軸為XY方向移動(dòng)式結(jié)構(gòu)（工作臺僅限Z軸移動(dòng)），其加速度特性值G=1.5，表明該機(jī)床具有快捷動(dòng)作功能。

1.4 主軸可直接供給冷卻液

   在鉆削過程中，加工L/D（鉆頭直徑與孔深之比）在5以上的孔必須特別注意排屑問題，最好選用帶供油孔的鉆頭，以便進(jìn)行穩(wěn)定的加工。采用由主軸中心供給冷卻液的方式，對于更換卡具的鎖緊螺栓則更為方便。

1.5 具有孔加工用CNC工具插補(bǔ)功能

   CNC切削的特點(diǎn)在于可以進(jìn)行控制工具軌跡的合理加工，在對孔進(jìn)行CNC切削加工時(shí)，可采用螺旋切削、等高走刀、對切等工具插補(bǔ)方式，具有這些功能的CNC控制系統(tǒng)均可在孔加工中加以應(yīng)用。

2 跨入高速鉆孔加工新時(shí)期

   長期以來都是利用鉆頭進(jìn)行高精度孔、螺紋孔等通孔及螺栓孔等的加工，最近，這類加工已經(jīng)向高速切削方向迅速發(fā)展。 

   在孔加工作業(yè)中，目前仍大量使用高速鋼麻花鉆，但各企業(yè)之間在孔加工精度和加工效率方面已逐漸拉開了差距。高速切削鉆頭的材料以陶瓷涂層硬質(zhì)合金為主，如MAZAK公司和森精機(jī)制作所在加工鑄鐵時(shí)，即采用了陶瓷涂層鉆頭。在加工鋁合金等有色材料時(shí)，可采用金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭、DLC涂層硬質(zhì)合金鉆頭或帶金剛石燒結(jié)體刀齒的鉆頭�？傊�，今后將會(huì)不斷開發(fā)出許多新型的高速切削鉆頭。

   在各種涂層鉆頭中，陶瓷涂層硬質(zhì)合金鉆頭特別重視耐磨性、耐熱性及潤滑性，其涂層工藝也采取多層涂覆方式，如利用TiAlN、TiN、TiCN等復(fù)合氮化物形成復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)。鉆頭的切削條件總的趨勢是高速化，隨著被加工材料的不同，切削速度已可分別達(dá)到200～300m/min。高速鉆頭切削是一種高速大進(jìn)給量的發(fā)展趨勢，類似球頭立銑刀切削條件的發(fā)展趨勢。切削實(shí)踐表明，提高切削速度有利于切屑形態(tài)的合理化和改善加工表面的粗糙度，預(yù)計(jì)今后仍將沿著高速切削的方向發(fā)展；提高進(jìn)給量對斷屑排屑和延長刀具壽命非常有利，因此，今后也仍將沿著大進(jìn)給的方向不斷發(fā)展。

   目前，高速孔加工大都采用主軸帶供液孔的加工中心，這種設(shè)備有利于提高鉆頭的切削速度。例如，用φ10mm涂層硬質(zhì)合金鉆頭在S45C材料上加工淺孔時(shí)，切削速度可達(dá)250m/min，進(jìn)給速度可達(dá)1600mm/min（相當(dāng)于0.2mm/r），在此條件下，加工1個(gè)孔只需1秒鐘左右。日立精機(jī)公司、布拉薩工業(yè)公司均采用此條件進(jìn)行淺孔加工。布拉薩公司在此條件下，用金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭在鋁合金桿料上加工小直徑孔時(shí)，1個(gè)孔只需0.2～0.5秒鐘左右即可完成。預(yù)計(jì)，今后小直徑孔加工將進(jìn)入1秒鐘加工1個(gè)孔的高速加工時(shí)期。

   高速切削對鉆頭壽命的影響因素甚多，諸如由于切削熱較高而引起刃部磨損，切削振動(dòng)將導(dǎo)致崩刃、切屑纏繞，甚至引起鉆頭折斷等。

為了減少上述故障對鉆頭壽命的影響，可采取如下一些技術(shù)措施：

（1）選用耐磨性優(yōu)異，適宜于高速鉆削的刀具材料，例如涂層硬質(zhì)合金等。

（2）選取適應(yīng)高速切削的切削刃形狀，如確定合適的鉆尖角和刃口倒棱等。通常鉆尖角可選為130°～140°，這種角度可有效減小切削扭矩；另外，可采取十字形修磨等方式，使切削刃與被切削面的接觸面積盡可能減小。同時(shí)，應(yīng)盡量提高柄部和切削刃部分的振擺精度及凸緣部分的高度精度。

（3）選用夾持剛性和振擺精度高的夾具，同時(shí)應(yīng)減輕夾具重量，以利于動(dòng)作快捷化。例如，HSK刀柄的熱裝式結(jié)構(gòu)就是目前比較理想的夾持系統(tǒng)。

（4）高速鉆削時(shí)，為了提高刃口冷卻和排屑效果，可采用直接向切削刃供給冷卻液的供液方式，以獲得穩(wěn)定的切削效果。冷卻液中，除切削液外，還可添加少量植物油和空氣，形成混合的霧狀冷卻劑。

3 可轉(zhuǎn)位鉆頭的發(fā)展動(dòng)向

   可轉(zhuǎn)位鉆頭是一種作為切削刃的刀片可更換的工具，與普通鉆頭相比，其直徑較大，不過最近已開發(fā)出φ10mm的小型可轉(zhuǎn)位鉆頭。目前，可轉(zhuǎn)位鉆頭已系列化，幾乎可以涵蓋整體式鉆頭系列的各類產(chǎn)品。鉆頭刀片一般采用涂層硬質(zhì)合金材料制作，只有少數(shù)產(chǎn)品采用燒結(jié)高速鋼、金剛石燒結(jié)體、CBN燒結(jié)體等材料�？赊D(zhuǎn)位鉆頭通常只有1個(gè)刀片，也可有兩個(gè)刀片，即分別為中心齒和外周齒。在進(jìn)行大直徑孔加工時(shí)，鉆頭可安裝2個(gè)以上的刀片。裝單個(gè)刀片的鉆頭與整體式鉆頭類似，尖端為三角形狀，這樣可減小切削阻力；為了便于切屑的分?jǐn)啵�刀片均帶有斷屑槽。刀片夾緊方式因廠家而異，在多數(shù)情況下，均采用1個(gè)或幾個(gè)螺釘緊固刀片。當(dāng)帶有2個(gè)以上刀片時(shí)，刀片形狀和斷屑槽形狀均各不相同。最近這一趨勢尤為明顯。 

   可轉(zhuǎn)位鉆頭開發(fā)的初期，只能加工深度為鉆頭直徑3倍左右的孔，目前已發(fā)展到可加工5D～8D（D為鉆頭直徑）的深孔。在加工那些孔規(guī)格統(tǒng)一的零件時(shí)，使用可轉(zhuǎn)位鉆頭效果最為明顯。例如，利用裝有多刀片的鉆頭，可同時(shí)對孔入口處進(jìn)行倒棱和锪孔等作業(yè)，這對提高孔加工效率是極為有利的。

4 CNC孔加工技術(shù)

   CNC切削是使切削加工更加合理化的加工方式，進(jìn)行CNC孔加工時(shí)，可采用具有多方向切削功能的立銑刀、螺旋切削插補(bǔ)及等高切入插補(bǔ)等方式，它要求選用盡可能少的刀具來對少量孔進(jìn)行最為合理的加工。近來，生產(chǎn)中采用高速銑削方式進(jìn)行孔加工即為此類加工的應(yīng)用實(shí)例。高速銑削具有下述特點(diǎn)：

（1）利用球頭立銑刀和螺旋插補(bǔ)的鉆頭，可進(jìn)行鏜削和倒棱加工；

（2）球頭立銑刀配合螺旋插補(bǔ)法，可進(jìn)行錐度孔的連續(xù)加工；

（3）加工螺紋用的立銑刀配合螺旋插補(bǔ)法，可進(jìn)行各種螺紋孔加工；

（4）立銑刀配合等高切入插補(bǔ)，可對孔進(jìn)行半精加工和精加工。

   總之，利用工具插補(bǔ)功能，可對任意尺寸的高精度孔進(jìn)行高效率精密加工。尤其在采用高速銑削時(shí)，各刀齒所承受的負(fù)荷相對較輕，因而用同一把涂層硬質(zhì)合金立銑刀，可對多種被加工材料進(jìn)行高速高精度孔加工。今后，這種加工方式可望進(jìn)一步用于干式切削領(lǐng)域。

5 高速高精度孔加工

   除采用CNC切削方式對孔進(jìn)行精密加工外，還可采用鏜削和鉸削等方式對孔進(jìn)行高精度加工。隨著加工中心主軸的高速化，已可采用鏜削工具對孔進(jìn)行高速精密加工。據(jù)報(bào)道，目前在鋁合金材料上進(jìn)行φ40mm左右的鏜削加工時(shí)，切削速度已可提高到1500m/min以上。在用CBN燒結(jié)體作切削刃加工鋼材、鑄鐵及高硬度鋼時(shí)，也可采用這樣的切削速度。預(yù)計(jì)，今后鏜削加工的高速化將會(huì)迅速普及推廣。

   為了實(shí)現(xiàn)鏜削加工的高速化和高精度化，必須注意刀齒振動(dòng)對加工表面粗糙度和工具壽命的影響。為了防止加工精度和工具壽命下降，所選用的加工中心必須配備動(dòng)平衡性能優(yōu)異的主軸，所選鏜削刀具也必須具有很高的動(dòng)平衡特性。尤其是鏜削工具的刀齒部分，應(yīng)選擇適用于高速切削的幾何形狀、刀具材料及裝卡方式。切削刃端部的R應(yīng)較大，以利于提高加工效率；在保證獲得同等加工表面粗糙度的前提下，應(yīng)加大進(jìn)給量。但加大進(jìn)給量應(yīng)適可而止，否則將增大切削阻力，不利于提高加工效率。切削刃帶應(yīng)設(shè)置0.1mm以下的負(fù)倒棱，這樣可有效保持刀具壽命的穩(wěn)定。

   至于刀具材料，則視被加工材料性質(zhì)而有所不同。如加工40HRC以下的鋼等材料時(shí)，可選用金屬陶瓷刀具，這種刀具在v=300m/min以上的高速切削條件下，可獲得良好的加工表面粗糙度與較長的刀具壽命。涂層硬質(zhì)合金刀具則適用于對60HRC以下的鋼材等進(jìn)行高速切削，刀具壽命非常穩(wěn)定，但切削速度稍低于金屬陶瓷刀具。

   CBN燒結(jié)體刀具適用于加工高硬度鋼、鑄鐵等材料，切削速度可達(dá)1000m/min以上，而且刀具壽命非常穩(wěn)定。CBN刀齒的刃帶部分應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡估馓幚�，這種處理對進(jìn)行穩(wěn)定的高速切削和延長刀具壽命極為有利。在對鋁合金等有色金屬及非金屬材料進(jìn)行超高速切削時(shí)，可選用金剛石燒結(jié)體刀具，這種刀具切削穩(wěn)定，刀具壽命也很長。應(yīng)注意的是，使用金剛石刀具時(shí)，刀齒刃帶必須進(jìn)行倒棱處理，這是保證切削穩(wěn)定的重要條件。 

   在鉸削加工方面，目前尚未見到高速、高精度的新型刀具問世，該領(lǐng)域的研究開發(fā)工作似乎處于停滯不前的狀態(tài)。高速鉸刀迄今仍被某些特定的用戶用來進(jìn)行高速高精度孔加工。這種鉸刀帶有負(fù)前角，剛性高，斷屑效果好，在高速切削條件下，可進(jìn)行穩(wěn)定的精密孔加工。該鉸刀的特點(diǎn)是，采用較大的負(fù)前角和奇數(shù)刀齒，其高速切削的速度是過去的鉸刀無法達(dá)到的，因此，可以說此種設(shè)計(jì)對鉸刀的傳統(tǒng)概念進(jìn)行了大膽的突破，是一種高效率的鉸削刀具。

6 高速螺紋切削刀具

   隨著CNC切削的發(fā)展，目前已開發(fā)出一些相應(yīng)的復(fù)合型刀具產(chǎn)品，如將鉆削和螺紋切削融為一體的新型螺紋加工刀具，鉆孔和螺紋切削在一個(gè)行程內(nèi)完成。這種復(fù)合型刀具使螺紋孔加工更加合理，加工效率也大為提高。

   螺紋切削用的新型立銑刀采用了螺旋切削插補(bǔ)方式，該立銑刀可加工M3以上的螺紋孔，排屑性能良好，可獲得穩(wěn)定的高精度加工效果。一般的絲錐也正在朝著高速切削和加工高硬度鋼的方向發(fā)展，攻絲刀具的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。

絲錐實(shí)現(xiàn)高速切削的基本條件如下：

（1）應(yīng)重視刀齒的切削功能，例如，選擇刀齒設(shè)計(jì)有后角的絲錐，切削效果比較理想；

（2）絲錐的夾持應(yīng)選用剛性良好的夾具，如選用彈簧夾具、熱裝式夾具等。

（3）加工中心等機(jī)床在切削回轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)具有很高的同步精度。

   對于高速攻絲作業(yè)，如能滿足攻絲刀具、工具軌跡及切削條件、夾具及所用加工中心的功能，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高精度高效率螺紋切削加工。

7 今后所要求的微細(xì)孔加工技術(shù)

   隨著IT相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近年來，光學(xué)和電子工業(yè)所用裝置的零部件產(chǎn)品的需求急速增長，這種增長刺激了微細(xì)形狀及高精度加工技術(shù)的迅速發(fā)展。其中，微細(xì)孔加工技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用尤其引人注目。微細(xì)孔加工早已在印刷電路板等加工中加以應(yīng)用，包括鋼材在內(nèi)的多種被加工材料，均可用鉆頭進(jìn)行小直徑加工。例如，Dijet公司最近開發(fā)出一種新型麻花鉆，它將聚晶金剛石和硬質(zhì)合金燒結(jié)成一個(gè)整體作為切削刃，這種鉆頭可對鋁合金、鎂合金、石墨和塑料等進(jìn)行高速高精度加工，刀具壽命也大幅度延長。該鉆頭的螺旋角為30°，最小直徑為φ0.4mm，同時(shí)還生產(chǎn)一種擠光鉆頭，最小直徑為φ0.88mm。這類鉆頭產(chǎn)品已系列化，最顯著的特點(diǎn)是加工表面粗糙度得到極大的改善。

   三菱綜合材料公司開發(fā)出一種金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭，直徑為φ0.2～3.0mm。這種鉆頭在加工鋁合金時(shí)，轉(zhuǎn)速可高達(dá)32000r/min，進(jìn)給量為0.09mm/r，進(jìn)給速度為3008mm/min，在此條件下，刀具壽命為加工30萬個(gè)孔。

   在加工高硬度工件的鉆頭品種中，MMC神鋼工具公司開發(fā)的鉆頭表現(xiàn)極佳。用該公司的φ0.4mm鉆頭加工SKD11材料（60HRC）時(shí)，可在轉(zhuǎn)速6000r/min、進(jìn)給速度30mm/min條件下，進(jìn)行長時(shí)間穩(wěn)定的切削加工。三菱綜合材料公司最近推出一種帶供油孔的小直徑鉆頭（φ2mm），在切削速度60m/min、進(jìn)給量0.02mm/r的條件下，加工SUS630材料（長徑比為L/D=6）的深孔，其刀具壽命為加工600個(gè)孔以上。 

   目前，小直徑孔加工中，利用鉆頭切削的直徑最小可至φ50μm左右。小于φ50μm的孔則多采用電加工來完成。為了抑制毛刺的產(chǎn)生，許多研究者提出可采用超聲波振動(dòng)切削的方式。目前，正在探索一種應(yīng)用范圍廣而且工藝合理的超聲波振動(dòng)切削模式，其中包括研究機(jī)床的適應(yīng)特性等內(nèi)容。隨著這些問題的順利解決，今后可望更好地實(shí)現(xiàn)直徑更小、L/D值更大的微小深孔加工，鉆削的速度會(huì)更快，加工精度會(huì)更

高。

   近年來，隨著高速銑削的出現(xiàn)，以銑削刀具為中心的切削加工正在進(jìn)入高速高精度化的加工時(shí)期。目前，孔加工的高速化明顯滯后于其他切削加工。零件的快捷生產(chǎn)是制造業(yè)賴以生存的重要條件，因而孔加工技術(shù)不能成為機(jī)械加工的瓶頸工藝，它必須沿著切削高速化的方向快速跟進(jìn)，盡快步入高速高精度化的加工行列。