小直徑鉆頭的正確使用

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:3803

直徑小于3.175mm的鉆頭,通常稱為微鉆。要使微鉆在使用中發(fā)揮高效率,必須考慮一系列因素:如鉆頭本身的各項要素、加工參數(shù)、孔深、安裝的完善性及工件的結(jié)構(gòu)等。要把這些相互影響又對鉆削過程十分敏感的因素處理好,需要有科學的創(chuàng)新精神。
Guhring(美國)公司的市場部經(jīng)理Mark Megal說:“在很多場合,使用微鉆你得邊琢磨邊干。”
盡管目前工具制造商已經(jīng)在微鉆的材料和幾何參數(shù)方面完成了很多開發(fā),不需要每件事都從頭試驗,但是要把鉆削過程中諸多因素都加以很好控制,仍然不是一項簡單的工作。
微鉆的長徑比顯著加大
眾所周知,鉆頭的長度和直徑之比越大,其彎曲傾向增加。減小長徑比,可以減小撓曲力,從而避免鉆頭折斷和孔徑誤差加大。較深的孔要求鉆頭有較大的長徑比。通?咨畛^3倍直徑就是“深孔”,而微鉆的孔深一般都要超過這個限度。
如直徑為3.175mm的鉆頭加工孔深31.75mm的孔,長徑比達10:1;而直徑為0.508mm的鉆頭加工孔深25.4mm的孔,其長徑比達到50:1。所以,隨著鉆頭直徑減小和脆性的增加,撓曲便成為產(chǎn)生很多問題的根源。而控制鉆頭的脆性,就要在刀具基體的硬度和韌性之間加以權(quán)衡。
一般說來,高速鋼鉆頭容許有一定的撓度并能承受相應(yīng)的彎曲力,但是,高速鋼具有的這種彈性變形能力和較低的硬度,也使其耐磨性降低,從而限制了刀具的壽命。
而硬質(zhì)合金則具有高剛性和高硬度,所以能使刀具壽命較長、加工精度較高。
M.A.Ford制造公司的鉆削生產(chǎn)部經(jīng)理Joe Kueter指出,硬質(zhì)合金的高耐磨性使其制成微鉆后速度達到高速鋼的3倍,且壽命也能提高;同時,硬質(zhì)合金的高剛性有助于正確定位和保持孔的尺寸。
然而,硬質(zhì)合金也不是萬能的,剛性高會使其容易崩裂。
Guhring公司的現(xiàn)場銷售工程師Peter Jones指出,用M35鈷高速鋼做微型鉆頭,可以在硬質(zhì)合金和普通高速鋼(M2、M7)之間取得較好的折衷。他說:“切削時在孔中產(chǎn)生熱,加上刀具的輾壓,使切削刃變鈍,并劃出溝道,最終導(dǎo)致工具損壞。而較高的含鈷量,使M35的抗熱性增加,并能較長時間保持刀刃鋒利。”
此外,硬質(zhì)合金鉆頭需要仔細地安裝和使用,精確的同心度特別重要,因為不同心造成的側(cè)向負荷會導(dǎo)致鉆頭崩裂。
三菱金屬材料(美國)公司的銑削和鉆削部高級生產(chǎn)經(jīng)理Larry Brenner建議:應(yīng)盡量在鉆頭旋轉(zhuǎn)的機床(如加工中心)上使用微鉆,他指出,加工中心的主軸能給予鉆頭正確的中心線定位,而車床上工件的偏心會導(dǎo)致鉆頭撓曲。因此,假如在車床上使用微鉆,則必須把每個影響同心度的因素事先調(diào)整好,特別對硬質(zhì)合金鉆頭更要注意,因其不能適應(yīng)彎曲變形。
假如在車床上使用微鉆,最好把刀具轉(zhuǎn)塔的安裝孔重新鏜一刀,并且使用可調(diào)式鏜孔刀夾,以便把鉆頭和工件的同心度調(diào)至最佳狀態(tài)。
Brenner進一步指出,要把刀夾的跳動降至最小限度。為此,應(yīng)首選熱縮性刀夾,其次是液壓刀夾。要求刀夾套筒端面處的最大跳動值在0.005~0.0076mm范圍內(nèi)。
消除初始定心誤差
任何鉆頭工作時,開始幾轉(zhuǎn)至關(guān)重要。因為開始切削時,鉆頭承受偏心力。此外,工件表面的不規(guī)則形狀會引起橫向滑步,導(dǎo)致刀具彎曲、折斷,或者至少是增大孔的偏差。
對于直徑3mm以下的鉆頭,三菱公司建議先用剛性好的定心鉆打一個深度為1~2倍直徑的初始孔。定心鉆的鉆尖頂角應(yīng)等于或大于最終鉆孔的微鉆頂角。若定心鉆的頂角較小,則隨后微鉆切入時,兩切削刃比頂尖先接觸工件,容易引起崩刃。
如果不用定心鉆,則可采用這樣的方法:使微鉆開始切入時的進給量遠低于隨后的正常進給量。例如鉆頭直徑1.613mm,孔深12.7mm,正常進給量規(guī)定為0.0508mm/r,開始用0.0127mm/r的進給量推進0.254mm,也可推進到刃帶開始接觸工件,然后再轉(zhuǎn)為正常進給。這種辦法同樣可防止鉆頭滑步。
Brenner指出,微鉆使用中的另一挑戰(zhàn)是要盡量提高轉(zhuǎn)速,以發(fā)揮生產(chǎn)潛力,但就最大轉(zhuǎn)速規(guī)范而言,鉆頭往往走在機床的前面。有的機床在其最高轉(zhuǎn)速下運行,仍未達到微鉆的最佳切削速度。例如直徑為1mm的鉆頭,切削速度達到91.44m/min,要求機床主軸轉(zhuǎn)速達到28000r/min。
被加工材料的硬度,對于確定微鉆切削速度和進給量的初始推薦值有很大影響。例如,M.A.Ford公司推薦:用直徑為1.32mm的整體硬質(zhì)合金鉆頭加工1018低碳鋼(20HRC)時,其切削速度選用91.44m/min,進給量選用0.038mm/r。但是該鉆頭加工塑料和合成材料時,切削速度可達198.12m/min,進給量達0.127mm/r。加工難加工材料(如鎳基合金、鈦合金)時,切削速度僅為15.24~18.29m/min,進給量僅為0.0305mm/r。
分步鉆孔序列
         通常,鉆削微型深孔采用分步鉆孔序列,即周期性退出鉆頭,以便折斷切屑,防止堵塞。分步鉆孔也有助于防止在孔底持續(xù)擠壓,這一點在加工冷作硬化材料時尤為重要。
Brenner指出,一般認為分步切削就得把鉆頭完全退出來,其實不然。若采用中斷進給(幾轉(zhuǎn)或短時),同樣可以斷屑。另外,完全退出鉆頭還易產(chǎn)生喇叭口以及將部分切屑留在孔內(nèi),所以不得不對其再切削。這些情況都是不希望出現(xiàn)的。
許多問題往往發(fā)生在鉆孔深度的最后20%這一段內(nèi)。Brenner指出,這是因為隨著孔的逐漸加深、切屑排出十分困難的原因所致。具體的解決辦法因工件及材料的狀況而異。應(yīng)用工程師應(yīng)按具體情況確定分步切削方案。
談到加工線路板的微鉆,雖然從鉆頭材質(zhì)和直徑大小來看,同設(shè)計用于加工韌性材料的微鉆十分相似,但是,兩者的切削幾何參數(shù)卻有很大差異。
M.A.Ford公司的Kueter指出,雖然經(jīng)過仔細安裝調(diào)試,線路板鉆頭也可用于加工較硬的材料,但Ford公司一般不這么做,寧肯精心制備適用于韌性工件材料的專門鉆頭。一個重要的方向是盡量縮短槽長,以提高鉆頭的強度。Kueter還特別說明,用戶要求鉆削25.4mm的深孔,但我們提供的鉆頭槽長不一定要達到25.4mm,一般提供槽長為9.525mm或12.7mm的鉆頭即可。
Kueter指出,有些線路板鉆頭制成所謂“階梯式柄部。”例如,一支直徑為0.1524mm的鉆頭,鉆削孔深為1.524mm,槽全長也制成1.524mm,但鉆頭工作部分直徑不直接從槽尾連接到直徑3.175mm的柄部,而是通過一個0.762mm中間直徑加以過渡。對此Kueter認為,鉆削韌性材料時,鉆頭伸出長度應(yīng)盡量短,所以加一段過渡直徑的結(jié)構(gòu)是不可取的。
Kueter還指出,從幾何參數(shù)的角度來看,線路板鉆頭通常采用較大的螺旋角,溝槽截面尺寸也較其它微鉆薄。而對于加工不銹鋼和其它難加工材料的微鉆,則采用較小的螺旋角和較厚的溝槽截面尺寸。他還指出,為了減小微鉆上的應(yīng)力,制成倒錐——直徑向柄部方向減小——是十分必要的。倒錐量一般為0.005~0.127mm。因為鉆頭槽長常小于25.4mm,所以每25.4mm長度上的倒錐通常為0.0127~0.0254mm。Kueter強調(diào),只要鉆孔有深度,就需要倒錐度。特別是對鈦合金等加工中出現(xiàn)“回縮”的材料,若沒有適當?shù)牡瑰F度,鉆頭將被膠結(jié)在孔里。
Kueter介紹了一家用戶為克服鈦合金加工時“回縮”現(xiàn)象的獨特方法:要求工具廠供應(yīng)的鉆頭鉆尖處徑向跳動處于公差上限,這樣在鉆孔時擴張量較大,工件“回縮”也不至于抱住鉆頭。
內(nèi)冷卻效果好
實踐證明,采用內(nèi)冷卻鉆頭對提高深孔加工的生產(chǎn)率十分有效。它的優(yōu)點不僅在于把切削液直接送到鉆尖處,起冷卻作用,而且還能發(fā)揮強制排屑和幫助斷屑的作用。在孔深大于3倍直徑時,采用內(nèi)冷卻鉆頭加工時其效果更為明顯,但迄今為止,內(nèi)冷卻鉆頭往往限于直徑3mm以上的鉆頭。
CooL Jet系統(tǒng)公司的全國銷售經(jīng)理Colin ELdon說,正確使用HPC(高壓冷卻)系統(tǒng),能極大地提高生產(chǎn)率。他回顧一家用戶的實際例子:鉆頭直徑1.397mm,孔深13.335mm,工件材料為302不銹鋼。以往采用常規(guī)冷卻(壓力為4個大氣壓),采用鈷高速鋼鉆頭,轉(zhuǎn)速為1600r/min,單件工時42秒,鉆頭壽命175件。后來采用雙鉆頭加工新工藝:首先,采用三菱公司的MZE型整體硬質(zhì)合金定心鉆,無冷卻,轉(zhuǎn)速為6000r/min,進給量0.0254mm/r,定心孔深2.54mm。第二步,采用三菱公司MZS型內(nèi)冷卻微鉆,轉(zhuǎn)速9000rpm,進給量0.0203mm/r,分步切削步長1.397mm,冷卻液壓力達102個大氣壓。兩支鉆頭的單件加工工時合計為16.5秒(節(jié)省工時60%),刀具壽命增加到875件。獲得如此巨大的好處,代價僅為每個零件刀具費用提高3.3%。
三菱公司的Brenner介紹,該公司生產(chǎn)直徑1mm至3mm的微鉆,冷卻壓力至少達到68個大氣壓,隨鉆頭上的兩個微小冷卻孔尺寸而變。冷卻孔最小直徑為0.1524mm,用于直徑最小的鉆頭。為了確保充分的冷卻液流量,必須保證有足夠的壓力。對于大尺寸鉆頭,內(nèi)冷卻孔直徑達到1.524mm,在68個大氣壓下,其冷卻液流量達16.4升/分,而在同樣壓力下,用微鉆鉆削時的冷卻液流量僅為1.89升/分。
三菱公司還建議:冷卻系統(tǒng)應(yīng)能濾掉尺寸小至5微米的質(zhì)點;使用的精密過濾套,不論采用內(nèi)密封還是外密封,應(yīng)能在68個大氣壓保持密封。并建議采用水溶性冷卻液,帶EP類添加劑,如硫、氯等。由于油的粘度為水的8~10倍,所以不宜采用。
M.A.Ford公司最新生產(chǎn)的內(nèi)冷卻微鉆系列(最小直徑1mm),增加了鉆芯增量,這有助于保證鉆頭強度。內(nèi)冷卻螺旋孔貫穿鉆體,位置可貼近槽的前部或背部。
該公司專注于開發(fā)小螺旋角內(nèi)冷卻鉆頭,因為它有助于切屑排出孔外。Kueter指出,內(nèi)冷卻鉆頭應(yīng)能大大減少分步切削次數(shù),在加工冷作硬化型材料如304或316號不銹鋼時尤其重要。
小孔帶來大挑戰(zhàn)
Starro精密產(chǎn)品公司是一家從事瑞士式螺紋加工和其它加工服務(wù)的公司。在內(nèi)冷卻微鉆的應(yīng)用方面和M.A.Ford公司有密切合作。該公司的銷售和制造副總裁Lee Dwyer指出:“必須懂得,你所選用的冷卻液和刀具幾何角度能帶來什么效果。”
Starro公司與眾不同之處就是在某些生產(chǎn)工序上公差保持在±0.005mm。Dwyer指出,現(xiàn)有的鉆削數(shù)據(jù),通常都用于鉆頭旋轉(zhuǎn)的場合,所以Starro公司不得不自行開發(fā)許多適用于螺旋機床和加工中心的微鉆應(yīng)用程序。Dwyer指出:定心是決竅,必須使機床處于良好狀態(tài),主軸徑向跳動要小于0.0025mm;內(nèi)冷卻微鉆的主要優(yōu)點是可提高刀具壽命和切削速度。與不用冷卻液的硬質(zhì)合金鉆頭相比,內(nèi)冷卻鉆頭的刀具壽命提高到3倍,切削速度提高30%,具體隨工件材料而異。
對于長期應(yīng)用微鉆的場合,對整個切削系統(tǒng)的每一個要素加以優(yōu)化則顯得格外重要。
Kyocera Tycom公司的工業(yè)用微型刀具分公司全國銷售經(jīng)理Tom Krueger指出:對于小批量生產(chǎn),可使用價格低廉的標準工具。但對于特定產(chǎn)品的大批量生產(chǎn),生產(chǎn)車間應(yīng)對整個工序流程進行分析和優(yōu)化。
對于某種特定的工件材料,采用專用的鉆頭、鉆尖幾何參數(shù)、槽長、螺旋角以及柄部的直徑和長度,可以獲得最佳的使用效果。若再對使用鉆頭的機床進行認真分析,將會使生產(chǎn)率進一步提高。
Krueger列舉一個實例:在一臺特殊機床上,用一直徑為0.0381mm的鉆頭加工一種不銹鋼醫(yī)用零件,工件和刀具的轉(zhuǎn)速均為5000rpm,反向旋轉(zhuǎn)。由于接受Kyocera Tycom公司建議,對加工過程進行改進,如調(diào)整機床的同心度,結(jié)果生產(chǎn)率成倍提高。
實踐證明,要想提高生產(chǎn)率,就得花時間、金錢,加上積極工作。例如Starro公司就在設(shè)備和生產(chǎn)工藝過程方面進行了投入,并開展一系列微鉆應(yīng)用的研究工作。該公司的銷售副總裁Dwyer指出,不花費力氣,不會有收獲。



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