定心钻的特点与应用
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对于一些精度要求很高的孔,为了防止正式加工用的钻头(称为二次钻头)在钻进过程中发生偏移(即钻头偏离直线走刀路径),有必要预钻定心孔。定心孔可以确定二次钻头的钻进位置,起到导向作用。

图1 典型的定心钻(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 定心钻的横刃形状(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图3 用定心钻加工定心孔时,采用较大的钻削深度就能形成所需的倒角孔(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图4 通常两端都有钻尖的中心钻(上)有时也用于加工定心孔,但其精度不如定心钻(下)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图5 英格索尔的Spot-In FAK可转位刀具除可用于钻削定心孔外,还能用于雕刻加工(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图6 伊斯卡可更换硬质合金钻尖的SumoCham钻头可用于钻削定心孔和倒棱加工(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图7 AMEC的Super Cobalt 90°可转位扁平钻可用于钻削定心孔和倒角加工(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
有时,在开始正式钻孔之前,需要先在工件上预钻一个定心孔。对于一些精度要求很高的孔,为了防止正式加工用的钻头(称为二次钻头)在钻进过程中发生偏移(即钻头偏离直线走刀路径),有必要预钻定心孔。定心孔可以确定二次钻头的钻进位置,起到导向作用。
定心钻通常外形短粗,刀槽很短,刚性极佳(图1)。它的钻尖几何形状刚好够在工件表面钻出一个浅孔。与标准钻头相比,定心钻的横刃很薄(图2),可对工件材料起到有效的切削作用。
Guhring公司标准产品销售经理Bob Hellinger解释说,“横刃位于钻头的正中心,两个刀槽在此交会,在中间留出少量材料形成横刃。横刃通常并不起切削作用,而是推挤工件材料。与横刃较薄的钻头相比,横刃较厚的钻头更容易发生漂移。而定心钻的横刃非常薄。” Guhring公司生产各种高速钢和硬质合金材质的定心钻。
具有分离钻尖的钻头可以减少对钻定心孔的需求。分离钻尖的钻头具有自定心功能,其横刃厚度可以减小到几乎为零。钻尖角为135°的钻头通常采用分离钻尖,这种钻头通常推荐用于加工硬度较高的工件材料。
钻头的长径比越大,加工时就越容易发生偏移。长钻头在与工件平面接触的初始阶段可能会挠曲变形,因此有必要预先加工定心孔。一些钻头制造商认为,如果孔深超过5倍孔径,就需要钻定心孔;而另一些钻头制造商将该阈值设定为孔深超过7倍或8倍孔径。
伊斯卡(Iscar)公司钻削产品经理Ben Davis指出,“如果要钻的孔不在一个平面上,比如说,需要在10°-15°的斜面上或大半径曲面上钻孔,可能也需要预钻定心孔。通过钻定心孔,可以使加工表面在正式钻削之前变得稍微平整一些。”其他一些刀具(如立铣刀)也可用于平整加工表面。

倒角孔

定心钻也可用于在正式钻削之前加工倒角孔。通过控制定心钻的钻削深度,就能在确定孔位的同时,形成所需要的倒角孔径。联合机械和工程公司(AMEC)应用工程师Brad Gray表示,“你可以在同一个工步中,为二次钻削加工出一个定心孔,同时在孔口形成倒棱。稍微增大一点定心钻削深度,就能形成比二次钻头直径更大的孔径。这样,当你用直径稍小的二次钻头钻削后,就能在孔口处获得一个直径较大的倒棱。”
英格索尔(Ingersoll)刀具公司孔加工产品经理Susan Valenti说,许多机械师在钻削需要进行攻丝或铰削等后续加工的孔时,都使用定心钻来形成孔口倒棱,这种倒棱能将刀具更顺利地导入孔中。该公司生产的Y系列快换式、可换钻尖式、加长型定心钻有90°和140°两种型式。

钻尖角

有些用户不太清楚定心钻的钻尖角应该大于还是小于二次钻头的钻尖角。2L公司总裁Lance Nelson说,“人们想当然地认为答案不言而喻。而实际上,很多人都来问我们应该采用多大的钻尖角。” 该公司销售钻尖角为90°、120°和145°的整体硬质合金定心钻。
Nelson说,“二次钻头的钻尖角通常为118°、120°或135°,一些对强度要求较高的钻头会采用更大的钻尖角。有些人用145°定心钻为钻尖角为135°的二次钻头钻定心孔。在加工一些韧性较好的工件材料(如不锈钢或Inconel合金)时,二次钻头更容易损坏,因此使用145°的定心钻至关重要。不过,大多数人在任何加工中都只使用自己车间现有的定心钻,如90°的定心钻。”
大多数刀具制造商都同意,定心钻头的钻尖角应等于或大于二级钻头的钻尖角。二级钻头应该以钻尖——而不是切削刃——与定心孔接触,这样可以消除对钻头切削刃过大的切入压力,这种压力会导致刀具提前失效和降低孔的加工质量。
Nelson说,“我们希望定心钻有较大的钻尖角,这样,当二次钻头进入时,其钻尖能与定心孔的底部接触,以确定孔的中心。然后,当二次钻头钻入孔中时,其各个切削刃能同时与定心孔的边缘接触,从而延长钻头的寿命。”
另一种方式是定心钻和二次钻头都采用相同的钻尖角。这样,二次钻头的钻尖和切削刃会同时切入工件。Nelson说,“我个人并不建议这样做,这样可能会因为切入角相同而引起颤振,而颤振可能会导致二次钻头崩刃。”
Guhring公司的Hellinger认为,对于硬质合金钻头而言,定心钻的钻尖角应大于二级钻头钻尖角的经验法则是正确的。“但是,对于高速钢和钴高速钢二次钻头,我们希望切削刃能在钻头横刃(钻尖)之前先切入工件。因为高速钢钻头的切削刃不像硬质合金钻头那样脆弱,因此我们希望切削刃先于横刃与工件接触。由于横刃并不参与切削,因此,如果它首先与工件接触,就会造成钻头滑动或偏移。”
硬质合金钻头则正好相反。Hellinger补充说,“硬质合金钻头在设计时通常已减小了横刃,由于硬质合金脆性较大,我们不希望其切削刃首先切入工件。因此,建议使用钻尖角较大的定心钻,这样就能使横刃先于切削刃切入工件。”
那么定心钻的切削速度和进给率是否与二次钻头相同呢?AMEC的Gray指出,“切削速度和进给率是否合适取决于工件材料、刀片基体和涂层,以及钻削加工本身的要求。一般而言,定心钻削的切削速度和进给率应比二次钻削低一些。定心钻削的目的只是为二次钻削提供一个正确的起始孔位,因此无需达到很高的钻进率。”

无需定心孔

大多数硬质合金钻头通常都无需预钻定心孔,因为它们刚性较好,具有自定心能力,加工时不易发生偏移,因此可以直接开始钻孔。如果用此类钻头钻孔前先预钻定心孔,甚至可能会适得其反,导致切削刃崩刃或破损。
Guhring公司的Hellinger说,“大多数现代整体硬质合金钻头的横刃都很薄,类似于分离钻尖。有些钻头采用了螺旋钻尖设计,其横刃实际上可以参与切削。这些硬质合金钻头都不需要定心孔。”
Gray建议,如确有必要,可为整体硬质合金二次钻头加工一个较浅的定心孔。可以测量一下硬质合金钻头的横刃厚度,并将其作为定心孔的深度。这种小定心孔除了可为二次钻头导向以外,还能使其避免承受过大的切削压力。

中心钻与定心钻

加工车间有时会使用中心钻来加工定心孔,但中心钻并不是为加工定心孔而设计的。中心钻的用途是在工件端面上加工出中心孔,以确保将工件安装在车床尾座上,或将其安装在磨床的两个顶尖之间。
Hellinger说,“中心钻是钻头与锪孔刀具的组合,它并不是加工定心孔的最佳刀具(图4)。实际上,中心钻是一种阶梯钻头,可以加工出两种不同角度的孔形——孔口处的90°沉孔和60°导向孔。二次钻头在定心孔的孔口处接触90°沉孔,然后在孔底接触由中心钻导向部分加工出的60°导向孔,这就有可能使二次钻头发生偏移。”

其他功能

定心钻也在不断发展变化,其功能也不再局限于钻削定心孔。例如,英格索尔公司的Spot-In FAK可转位定心刀具(型式为82°、90°、118°、135°和140°)可用于多种加工:钻削定心孔、锪孔、雕刻、倒角和去除边缘毛刺(图5)。
伊斯卡公司也提供可更换硬质合金钻尖的钻头,如SumoCham钻头(图6)或更多用于铣削加工,但也可用于倒角和钻定心孔的Multimaster刀具。Davis说,“不过,我们建议你用一根短钻头先加工一个孔深超过定心孔(大约相当于孔径尺寸)的预孔。预孔钻头可达到二次钻头的H8级精度,其钻尖尺寸等于或大于二次钻头。这种预孔可同时对二次钻头的钻尖和刃带提供支撑。”
Davis补充说,“我们建议在钻头上增加倒角刃,使其成为复合阶梯钻头——钻头的端部有一个钻削刀片,后部有一个倒角刀片,可以用一把刀具同时完成钻孔和倒角/锪孔加工。”
随着刀具技术的不断进步,定心钻的重要性正日益降低,因为用户已能用更长的钻头直接钻削出直线度很高的孔。AMEC的Gray指出,“如今使用的高品质刀具和加工机床趋向于不再需要钻定心孔,从而可缩短加工循环时间和减少刀具库存。但仍需强调,这主要取决于加工条件,加工前你必须搞清楚,是否确有必要钻削定心孔。”
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2012年第5期
上载于:2014-7-21 11:35:47

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