钻削技术与刀具的发展近况
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最近在德国金属加工行业所做的一项调查表明,钻削加工是机械加工车间耗时最多的工序。事实上,在所有的加工工时中,有36%消耗在孔加工操作上。与此对应的是,车削加工耗时为25%,铣削加工耗时为26%。因此,采用高性能整体硬质合金钻头取代高速钢和普通硬质合金钻头,能够大幅度减少钻削加工所需的工时,从而降低孔加工成本。
过去几年来,切削加工参数(尤其是切削速度)在不断提高,特别是高性能整体硬质合金钻头的切削速度提高明显。20年前,整体硬质合金钻头的典型切削速度为60~80m/min。如今,在机床能够提供足够的功率、稳定性和冷却液输送能力的条件下,采用200m/min的切削速度钻削钢件已不足为奇。尽管如此,与车削或铣削加工的一般切削速度相比,钻削加工在加工效率上还有很大的提高潜力。

图1 在机床具有足够大的功率和稳定性的条件下,如今的整体硬质合金钻头在加工钢时能轻松达到200m/min的切削速度

图2 先进的纳米涂层可显著提高整体硬质合金钻头的表面硬度和耐磨性,并可在刀具与工件材料之间起到隔热作用
整体硬质合金钻头对于基体的韧性要求很高,而钻头的磨损在可控和均匀稳定的情况下是可以接受的。因此,典型的钻削刀具牌号比车削或铣削刀具含有更多的钴元素。
钻头材质通常采用微细晶粒硬质合金,以提高切削刃强度,确保均匀磨损而不发生崩刃。用硬质合金钻头加工时通常要使用水基切削液,因此切削刃处的温度并不太高,但要求钻头具有抗热冲击性。性能最佳的钻头牌号是典型的纯碳化钨材料,而无需大量添加碳化钽或碳化钛。
对于整体硬质合金钻头而言,涂层必须发挥比仅仅提高表面硬度和耐磨性更大的作用。涂层必须在刀具与工件材料之间提供隔热层并保持化学惰性;必须将工件材料与涂层之间的粘结作用降至最低以减小摩擦;涂层表面必须尽可能光滑;此外,麻花钻的涂层还必须具有抗裂纹扩散能力。钻削加工的动力学特性可能会引起微裂纹,为了保持刀具寿命,就必须阻止裂纹扩散。通过选择正确的涂层工艺和生成适当的涂层显微结构,可使涂层材料处于压应力状态下,从而大幅度延长刀具寿命。
采用多层涂层可以获得良好的使用效果。多层涂层能阻止微裂纹在各层涂层之间扩散,即使有个别涂层出现损坏和剥落,其它的涂层仍可对硬质合金基体起到保护作用。对于钻削刀具,采用纳米涂层和精确定制涂层也具有很大的发展潜力。
例如,一种顶层采用TiN的新型TiAlN纳米涂层可使在钻削加工不锈钢时遇到的许多问题迎刃而解。平滑的TiN顶层涂层可减小刀具与工件材料的粘结与摩擦,而下层的TiAlN纳米涂层可为刀具提供硬度和耐磨性。这种涂层具有极佳的防裂纹扩散性和防热震性,在钻削不锈钢时切削速度可达70~80m/min,几乎是常规钻头的2倍。
为了充分发挥现代硬质合金基体和表面涂层的优异性能,就必须对钻头的几何参数和钻型进行优化设计,必须根据加工用途对钻尖、钻尖角、刃带形状、切削刃制备、排屑槽型、排屑槽和刃带的数量等进行合理调整。
高效切削钻头一般都采用四种钻尖几何形状中的一种。其中,带横刃的四面体钻尖容易磨制,同时易于控制磨削公差,但它的中心余隙较小,当进给量较大时后刀面会与孔底接触,因此影响进给率的提高。另一种是锥形钻尖,与四面体钻尖相比它的中心余隙较大,因此钻削时产生的轴向推力较小,但这种钻尖几何形状较为复杂,不易保证刀具制造和管理的一致性。除上述两种钻尖型式外,可供选择的还有螺旋钻尖,它又分为两种不同类型:传统的螺旋钻尖带有一个排屑槽,切屑可从中心部位排出;新型螺旋钻尖则同时磨制出排屑槽和后刀面,从而可消除钻削台阶,进一步改善切屑流。由于这两种钻尖设计的中心余隙大于其它几种钻尖几何形状,因此具有很高的进给能力。此外,新型螺旋钻尖还具有高速切削能力,并能以较小的轴向推力进行钻削。这种钻尖几何形状的唯一缺点是制造钻头时所需的磨削工艺比较复杂。
在选择钻头时,除刀具寿命和加工速度外,另一个需要考虑的主要因素是孔的加工质量。近年来,如何减少毛刺成为关注的重点。去毛刺是一种典型的手工工序,加工成本很高,如果操作不当,还可能引起严重问题。
整体硬质合金钻头在高速回转和进给时会对工件材料产生很大压力。因此,采用常规的钻型设计或钻尖角度加工时,会在通孔的出口处产生较大毛刺。为解决这一问题,最简单的方法是将钻尖角增大到135°~145°,钻尖角在此范围内的钻头可在孔的出口处产生一个圆盘,并使工件材料始终处于拉应力作用下,使材料易于切削而不只是将其推出工件之外。切削刃制备、钻顶倒棱及其它几何参数优化措施也会对减少毛刺起到很大作用。
在钻削灰铸铁和延性铸铁时则会产生完全不同的问题。这些材料脆性较大,在通孔的出口处更容易出现材料崩碎现象而不是形成毛刺。材料崩碎不仅会影响工件质量,还可能导致钻头破损。专为铸铁加工而设计的钻顶倒棱可以使钻头以非常平稳的方式钻出工件,并保持切削直至最后一转,从而有助于避免材料崩碎现象的发生。
钻尖设计需要根据排屑槽的几何参数而不断调整。切削刃数、横刃厚度、排屑槽宽度、刃带宽度等都是设计钻尖时需要考虑的因素。此外,工件材料的影响也不容忽视。
在钢件上钻孔时,二槽麻花钻通常是最佳的刀具选择。这种钻头使用方便,易于重磨,具有极好的容错性,足以将径跳误差减至最小,并能容忍机床和工件的不稳定性。
具有2个以上排屑槽的钻头在钻削大长径比的孔或在有内应力的工件材料(如铸钢)上钻孔时具有性能优势。三槽钻头由于有3条刃带和3个切削刃,因此在钻削时具有更好的导向性和自定心能力。但由于此类钻头不能承受太大扭矩,因此只推荐用于加工灰铸铁和非铁族材料。具有2个切削刃和4条刃带的钻头也可作为一种可选刀具方案(尤其在需要刀具内冷却的情况下)。
具有4条刃带的麻花钻在加工钢和铸铁材料时性能优异,因为其容错性非常好,并能以超过单槽钻头约一倍的高进给率进行钻削加工。这种钻头也是钻削加工深度可达30倍孔径的深孔的首选刀具,其钻削速度约为常规枪钻的5倍。
对于铝合金材料的加工,采用直槽钻头可获得最佳的钻孔精度,并能以相对简易的方式加工出复杂的阶梯孔型。直槽钻头的缺点是对刀具夹持精度要求极高,此类钻头对径向跳动、过高的切削速度和进给率或较低的冷却液压力缺乏容错能力。
在钻削加工(尤其是深孔钻削)中存在一个非常严重的问题,就是如果钻头在开始阶段偏离了孔的中心线(跑偏),那么在后面的加工中就几乎无法纠偏,刃带将引导钻头沿偏心位置下钻直至孔底。但由于钻头具有螺旋角,因此钻出的孔也将呈螺旋形。为了避免出现这种问题,最重要的是必须有一个具有良好自定心能力的正确钻尖。此外,改善钻头的导向性也有助于防止跑偏。2条刃带的钻头在钻削开始阶段只能获得25%的支撑,因此即使受到很小的力,也容易偏离中心向大多数方向移动。而4条刃带的钻头可以在所有方向上获得支撑,因此能加工出具有更好圆度和圆柱度的孔。4刃带钻头在非均匀钻削或通孔钻削中也能提供更佳的支撑性能,而此类钻削作业在诸如液压零件的加工中是十分常见的。
在如今的钻孔加工中,排屑必须受到完全控制,而不是像过去那样,只要操作者感到钻削力加大,就可以随时采用提钻啄击的方式。一个至关重要的问题是,从切屑在钻尖处形成开始,就必须以一种可使切屑与排屑槽易于匹配的方式来实现成屑和断屑,并将切屑以较小的摩擦力顺畅排出孔外。
钻削加工的运动学原理实际上有助于切屑的控制,由于钻尖中心处的切削速度为零,因此切屑或多或少会在横刃的周围流动,并将在排屑槽内完全成形,只要排屑槽具有正确的几何形状,就很容易生成尺寸大小如一的切屑。此外,排屑槽直至两端全部采用负的横刃锥度并将槽壁表面磨光,也有助于形成自由切屑流,实现在受控状态下进行钻削加工。
使用正确的钻头和合理的钻削工艺参数,可以提高生产效率,降低加工成本。但应如何看待刀具成本呢?首先,这些先进钻头几何形状与传统钻头几何形状相比制造难度更大,因此一般来说新型钻头的价格也比传统钻头更贵。但是,这种新型钻头可以重磨4~5次,虽然每一次重磨后刀具寿命会降低约10%,但仍然可能实现节省刀具费用50%以上。
不过,每次重磨后引起的钻头寿命降低也可能带来一些问题。为了保证加工安全,只有具有高安全系数的钻头才能用于加工,因此用户必须使用一套监测跟踪系统来及时更换重磨过的钻头。为解决这一问题,唯一的方法是采用“用过即弃”式产品,但使用一次性的整体硬质合金钻头通常很不经济。

图3 采用钢制钻柄的模块式钻头可避免钻头重磨,可换式钻尖用钝后即可丢弃
一种新的模块式钻头设计能够有效避免上述问题(图3)。这种钻头采用了可换式硬质合金钻尖,其切削性能和刀具寿命与高效整体硬质合金钻头不相上下。钻尖与钢制钻柄之间没有采用螺纹连接或其它在小直径钻头上难以操作的连接方式。由于设计钻尖时不必考虑重磨需要,因此可对钻尖几何形状进行优化,钻尖的横刃区采用了正前角,以减小切削力和改善自定心能力。由于合金钢钻体与整体硬质合金钻头相比刚性有所下降,因此采用正前角对钻头刚性进行补偿至关重要。
与常规硬质合金钻头不同,模块式钻头的排屑槽并非从前至后都采用相同的螺旋角,而是在排屑槽前部采用右手螺旋线以加速切屑流动,在排屑槽后部则采用很小的负螺旋角,负螺旋角对于增加钻头的稳定性和减小振动特别有用,同样,它对于补偿钢制钻体的刚性降低也十分重要。
与整体硬质合金钻头相比,模块式钻头的另一个不同之处是冷却液的出口位于排屑槽内,直接对准切削刃的前刀面(整体硬质合金钻头冷却孔的出口则是在钻尖侧面),这种设计的重要性在于切削刃前刀面通常是加工温度最高的区域,非常需要在切屑与刀具材料之间提供有效冷却。这种冷却孔设计在优化冷却效果的同时,还可对切屑产生一种热冲击作用,有助于改善切屑控制。由于钻头横刃不直接暴露在冷却液冲击下,因而也有利于切屑在切削速度非常低的横刃区成形。
除了刀具寿命一致性好以外,使用模块式钻头的另一个重要优势是可以大大减少刀具存量。使用常规硬质合金钻头时,由于有大量钻头经常处于重磨再处理流程中,因此对钻头存量需求很大。使用一次性钻头则省去了重磨再处理流程,刀具存量就等于在机加工的钻头数量(或许再在工具架上预备少量备件)。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2007年第4期
上载于:2008-9-22 16:24:49

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