交叉孔的钻削加工
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在有些零件上钻削交叉孔并非难事,但对于另一些零件,在其上钻削密集的高精度交叉孔却远非易事,即便是经验丰富的机械师,对此也深感头痛。钻削交叉孔是一项极具挑战性的工作,而以上这些加工技巧可以为你指引正确的方向。

图1 Melin公司的多刃刀具可采用CAM软件生成的刀具路径,去除交叉孔钻削的毛刺。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 在已完成交叉孔钻削的歧管缸体上加工孔口。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图3 住友电工的SMD型可换钻尖式钻头的钻尖(上)可牢固夹持在内冷却钻柄(下)上。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图4 为了在交叉孔钻削时提供更大的支撑作用,AMEC公司定制设计的扁钻采用了更长的刃带。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图5 山特维克可乐满建议在钻入和钻出交叉孔时将进给率降低至正常值的1/4。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图6 三菱材料公司的内冷却整体硬质合金双刃带钻头在钻削交叉孔时具有极佳的排屑性能。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
在有些零件上钻削交叉孔并非难事,这些零件的结构通常比较简单(如铝制阀体),孔也不太深,且容易对中,而且客户也可以容忍在两孔相交处有一些小毛刺。
但对于另一些零件,如材质为P-2工具钢、用于制造复杂医疗器件的注塑模具,在其上钻削密集的高精度交叉孔却远非易事,即便是经验丰富的机械师,对此也深感头痛。
即使是钻削简单的交叉孔,也存在不少挑战,包括刀具磨损快、排屑不畅、难以去除毛刺,以及可能会导致最结实的钻头折断的刀具挠曲变形。但是,也有一些解决方法,可以使钻削交叉孔的任务变得更轻松。
住友电工硬质合金公司的应用工程师Dan Habben认为,钻削交叉孔始终是一个难题。他笑道,“或许我能提供的最好建议是:不要钻削交叉孔!”他正与汽车零部件供应商合作,探寻在各种柴油发动机零件(从变速箱体到液压阀)上钻削交叉孔的最佳方式。“我们的客户需要切削大量铝合金和灰铸铁压铸件,毛刺是我们遇到的主要问题之一,加工铝合金压铸件时尤其如此。在液压系统中,孔的洁净度至关重要。残留在工件上的任何切屑或毛刺都可能会进入液压系统,并损坏液压阀或液压泵。”
一种可能的解决方法是对钻头进行有效的刃口制备,并适当调整进给率和切削速度。Habben说,“在这种情况下,我们通常建议对钻头进行修整,即在钻头外缘刃带上磨出45°的倒棱,并辅以轻度的刃口制备,比如说,在切削刃上制备出小的T形棱带,或进行大约0.08-0.10mm的钝化处理。钻削交叉孔时,使用锋利的刀具尤其重要。”
Melin刀具公司的资深产品应用工程师Matt Sippel对此表示赞同:“为了优化交叉孔钻削,我们一直在做一项重要工作,就是在我们带冷却液的钻头上采用一种特殊刃形。其钻尖通常稍显扁平(如采用约140°的钻尖角),并对外周刃进行轻微倒棱,有时还要进行刃口制备。在航空制造业,这种方法屡试不爽,它能在交叉孔钻通时对钻尖起到保护作用。”
但Habben表示,这只是优化交叉孔钻削的一部分。“当钻尖钻通交叉孔时,应当遵循一项经验法则:将进给率降低大约50%。这有助于减少毛刺数量,同时还能减小钻头的挠曲变形,当前后孔相互偏心时尤其如此。”
此外,还必须考虑钻削加工顺序。Habben说,“很多阀体都是先用孔口刀具加工阀座,然后再钻削液压系统的小交叉孔,而这些孔通常容易偏心。在这种情况下,正确规划加工顺序至关重要。例如,你应该首先钻削液压系统的小直径孔,然后再用孔口刀具加工阀座,因为直径较大的孔口刀具通常长度较短,可以更好地控制挠曲变形。”
然而,如果钻头本身性能较差,再精细的刃口制备也无济于事。交叉孔钻通时可能会产生极大的切削力,钻头的挠曲变形会造成很大的问题。YG-1刀具公司的销售和营销经理Al Zaitoon解释说,大多数机加工车间广泛使用的可转位刀片式钻头并不适合用于钻削交叉孔。
Zaitoon表示,“在交叉孔钻通时,需要提供某种支撑,使钻头保持稳定。而刀片式钻头与其他钻头不同,其切削刃后面没有可使钻头保持稳定的刃带。”
Zaitoon描绘了交叉孔钻削的典型状况:“比如说,你用一支12.7mm的整体硬质合金钻头钻入一个9.5mm的交叉孔,然后钻头再钻入其后的另一个孔。该钻头有一根长度为50mm或75mm的刃带,因此,当钻头从前一个孔钻入后一个孔时能保持稳定。而使用扁钻或刀片式钻头就很难做到这一点,因为它们很容易摇摆跳动。”
住友电工的Habben也认为刀片式钻头不适合用于交叉孔钻削,建议采用整体硬质合金钻头和可换钻尖式钻头。他说,“刀片式钻头在交叉孔钻削中表现不佳,因为它们只有一个有效切削刃,且容易挠曲变形。对于直径小于12.7mm的交叉孔,整体硬质合金钻头是唯一的选择。”但他也指出,对于直径较大的交叉孔,需要考虑刀具成本问题。可换钻尖式钻头的成本仅为整体硬质合金钻头的一半左右,而且加工精度也不错。“许多交叉孔都是深孔,孔深可能会达到孔径的12-20倍。当孔径尺寸范围在3.2-25.4mm或更大时,这样长的整体硬质合金钻头可能相当昂贵,大直径钻头尤其如此,每支钻头可能要花费500-800美元。”
Habben介绍说,可换钻尖式钻头的几何形状与整体硬质合金钻头基本相同,它有两个一体化设计的有效切削刃。钻尖头用螺钉固定在钻柄的锯齿状接合部上。这种连接方式具有很高的定位精度和传动强度。
由于钻削交叉孔时可能会产生大量切削热,因此采用先进的刀具涂层和大量冷却液也有助于优化加工。Habben说,“涂层大有裨益,因为在交叉孔钻削中,许多时候需要降低进给率,这意味着成屑性能不佳。”他指出,住友电工提供了一种厚度仅有几微米的TiAlCr涂层。这种涂层采用纳米涂层技术制备,这意味着涂层非常薄、非常光滑,虽然其成本大大低于金刚石涂层,但提供的刀具寿命却与金刚石涂层不相上下。”
Habben认为,排屑至关重要。“为了冲走切屑,应使用压力大于600 psi(磅/平方英寸)的高压冷却液。当你钻削直径较大(如9.5mm以上)的交叉孔时,必须使用能增大冷却液流量的冷却泵。钻削直径12.7mm的孔时,冷却液流量应达到5-10gpm(加仑/每分钟);钻削直径更大的孔时,冷却液流量则需达到15-20gpm。这样才能为你提供可弥补钻通交叉孔时冷却液损失所需的流量。”
Habben最后指出,机械师往往会忽略一件事——钻头的径跳误差(TIR)应小于0.025mm,最好能优于0.013mm。减小径跳误差是提高刀具寿命和钻孔精度的一个关键要素。对于许多加工车间来说,听起来这似乎是一种苛求,但Habben认为,使用高品质的液压刀具夹头或热装刀具夹头,可以很容易地实现这一目标。
联合机械工程公司(AMEC)的产品经理Rob Brown对上述建议大都表示赞同。他说,“刀片式钻头不适合加工交叉孔的结论绝对正确。此类刀具上没有刃带,且只有一个有效切削刃。不过,扁钻上还是有长度等于刀片本身尺寸的刃带。当然,它能提供的支撑作用有限,但扁钻仍然比刀片式钻头的加工稳定性好得多。” 在不能完全满足加工要求的情况下,Brown建议采用钻头刀体上有导向结构的专用扁钻,以提高钻头通过交叉孔中断部分时的稳定性。
Brown表示,虽然在很大程度上,扁钻只适合钻削加工直径19mm及更大的孔,“这取决于加工条件,但我们通常也会考虑使用扁钻,因为在交叉孔钻削中,大部分孔都较深。与可转位刀片式钻头或整体硬质合金钻头相比,扁钻具有更好的成本效益。我们可以提供高速钢和硬质合金扁钻刀头。如果加工中钻头需要承受很大的冲击,或工件材料不一致,我们建议采用高速钢刀头,因为它吸收冲击的能力比硬质合金刀头好得多。但是,如果车间的加工设备刚性很好,且对生产效率要求很高,则应选用硬质合金刀头。”
与其竞争对手一样,Brown也认为刃口制备十分重要。“我们在外缘刃带上磨制出一条倒棱,称为SK2修整。这将有助于提高钻头的稳定性,同时还能延长刀具寿命和减少毛刺形成。对交叉孔钻削而言,成功的秘诀是保持刀具的稳定性。”
对于进给率和切削速度,刀具制造商们不存在任何争议。Brown表示,“钻削交叉孔时,你必须采用推荐的进给率和切削速度。如果孔比较深,就需要减小进给率和速度。我们告诉用户,钻削交叉孔时,降低进给率是必须遵循的规则。问题是,这样做会影响切屑的形成,但有助于钻头平稳过渡到交叉孔另一端。而一旦钻头完全钻入后孔,就可以恢复正常的进给率。”
交叉孔钻削时断时续的特性还会带来另一个挑战。三菱材料美国公司的产品专家Nika Alex 说,“从编程的角度来看,交叉孔钻削相当困难。由于需要不断钻入和钻出工件,你必须相应地提高和降低切削速度。而且,由于大部分交叉孔都比较深,因此所用的钻头也很长,这通常意味着要先用一根较短的钻头钻削前面的起始孔,然后再更换一根长钻头钻削后孔。这意味着钻头在完全钻入后孔之前,可能会引起振动和挠曲变形——如果发生这种情况,应马上降低切削速度。”
与其他同行一样,Alex也建议,在钻通交叉孔时,应将进给率降低至少1/2。“一旦通过了交叉部位,就可以提高进给率,直至加工到交叉孔的远端。我建议,在交叉处一定要把进给率降下来,以防钻头偏移。然后,一旦钻尖角完全钻入后孔,就要马上再提高进给率,以避免出现切屑控制问题。”
Mikron公司刀具部门经理Hans Liechti对此却有不同看法。虽然他也承认交叉孔钻削相当复杂,但他认为用CAM软件计算出正确的刀具路径应该没有任何问题。“过去这是一个大问题,而现在只是小菜一碟。”他的部门专门生产直径小于6mm的孔加工刀具,包括各种整体硬质合金钻头、内冷却钻头,以及定制的阶梯钻、铰刀和孔口加工刀具。
如果问Liechti,哪种刀具最适合钻削交叉孔,他的回答或许很“疯狂”:“我们的标准刀具产品线称为疯狂钻头(Crazy Drill)。我们为一个用户开发了一种专用钻头。当他来参加切削演示时,该钻头的加工性能超过了其预期的两倍。他说,这些刀具切削起来就像疯了一样。”尽管名称有些古怪,但Crazy钻头具有交叉孔钻削所需的所有必要条件——140°的钻尖角、双刃带刀槽、内冷却通道和整体硬质合金刀体。“使用这些刀具时,你可以采用大切削参数,进给率可达到常规值的5倍。然后在钻通交叉孔时降低进给率。”
Liechti认为,交叉孔钻削的最大难题是所加工的前后孔严重偏心。他说,“我们的所有钻头都采用硬质合金材质,因此具有极好的刚性,但如果两个孔彼此之间偏心严重,刀具就有折断的风险。在这种情况下,我们建议采用几乎接近立铣刀的更大钻尖角。”
尽管刀具制造商们相互之间存在竞争关系,但在如何优化交叉孔钻削上仍然达成了许多共识,大多数刀具制造商都同意以下建议:
  1. 应购买和使用高品质的整体硬质合金钻头,其次可以考虑可换钻尖式钻头或扁钻。但不应使用刀片式钻头。
  2. 为了帮助排屑、减少切削热和润滑刀具,应使用高压力、大流量的冷却液。
  3. 了解交叉孔的两步加工编程方法,调整进给率和切削速度,以保持孔的直线性和避免损坏刀具。
  4. 在钻头的外缘刃带上对刃口进行钝化制备,以减少毛刺形成和延长刀具寿命。
  5. 采用能最大限度避免刀具挠曲变形的高刚性加工设备和加工顺序。
钻削交叉孔是一项极具挑战性的工作,而以上这些加工技巧可以为你指引正确的方向。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》
上载于:2015-6-16 14:22:44

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