用整体硬质合金钻头加工深孔
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越来越多的加工车间正用整体硬质合金钻头取代枪钻加工深孔。

视频:多马的R571 CDX-DH “One-hit"深孔钻能以157mm/min的切削速度钻出102mm的深孔

视频:伊斯卡用直径5.4mm整体硬质合金长钻头钻曲轴油孔
在过去枪钻占主导地位的深孔加工刀具市场中,能钻削深度达16-40倍孔径深孔的新一代整体硬质合金麻花钻正占有越来越大的份额。为了提高加工精度和排屑性能,这种整体硬质合金钻头采用了横刃和螺旋槽,并采用高密度硬质合金材料以提高硬度,从而使其能以比枪钻快5-10倍的速度进行钻削加工。
一些整体硬质合金钻头制造商认为,此类钻头的性能优势对于那些在自己的车床上用枪钻加工深孔,或将深孔加工任务转包给枪钻加工车间的制造商具有越来越大的吸引力。然而,他们也指出,与枪钻--通常采用硬质合金或淬硬高速钢钻尖、淬硬钢刀柄和直槽--相比,整体硬质合金深孔钻头也存在一些局限性。例如,它们的钻孔深度极限值(标注尺寸)为40倍孔径,而枪钻可以轻而易举地钻削深度达50倍孔径以上的深孔。
既制造枪钻,也生产整体硬质合金钻头的伊斯卡公司孔加工产品经理Tom Edler指出,枪钻可以钻削加工各种难加工材料,"由于枪钻的加工速度较慢,因此排屑较容易。在钻削钛合金和不锈钢时,排屑是一个大问题,而枪钻在加工难加工材料时具有更好的通用性。在这些加工中,枪钻仍然会被大量使用。"
采用整体硬质合金深孔钻头的另一个障碍是,加工人员对其脆性并由此引起断裂的潜在危险感到担心。例如,Bosco加工车间的CNC数控车床操作者Ray Domingue曾经怀疑,用一支直径6.35mm的整体硬质合金钻头,能否在不到4分钟的时间内,在像Nitronic 50氮强化奥氏体不锈钢这种极难加工的合金材料上钻削出240mm的深孔,而钻头仍能保持完好(就像一位刀具销售人员宣称的那样)。
但是,Domingue必须试一下。去年,与大多数加工车间一样,他的老板也将简化操作、削减成本作为优先任务。去年8月,该公司决定将以前转包给外单位的枪钻深孔加工改为由本车间自行加工。该加工任务包括在120个称为伽马串列的石油零件上钻削一个深度为240mm的深孔。工件材料为Nitronic 50不锈钢,这种材料含有22%铬和接近12%的镍,具有很高的磨蚀性,钻削加工难度极大。
该车间计划在自己的Haas SL30车床上用枪钻加工这些深孔。Domingue介绍说,"我们购买了几支直径6.35mm的枪钻。我编制了加工程序,开动机床进行加工,钻削一个240mm的深孔大约用了24分钟。"在加工了几个零件后,刀具制造商Guhring公司的销售代表到车间来走访用户。"他告诉我,如果用他们的整体硬质合金钻头,只需3-4分钟就能钻一个同样的孔。我说,'果真如此吗?我们要试一试,如果行,我会购买这种刀具。'说实话,我并不相信整体硬质合金钻头能做到这一点,钻削Nitronic不锈钢是一种最困难的加工,而硬质合金的脆性又非常大。"
Domingue首先将一支标准长度硬质合金钻头装夹在车床上,钻了一个2倍孔径深(约13mm)的导向孔,然后转而使用Guhring公司的RT 100T内冷却整体硬质合金钻头(直径6.35mm,长度为30倍直径)进行钻削加工。他说,"我在转而使用Guhring钻头后,编制了一个M00代码。然后采用车床冷却系统的高压喷头,提供2000psi、3.5gpm的高压冷却液。由于采用高压冷却,因此选用了密封式套筒夹头来夹持钻头。当钻头钻入孔中后,就开启高压冷却喷头。"切削参数为:圆周切削速度42m/min(140sfm),主轴转速2140r/min,进给率0.089mm/r。钻削每个孔的加工时间(包括钻导向孔在内)约为3.5分钟。在必须对钻头进行重磨和重新涂层(TiAlN涂层)前,一共加工了65个孔。
Domingue补充说,整体硬质合金钻头产生的切屑"小而紧",2000psi的高压冷却有助于确保切屑快速排出。此外,这种钻头证明具有很高的加工精度,孔的终端径跳小于0.25mm。
从生产率的角度来看,整体硬质合金钻头的加工效率比枪钻提高了8倍;从加工成本的角度来看,Bosco加工车间节省了外协加工的劳动力成本和运输成本。尽管整体硬质合金钻头的价格(375美元)比枪钻(70美元)高5倍多,但生产率的大幅提高很快就能抵消和超过刀具成本的增加。

图1 Guhring公司的RT 100T整体硬质合金钻头的钻尖形状。该钻头采用内冷却和TiN涂层,有助于降低磨损和热量(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

刀具性能试验

在去年9月进行的一次刀具性能试验中,Guhring公司将其RT 100T整体硬质合金钻头与枪钻的切削性能进行了比较。用这两种直径为6.35mm的钻头在Nitronic 50材料上各钻削1000个深度为240mm的孔。Guhring的硬质合金钻头在22.59小时内完成了全部加工,而枪钻则耗时323.48小时。按车间平均水平,将每小时65美元的加工成本折算为每孔加工成本,RT 100T硬质合金钻头为4.46美元,而枪钻达到37.06美元。
Guhring公司除了3年前上市的、用于加工长径比为20和30深孔的系列整体硬质合金钻头以外,又于去年11月推出了能钻削长径比达40的深孔钻头。该公司的Hellinger介绍说,"实际上,还可以钻削更深的孔,取决于钻头的直径。例如,直径3.2mm钻头的螺旋槽长度大约为150mm,因此可以钻削长径比达45的深孔。"
与伊斯卡公司的Edler一样,Hellinger也很清楚硬质合金钻头的局限性,他认为,"对于整体硬质合金钻头来说,不锈钢、淬硬钢和合金钢比较容易加工。我们还用它来加工铸铁。用它加工镍基合金时表现也很不错。但这种钻头或许并不是加工冷硬铸铁或铝合金的最佳选择。不过,我们已为加工铝合金专门设计了一种硬质合金钻头,其螺旋槽的设计较为平缓,这种钻头大约6个月后就能作为标准产品上市。"

减小钻削力

伊斯卡公司3年前推出的整体硬质合金深孔钻头能够加工长径比为22的孔。这种钻头采用了140°的正钻尖角和四棱带设计,可最大限度地减小钻削力,起到辅助定心和保护切削刃的作用。该公司对钻头的螺旋槽、棱带和切削刃进行了涂层后磨光处理,以减小摩擦和加工所需的扭矩。刀具材料采用了亚微米晶粒硬质合金,含钴量为10%,具有实现快速钻削的关键特性。Edler介绍说,"这种牌号的晶粒尺寸为0.8μm,其高密度成分使钻头具有良好的硬度和韧性。"按照传统理论,硬度与韧性是两种相互对立的特性。"一般来说,制造这么长的钻头,为了获得所需的强度,必须采用韧性好的硬质合金牌号,但良好的韧性并不能转化为良好的耐磨性。"
Edler补充说,"深孔钻削是一种极其困难的加工,因为它是在封闭的环境中进行,切削热很难消散。在加工某些工件材料时,热量无法传入材料中,就会传入硬质合金钻头中。因此,只有具有高硬度,才能兼顾硬质合金钻头的强度和耐磨性,使我们能以大进给量进行加工。"
Edler指出,用整体硬质合金钻头实现大进给量加工的另一个关键要素是冷却。冷却液压力越高,冷却效果越好。他推荐采用1000-1400psi的压力,"理想的效果是把切屑冲出来,在钻削深孔时,这始终是一个难题。"他补充说,用整体硬质合金钻头钻削深孔时,采用最小量润滑(MQL)方式也很有效。

图2 山高公司的SD 16整体硬质合金深孔钻头能加工长径比为16的深孔(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

强化钻尖设计

山高刀具公司(Seco Tools Inc.)是最近进入整体硬质合金深孔钻头市场的刀具制造商之一。它在今年早些时候推出了SD 16钻头(图2),作为其Feedmax产品系列的一部分,该钻头能加工深度为16倍孔径的深孔(山高公司还可以定制长径比达25的深孔钻头)。
山高公司孔加工经理Tom Sandrud表示,"我们选择了一种不同于标准圆锥钻头的钻尖几何形状设计。这是一种四面体钻尖形状,有一个主后角和一个副后角,可以更好地保护钻头中心处的钻尖。它能产生一个自由切削横刃,并能帮助钻头定位。"
他补充说,SD 216整体硬质合金钻头的结构设计使正式加工前不需要再预钻导向孔。此外,该钻头采用的双棱带加上宽边副棱带的设计使其能"在钻削加工刚一开始就切入工件,从而有助于加工出良好的孔型,保持很小的几何形状误差,并确保孔的直线性。"
Sandrud表示,尽管山高公司最近才开始涉足整体硬质合金深孔钻头市场,但其新型钻头的销售量正在稳步增长--而且他预计,深孔钻削技术还将进一步发展,"在最近四五年内,更多像山高这样的企业会将深孔钻头加入到其产品线中。我们的竞争对手正沿着与我们相同的方向不断努力。"这一发展方向就是:尽可能将钻头做得更长,使其加工效率更高。

图3 AMEC公司的Guided T-A钻头采用了可更换的硬质合金或高速钢刀尖和高速钢的直槽刀体

链接:可替代枪钻和整体硬质合金钻头的Guided T-A深孔钻

钻削深孔并不只是枪钻和整体硬质合金钻头的"独门绝技"。早在15年以前,联合机械与工程公司(AMEC)就开始制造其Guided T-A钻头(以完善其T-A钻削系统),并将其用于枪钻加工。Guided T-A钻头是一种为客户的特定加工需要而预先设计的定制刀具,能够加工长径比为5、10、28或更大的深孔。它由一个高强度的钢制刀体以及在其上精密磨制出的刀座构成,刀座上可以装夹该公司的标准系列硬质合金或高速钢刀片,其加工孔径范围为9.5-115mm(可定制尺寸)。该钻头既可用于铣床,也可用于车床。
AMEC公司产品经理Jake Miller介绍说,该钻头结合了枪钻和整体硬质合金钻头二者的优势。"传统的枪钻有一个肾形切削刃,并采用单边切削方式。而Guided T-A钻头的刀片采用双边切削的几何形状设计,因此在大多数情况下,可以采用比切屑负荷大一倍的进给量进行加工。"
此外,Guided T-A钻头的设计使其能够克服可能造成整体硬质合金钻头失效的难题。Miller补充说,"整体硬质合金钻头不太适合断续切削,如钻削交叉通孔或者出口在曲面或斜面上的孔。通常,在遇到这些加工情况时,由于硬质合金钻头有一边受力较大,因此容易导致钻头偏离中心线或折断。而Guided T-A钻头在前端的扁钻后面有一个支承区,该支承区始终与正在加工的孔保持接触,不允许钻头发生偏斜。"AMEC公司建议,用户可以先用一支长度较短(1-2倍直径)的定心钻加工出导向孔,其孔径与Guided T-A钻头直径相同,这样有助于减小钻头加工时的偏移和摆动。
三年前,美国石油和天然气行业供应商史密斯国际公司(Smith International Inc.)尝试用Guided T-A钻头来完成以前用高速钢套料钻进行的加工。加工任务包括在4140钢管(热处理硬度HRC30-32)上以30°斜角钻削深度为355mm的孔。该公司的加工管理人员Ray Stafford介绍说,工人们以前采用高速钢套料钻加工时,每个孔需耗时约5小时。"我们首先用定心钻加工出一个导向孔,随后用高速钢加长锥柄钻头加工至快要钻通处,然后再换用套料钻将孔钻通。因此,我们希望有一种能提高加工速度的钻头。"
史密斯公司要求AMEC公司制造一种直径为44.45mm、长度为355mm的Guided T-A钻头。Stafford说,"我们获得了所需规格的钻头,将其投入使用后,效果非常好。"深孔的加工从头至尾只用一个钻头,每孔加工时间仅为1小时15分钟。此外,以前使用套料钻时,每加工3个孔就必须重磨钻头。而Guided T-A钻头在必须更换高速钢刀片前,可以加工9个孔。现在,该公司发现,还可以在更多的加工场合应用这种高效刀具。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2010年第1期
上载于:2012-8-31 11:59:25

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