可换钻尖式钻头的优势
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可更换硬质合金钻尖的钻头可以提供更高的生产率、灵活性、加工精度和经济性。


图1 英格索尔刀具公司的Qwik-Twist可换钻尖式钻头采用螺旋卡紧系统紧固钻尖
孔的加工方式五花八门:钻孔、铣孔、放电加工、激光打孔、冲孔,等等。钻孔是最常见的孔加工方法,它本身又包括了对不同刀具材料和钻头结构的选择。
在许多情况下,具有硬质合金切削刃的钻头可以提高孔加工效率。尽管整体硬质合金钻头可以提供极好的加工精度和很长的刀具寿命,但此类刀具也可能非常昂贵(取决于刀具直径)。这种钻头磨损后,必须进行重磨。采用钢制钻杆和硬质合金可转位刀片的钻头价格比整体硬质合金钻头便宜,而且切削刃磨损后可以简单地对刀片进行转位。然而,可转位刀片式钻头通常并不能提供整体硬质合金钻头那样高的加工精度。硬质合金刀片式扁钻也采用了经济性较好的钢制刀体,但却无法提供复杂的钻尖和排屑槽几何形状。
可更换硬质合金钻尖的钻头则可能是一种具有更高的生产率、加工精度和经济性的孔加工选择。这种钻头可以像整体硬质合金钻头那样具有复杂的钻尖和切削刃几何形状,并将钻尖安装在钢制刀体上。钻尖可以采用多种紧固方式,如外部或内部螺钉锁紧、简便的旋转卡紧系统等(图1)。一般来说,这种钻头加工的孔径尺寸范围约为7.6-35mm。如果用于加工更小的孔,可换式钻尖可能会变得很难操作;如果用于加工更大的孔,钻尖的成本则可能变得过于昂贵。尤其对于尺寸较大(直径13-35mm)的可换钻尖式钻头,钻尖与刀体合在一起的成本要低于相同直径的整体硬质合金钻头。而对于尺寸较小的可换钻尖式钻头,其零件制造成本可能会使钻头价格升高,接近相同直径整体硬质合金钻头的价格。不过,所有可换钻尖式钻头都能通过快速更换切削头而提高生产率(根据不同的钻头设计,更换下来的钻尖或者回收再利用,或者重新刃磨)。更换钻尖的便捷性最大限度地减少了换刀造成的加工中断。此外,由于一根钻杆可以适配多种直径的钻尖,因此可以减少刀具库存量。
如何在几种不同的硬质合金切削刃钻头中选择合适的刀具,要取决于用户希望达到的加工目的。肯纳公司产品经理Chet Parzick认为,“整体硬质合金钻头能加工出直线度和尺寸精度很高的孔。如果对孔的精度要求不是特别高(比如说±0.13mm以内),选用可转位刀片式钻头可能比较合适。”然而,如果用户希望保持较小的尺寸公差,或许还想省去二次加工(如铰削),最佳选择可能就是可换钻尖式钻头,这种钻头非常适合介于整体硬质合金钻头与可转位刀片式钻头适用范围之间的加工。

弥补差距

提高进给率水平是利用可换钻尖式钻头来弥补整体硬质合金钻头与可转位刀片式钻头之间差距的一个方面。由于可转位钻头的刀片切削路径相互重叠,因此,此类钻头处理大进给率加工的能力被局限在本质上是单个切削刃的加工水平上。与整体硬质合金钻头一样,可换钻尖式钻头也有两个分离的切削刃参与切削,因此,其进给率最少可以加快一倍。

图2 从左到右分别为山高刀具公司的可转位刀片式钻头(perfoMax)、整体硬质合金钻头(feedMax)和可换钻尖式钻头(Crownloc)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

山高刀具公司孔加工产品经理Thomas Sandrud补充说,在常规钻削条件下,增大进给量是提高生产率的首选方式,“只要有可能,我们宁愿优先改变进给率而不是切削速度,因为进给率通常对刀具寿命影响最小,并且容易实现最低的每孔加工成本。”
Sandrud说,切削速度与刀具寿命之间并不是线性关系,而是呈指数曲线关系,“如果在推荐的加工参数基础上提高切削速度,比如说提高20%,那么在加工钢件时,刀具寿命实际上可能会缩短50%。”因为较高的切削速度会增大刀具与工件的摩擦,产生更多的切削热。
Sandrud指出,可转位刀片式钻头的设计会影响孔的加工精度,因为这种刀具相互重叠的可转位刀片会形成不对称的钻尖。他说,“为了将钻头在孔的入口处的加工偏差减至最小,就需要平衡外围刀片与中心刀片的切向力。”通过平衡这些切削力,可以减小孔的尺寸公差,尽管可转位刀片式钻头被认为是一种粗加工刀具。另一方面,可换钻尖式钻头的两个切削刃则是对称的,由于这种钻头可以加工出精度更高的孔,因此更多地被用于半精加工和精加工。
孔的尺寸精度和形位误差取决于许多因素,包括钻头长度、加工条件和工件材料等。Sandrud介绍说,在常规加工条件下,山高刀具公司的feedMax整体硬质合金钻头通常可以达到Ra1μm的表面粗糙度和0.02mm的定位精度,而该公司的Crownloc可换钻尖式钻头可以达到Ra1.6μm的表面粗糙度和0.05mm的定位精度。
住友电工硬质合金公司的设计副经理Rich Maton认为,可换钻尖式钻头与整体硬质合金钻头的加工精度大致处于同一水平。与可转位刀片式钻头通常为±0.13mm的加工精度相比,该公司的SMD可换钻尖式钻头在大多数情况下可以保持±0.05mm的加工精度,而整体硬质合金钻头的加工精度通常为±0.025mm。
与相同规格整体硬质合金钻头的刀体相比,可换钻尖式钻头的钢制刀体刚性要稍差一些。英格索尔刀具公司孔加工部门产品经理Bob Jennings认为,实际上,这种钻头兼具了其他钻头的长处:既具有整体硬质合金钻头的耐磨性和高生产率优势,又在某种程度上对装夹误差要求更为宽松。装夹误差的典型例子包括:夹具存在缺陷,工件本身缺乏刚性,或机床主轴存在径向跳动。如果装夹不正确,高硬度、高刚性的整体硬质合金钻头就有可能折断或崩刃。而用可换钻尖式钻头加工时,装夹误差或径向跳动可能会影响孔的尺寸精度,但却不容易造成钻头折断。例如,在硬度为HRC32的合金钢曲轴上钻削孔径为19mm、孔深为32mm的盲孔时,整体硬质合金钻头以76m/min的切削速度和0.36mm/r的进给率进行加工,每个切削刃在因崩刃并最终破损而失效前,可以加工2,000个孔。而用英格索尔公司的Qwik-Twist可换钻尖式钻头以相同的切削参数进行钻削时,在更换钻尖前共加工了10,000个孔。钻头的失效模式为后刀面渐进磨损,这种失效模式使孔壁光洁度更为均匀一致。

图3 用合机械工程公司的GEN3SYS钻头(直径17mm)在1E0018灰铸铁工件上钻削加工深度为115mm的通孔(切削速度1,400r/min,进给率380mm/min)

节省加工成本

Jennings指出,使用可换钻尖式钻头节省的成本不仅仅是重磨费用本身。重磨钻头时,钻头的“流动”成本也相当可观,“你可能需要2-3支钻头用于加工,还要2-3支钻头备用,然后,你可能还必须有4支钻头正在重磨,另外还要有4支钻头在重磨服务商送回车间的路上。”
联合机械与工程公司的现场销售工程师Mark Stevens认为,可采用高进给率的可换钻尖式钻头(如该公司的GEN3SYS钻头)非常符合现在用户的加工需求(图3)。GEN3SYS钻头采用了该公司专有的AM200多层涂层和一个可以提高重复性、减小径向跳动的定位垫。他说,“在经济低迷时期,加工车间都在寻找降低每孔加工成本的最佳方式。与整体硬质合金钻头相比,可换钻尖式钻头可以通过提高生产率和降低刀具成本两方面来节约加工成本。”
Stevens说,可换钻尖式钻头比整体硬质合金钻头便宜,一支直径15-20mm、可加工7倍孔径深度的整体硬质合金钻头价格约为600美元,而一支可加工相同规格孔的GEN3SYS钻头的刀体价格约为250美元,钻尖价格约为75-90美元。
Quality Metal Products公司主要生产材质为钢、可锻铸铁和灰铸铁的弯头、支架和接头。负责购买刀具和管理车间CNC数控机床加工的Rob Lemons和Tim Swise表示,该公司的大部分钻削加工需要用孔径达38mm的钻头加工深度为10倍孔径的孔。他们之所以选用GEN3SYS钻头,是因为能满足加工要求的大长度整体硬质合金钻头价格非常昂贵,而可换钻尖式钻头则便宜得多,而且能获得更长的刀具寿命,提高切削速度和进给率。Swise说,更换整个钻尖只需要几秒钟,而且不需要重设刀具补偿量,因为新换的钻尖与机床编程时设定的初始长度总是能精确匹配。最终,与需要重磨重涂的整体硬质合金钻头相比,可换钻尖式钻头更具优势,因为在生产环境下,无论刀具重磨业务是否外包,加工车间都需要配备大量钻头。

图4 用肯纳公司的Ken-Tip钻头材料为1060钢的轴承座圈上钻孔(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

生产加工优势

英格索尔公司的Jennings说,每次更换钻尖后,可换钻尖式钻头的切削刃、长度和背锥度都与新钻头完全相同。因此,这种钻头在生产加工中的一致性非常好,“一旦设定了加工流程,比如说,每加工800个或1,000个孔更换一次钻尖,就可以指望每次换钻尖后都能获得相同的切削性能。而用整体硬质合金钻头加工时,有时初次使用的新钻头可以加工500个或800个孔,但送去重磨和重涂后,再次使用时能加工的孔数可能就会减少一些。”
对使用可换钻尖式钻头有利于生产加工的观点,肯纳公司的销售工程师Joe Pacileo表示赞同。他举了一个用这种钻头进行大批量钻削加工的例子。肯纳的客户Meadville Forging公司是一家汽车轴承零件制造商。在生产高峰期,其加工车间每年要用肯纳提供的Ken-Tips可换钻尖式钻头在1060汽车轴承钢上加工50万个深度为12.5mm、孔径分别为9mm、9.7mm和12.6mm的孔(图4)。该公司技术主管Michael Rhoades说,“与以前使用的整体硬质合金钻头相比,Ken-Tip钻头在生产中换刀速度更快,因为不需要对刀具重新进行触测和预调。”这种钻头能以比整体硬质合金钻头高得多的金属去除率进行加工,并且“钻尖的硬质合金材料似乎比一般的硬质合金更耐磨,因此,我们可以提高进给率和切削速度,同时还能加工更多的孔。在经济性上,比使用整体硬质合金钻头更划算。”他补充说,一个可换钻尖的成本与钻头重磨的成本相当或略高,但明显要比一支新的整体硬质合金钻头便宜得多。
图5 住友电工SMD钻头的MTL型钻尖(左)和MEL型钻尖(右)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

提高加工灵活性

住友电工的Maton介绍说,除了在生产加工中具有优势以外,可换钻尖式钻头对于小批量加工车间也非常适用,“假如加工车间需要钻削5种不同尺寸的孔,就可以采用可换钻尖式钻头,因为它用同一个刀体可能就能加工出2-3种不同的孔径。”
在可换钻尖式钻头的刀体上,可以根据特定的被加工材料,配装专门设计的、具有不同几何形状的钻尖,从而进一步提高了加工灵活性和生产率。例如,在住友电工为其SMD钻头开发的专用钻尖几何形状中,MTL型钻尖(图5左)是为加工钢件和普通加工设计的;而MEL型钻尖(图5右)则是为在不锈钢和高温合金材料上进行自由度更大的钻削而设计的。
MTL型钻尖的特点是采用了具有很高硬度和耐磨性的基体,并对切削刃进行了强化处理(根据不同的钻头直径,制备出宽度为0.08-0.13mm的T型倒棱)。而MEL型钻尖则具有较锋利的切削刃,以实现对高温合金材料的剪切加工,与MTL型钻尖相比,它的基体材料韧性更好,使切削刃不易碎裂。MEL型钻尖还具有0.1mm/1cm的背锥度,与之相比,MTL型钻尖的背锥度则为0.03-0.04mm/1cm。Maton解释说,“高温合金材料在钻削时往往会发生膨胀,钻尖采用较大的背锥度可以获得较好的表面光洁度,而且在钻头退出孔中时不会在孔壁上留下退刀痕。”含硅和铬的新型DEX涂层可以提高钻尖的耐磨性和抗崩刃、抗积屑瘤能力,使SMD可换钻尖式钻头能以更高的切削速度和进给率进行加工。Maton说,“4340型SMD钻头以100m/min的切削速度和0.35mm/r的进给率进行钻削加工已十分常见。”
肯纳公司的HPL型和HPC型钻尖结构是为不同加工目的而专门设计可更换钻尖几何形状的另一个例子。HPL型钻尖用于钻削加工奥氏体不锈钢,可将钻尖的双切削刃产生的两股切屑折断为更小的碎屑。而HPC型钻尖用于加工铸铁材料,经过倒棱处理的顶角可最大限度地防止钻尖破损,为了引导钻头平稳钻进,将钻尖上的棱带数增加了一倍。肯纳公司的Parzick介绍说,“铸铁不是一种质地均匀的材料,钻削时钻头极易发生晃动,由于这种钻尖有4条棱带,因此钻削时稳定性更好,钻出的孔直线度也更高。”
山高刀具公司的Sandrud介绍说,该公司的Crownloc系列可换钻尖式钻头具有各种不同的外形和特殊的截形,有的甚至在钻尖上设计了台阶,用于加工倒棱斜面,而通常这种台阶都设置在刀体上。可专门定货的“N”型钻尖采用了低摩擦金刚石涂层,可优化铝合金的钻削加工。
没有哪一种孔加工刀具适合每一种加工任务或每一个车间的加工流程。然而,在被加工孔径和生产条件与可换钻尖式钻头的加工能力匹配时,使用这种刀具能够使生产车间的孔加工在生产率和经济性上一举两得。

图6 肯纳公司的KSEM-PLUS可位刀片式/可换钻尖式混合型钻头(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

链接:用于大批量加工的混合型钻头

2009年春季,肯纳公司推出一种可转位刀片式/可换钻尖式混合型钻头——KSEM-PLUS钻头(图6)。这种钻头与可换钻尖式钻头一样,有一个钢制刀体和可分离的切削头。不过,这种切削头用钢制成,其上夹持了中心定位的、有两个切削刃的KSEMP钻尖(与肯纳的KSEM可换钻尖式钻头类似)。钻尖的侧面有两个DFT D型可转位三角形刀片,它能有效延长钻头的切削刃长度,并钻削更大直径的孔。据肯纳公司介绍,这种中心定位式钻尖可以提供很高的进给率和定心能力,位于外周的刀片有利于切屑控制,并能获得较高的切削速度。其结果是,与其他可换钻尖式钻头相比,这种混合型钻头既能达到更高的切削速度,同时又能提供类似的进给能力。
KSEM-PLUS钻头可加工的孔径范围为30-70mm。在该区间的高端(孔径较大时),这种KSEM钻尖与三角形刀片的组合比大直径可换式硬质合金钻尖经济性更好。外周刀片是可转位的,可以降低刀具成本,并能保持与机床主轴上刀具快速更换的能力。切削头通过一个“柔性钻削系统”联接到刀体上,该系统采用2个互成角度、可径向移动的锁紧螺钉实现联接。据肯纳公司介绍,KSEM-PLUS系统的设计理念源于热交换行业的加工需求,在该行业中,大批量钻孔加工的生产率和经济性至关重要。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2010年第4期
上载于:2011-12-5 21:42:39

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