满足孔加工和螺纹加工需求
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目前,硬质合金已成为许多工业加工的首选基础材料。多功能钻头也很受欢迎。许多用户为了获得与其生产要求相匹配的刀具,宁愿支付更高的刀具价格。

图1 大昭和的EWB UP系列镗刀的直径调节最小分辨率为0.001mm,无需使用游标尺即可实现增量微调。镗头尺寸范围20-100mm,对于任何镗孔直径均可调节平衡配重

图2 ATI Stellram公司的的“刚骨”钻头采用双重硬质合金结构,其芯部材料具有弹性,可承受作用于钻尖的巨大压力;其外圆部材料具有耐磨性,可承受刀具外径处的较高切削速度
历史学家认为,第一支丝锥大概制造于公元前400年,而钻孔工具的问世还要早得多。尽管这些基本制造工艺已年代久远,但意义重大的技术进步却一直延续到今天。
航空、医学、石油等行业的需求推动了大多数加工技术的进步,其中主要是对高精度、高效率、小尺寸以及(在许多情况下)对“清洁加工”的需求。
在加工直径50mm或更小的孔时,钻头仍然是占有绝对优势的工具,尽管激光、“水刀”和放电加工在孔加工领域的应用也在不断增长。目前,硬质合金已成为许多工业加工的首选基础材料。多功能钻头也很受欢迎。许多用户为了获得与其生产要求相匹配的刀具,宁愿支付更高的刀具价格。
为了满足加工新的金属材料的需求,肯纳公司(Kennametal)开发了一种采用新牌号和新的几何设计的可转位式钻头。据肯纳公司的Chet Parzick介绍,该公司的钻头已能钻削加工直径小至3mm、孔深达到30倍孔径的小深孔。这些长钻头大部分都是为汽车零部件的加工而开发的。
大昭和精密工具公司(BIG Kaiser Precision Tooling)的Tim Stapula指出,对精密加工的需求推动了带亚微米级可调镗头的镗削刀具的开发(图1)。例如,许多航空和汽车行业的用户要求达到±0.013mm的镗孔精度,为了实现流水线的高速运转,这是必须保证的。为了确保精确定位,该镗刀上配备了可用于高速镗削的微调螺距差动螺钉和平衡调节盘。对于更小孔径的加工,该公司提供了孔径尺寸范围4-20mm的Quatro 15 plus钻头系列。为了夹持直径更小的钻头和立铣刀,大昭和提供了一种转速为50-80000rpm的空气主轴,其径跳误差仅为3µm。
当今的美国市场是由航空工业、石油天然气工业的发展推动的。这两个行业都大量使用不锈钢和高温超级合金(HRSA)材料。为了满足加工这些材料的需求,山特维克可乐满公司开发了CoroDrill 880钻头系列(孔径12-64mm,孔深可至5D)。该公司的钻削产品专家Curtis Cole指出,在钻头设计中,常常采用可转位刀片式钻头进行半粗加工和半精加工。整体硬质合金钻头的成本较高,但钻削精度高、定位能力好。整体硬质合金通常用于制造直径20mm以下的钻头。山特维克的CoroDrill 880可转位钻头的加工性能比它所替代的产品大幅提高。R846 Delta-C钻削系统(金箭钻)也是山特维克的最新产品,其特点是采用了正角钻尖形状设计、具有连贯一致的外形曲线和保护圆角的切削刃,以及能流畅排屑的较深槽型。这些设计有利于采用较高的切削速度、减小切削力和延长刀具寿命,使刀具均匀磨损,将刀尖角破损的可能性降至最低,稳定切削性能。
ATI Stellram公司新开发了一种双重材料硬质合金钻头,其特点是应用了“刚骨”技术——钻头芯部采用一种可抵抗刀尖破损的微细晶粒硬质合金材料。据称,该钻头的寿命是目前市场上常见的其它高性能钻头的4倍。Stellram公司全球产品经理Werner Mueller解释说,该钻头采用了两种不同牌号的硬质合金材料,一种具有较好的弹性,足以承受施加在钻尖上的切削压力;另一种具有较好的耐磨性,可与刀具外径处的高速度相匹配。当刀具的外周切削刃以很高的表面速度进行切削时,钻尖则可以吸收高切削压力并基本保持稳定。所用的两种硬质合金牌号都是根据加工要求专门设计的,可以根据被钻削的工件材料选用不同的硬质合金牌号及其组合。由于磨损力减小,为了实现“零径跳”,采用了140°的钻尖角。目前,该公司已能提供用于切削钢和铸铁的钻头牌号,其长径比为3:1和5:1。年内将可提供长径比为5:1和8:1的内冷式钻头。
Werner介绍了一个应用实例:某种加工要求在4140淬硬钢上加工814个孔,原来需要使用3支钻头,加工时间超过66分钟。而使用1支“刚骨”钻头进行加工,仅用34分钟就钻完了814个孔(加工速度为每孔2.5秒)。
联合机械工程公司(Allied Machine and Engineering,AMEC)的产品经理Rob Brown表示,“我们非常重视对客户需求的快速响应。客户不想知道什么时候货可以送到,他们只想知道为什么现在货还没送到!这是因为缩短开发周期的压力很大,而车间里干活的人很少。与此同时,机床的单位时间运行成本也在不断提高。我们公司拥有一个很大的刀具成品库,备有各种几何参数、不同长度和涂层的刀具。我们还可以为水电、建筑钢材、汽车等特定行业提供适合其加工特点的刀具。”AMEC也能以最短的响应时间提供定制刀具。为了有助于专用刀具的快速交货,AMEC开发了Insta-Quote系统,这是一种在线报价软件包,可以实时提供产品报价和图纸。为了缩短加工周期、减少刀具库存,市场对多功能刀具的需求也很大。AMEC不断向市场推出孔加工解决方案及产品,如GEN3SYS高钻进率钻削系统、GEN2 T-A开放式钻头,以及最新开发的Revolution Drill,这是一种可调式IC钻头,其直径方向的最大调节量可达0.200",最大长径比为4.5。
大多数刀具制造商都注意到,能高精度加工不锈钢和超级合金的刀具有很大市场需求。为了满足这种需求,住友电工硬质合金公司(Sumitomo Electric Carbide Inc.)为其SMD可换齿冠钻头设计了多种新型钻尖,包括一种用于加工超级合金、采用特殊的切削刃制备方式和刀尖几何形状的钻尖。据该公司的Paul Ratzki介绍,加工超级合金的钻尖采用了耐磨性更好的硬质合金牌号和公司专有的DEX光滑涂层。由于不锈钢和超级合金通常粘度较大,不易切削,因此对钻尖切削刃的钝化处理程度较轻。DEX涂层是为了满足医用零件加工的严格要求而开发的,刀具的基体和涂层都必须符合人体健康的要求。另一种新开发的MTL-C钻尖用于铸铁加工。通过对钻尖切削刃进行钝化处理,最大限度地减少了加工铸铁时常见的崩刃现象。为了满足对较长钻头的需求,将钻体的长径比扩大到8,从而改善了钻头的深孔加工能力。由于SMD可转位硬质合金钻头采用了独特的锯齿状联接系统来联接钻尖与钻体,提高了钻头精度,因此其加工精度比传统的可转位刀片式钻头更高。该公司今后将提供更多整体硬质合金钻头,明年还将推出直径50mm以上的可转位钻头。
螺纹可以通过滚压、攻丝、铣制和磨制等工艺方法加工。
在攻丝加工时,直径比孔径稍大的丝锥被强力推进孔内,丝锥外圆周上的刀槽即可切出螺纹,加工的进行主要依赖于施加的扭矩。
在铣制螺纹时,直径小于孔径的铣刀以圆周运动与直线运动相结合的方式在孔壁上铣制出螺纹。
磨制螺纹仅限于加工高精度螺纹(如测微螺杆、滚珠丝杠副、机床主轴零件等)。对于硬度大于HRC50的工件材料,磨削可能是唯一可用的螺纹加工方法。
砂轮所用磨料从氧化铝到金刚石或CBN各不相同。UGT公司的圆柱产品分部为螺纹磨削加工提供了Studer数控螺纹磨床。虽然它是一种标准机床,但配备了用于磨削分配的专用软件。编程很简单,通过一次性设置,用户就能进行常规圆柱磨削和螺纹磨削。该软件可以计算螺纹牙型和修形程序,还能控制C轴。只需揿下按钮,即可生成标准螺纹牙型。

图3 LMT Fette公司的螺纹滚压装置可以快速形成外螺纹
LMT公司可以提供多种型号的螺纹滚压加工系统(包括轴向、径向和切向滚丝装置)。目前,这些滚丝装置的最大市场是加装在数控车床和加工中心上使用。与切制螺纹相比,用该装置滚制螺纹加工速度更快。T220F切向滚丝装置是最新开发的产品,可用于单轴和多轴螺纹车床以及数控车床上,其加工螺纹的规格范围是M2–M38螺纹长度,滚制一个螺纹的实际时间约为1秒钟。
许多螺纹加工都与紧固件有关,在直线传动装置、电子产品和输电设备零件的制造中也有大量高精度螺纹需要加工。例如,Drake制造服务公司可以提供成系列的内、外圆磨床,可用于磨制丝锥、蜗杆、齿轮、丝杠以及动力转向零件等。高精度蜗杆蜗轮副(质量符合DIN 2标准)要求齿廓和导程的偏差不超过几个微米,此类蜗轮副用于驱动第四轴定位工作台以及机床上的轴系、滚齿机上的自动偏心夹紧卡盘等,并越来越多地用于食品服务业的工业减速器齿轮箱,以及其他终端用户难以容忍齿轮噪声的场合。
Drake公司总裁James L. Vosmik指出,磨制螺纹的另一个不断增长的市场与小型电子装置(如iPods、黑莓手机、蜂窝电话、光盘驱动器、掌上电脑及类似装置)的加工有关。加工这些电子装置上的紧固件螺孔需要直径3mm或更小的丝锥。目前,加工这种丝锥的磨床由直线电机驱动,与通过滚珠丝杠传动的机床相比,允许采用更高的铲齿速度。加上采用机械手从每次可盛装300个以上工件的托盘上装卸工件,使无人看管的自动化加工成为可能。
螺纹加工的可选方式包括攻丝、铣制、磨削和冷滚成型。车削螺纹和攻丝通常是零件加工的最终工序,因此,对于复杂工件来说,由于报废成本太高,螺纹加工变得非常关键。
根据Advent Tool & Manufacturing公司Ross D. Wegryn-Jones的观点,由于目前的机床具有螺旋插补功能已相当普遍,因此在一些加工中铣制螺纹正逐渐取代攻丝。螺纹铣削既可采用整体硬质合金铣刀,也可采用可转位刀具。在加工材料较硬、加工周期较短、加工质量要求较高等攻丝容易出现问题的加工场合,采用螺纹铣削工艺具有优势。然而,当螺纹底孔较小、孔深较大时,螺纹铣削会变得十分困难。为解决这一难题,专门从事螺纹铣削加工的Advent Tool公司提供了多种刀具解决方案。
螺纹铣削所需的机床功率很小。但是,操作者必须清楚,铣削螺纹时,在工具系统、机床和夹具上会增加侧向负载压力。为了克服这种侧向负载,Advent Tool提供了多种解决方案,包括采用交错排列刀齿、减齿和多种螺旋槽设计。
Wegryn-Jones指出,当刀具或丝锥折断在工件中成为一个潜在问题时,螺纹铣制工艺的优势就显现出来,因为如果螺纹铣刀折断,比较容易从工件中取出。由于螺纹加工是工件的最终加工工序之一,此时工件本身的价值较高,因此这是铣制螺纹一个很大的优势。
在对标准螺纹进行典型的铣削加工时,螺纹铣刀的直径通常应为螺孔大径的75%。螺纹铣刀以每转动一周沿Z轴进给一个螺距的速率反复作圆周运动(顺铣),从而切制出螺纹。螺纹的配合精度等级取决于将能切出正确螺纹尺寸的正确铣刀直径输入控制器。控制器和程序员通过正确编制的加工代码和程序,就能确保加工顺利进行。

图4 Advent Tool公司的标准可转位刀体,采用楔形刀片锁紧设计,用于铣削内螺纹
根据不同的加工要求,Advent铣刀可以采用不同数量的刀片(图4)。例如,铣削直径152mm的孔可以采用一把带有30个刀片的大铣刀。如果对生产率要求不是太高的话,Advent还可以提供另一种只有几个刀片的小铣刀。这种较小的铣刀所需加工周期可能稍长一些,但可应用于更多的加工场合。
采用旋转刀具的螺纹成型加工通常是在一台单独的机床上进行,不过它也可以作为一种可选加工系统配备到某些常规机床上。在此类加工中(无论是加工内螺纹还是外螺纹),都是由工件向旋转的刀具移动进给,当旋转与进给的同步运动形成螺距时,刀具即可切制出螺纹。
由Leistritz公司机床部开发的另一种独具特色的螺纹成型方法称为“内旋法”。据该公司的Ralph Wehmann介绍,在“内旋法”加工中,单刃刀具既旋转又摆动。摆动量可在机床数控系统中编程设定,并通过螺纹数据计算出来。这种运动确保了刀具能在与螺纹的螺旋角垂直的方向切除工件材料。该系统可对具有大长径比的孔进行精密螺纹加工,因为刀具的主要支撑点正好位于切削处的后面。这种方法的加工精度可与内螺纹磨削加工媲美,同时其加工时间较短,加工周期较快。此外,它还可以改善表面光洁度,无需使用冷却液,并可在硬度达HRC63的钢件上加工螺纹。
“磨料水刀”孔加工工艺是Flow公司开发的一项重要技术,其应用才刚刚开始起步。据资深专家Steve Craigen介绍,该工艺非常适合在喷气发动机零件、复合材料、玻璃、薄陶瓷、硬金属等材料上钻削小孔,其应用市场正在不断扩大。

图5 Flow公司的“磨料水刀”孔加工系统在通常用于波音和空客飞机结构件的35mm厚碳纤维复合材料平板上进行斜角钻孔
该工艺在加工复合材料方面效果显著(图5),因为它不仅加工速度快,而且不会造成材料分层。由于喷气发动机零件表面为了热防护而涂覆有薄陶瓷涂层,与激光加工表面质量较差和放电加工速度较慢相比,“水刀”钻削在这两方面均具有优势。存在的主要问题是钻削蜂窝材料或仅有一侧需要钻削的情况。在这种情况下,“水刀”并不是完成加工任务的正确刀具选择。高级技术副总裁Mohamed Hashish介绍说,Flow公司为这些加工开发了真空辅助工艺,事实证明,该辅助工艺对于在敏感材料上钻孔可起到关键作用。在启动水刀加工前,首先用一个外部真空源将磨料吸进切削头,以确保工件材料不会受到纯水流的冲击而造成复合材料分层或玻璃材料碎裂。
航空工业的一种典型加工是在厚度仅为1-2mm的碳纤维喷气发动机机舱壁上钻孔。由于需要钻孔的数量庞大(数十万个),因此要求钻削过程必须很快。采用“水刀”钻削可以达到每孔不到1秒钟的加工速度。不过,流体喷射的启动与停止技术是一个仍需开发的领域,因为它对于确定钻孔周期起着重要作用。目前,据说Flow水刀系统的加工速度已超过机械式钻孔,并正向激光钻孔的速度发起挑战。
由于磨料的价格越来越昂贵,因此现在应该认真考虑如何更高效地使用磨料以及可能的回收方法。好在钻孔并不需要太多磨料,例如,在常规切削(不是钻孔)时,一台加工系统每分钟大约要用1磅磨料,而对于小孔钻削而言,需要的磨料仅为每分钟约0.15磅。
Agie Charmilles公司推出了两种钻孔机床——Drill 11和一台为线切割放电加工钻削预孔的机床。Drill 11是一种用于在硬材料(如淬硬钢或硬质合金)工件上钻孔的专用机床,钻削孔径范围为0.3-3.0mm,转孔深度可达200mm。利用其三轴数控系统,可对各种直径的孔进行加工编程,以实现全自动加工。机床工作台尺寸为400mm×300mm,工作行程为300mm×200mm×300mm,其多点钻削功能和一体化转轴使其可在多个位置自动进行电蚀钻孔加工。使用一种可选购的微钻,可加工小至0.1mm的电极。
为满足加工孔径更小、加工精度更高的双重要求,Agie公司为现有的放电加工机床开发了一种小孔加工工具包,它有一个专用电极导向系统,可以采用0.05mm的电极加工直径0.06mm的小孔。此外,Agie公司还可为用户提供显微镜附件,将其安装在放电加工机床主轴上,可以对小孔的质量进行精确检测。
激光加工在孔加工市场具有其独特作用,它在航空涡轮发动机行业特别受欢迎。对冷涡轮发动机的需求产生了巨大的孔加工市场。这些发动机通常需要在高于制造发动机材料熔点的温度下运转,为了正常运转,发动机依赖于复杂的冷却系统。例如,新型联合攻击战斗机(JSF)的发动机上有超过200万个孔,大部分是用100-250W的Nd∶YAG激光钻削的。
Laserdyne公司副总裁Mark Barry指出,孔径尺寸仍然是一种挑战,在某些情况下,新设计的零件孔要求直径小至0.025mm。此外,对于小型喷气发动机的空前需求也推动了激光在孔加工中的应用。这些新规划中发动机的庞大数量使自动化加工必不可少,生产速度已不再由操作者来决定。被加工孔的尺寸和位置正变得越来越复杂。在以前的设计中,冷却孔通常是圆形的,可用一种固定方式进行加工。但分析显示,非圆形孔和不规则的开孔模式可以实现更有效的冷却。因此不再要求制造工程师将孔加工到某一直径,而是要求通过特定的零件来产生流速,需要通过在工件上进行流动试验来确定流速,然后再由计算机来确定孔的尺寸、形状和位置。利用最新的激光钻孔技术,目前可将冷却液的流量误差控制在额定流量的±2%-3%。

图6 Tapmatic公司设计的自反转攻丝装置可避免主轴反转,使机床能连续运转加工
为了有利于保持发动机的温度不会升高,许多零件都用隔热涂层(TBC)加以保护,这可能会使钻削加工变得更加困难。为了应对这种挑战,Tapmatic公司采用一个自反转攻丝装置来避免主轴反转退刀(图6),从而使机床能按正确设定的速度连续运转,这种加工方式消耗的动力(功率)只相当于机床主轴需要反转退刀时的1/4。
据Tapmatic公司总裁Mark Johnson介绍,该公司为高效数控攻丝加工最新开发的自反转、恒速攻丝装置(CST)可以缩短加工周期、提高丝锥寿命,因为在切削过程中丝锥无需减速。由于机床主轴无需反转,因此也无需减速,避免了机床主轴因反转而引起的磨损,并可使攻丝的功率消耗降低75%。
在对生产率要求不太高的情况下,刚性攻丝是应用最广泛的攻丝方法。Tapmatic公司推出了采用刚性攻丝技术的SynchroFlex系列产品。Johnson解释说,采用这些产品可确保丝锥寿命提高一倍以上,并可提高螺纹质量,由于减少了更换丝锥的次数,从而缩短了辅助工时。为刚性攻丝开发的系列产品包括CAPTO柄、CAT柄、BT柄和直柄刀具,以及采用热装夹头、TG夹头、快换夹头和ER套筒夹头的丝锥夹持系统。
Tapmatic公司的CST和SynchroFlex刀具均可通过主轴提供最小量润滑(MQL)。该公司还可为近干切削提供Dry-Cut MLQ润滑剂,使用这种可降解的微量润滑剂可以替代浇注冷却液,并可节省废液处理费用。
在最极端的情况下,已有可能在人的头发丝上钻出直径为30µm的小孔。说得更实际一些,已有可能在钛合金零件的倾斜表面上钻出直径0.1mm、深度0.9mm的孔。
然而,在使用微型钻头加工时,有一些参数是必须考虑但常常被忽略的。一个参数是主轴径跳,粗而短的钻头比细而长的钻头对主轴径跳更不敏感;其他参数包括主轴的谐振、Z轴的精度和主轴的刚性。
在普通机床或数控机床上,钻削深度达到孔径的15倍是可能的。可以采用两步加工法:先用浅孔定心钻加工,再用加长钻加工。例如,在非金属材料或塑料上,钻削深度可达到孔径的23倍。
如今,刀具供应商已经开发了许多刀具产品系列,每一种都有其特定用途。有一种三槽钻头,虽然并非全新设计的产品,但由于它能承受较大的扭矩,因此在加工轻型材料时可以实现很高的材料去除率。在加工大长径比的孔时,三槽钻头比标准的二槽钻头性能更佳。
关于钻尖几何形状,已有数百种设计方案。最理想的方法是针对每种特定的加工条件设计最优加工方案,而不是试图用一种加工方案去解决所有的加工问题。
在钟表行业,需要攻丝的孔径小到0.35mm,需要在采用精密电主轴的高精度机床上用刚性丝锥加工,这种孔通常采用“啄击”攻丝方式。
可以证明,在各种螺纹加工方式中,攻丝的效率最高。丝锥能以很短的加工周期加工出螺纹,并获得一致的加工质量和较长的刀具寿命。通过对丝锥的退刀槽、倒锥、螺纹长度和排屑槽型等的独特设计,可以获得很高的加工速度。Emuge公司开发的全速丝锥可以在现代数控机床进行高速攻丝。如果攻丝时间每小时缩短10分钟(机床费用为每小时150美元),则每年可以节省12.5万美元,机床加工能力将提高833小时。
根据加工需要,螺纹铣削也是螺纹加工的一种非常不错的选择。设计的螺纹铣刀具有高的切削速度和进给量,加工出的螺纹具有良好的廓形、表面光洁度和尺寸精度,通过对螺纹深度和位置的严格控制,可以保证最优化的螺纹精度,螺纹铣削的优势还包括能加工难加工材料、可避免丝锥折断在工件内,以及形成易于控制的细小切屑。
本文作者:胡红兵(编译)
原载:《工具展望》2008年第5期
上载于:2011-1-20 15:27:57

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