国内外孔加工刀具发展概况研究(2)
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孔加工在金属切削加工中占有重要地位,近些年来,随着中、小批量生产越来越要求生产的高效率、自动化以及加工中心的飞跃发展与普及,也促进了孔加工刀具技术有所发展。
请参见:国内外孔加工刀具发展概况研究(1)

2.硬质合金孔加工刀具

2.1微型硬质合金整体钻头的发展
随着宇航、电子工业、轻工业及医疗器械的发展,促进了整体硬质合金小钻头的发展。微孔钻削常要求具备高达(1~12)×104r/min的转速。为了提高钻头刚性,这种小钻头多采用韧性高、抗弯强度高的细颗粒的硬质合金材料制成。在结构上,小于f1mm的钻头常制成粗柄的,而直径稍大些的,则制成短型整体硬质合金钻头。整体硬质合金小钻头使用时应注意消振、对中、排屑及冷却问题,一般应采用传感器进行监控。如美国麻省理工学院就研制了整体硬质合金小钻头的同位素监控方法。
日本东芝钨株式会社的小直径钻头分为UH(f0.1~0.3mm)、RH(f0.3~1.65mm)、COS(f1~6mm)三种系列。苏联BHNN也研制了f0.4~2mm的粗柄硬质合金钻头,比同种规格的高速钢钻头寿命提高100倍。试验说明,用f0.8~8mm的直柄硬质合金钻头加工难加工材料和耐热合金材料,效果很好。美国Amplx公司发展了电镀金刚石整体小钻头系列产品,可钻削f0.13~0.51mm的小孔。据国外报导,最小的整体硬质合金钻头直径为f0.02~0.03mm。
随着印刷电路板向小型、轻型、高密度和高可靠性的要求发展和其用量的日趋扩大,孔的精度也越来越高,孔径越来越小,孔的分布密度越来越大,这样就给这些印刷电路板的微孔加工带来各种困难。作为印刷电路板专用钻头,钻头的材料和形状也要随印刷电路板的种类和孔的深度而改变,一般说来,纸、酚醛树脂印刷电路板或玻璃纤维、环氧树脂印刷电路板切削性能较好,而表面附有铜层的材料对切削性能影响较大。在多层板的情况下,印刷电路板内部有铜层,一般说来,表面铜层的厚度为18~35µm,内部铜层的厚度为35~70µm。这种铜层对钻头的磨损和折损有很大的影响,铜层越厚,钻头折损率就越高。因而加工多层板要比加工两面附铜板的切削用量小,特别是钻头的直径越小时,为减少钻头的折损,常用改变钻芯厚度和钻槽的比值来增加钻头的横截面积,以提高钻头的刚性。最近开发了新型的MD类硬质合金可以减小钻孔时的摩擦,即减少污斑现象,并具有良好的耐磨性和较长的寿命,因此能适应印刷电路板的高速、高效生产的需要。
2.2中等尺寸硬质合金钻头
2.2.1三刃整体硬质合金钻头
三刃整体硬质合金钻头特点是:
  1. 比二刃钻头钻芯厚、强度高,从而补偿了硬质合金韧性差的弱点;
  2. 刀尖前端形成特殊形状,切削时可自动定心,故不需加工中心孔;
  3. 因刃多使每转进给量增大(切铝时可达20m/min),又可进行高速切削(切铝时最高可达1000m/min),从而可大幅度缩短加工时间;
  4. 加工精度高,尺寸精度达H9,位置精度为±0.011mm,粗糙度Rz为20-25µm;
  5. 寿命长:加工合金钢、铸铁和铝合金可分别为20m和80m;
  6. 重磨容易,不需专门刃磨机。这种钻头适于加工孔深为3D~4D的下列材料的孔:低合金、钛合金、奥氏体锰钢、硬青铜、高硬度铸铁及硅铝合金等。加工奥氏体锰钢及钛合金时,其切削速度可达40m/min,加工铝合金切削速度为130m/min。
  7. 这种钻头要求机床刚性好,尤其是机床主轴轴承精度和钻夹回转精度必须高。因此,一般用于数控机床或加工中心等。德国Bilz公司、Hertel公司、Guehring公司和ILIX公司首先推出这种钻头,继之日本菱高精机株式会社也有产品问世。Bilz规格为f4~20mm,Hertel称为TF钻头,规格为f3~20mm,Guehring的GS200型规格为f3~20mm(分左右两种旋向),ILIX的规格为f2~16mm。
TF钻头SE钻头マルチ钻头新钻尖钻头
图6四种中等尺寸硬质合金钻头

2.2.2 S型硬质合金钻头
这种钻头瑞典Sandvik称为Delta-C钻头,直径为f3~12.7mm;日本井田株式会社称为Diget钻头;德国Hertel称为SE钻头,直径范围为f3~20mm。这种钻头的特点是经过修磨使得横刃缩短,轴向力减少50%;钻芯附近前角为正值,因此切削锋利;槽形为抛物线型,芯厚度大,刚性强;有两个喷油冷却孔,冷却条件好;圆弧形切削刃和排屑槽形布置合理,便于切屑断裂成小块顺利排出。适于加工难加工材料、高温合金、铬镍铁合金(Inconel合金)材料等。一般常用钻孔深度为3.5D。这种钻头加工精度为IT9,粗糙度为Ra1~2μm。使用时应保持钻头中心与机床主轴同心度不得大于0.03μm。由于速度比较高,产生热量大,应充分冷却。
2.2.3强力硬质合金钻头
日本住友电气株式会社和三菱金属株式会社均生产这种钻头,前者称为マルチ钻头,后者称为リツチカド钻头。规格为f4~18mm。分为标准型与短型两种。标准型适于加工深度为3D~4D的孔,短型适于加工深度为1.5D的孔。该钻头可补充可转位与焊接式钻头之间µ的空档代替高速钢麻花钻,钻头强度取决于芯厚与沟背比。标准麻花钻的芯厚为直径的15%~23%,沟背比为(1~1.3):1,而强力钻头的芯厚为直径的30%,沟背比为0.5:1,因此,使截面积增加了约30%,抗弯强度、扭转强度也相应地提高了约2倍。此外,由于控制横刃,钻头的横刃几乎为零,中心部分有前角。为了进一步减少切削力,把切削刃做成圆弧刃,径向前角为正值,而扭矩几乎不变。采用圆弧切削刃与钻头沟槽位置配合很好,使切屑成小圆弧形状,容易折断,排屑流畅,但必须采用耐磨性和强度都比较高的硬质合金材料。这种钻头生产率为高速钢麻花钻的3~5倍。直径越小,提高幅度越大,而直径小于f16mm时,效果更显著。但切削刃对称性应严格控制在0.02mm,孔加工精度为:扩张量不大于30µm,表面粗糙度对于钢和铸铁为Ra25~40µm,寿命比高速钢钻头提高10倍。
2.2.4无横刃焊接式硬质合金钻头
日本三菱金属株式会社、歧阜金属株式会社生产这种被称为新钻尖钻头的产品,规格为f9.5~30.5mm,用于加工孔深小于5D的孔。该钻头的特点是:轴向力小,生产率为高速钢钻头的5~10倍,切削速度为高速钢的6倍,进给量为1.5倍,孔的扩大量不超过40µm。进给量大于0.2mm/r时,切屑更为细小。以新钻尖钻头与其他镶硬质合金刀片钻头作比较,能观察出当工件硬度增加时,新钻尖钻头的平均轴向推力和主轴功率方面比其他镶硬质合金刀片钻头增加较小,工件硬度从66HRB增加到104HRB时,新钻尖钻头的平均轴向推力增加了25%,而其他镶硬质合金刀片钻头轴向推力则要增加63%~97%。2.3 可转位硬质合金钻头
可转位硬质合金钻头在世界上比较盛行,各国在结构形式、刀片形状上各有千秋,使用范围大多在f16~170mm左右,切削的孔深多数为3D以下(浅孔钻),特殊的达8D(深孔钻)。这种钻头效率高于麻花钻3~10倍,采用TiC涂层后切削速度可达300m/min。近期对于大尺寸的可转位硬质合金钻头,发展为刀垫式,这样刀体可多次使用,以德国Hertel公司、Walter公司、Komet公司、Bilz公司、瑞典Sandvik公司等为代表。
2.3.1硬质合金可转位浅孔钻
对于直径大于f12mm、孔深小于3D的孔,目前国际上已广泛采用硬质合金可转位刀片制成浅孔钻。这种钻头不仅具有高切削性能,而且无需重磨钻尖。只要更换刀片,钻头体可长期使用。所以很受欢迎,已成为数控钻床和加工中心上的常用钻头。钻前也无须在工件上预钻中心孔,具有自定心能力。瑞典Sandvik公司提供的T-MAXU浅孔钻,其尺寸范围为f17.5~58mm。德国Hertel公司提供的Drill-Fix浅孔钻,其尺寸范围为f16~82mm;德国KOMET公司提供的ABS-KUB浅孔钻,可扩大到f12~82;德国WIDIA公司提供的WIDAXBW浅孔钻,又可扩大到f12~105mm,而且三家德国公司的浅孔钻均制有冷却液的注入孔,Hertel公司和KOMET公司的产品出屑槽又为螺旋形,对排屑极为有利。这种钻头具有很高的金属切除率,对普通碳钢的钻削速度达120~150m/min,且具有很高的刚性。另外,德国WIDIA公司还提供可转位的浅孔套料钻(一般的最大孔深为3D,特殊的最大孔深为5D),尺寸范围为f65~400mm。
日本东芝钨株式会社生产的TDJ型TAC浅孔钻,品种有8种,可以加工孔径小于f18mm的深度小于2D的孔,钻杆直径为f25mm。其结构为机夹可转位式,具有内刃与外刃两个刃口。该钻头已向焊接式切钢钻头加工领域扩展,钻头直径为f14~175mm。

图7 HTS系统

2.3.2硬质合金可转位深孔钻
60年代末以来,钻削实心孔的可转位刀片钻头日益增多地出现在市场上。在一般情况下,市场上都能购买到加工大于f15mm孔径的钻头。但是,现有各种可转位刀片钻头大多数不能满足加工孔深大于3D的孔,其主要问题是钻头的刚性较差。德国Hertel公司的HTS-C是一种新型的孔加工刀具。他们所研制的深孔钻头可用在车床、加工中心和钻床上,钻头在使用时可旋转也可不旋转。装有硬质合金的HTS-C钻头可采用较高的切削速度,从而较大地减少切削时间。这种钻头主要用来加工直径在f20~45mm范围内的铸铁件和铝件,钻孔深度可达到8D。HTS-C钻头是由可拆卸的导向钻头和装有硬质合金可转位刀片的刀头以及螺旋排屑槽刀体三部分所组成。导向钻头在该刀具的结构系统中所起着重要作用,其功能是对刀具导向和钻削孔的中心部分。由于该钻头设计独持,加工深孔时稳定性好,精度高。同时该钻头可任意安装在不同直径的钻柄上使用,有安装方便、重复定位好、调节直径大等特点。
大尺寸的可转位硬质合金深孔钻,则属于HTS系统。该钻削系统,有一个带4个可转位式刀片和小导向钻,使用4个可转位式刀片的原因,一是能自动定心,二是能够获得高速切削能力。这个导向钻,甚至在深度为4D~10D的情况下,都能使钻削头定心。钻削头带有内、外两个刀垫,刀垫上再安装凸三边形可转位式刀片(也可用涂层刀片)冷却液流经钻削头和导向钻,冷却液压力分级可调,以便改善排屑效果。这种钻削系统的尺寸系列是从f45~170mm,中间有20种钻削头,并有一系列减细、加长接合件和柄部结构。
HTS和HTS-C两种钻头的共同特点是中心装有高速钢钻头,起导向作用,切削速度可达60~120m/min。
2.3.3T-MAX钻削头
T-MAX是瑞典Sandvik公司的钻头牌号,此类钻头带有可转位刀片。T-MAX钻削头用于加工f65mm以上的孔,既适合于喷射钻又适合于单管系统。而套料钻是例外,只能在单管系统上使用。
钻削头主体由韧性较高的钢制成,带有较大沟槽以有效排屑。支承垫座和刀片座都经精确加工。主体带有方形外螺纹,可用来固定在钻管上。该螺纹通常是多头的,螺距很大,可使螺纹结合部分的压力和扭矩分配均匀,还可避免使用中出现螺纹咬死现象。如果钻削头和钻管的螺纹不同,可用一个接头来加以配合。
每个钻削头配有二块支承垫,支承垫为钢制的,有四种尺寸,垫上焊有二条硬质合金。支承垫是圆弧形的,固定在钻头主体的径向座子上,支承垫用螺丝和螺旋弹簧固定,可以调换。支承垫的设计已取得专利,它可在座子里转动以适合加工孔的直径。刀片座有三种不同的设计(每种都适用于二种尺寸的刀片):中心部分、中间部分和外缘部分刀片座(取决于钻头)。刀片座由淬火工具钢制造,适用于T-MAX,T-MAXS和T-MAXP型。可转位刀片是标准的T-MAX,T-MAXS和T-MAXP,用压板或杠杆可靠地固定在刀片座上。

图8 T-MAX钻削头
用不同的刀片座组合起来,可以加工不同的孔径和切削深度。所有的刀片座都带有硬质合金衬垫。刀片类型不同,断屑方式也不同,有的用可拆卸断屑台,有的用烧结在刀片上的断屑槽。进给力集中在钻头中心附近。刀片的切削刃均匀分布在钻头中心二侧,因此切削力可相互平衡,减少了支承垫上的压力和摩擦引起的功率损耗。
T-MAX钻削头有以下几种类型:
  1. T-MAX实心孔钻削头,加工直径f65mm以上:
    使用T-MAX钻削头可供喷射钻和单管钻削系统使用,可在均质材料上一次加工出整个孔,并带有较大沟槽以利于排屑。切削刀片分布合理,能控制切屑尺寸,并使切削力得到较好平衡。支承垫可自动调节,并配有不同规格以适应不同的直径。
  2. T-MAX套料钻削头,加工直径f120mm以上:
    标准尺寸的T-MAX套料钻削头,其设计功能就象单管系统,常用来加工f120mm以上的大孔。进行套料的原因,是加工此类大孔时,有时因机床功率限制,有时需要中间部分的材料供分析,有时是为了节约。套料钻削头的切削刃是均匀分布的,可使切削力平衡,功率消耗少,切屑也少。切屑沿中心部分材料与钻管之间的缝隙排出。
  3. T-MAX扩孔钻削头,加工直径f65mm以上。
    T-MAX扩孔钻削头可用于喷射钻系统也可用于单管系统,可用来把原有的孔、整体钻削的孔或套料加工的孔再扩大。扩孔头上通常只用一块刀片,但若加工余量过大,也可使用多刀片扩孔头。多刀片扩孔头是根据T-MAX钻削头及其部件而设计的。T-MAX单刀片或多刀片扩孔头的直径可用楔块和径向调节螺钉分别来精确调整。
2.4硬质合金镗刀
由于镗孔比铰孔更能保证孔的位置和形状精度,所以在数控机床上广泛使用尺寸可微调和镶装刀头的各种镗刀杆。硬质合金镗刀通常可分为单刃、双刃两种,现在多采用可转位硬质合金刀片制成。
2.4.1硬质合金双刃扩镗刀

Walter 公司的硬质合金双刃扩镗刀
通常是用可转位硬质合金刀片制成的双刃镗刀,具有很高的切削性能。这种镗刀加工普通钢件时切削速度v可达100~140m/min、切削铸铁时切削速度v可达70~100m/min;单向切深为4~10mm;进给量f=0.25~0.7mm/r。可见,这种镗刀具有极高的金属切除率,完全摆脱了传统镗削加工的模式,目前已广泛用于镗孔加工。而且由于采用了可调式结构,它又具有很大的柔性。只需配置有限的刀杆就可在一定范围内加工各种尺寸的孔径。如KOMET公司提供的ABS-VD90(主偏角90°)及ABS-VD80(主偏角80°)系列双刃镗刀,用10种刀杆就可加工f24~215mm范围内所有的孔,从而大幅度减少了刀具的备置数量。此外该公司还提供另一种ABS-VD系列的扩镗刀,只要4种刀盘就可加工从f196~401mm范围内的所有的孔。而“epb”公司在93'中国国际机床博览会上展出的双刃内冷却可微调镗刀,最小镗孔尺寸达f18mm。
2.4.2硬质合金单刃精镗刀
为了满足高精度(H7~H6级)孔的加工要求,应选用单刃精镗刀。Komet公司的ABS-FF系列的单刃微调镗刀(径向微调),只要15种镗刀杆,就能在f29.5~199mm范围内加工各种尺寸的高精度的孔,而该公司的ABS-FZ系列的微调镗刀(斜向微调),只要7种镗刀杆,就能在f28~175mm范围内加工各种尺寸的高精度孔。切削用量可按下述范围选取:切削速度v=80~100m/min;进给量f=0.07~0.08mm/r;单向切深ap=0.15~0.2mm。以孔径f91~97mm为例,工件材料为灰铸铁。按上述切削用量加工,孔径偏差可稳定在±3µm之内。不仅高于铰孔精度,而且无论从生产效率还是从刀具的耐用度和刀杆的备置量来说,都远远优于铰刀。
Microbore公司生产的一种新型的微调镗刀,不仅能够克服一般微调镗刀调整不够方便,调整部份又存在螺纹间隙,致使难以精确地保证调整精度的缺陷,而且在小直径孔的镗削加工中具有独到之处。该刀具由刀柄、调整装置、镗刀三部份组成,适用于f30mm以下孔径的精密镗削,其调整精度为±0.005mm,最大调整范围为0~4mm,其特点是刀具的切削部份与调整部份分开。因而刀具切削部份的结构尺寸不受调整装置的限制,从而可方便地实现对小直径孔的精镗加工,并且在调整刀具尺寸时,由于在整个调整范围内的预应力消除了调整结构中螺纹的间隙,因而能精确地实现高精度调整。
HELLFEID在93'中国国际机床博览会上展出的单刃可转位硬质合金镗刀,最小镗孔尺寸达f4mm。德国WIDIA公司使用刀夹的单刃可转位硬质合金镗刀,最小镗孔尺寸为f27mm;使用可换头部结构的单刃可转位硬质合金镗刀,最小镗孔尺寸为f40mm。
2.5硬材料铰刀
关于铰刀的刀具材料方面,近年来国内很多工具厂已广泛生产整体及焊接式硬质合金铰刀,发展了金刚石和立方氮化硼铰刀。直径较小的常制成整体硬质合金铰刀的结构形式,而直径较大时则依次制成刃部为整体硬质合金及镶焊硬质合金刀片的结构形式。
2.5.1整体硬质合金精密铰刀
随着家电工业的发展,冰箱压缩机行业的一些生产线上迫切需要一些形状较复杂、精度较高、制造难度较大的专用刀具,f7.142mm硬质合金精密铰刀就是其中之一。这种铰刀用于加工冰箱压缩机阀芯上的销孔,该销孔的尺寸要求为在IT5~IT6之间,表面粗糙度为Ra0.1µm。该铰刀的切削锥较长,在结构上设有前后两个导向部,端面也设有切削刃。该铰刀的尺寸公差仅为2~3µm,长径比却可达约25。
2.5.2可涨式铰刀
这种可涨式铰刀结构简单,安装调整方便。它的刀体为压铸件,在刀体的圆周上不均匀地焊有6~12块硬质合金刀片。刀片焊好后磨削至所需尺寸即可使用。铰削时,切削液从刀杆内部以较高的压力喷出,起到冲刷切屑和润滑冷的作用。铰刀磨损后可通过调整螺母,使锥套迫使可涨式刀体沿径向涨开,即可进行重磨,增加刀具的使用次数,一般刀体的最大涨开量为5%。这种铰刀的特点是:
  1. 可改善工件的表面粗糙度并达到相当小的尺寸公差,对于2D~3D的孔最高可达IT3~IT4;
  2. 具有良好的重复使用性能,可延长刀具的寿命;
  3. 可从刀杆上将刀具卸下、调换,并可使用特殊规格的刀具。

图9可涨式铰刀及其使用
瑞士Dihart公司生产的这种可涨式铰刀,规格为f17.6~300mm。该公司同时还生产一种称为DST材料的可涨式铰刀,它由于摩擦系数小,耐磨性好,在加工钢材时能避免积屑瘤的产生,因此能获得特别好的表面质量。
2.5.3枪铰
枪铰是加工精度较高的深孔刀具。其切削速度、孔的精度、表面粗糙度和切削效率远非一般铰刀可比拟,且钻孔后毋须扩孔或镗孔,一次铰出,铰削余量较多,是一种具有发展前途的刀具。
枪铰的基本结构大部为单切削刃、两个导向块;从刀体内部注射冷却液,冲刷切屑和润滑冷却;紧随切削刃后的导向块伸入已加工孔中,起后导向作用。但两导向块的分布形式变化较多,亦有两切削刃和两导向块互为对称分布的。刀刃既有焊接式和机夹式的,也有整体硬质合金的。
枪铰无论是单刃的或多刃的,均安置了多个导向块,而且切削刃的刃带比较宽;在切削刃后紧随着导向块,两者的轴向距离相差约为0.5mm。
枪铰的另一特点是前排屑。由杆部后端油孔送入压力较高的切削液射向切削区,既润滑冷却切削热量最高的前面,也冲刷切屑,避免切屑与已加工面的摩擦。由于前排屑,导套与工件端面距离可缩减至极小;又由于刀具外径与导套的间隙很小,因此孔的位置度和精度均较高。
枪铰最大的特点是:导向块既具有支承与导向的功能,又起到挤压的作用,因而改善了孔的表面粗糙度。
2.5.4挤压铰刀
挤压铰刀可减小被加工孔的表面粗糙度、提高其几何精度。这种铰刀制造简单,造价低廉,操作方便,不需要特殊要求的机床。
挤压铰刀过渡刃和其每一个刀齿的前、后角的几何形状都制成圆弧形的过渡曲面,刀具外圆表面粗糙度一致。铰刀外径与普通机用多齿铰刀相似;外径的校准部分不参加切削,在加工时起校准与导向作用。刀片一般用钨钴类或其它耐磨性高的硬质合金,刀柄部分淬硬至38~40HRC,刚性较好,能保持与被加工孔可靠的同轴度。由于挤压铰刀是在最后工序精加工时使用,所以在进行最终加工以前对预制孔必须进行一次半精铰,并应根据零件的材质和硬度,严格控制加工余量,铰刀齿形刃带几何形状也要合乎要求。挤压铰刀适用于加工灰铸铁、球墨铸铁等零件,在车床、铣床与镗床上都能运用。铰孔时可以用煤油进行润滑冷却。据试验验证,用挤压铰刀加工出来的孔表面粗糙度可达Ra0.63~0.32µm,尺寸精度可达到IT7。
瑞典Sandvik公司的挤压铰刀采用的是在刀体上安装挤压滚柱的结构。这种挤压铰刀的直径范围为f4.65~127.69mm,孔表面粗糙度可达Ra0.1~1µm。而且这种铰刀的工作速度高达25~100m/min,进给速度达150~534mm/min。
2.5.5金刚石铰刀
随着机械工业的不断发展,对孔加工的要求日益提高,特别是在较大批量的孔加工中,为了获得高精度的孔──轴互换配合,对孔的尺寸精度、几何形状及表面粗糙度提出了更高的要求。为了达到这些要求,用研磨、珩磨等加工方法已不能满足批量生产的需要,而金刚石铰刀正是为了适应这种需要而发展起来的一种精密孔加工刀具。使用金刚石铰刀加工铸铁、铜铅合金、淬火钢工件的精密孔,可以代替磨孔、珩磨、研磨、滚压等传统工艺,已在推广使用,效果很好。
联邦德国Rexvoth液压公司用金刚石铰刀精加工主阀孔,圆柱度可在1~2µm之间,孔的表面粗糙度可达Ra0.16µm。前苏联一工厂用电镀金刚石铰刀加工压缩机零件汽缸体时直径偏差为2µm,圆度达0.4~0.6µm,圆柱度达1.0~1.2µm,孔的表面粗糙度为Ra0.2~0.32µm。该厂推广了这一新工艺后,所加工1000个零件的孔径离散范围不超过3µm,从而取消了选配,简化了压缩机的装配工作,可采用钻床或组合机床来代替昂贵的珩磨机床进行加工。2.6深孔钻
2.6.1 枪钻
枪钻一般是用来钻削工件回转中心上的孔,钻削加工时,通常是工件旋转,钻头作直线进给。枪钻一般是内切削外排屑结构,由硬质合金钻头、钻杆、传动套三部份组成。
枪钻钻头上开有油孔,以加强钻头冷却润滑和使切屑顺利排出,并选择韧性和抗振性均较佳的硬质合金作为基体,表面可涂TiC或TiN,以提高钻头的硬度和耐磨性;钻杆一般选用40Cr无缝钢管,热处理硬度35~45HRC,以提高强度,增加刚性。

ELDORADO公司枪钻
美国ELDORADO公司对枪钻导向块的布置形式作了大量有成效的试验和研究,该公司认为,工具类型不同,其加工中扭矩特征亦随之变化,当枪钻的切削刃几何参数相同,进给量恒定时,其切削扭矩比较稳定,但随着导向块的结构形状和布置位置不同,其挤压扭矩也随之发生变化。该公司研制的枪钻,结构形式很多,尤其是钻头导向块布置形式与通常的标准型枪钻不同,以五种形状为主,分别适用于钻削钢和不锈钢、钻削有色金属和铸铁、用户机床条件较差、用户要求改善孔径精度和表面粗糙度等场合。
ELDORADO公司的枪钻加工深孔的直线度可达0.025/300mm,孔径偏差在±0.013之内,孔表面粗糙度均方根值可达0.1µm。其生产的枪钻直径为f1.4~38.1mm(11/2in.)。而德国TBT公司的枪钻钻孔时的径向圆跳动当加工件旋转时可达到一米深的孔为0.2~0.4mm,加工深孔的直线度可达(0.02~0.04)/500mm,孔径偏差根据不同材料而有所不同,一般在IT6~IT11之间,孔表面粗糙度Ra值也可达0.1µm。他们生产的枪钻直径为f1.95~35mm,并有6种柄部结构形式。同时,TBT公司还生产阶梯枪钻。瑞典Sandvik公司生产的枪钻直径为f1.95~35mm,有12种柄部结构形式,孔径偏差为IT9,孔表面粗糙度Ra值为0.1~3.2µm,孔深大于100D,加工深孔的直线度与TBT公司相同。瑞典Sandvik公司还生产在一般工具磨床上重磨f1.95~30mm枪钻的专用装置。德国botek公司生产的枪钻直径为f1.85~40mm,双头枪钻和阶梯枪钻直径为f4~32mm,也生产在一般工具磨床上重磨f1.85~40mm枪钻的专用装置。

喷射钻

BTA系统

2.6.2 喷射钻
喷射钻是一种双管系统,由瑞典Sandvik公司首创并享有专利。使用喷射钻时,切削液在内、外管的间隙中抽吸。喷射钻由接头、内管、外管、弹簧夹头、密封套和钻削头组成。
钻削头是可拆卸的,带有硬质合金刀片,焊接式的钻削头可加工直径从f18.4~65mm,可转位式的则参见2.3.3T-MAX钻削头。这些钻削头有二种型式的切削刃几何形状。除了正常的应用范围外,还有一种型式也可用来加工韧性较高的材料。硬质合金刀片安装在钻削头的二侧,可以控制切屑的宽度。每块刀片都有磨出的或烧结在上面的断屑槽,可在钻削时时切屑进行控制。适当的刀刃间距可较好地平衡钻削力,并可减少作用在支承垫上的支承压力。钻削头外缘的二块支承垫可以吸收径向切削力,这些支承垫和最外端的刀片决定了孔的直径,它们是磨到所需尺寸的,公差很小。在适用的加工范围内,备有13种不同的套管。
2.6.3 BTA系统
BTA系统也称为单管系统(STS),加工时切削液从外面提供,切削液通过钻管和加工孔之间的缝隙直接流到加工区域。为能提供足够的切削液空间,瑞典Sandvik公司设计并制造了两种类型的可拆卸的BTA钻削头,一种适用于f20~65mm,另一种适用于f65~399.9mm。
所有这些BTA钻削头与相应的喷射钻的区别仅在于它们的螺纹直径小,所使用的钻管直径也略为小一点。在其他方面,单管系统钻与喷射钻的设计与性能都完全相似。在某些加工情况下,BTA可重磨钻头削常可以方便地用可拆卸式的BTA或喷射钻的钻削头来替换,为了避免更换钻管,Sandvik公司还可以提供一种接头,它可安装在钻管和钻削头之间。
2.7复合孔加工刀具
复合孔加工刀具通常有几种类型,有的是将加工不同的加工表面的刀具复合在一起,有的则是将粗、精加工刀具复合在一起。
2.7.1多表面复合孔加工刀具
阶梯麻花钻是八十年代一种新颖的麻花钻,它能将原来钻孔与倒角或钻孔与刮平面等几道工序合并在一次切削中完成,可提高生产效率,还可提高加工精度,使孔的深浅和倒角深度保持一致性,便于装配流水线操作的顺利进行。阶梯钻由大小几种外圆复合组成,有二阶梯、三阶梯及多阶梯等形式,阶梯过渡切削锥角也可制成60°、90°、120°、180°等多种角度以适应各种不同加工件的需要,可制成二槽钻或四槽钻等型式。阶梯钻一般可加工钢件、铸铁件、有色金属等材料。它大多数用在生产流水线、多工位专用机床、多工位排钻或数控机床上,加工的孔有的为螺纹底孔和倒角,也有加工阶梯孔或台阶孔的。国外大尺寸的阶梯钻(如德国Hertel公司,直径大于f13mm的阶梯钻)已制成装用可转位硬质合金刀片的。

四刃钻头

装用可转位硬质合金刀片的阶梯钻
图10两种复合孔加工刀具

2.7.2粗、精加工复合孔加工刀具
国内由聂国虎发明的四刃钻头,它实质是钻、扩组合刀具,可一次进给完成钻、扩两道工序,既可用于孔的粗加工,又可用于孔的半精加工,适用于范围是f15mm以上的钻孔,于86年获得专利。。四条刃带中两条径向刃担任钻孔任务,另外二条担任扩孔任务;扩孔余量的大小是通过控制在钻刃外缘处倒角的大小来决定的。因此,四刃钻头可用于粗加工也可用于半精加工。它具有下列优点:
  1. 前角分布比较合理:由于钻刃过中心,使其钻刃从钻芯附近到外缘的前角均为正前角,改善了前角的分布;
  2. 钻头刚性好,横截面的极惯性矩大,抗扭刚度及抗弯强度就高;
  3. 四刃钻定心及导向性好;
  4. 钻刃上的负荷比较均匀。
由于上述原因四刃钻的寿命和加工精度均比普通麻花钻相应有所提高。与这种钻头相类似的还有英国OSBORN的超级钻头(SUPPERDRILL),但其主刃仍与普通麻花钻相似,并无特别的改进。
2.8数控机床用孔加工刀具
数控加工工艺充分体现了集中工序的工艺原则,反映在加工中心上尤为突出。它能集粗精加工各道工序于同一台机床上,对工具配置的要求和管理完全不同于常规加工,有很大的突破。
2.8.1数控加工对工具的要求
2.8.1.1换刀要求
刀具或刀柄的结构应能实现自动快速交换。而且刀具的尺寸应能借助于对刀仪在机外进行预调,以减少换刀调整的停机时间。
2.8.1.2高效率要求
刀具应具有高效率的切削能力。数控机床、加工中心的初始投资很高,所以单位工时的价格相应也很高。因此所用刀具必须能满足高切削速度、大进给量、大切深的要求。
2.8.1.3高寿命要求
刀具应有很高的寿命,以减少换刀时间,并保证产品质量。刀具的寿命还应有很高的可靠度,以避免因刀具早期失效而引起停机等系统故障。
2.8.1.4高断屑性要求
刀具应能可靠地断屑、卷屑和排屑,不致干扰切削加工,不影响加工表面的质量。
2.8.1.5标准化要求
工具应系列化、标准化、模块化,以便于管理,并尽量减少所备工具的数量。应改变以往的管理方式,建立工具准备单元,进行集中化管理,负责工具的保管、维护、修磨、预调、配置等工作。
2.8.2数控加工常用孔加工刀具
一般数控加工常用孔加工刀具前面大多已介绍,它们是:
  • 高速钢大螺旋角油孔麻花钻;
  • 螺旋槽中心钻;
  • 三刃硬质合金整体钻头;
  • S型硬质合金钻头;
  • 可转位硬质合金钻头;
  • 硬质合金双刃扩镗刀;
  • 硬质合金单刃精镗刀。
另外,一些特殊行业的数控加工还有它们自身经常使用的孔加工刀具。如印制电路板行业的微型硬质合金整体钻头,冰箱压缩机行业的整体硬质合金精密铰刀和阶梯麻花钻等。这些刀具在前面都已作了介绍。
下面,再介绍一种钻铣复合刀具。这种被称为新型的钻削立铣刀具有轴向切入和径向切入的二种功能,在一次装夹中可进行轴向进给和径向进给而无需换刀,减少了换刀次数和加工工序,提高了工作效率,特别适用于加工封闭型键槽及模具的凹形腔,是数控仿形铣削和加工中的主要配套刀具。
可转位钻削立铣刀的刀体采用一般采用合金钢制成,切削部分由担任外缘切削的刀片和担任端面切削的刀片组成。刀片材料为硬质合金,表面可作TiN涂层处理。刀片刃口磨损后可以转位。钻削立铣刀的规格为f12~40mm,使用不同牌号的硬质合金刀片,可切削碳钢、合金钢、不锈钢、铸钢、灰铸铁、球墨铸铁、冷硬铸铁、青铜和黄铜等材料。

图11可转位钻削立铣刀
钻削立铣刀在加工硬度为120~300HB的碳素工具钢时,切削速度可达80~120m/min,最大轴向切深为7mm,进给量一般为每齿0.05~0.15mm。切削时切削力小、切削轻快、切屑收缩变形小、切屑光洁无毛刺,切削后刀片无明显磨损和崩刃现象,切出的封闭槽底面接刀平直,表面粗糙度数值在Ra1.5µm左右。

3发展趋势


3.1硬质合金孔加工刀具正在迅速发展
从国内外的发展态势分析,在整个刀具的产值中,孔加工刀具的比例将继续逐渐减小,而在孔加工刀具的产值中,硬质合金产品的比例将继续逐渐加大。从国外的情况看,在整个刀具行业中,硬质合金刀具的增长很快,这使得高速钢刀具在刃具中的比例逐步下降。美国硬质合金刀具的产值1972年占刀具总产值40%,而1981年则增加到了45.2%,日本硬质合金刀具在刀具总产值(不包括金刚石刀具和CBN刀具)中所占比例从72年40.8%增加到了91年的64.4%,联邦德国则从78年的23.1%增加到了82年的44.4%。硬质合金刀具迅速发展的原因,是适应了生产高速度、高效率、高寿命以及高可靠性的要求。随着数控机床、加工中心的发展和生产的高效率化,这种趋势将更加明显。因此,花大力气发展硬质合金孔加工刀具的设计、制造能力将成为许多工具制造商的一种决策选择。

图12日本硬质合金刀具历年产值比

3.2麻花钻普遍修磨横刃和使用油孔
在产品结构上,麻花钻仍是孔加工刀具中最重要的部分。不管是高速钢麻花钻还是硬质合金麻花钻,修磨横刃和使用油孔进行内冷却将成为麻花钻制造商的普遍选择。如高速钢抛物线麻花钻、大螺旋角油孔麻花钻、三刃硬质合金整体钻头、S型硬质合金钻头等普遍采用了横刃修磨的方法而高速钢大螺旋角油孔麻花钻和S型硬质合金钻头还都采用了油孔内冷却技术。
3.3可转位孔加工刀具小型化和精密化
可转位孔加工刀具随着数控机床、加工中心的普及将逐渐普及。
先进设备的不断增加,便发挥设备效率更加重要。由于数控机床、加工中心等先进设备的不断增加,切削加工费用也将不断增加。美国切削加工费用从1971年到1981年,平均每年要增加12%。数控机床每小时的费用高达500~1000美元。我国加工中心的市场求量1987年为100~200台,而到2000年预计将达到3750~5000台。在这种设备费用昂贵的情况下,要提高切削加工的经济效益,只有尽量发挥设备效率,从而相对增加刀具的消耗。可转位孔加工刀具在这样的情况下会进一步得到用户的青睐。为了扩大可转位刀具的市场占有率,刀具制造商正致力于其小型化和精密化。如德国KOMET公司的ABS-KUB浅孔钻、WIDIA公司提供的WIDAX BW浅孔钻,最小钻头直径为f14mm;德国Hertel公司的HTS-C深孔钻最小钻头直径为f20mm;“epb”公司的双刃内冷却可微调镗刀,最小镗孔尺寸达f18mm;而另一家HELLFEID公司的单刃可转位硬质合金镗刀,最小镗孔尺寸仅达f4mm;Hertel公司的可转位阶梯钻最小钻头直径为f13mm。而Komet公司的ABS系列的单刃微调镗刀只要按合适的切削用量加工,孔径偏差可稳定在±3µm之内。
3.4产品结构模块化近年来,由于科学技术的不断进步和人们消费需求的不断异化,产品的寿命周期缩短了,产品更新换代的速度加快了。这种形势正在迫使许多生产企业走上多品种、小批量的生产方式,以适应市场需求的多变性及提高本企业产品的市场占有率。这就对为少
品种大批量生产奠定基础、开辟道路的标准化活动提出了挑战。阿?托夫勒在《第三次浪潮》一书中预言,今后的社会是一个“打破标推化”的多样化社会,今后的一切将“越来越不一致和没有标准了”。但是,作为系统时代的标准化方法,模块化一经在产品设计上使用,就很快显示出其广阔的发展前景。它成功地解决了所谓多样化的挑战,为多样化生产条件下的标准化开辟了一条新路。模块化设计一般都具有很大的灵活性和适应性,设计周期短,成本低等一系列优点,并有助于计算机辅助设计(CAD)、成组技术应用以及标准化管理,而刀具模块化除上述主要对生产企业有利的优点外,对用户也会带来不少好处,如:
  1. 减少刀具的储备和修磨,从而改善刀具管理;
  2. 减少调整和装拆刀具,发展自动换刀技术,从而减少停机时间,减轻工人劳动量;
  3. 更换部份模块可改变刀具品种,适应于新材料或新结构,从而有利于用户改进工艺,提高生产效率及发展新产品。
同其他刀具一样,随着生产的多样化,产品结构模块化将日益显示出其广阔的发展前景。但由于孔加工刀具受结构限制,其产品结构模块化的难度要比其他产品较高,因而模块化的发展速度会比其他产品慢一些。
总之,孔加工刀具由于其尺寸必须限制在孔的尺寸以内,技术改进不易。但随着科学技术的进步,相信孔加工刀具的设计、制造水平也会得到长足的进步。
本文作者:杨晓
上载于:2004-3-9 21:20:51

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