正确选择孔加工刀具
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如今,正如在复杂工件上有各种不同的孔需要加工一样,也有各种类型的孔加工工艺。为每一种孔加工确定合适的切削刀具,需要提出正确的问题,并从刀具供应商那里获得令人满意的答案。
当你听说在所有的换刀操作中,有50%-70%都与孔加工有关时,是否感到有些吃惊?无论是大批量生产的制造商,还是高度专业化的加工车间,或是中等规模的供应商,它们所加工的工件上很少会没有某种类型的孔。需要加工孔的工件材料五花八门,而且需要满足一些要求,如孔的表面光洁度、质量和精度。
刀具技术的发展有助于大大减少二次加工。例如,具有高钻透率的整体硬质合金钻头往往可以一次走刀即完成全部孔加工,而在过去,为了获得要求的精度,可能需要先钻预孔,再钻孔,然后铰孔。

考虑孔的加工要求

为了提供出色的孔加工解决方案,刀具制造商需要确定用户的需求与愿望。虽然每孔加工成本和孔的质量是主要关心的问题,但也必须考虑刀具寿命、加工精度和稳定性等各种变量。刀具供应商需要与用户合作,提供最适合其孔加工条件的组合加工方案。
在规划孔加工方案时,为了确定最优化的刀具选择方案,必须回答以下问题:
  1. 孔的直径和深度是多少?
  2. 孔的公差要求、精度水平、几何形状和表面光洁度如何?
  3. 该刀具在调整时间和重磨便利性上的用户友好程度如何?
  4. 你需要该刀具达到何种水平的生产率(进给与速度)?
  5. 该刀具的可调性如何?
  6. 孔加工的批量规模有多大?
  7. 被加工材料是什么?
  8. 机床采用哪种冷却液供应系统?
  9. 机床采用哪种主轴,锥度尺寸是多少?
  10. 是否需要后续加工刀具?
  11. 被加工孔是盲孔还是通孔?

清除切屑

孔加工中存在许多挑战。其中,首要的挑战是切屑的排出和控制,通过机床主轴的内冷却方式可以获得更理想的效果。充足的冷却液能降低切削刃的温度。如果主轴没有内冷却功能,排屑效果差,加工的孔深就会受到限制,加工时,需要钻头向下走一次刀,然后退出,清除切屑后,再走一次刀,再退刀除屑……这样会大大降低生产率。如果切屑无法从孔中排出,刀具很可能会折断,在铰削加工时,则可能划伤孔壁表面。在加工盲孔时,必须采用内冷却方式。孔加工的另一个挑战是确保重复性精度。

钻头的选择

钻削是孔加工的主要方式,钻削生产率或每孔加工成本,以及要求的加工质量决定了制造商应该选用的钻头类型。为了降低加工成本,通常可以选择可转位刀片式钻头。与此不同,在加工质量和精度要求较高的情况下,通常应该选用整体硬质合金钻头,虽然这种刀具成本较高。成本居于两者之间的是可换钻尖式钻头,它的每孔加工成本低于整体硬质合金钻头,而加工质量又优于可转位刀片式钻头。

图1 山高Perfomax可转位刀片式钻头

图2 山高Feedmax整体硬质合金钻头采用了低摩擦TiAlN涂层,可提高排屑性能
当降低加工成本至关重要,而对加工精度要求不太高(IT11-IT12)时,可转位刀片式钻头是首选刀具(图1)。这种钻头擅长快速粗加工,且成本低廉。但是,除非你只是钻削法兰孔或螺栓孔,否则你将需要进行二次精加工。需要注意的是,可转位刀片式钻头更适合加工较大的孔径(15-85mm),而可加工的最大孔深通常约为5倍孔径(5×D)。可转位刀片式钻头的加工循环时间较短,在车床上加工时尤其如此。它们可以加工出各种尺寸的孔,并能在凹凸不平的表面上钻孔,以及钻削不完整的孔。
可换钻尖式钻头的硬质合金钻尖磨损后,可以方便地取下和更换。这种刀具无需送到外面去重磨,有利于减少刀具库存和提供稳定一致的刀具寿命。
可换钻尖式钻头能够获得比可转位刀片式钻头更好的钻孔质量和尺寸公差(IT9),以及比整体硬质合金钻头更低的每孔加工成本。由于钻尖的直径变化范围相当大,因此无需为加工每种孔径都购买一种专用钻头。
可换钻尖式钻头最适合加工中等孔径尺寸(10-25.99mm)的孔,当孔深达到7×D时仍然性能良好。使用这种钻头时,推荐对工件表面进行预加工。此外,为了确保良好的排屑,推荐采用高压冷却方式。
高性能整体硬质合金钻头是高质量、高效率、一次走刀钻孔的最佳选择(图2)。整体硬质合金钻头可以采用很高的进给率和切削速度(比高速钢钻头高10倍)。如果工件精度要求在IT8以内,就有可能省略二次精加工。这种钻头最擅长加工深孔(7×D,在某些情况下,还可加工更深的孔)。
整体硬质合金钻头的优点之一是可以多次重磨和重新涂层,从而可以降低前期购买成本。该钻头采用内冷却方式加工效果最好(非常小的孔除外)。
使用整体硬质合金钻头时,需要考虑的另一个重要因素是工件的夹持刚性。如果工件发生位移,可能会造成钻头受挤弯曲,影响加工精度和刀具寿命,或导致钻头突然失效。

粗镗加工

如果你希望快速扩大已有的孔(无论是铸造孔、火焰切割孔,还是钻削孔),粗镗加工是一种不错的选择。粗镗头可以实现很高的生产率,同时又能保持良好的孔形精度。

孔的精加工

孔的精加工可以通过铰削或镗削来完成。一般来说,镗削加工的定位精度更高,比较适合高精度孔的加工,但缺点是加工速度较慢。在确定是采用铰削还是镗削加工时,应该考虑以下因素:
  1. 孔的精度要求如何?
  2. 被加工工件的批量大小?
  3. 操作者的技能水平和车间环境如何?
  4. 你希望对刀具的前期投资是多少?

图3 山高Precimaster可换头式铰刀

图4 山高Graflex模块化镗削系统

图5 山高AxiaBore系列精镗头

铰削加工

虽然与镗削加工相比,铰削加工可能更为困难,但其加工速度却能达到镗削的6倍,并且刀具无需预调,刀具所需初始投资也低得多。对于要求实现高生产率、低每孔刀具成本的中、大批量加工,铰削尤其有效。
山高公司的Precimaster可换头式铰刀(图3)有4-6个刀齿,允许以非常高的进给量进行加工。该刀具可以简化铰削工艺,因为它可在刀具生产厂磨制成用户所需的特定尺寸。由于采用了先进的夹持系统,该铰刀能达到IT7的直径尺寸精度。该夹持系统冷却液出口的设计使同一个铰削头既能用于盲孔精加工,也能用于通孔精加工。该铰刀非常适合中、大批量加工,但也可以用于小批量加工,同时还能提供很小的切削力,以及比普通铰刀更长的刀具寿命。
对于精度要求更高,或批量更大的铰削加工,可更换、可转位刀片式铰刀是一种更好的选择。例如,山高公司的Precifix铰刀可达到IT6以内的加工精度。为了使同一个铰削头既能加工盲孔,也能加工通孔,这种铰刀的冷却液出口型式可以手动调节。

镗削加工

与铰削类似,镗削也涉及到对一个现成的钻削孔或铸造孔进行扩孔加工。但是,镗削的加工尺寸范围更大,而且可以加工小于一毫米或大到几米的孔径。镗削还具有很好的加工柔性,因此,当工件加工尺寸变化较大(而且加工批量通常较小)时,镗削是一种更好的选择。同一个镗头可用于加工不同尺寸和公差的工件,因此,对于规模较小的加工车间,镗削具有极好的适用性。当对孔径精度要求较高(IT5),并需要加工不同的孔径和孔深时,应该优先选用镗削而不是铰削。如果一个孔非常粗糙,镗削加工可以起到矫正作用,而铰削则做不到这一点。
如果加工的主要目的是高效扩大孔径,则粗镗是比较理想的选择,因为它能达到很高的切屑去除率。有些镗头还可以矫直孔形,提高孔的位置精度。另一方面,如果对孔的尺寸公差、精度和孔壁表面光洁度要求较高,则选择精镗加工更好。不过,与铰削相比,镗削的启动成本更高,因为用户必须投资购买全套镗削加工系统。
山高公司的Graflex模块化镗削系统(图4)采用了牢固而精密的专有联接技术,适合各种孔径和孔深的加工。它由一组标准的可互换刀具组件构成,这些组件可以装配成镗削、铣削、钻削、攻丝或车削刀具。该系统既能满足特殊的加工要求,也能用于多功能的标准刀具加工。
山高公司的AxiaBore系列精镗头是通过中心线轴向安装(而不是径向安装)。它可加工的孔径范围从0.03mm(Nanobore)到108mm(带MPA的AxiaBorePlus)。由于采用了柱面与凸缘的刀具紧固设计,AxiaBore的刚性比山高前几代产品提高了30%,从而可以采用更高的切削速度和进给量。间接圆筒锁紧系统简化了刀具的安装,因为装刀直径不会受到锁紧螺钉的影响。

简化流程

孔加工的流程可能相当复杂,需要经过多道工序,才能获得符合要求的孔的同心度和光洁度。用户通过选择一家能提供范围广泛的孔加工解决方案的刀具供应商,就能依靠同一个来源获得高质量的成品孔,乃至完成成品零件的全部切削加工。考虑到为孔加工投入的大量生产时间,选择一个能同时提供钻削、铰削和镗削刀具的供应商可以简化联系、购买、库存和技术支持等诸多环节。这种方式有利于降低每孔加工成本,并且可以获得能最好满足用户特定目标的孔加工解决方案。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2011年第4期
上载于:2013-4-2 16:20:52

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