孔加工技術(shù)發(fā)展動向 (一)

    在機械零件加工作業(yè)中，孔加工所占比例相當大，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機床為中心的生產(chǎn)形態(tài)，進行孔加工時，也大都采用加工中心、CNC電加工機床等先進設(shè)備。無論哪個領(lǐng)域的孔加工，實現(xiàn)高精度和高速化都是取得用戶訂單的重要競爭手段。 

    高速孔加工所用加工中心(MC)的條件 

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

    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，主軸的轉(zhuǎn)速也必須實現(xiàn)高速化。特別是在使用小直徑鉆頭時，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展，預計轉(zhuǎn)速達30000～100000r/min的主軸需求將不斷增多。同時，由于達到規(guī)定的高速回轉(zhuǎn)所需時間很短以及要求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現(xiàn)高速高精度孔加工不可缺少的條件。 

    2.可動部分具有動作敏捷的功能 

    主軸和工作臺等可動部分應(yīng)盡可能減輕重量，以實現(xiàn)動作快捷化，這也是進行高速孔加工必須具備的條件。1個孔的加工時間只需數(shù)秒鐘，因此，必須縮短孔與孔之間的工具移動時間，這是實現(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部件的動作必須靈活快捷。例如，即便達到了高精度的定位精度，但如機床可動部分的動作不夠靈敏快捷，也就不可能滿足當前用戶提出的實現(xiàn)高速孔加工的要求。通常是用加速度特性(G值)來判斷機床可動部分的快捷性能，當G=0.8～1.5時，可判斷該機床為具有高度快捷性能的加工中心。 

    3.工作臺與機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，機床本體所占面積950mm2，機床所占面積約為可加工最大工件尺寸的三倍，整個結(jié)構(gòu)相當緊湊。該銑床主軸轉(zhuǎn)速為45000r/min，可進行高速切削。主軸為XY方向移動式結(jié)構(gòu)(工作臺僅限Z軸移動)，其加速度特性值G=1.5，表明該機床具有快捷動作功能。 

    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。 

    5.具有孔加工用CNC工具插補功能 

    CNC切削的特點在于可以進行控制工具軌跡的合理加工，在對孔進行CNC切削加工時，可采用螺旋切削、等高走刀、對切等工具插補方式，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。 

     跨入高速鉆孔加工新時期 

    長期以來都是利用鉆頭進行高精度孔、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公司和森精機制作所在加工鑄鐵時，即采用了陶瓷涂層鉆頭。在加工鋁合金等有色材料時，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等復合氮化物形成復合涂層結(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到200～300m/min。 

    高速鉆頭切削是一種高速大進給量的發(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，預計今后仍將沿著高速切削的方向發(fā)展；提高進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，切削速度可達250m/min，進給速度可達1600mm/min(相當于0.2mm/r)，在此條件下，加工1個孔只需1秒鐘左右。日立精機公司、布拉薩工業(yè)公司均采用此條件進行淺孔加工。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，1個孔只需0.2～0.5秒鐘左右即可完成。預計，今后小直徑孔加工將進入1秒鐘加工1個孔的高速加工時期。 

    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，切削振動將導致崩刃、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，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，同時應(yīng)減輕夾具重量，以利于動作快捷化。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，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。