小直徑鉆頭的使用

1、小直徑鉆頭的正確使用直徑小于 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(xiàng)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(duì)鉆削過程十分敏感的因素處理好，需要有科學(xué)的創(chuàng)新精神。Guhring（ 美國(guó)）公司的市場(chǎng)部經(jīng)理 Mark Megal 說： “在很多場(chǎng)合，使用微鉆你得邊琢磨 邊干?！北M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(yàn)，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(xiàng)簡(jiǎn)單的工作。微鉆的長(zhǎng)徑比顯著加大眾所周知，鉆頭的長(zhǎng)度和直徑之比越大， 其彎曲傾向增加

2、。減小長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)限度。如直徑為 3.175mm 的鉆頭加工孔深 31.75mm 的孔，長(zhǎng)徑比達(dá) 10:1 ；而直徑為 0.508mm 的鉆頭加工孔深 25.4mm 的孔，其長(zhǎng)徑比達(dá)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

3、，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(zhǎng)、加工精度較高。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(dá)到高速鋼的 3 倍，且壽命也能提高；同時(shí)，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(huì)使其容易崩裂。Guhring 公司的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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 M3

4、5的抗熱性增加，并能較長(zhǎng)時(shí)間保持刀刃鋒利。”此外，硬質(zhì)合金鉆頭需要仔細(xì)地安裝和使用， 精確的同心度特別重要， 因?yàn)椴煌脑斐?的側(cè)向負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致鉆頭崩裂。三菱金屬材料 （美國(guó)）公司的銑削和鉆削部高級(jí)生產(chǎn)經(jīng)理Larry Brenner 建議：應(yīng)盡量在鉆頭旋轉(zhuǎn)的機(jī)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(huì)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(gè)影響同心度的因素事先調(diào)整好，特別對(duì)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

5、同心度調(diào)至最佳狀態(tài)。Brenner 進(jìn)一步指出，要把刀夾的跳動(dòng)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(dòng)值在0.0050.0076mm 范圍內(nèi)。消除初始定心誤差任何鉆頭工作時(shí)，開始幾轉(zhuǎn)至關(guān)重要。因?yàn)殚_始切削時(shí)，鉆頭承受偏心力。此外，工件 表面的不規(guī)則形狀會(huì)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(duì)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(gè)深度為12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(shí)，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

6、這樣的方法： 使微鉆開始切入時(shí)的進(jìn)給量遠(yuǎn)低于隨后的正常 進(jìn)給量。例如鉆頭直徑 1.613mm ，孔深 12.7mm ，正常進(jìn)給量規(guī)定為 0.0508mm/r ，開始用 0.0127mm/r 的進(jìn)給量推進(jìn) 0.254mm ，也可推進(jìn)到刃帶開始接觸工件， 然后再轉(zhuǎn)為正常進(jìn)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(jī)床的前面。 有的機(jī)床在其最高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行， 仍未達(dá)到微鉆的 最佳切削速度。例如直徑為 1mm 的鉆頭，切削速度達(dá)到 91.44m/min ，要求機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速 達(dá)到 28000r/min

7、 。被加工材料的硬度，對(duì)于確定微鉆切削速度和進(jìn)給量的初始推薦值有很大影響。例如， 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(shí)， 其切削速度選用 91.44m/min ，進(jìn)給量選用 0.038mm/r 。但是該鉆頭加工塑料和合成材料時(shí)， 切削速度可達(dá) 198.12m/min ，進(jìn)給量達(dá) 0.127mm/r 。加工難加工材料 （如鎳基合金、鈦合金 ） 時(shí)，切削速度僅為 15.24 18.29m/min ，進(jìn)給量?jī)H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

8、也有助于防止在孔底持續(xù)擠壓，這一點(diǎn)在加工冷作硬化材料時(shí)尤為重要。Brenner 指出，一般認(rèn)為分步切削就得把鉆頭完全退出來，其實(shí)不然。若采用中斷進(jìn)給 （幾轉(zhuǎn)或短時(shí) ），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(duì)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?yàn)殡S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(jì)用于加工韌性材料的 微鉆十分相似

9、，但是，兩者的切削幾何參數(shù)卻有很大差異。公司的 Kueter 指出， 雖然經(jīng)過仔細(xì)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(gè) 重要的方向是盡量縮短槽長(zhǎng)， 以提高鉆頭的強(qiáng)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(zhǎng)不一定要達(dá)到 25.4mm ，一般提供槽長(zhǎng)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(zhǎng)也制成 1.524

10、mm ，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(gè) 0.762mm中間直徑加以過渡。對(duì)此Kueter認(rèn)為，鉆削韌性材料時(shí)，鉆頭伸出長(zhǎng)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(duì)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，制成倒錐一一直徑向柄部方向 減小是十分必要的。倒錐量一般為0.0050.127mm。因?yàn)殂@頭槽長(zhǎng)常小于 25.4mm ,所以每25.4mm長(zhǎng)度上的倒錐通常為 0.01270.

11、0254mm 。Kueter強(qiáng)調(diào)，只要鉆孔有深度， 就需要倒錐度。特別是對(duì)鈦合金等加工中出現(xiàn)回縮”的材料，若沒有適當(dāng)?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(shí)回縮”現(xiàn)象的獨(dú)特方法：要求工具廠供應(yīng)的鉆頭鉆尖處徑向跳動(dòng)處于公差上限，這樣在鉆孔時(shí)擴(kuò)張量較大，工件回縮”也不至于抱住鉆頭。內(nèi)冷卻效果好實(shí)踐證明，采用內(nèi)冷卻鉆頭對(duì)提高深孔加工的生產(chǎn)率十分有效。它的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)制排屑和幫助斷屑的作用。在孔深大于3倍直徑時(shí)，采用內(nèi)冷卻鉆頭加工時(shí)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

12、統(tǒng)公司的全國(guó)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(shí)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(gè)大氣壓），采用鈷高速鋼鉆頭，轉(zhuǎn)速 為1600r/min，單件工時(shí)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(jìn)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(jìn)給量0.0203mm/r ,分步切削步長(zhǎng)1.3

13、97mm ,冷卻液壓力達(dá)102個(gè)大氣壓。兩支鉆頭的單件加工 工時(shí)合計(jì)為16.5秒（節(jié)省工時(shí)60%），刀具壽命增加到 875件。獲得如此巨大的好處，代價(jià) 僅為每個(gè)零件刀具費(fèi)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(dá)到 68個(gè)大氣壓，隨鉆頭上的兩個(gè)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(duì)于大尺寸鉆頭， 內(nèi)冷卻孔直徑達(dá)到 1.524mm，在68個(gè)大氣壓下，其冷卻液流量達(dá)16.4升/分，而在同樣壓力下，用微鉆鉆削時(shí)的冷卻液流量?jī)H為 1.89升/分。三菱公司還建議：

14、冷卻系統(tǒng)應(yīng)能濾掉尺寸小至5微米的質(zhì)點(diǎn)；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(gè)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810倍，所以不宜采用。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(qiáng)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?yàn)樗兄谇行寂懦隹淄?。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(hào)不銹鋼時(shí)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。

15、在內(nèi)冷卻微鉆 的應(yīng)用方面和 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±).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(chǎng)合，所以 Starro 公司不得不自行開發(fā)許多適用 于螺旋機(jī)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(jī)床處于良好 狀態(tài)，主軸徑向跳動(dòng)要小于 0.0025mm ；內(nèi)冷卻微鉆的主要優(yōu)點(diǎn)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(duì)于長(zhǎng)期應(yīng)用微鉆的場(chǎng)合，對(duì)整個(gè)切削系統(tǒng)的每一個(gè)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(guó)銷售經(jīng)理 Tom Krueger 指出：對(duì)于 小批量生產(chǎn)，可使用價(jià)格低廉的標(biāo)準(zhǔn)工具。 但對(duì)于特定產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)， 生產(chǎn)車間應(yīng)對(duì)整 個(gè)工序流程進(jìn)行分析和優(yōu)化。對(duì)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(zhǎng)、螺旋角以及柄部的 直徑和長(zhǎng)度，可以獲得最佳的使用效果。 若再對(duì)使用鉆頭的機(jī)床進(jìn)行認(rèn)真分析， 將會(huì)使生產(chǎn) 率