鉆削技術(shù)與刀具的發(fā)展近況
2008-07-16 16:40:11
最近在德國(guó)金屬加工行業(yè)所做的一項(xiàng)調(diào)查表明，鉆削加工是機(jī)械加工車(chē)間耗時(shí)最多的工序。事實(shí)上，在所有的加工工時(shí)中，有36％消耗在孔加工操作上。與此對(duì)應(yīng)的是，車(chē)削加工耗時(shí)為25％，銑削加工耗時(shí)為26％。因此，采用高性能整體硬質(zhì)合金鉆頭取代高速鋼和普通硬質(zhì)合金鉆頭，能夠大幅度減少鉆削加工所需的工時(shí)，從而降低孔加工成本。
過(guò)去幾年來(lái)，切削加工參數(shù)（尤其是切削速度）在不斷提高，特別是高性能整體硬質(zhì)合金鉆頭的切削速度提高明顯。20年前，整體硬質(zhì)合金鉆頭的典型切削速度為60～80m/min。如今，在機(jī)床能夠提供足夠的功率、穩(wěn)定性和冷卻液輸送能力的條件下，采用200m/min的切削速度鉆削鋼件已不足為奇。盡管如此，與車(chē)削或銑削加工的一般切削速度相比，鉆削加工在加工效率上還有很大的提高潛力。
整體硬質(zhì)合金鉆頭對(duì)于基體的韌性要求很高，而鉆頭的磨損在可控和均勻穩(wěn)定的情況下是可以接受的。因此，典型的鉆削刀具牌號(hào)比車(chē)削或銑削刀具含有更多的鈷元素。
鉆頭材質(zhì)通常采用微細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，以提高切削刃強(qiáng)度，確保均勻磨損而不發(fā)生崩刃。用硬質(zhì)合金鉆頭加工時(shí)通常要使用水基切削液，因此切削刃處的溫度并不太高，但要求鉆頭具有抗熱沖擊性。性能最佳的鉆頭牌號(hào)是典型的純碳化鎢材料，而無(wú)需大量添加碳化鉭或碳化鈦。
對(duì)于整體硬質(zhì)合金鉆頭而言，涂層必須發(fā)揮比僅僅提高表面硬度和耐磨性更大的作用。涂層必須在刀具與工件材料之間提供隔熱層并保持化學(xué)惰性；必須將工件材料與涂層之間的粘結(jié)作用降至最低以減小摩擦；涂層表面必須盡可能光滑；此外，麻花鉆的涂層還必須具有抗裂紋擴(kuò)散能力。鉆削加工的動(dòng)力學(xué)特性可能會(huì)引起微裂紋，為了保持刀具壽命，就必須阻止裂紋擴(kuò)散。通過(guò)選擇正確的涂層工藝和生成適當(dāng)?shù)耐繉语@微結(jié)構(gòu)，可使涂層材料處于壓應(yīng)力狀態(tài)下，從而大幅度延長(zhǎng)刀具壽命。
采用多層涂層可以獲得良好的使用效果。多層涂層能阻止微裂紋在各層涂層之間擴(kuò)散，即使有個(gè)別涂層出現(xiàn)損壞和剝落，其它的涂層仍可對(duì)硬質(zhì)合金基體起到保護(hù)作用。對(duì)于鉆削刀具，采用納米涂層和精確定制涂層也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?BR>例如，一種頂層采用TiN的新型TiAlN納米涂層可使在鉆削加工不銹鋼時(shí)遇到的許多問(wèn)題迎刃而解。平滑的TiN頂層涂層可減小刀具與工件材料的粘結(jié)與摩擦，而下層的TiAlN納米涂層可為刀具提供硬度和耐磨性。這種涂層具有極佳的防裂紋擴(kuò)散性和防熱震性，在鉆削不銹鋼時(shí)切削速度可達(dá)70～80m/min，幾乎是常規(guī)鉆頭的2倍。
為了充分發(fā)揮現(xiàn)代硬質(zhì)合金基體和表面涂層的優(yōu)異性能，就必須對(duì)鉆頭的幾何參數(shù)和鉆型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須根據(jù)加工用途對(duì)鉆尖、鉆尖角、刃帶形狀、切削刃制備、排屑槽型、排屑槽和刃帶的數(shù)量等進(jìn)行合理調(diào)整。
高效切削鉆頭一般都采用四種鉆尖幾何形狀中的一種。其中，帶橫刃的四面體鉆尖容易磨制，同時(shí)易于控制磨削公差，但它的中心余隙較小，當(dāng)進(jìn)給量較大時(shí)后刀面會(huì)與孔底接觸，因此影響進(jìn)給率的提高。另一種是錐形鉆尖，與四面體鉆尖相比它的中心余隙較大，因此鉆削時(shí)產(chǎn)生的軸向推力較小，但這種鉆尖幾何形狀較為復(fù)雜，不易保證刀具制造和管理的一致性。除上述兩種鉆尖型式外，可供選擇的還有螺旋鉆尖，它又分為兩種不同類(lèi)型：傳統(tǒng)的螺旋鉆尖帶有一個(gè)排屑槽，切屑可從中心部位排出；新型螺旋鉆尖則同時(shí)磨制出排屑槽和后刀面，從而可消除鉆削臺(tái)階，進(jìn)一步改善切屑流。由于這兩種鉆尖設(shè)計(jì)的中心余隙大于其它幾種鉆尖幾何形狀，因此具有很高的進(jìn)給能力。此外，新型螺旋鉆尖還具有高速切削能力，并能以較小的軸向推力進(jìn)行鉆削。這種鉆尖幾何形狀的唯一缺點(diǎn)是制造鉆頭時(shí)所需的磨削工藝比較復(fù)雜。
在選擇鉆頭時(shí)，除刀具壽命和加工速度外，另一個(gè)需要考慮的主要因素是孔的加工質(zhì)量。近年來(lái)，如何減少毛刺成為關(guān)注的重點(diǎn)。去毛刺是一種典型的手工工序，加工成本很高，如果操作不當(dāng)，還可能引起嚴(yán)重問(wèn)題。
整體硬質(zhì)合金鉆頭在高速回轉(zhuǎn)和進(jìn)給時(shí)會(huì)對(duì)工件材料產(chǎn)生很大壓力。因此，采用常規(guī)的鉆型設(shè)計(jì)或鉆尖角度加工時(shí)，會(huì)在通孔的出口處產(chǎn)生較大毛刺。為解決這一問(wèn)題，最簡(jiǎn)單的方法是將鉆尖角增大到135°～145°，鉆尖角在此范圍內(nèi)的鉆頭可在孔的出口處產(chǎn)生一個(gè)圓盤(pán)，并使工件材料始終處于拉應(yīng)力作用下，使材料易于切削而不只是將其推出工件之外。切削刃制備、鉆頂?shù)估饧捌渌鼛缀螀?shù)優(yōu)化措施也會(huì)對(duì)減少毛刺起到很大作用。
在鉆削灰鑄鐵和延性鑄鐵時(shí)則會(huì)產(chǎn)生完全不同的問(wèn)題。這些材料脆性較大，在通孔的出口處更容易出現(xiàn)材料崩碎現(xiàn)象而不是形成毛刺。材料崩碎不僅會(huì)影響工件質(zhì)量，還可能導(dǎo)致鉆頭破損。專(zhuān)為鑄鐵加工而設(shè)計(jì)的鉆頂?shù)估饪梢允广@頭以非常平穩(wěn)的方式鉆出工件，并保持切削直至最后一轉(zhuǎn)，從而有助于避免材料崩碎現(xiàn)象的發(fā)生。
鉆尖設(shè)計(jì)需要根據(jù)排屑槽的幾何參數(shù)而不斷調(diào)整。切削刃數(shù)、橫刃厚度、排屑槽寬度、刃帶寬度等都是設(shè)計(jì)鉆尖時(shí)需要考慮的因素。此外，工件材料的影響也不容忽視。
在鋼件上鉆孔時(shí)，二槽麻花鉆通常是最佳的刀具<
