直槽鑽頭的特點與應用

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直槽鑽頭的特點與應用簡介
    關於「螺旋槽鑽頭不可替代」的傳統觀念如今正被直槽鑽頭的加工效能所顛覆。在某些加工場合,直槽鑽正成為比麻花鑽更佳的刀具選擇。 現代直槽鑽的「先驅」是模具鑽……
直槽鑽頭的特點與應用正文

    關於「螺旋槽鑽頭不可替代」的傳統觀念如今正被直槽鑽頭的加工效能所顛覆。在某些加工場合,直槽鑽正成為比麻花鑽更佳的刀具選擇。
現代直槽鑽的「先驅」是模具鑽頭(die drills),這種鑽頭尺寸短、剛性好,鑽尖結實,適合以較低的主軸轉速和較小的進給率鑽削加工硬鋼材料,它的高強度和高剛性使其能夠加工出直線度和圓度俱佳的孔。模具鑽頭之所以能取得好的加工效果,是因為設計鑽頭時所針對的加工材料通常是產生短切屑的金屬。在直槽鑽頭的加工應用中,切屑控制仍然是一個關鍵問題。直槽鑽只有在加工那些不會產生長卷鬚狀切屑的材料時才能獲得最佳效果,這些材料包括鑄鐵、粉末合金(P/M)、中-高硅含量(6%或更高)硅鋁合金等。
但是,隨著機床技術、冷卻液輸送技術以及刀具幾何形狀設計的進步,直槽鑽的加工應用範圍正在不斷擴展。傳統的思維方式認為鑽頭的螺旋槽對於排屑來說是必不可少的,直槽鑽只能用於在鋁和鑄鐵上鑽削孔深為2D~3D(D為孔徑)的淺孔。但如今開發的高壓冷卻系統和更高的機床主軸轉速,使得採用內冷卻的直槽鑽的斷屑和排屑性能大大提高。
在條件適宜的加工場合,直槽鑽頭可表現出遠遠優於螺旋槽鑽頭的良好加工性能。直槽鑽頭的優勢是能夠加工出圓度和直線度較高的孔,而且其切削速度比標準的鈷或高速鋼鑽頭更快。例如,用直徑0.394″(φ10mm)的Guhring RT150GG直槽鑽替代麻花鑽加工鋁件時,麻花鑽的切削速度為50sfm(15m/min),進給量為0.005ipr(0.127mm/r);而直槽鑽的切削速度可達800sfm(245m/min),進給量達0.007ipr(0.178mm/r)。直槽鑽所用切削時間僅為麻花鑽的1/10。
直槽鑽能顯著提高加工效率的部分原因是基於鑽頭的基本設計??直槽為切屑排出孔外提供了一個直接通道。但是,由於直槽鑽頭的切削刃缺少一個正前角,因此它的卷屑和斷屑能力很差,在加工延展性較好的材料時尤其如此。
切削速度(特別是足夠高的切削速度)是成功應用直槽鑽的另一個因素。切削速度越快,形成的切屑就越小。直槽鑽正是通過較快的主軸轉速而不是較高的進給率來達到高生產率的。
許多高性能、高鑽進率的麻花鑽頭在切削刃上都有相當大的倒棱,這就要求鑽頭進入工作的進給量應超過切削刃的倒棱尺寸,從而使切削刃能夠對工件材料進行切削而不只是推擠它。對於某些加工應用及被加工材料,麻花鑽的切削刃倒棱工作狀態良好,而這些麻花鑽通常是以高於直槽鑽的進給率和低於直槽鑽的切削速度進行鑽削的。
以汽車製造商Saturn公司的鑽削加工為例。該公司所用鑽頭以前採用大約500sfm(150m/min)的切削速度進行加工。後來他們決定做一下切削試驗,想確定這些鑽頭到底能以多高的轉速進行加工。結果他們發現,當轉速提高后,刀具壽命延長,加工周期縮短,排屑效率提高。使用未塗層整體硬質合金鑽頭加工時,切削速度能夠達到1000sfm(300m/min),同時刀具壽命和孔的質量均有顯著提高。
通過採用合理組合的冷卻液壓力和切削速度,直槽鑽也能有效加工那些並非必然產生短切屑的工件材料。例如,用直槽鑽加工1144耐應力鋼的效果就非常好,斷屑順利且切屑細小,也未形成積屑瘤。加工所用鑽頭為H.A.M. Precision公司的294-0500非塗層內冷卻直槽鑽頭(直徑φ5mm),鑽孔深度為48mm,切削速度為185sfm(63m/min),進給量為0.003ipr(0.076mm/r),冷卻液壓力為1500psi。1144合金中硫化錳的含量較高,有利於斷屑。但要成功加工這種材料,需要採用很高的冷卻液壓力(經驗表明,冷卻液壓力應在600psi以上,最好採用1000psi、1200psi或更高的壓力)。
對於直槽鑽,除了切屑控制以外,積屑瘤也可能成為一個問題。這是因為被切除的工件材料從直槽鑽中心排出時要經過切削刃,並被推向鑽頭的鑽尖。避免產生積屑瘤的方法之一是使用表面平滑、光潔度高的鑽頭;使用塗層鑽頭也有助於防止產生積屑瘤,如廣泛用於鋁加工的二硫化鉬(MoS2)塗層就具有與特氟龍(Teflon)類似的特性,不易與其它物質發生粘結,在需要防止產生積屑瘤的加工場合使用這種塗層鑽頭效果極佳。
直槽鑽的鑽尖結構使其可在每條直槽的外緣處刃磨出2條刃帶,由於鑽頭與工件有4個接觸點,鑽頭在加工中更為穩定,從而可以提高加工精度。
直槽鑽頭採用的大頂角也有助於改善其加工性能。例如,H.A.M. Precision公司的標準直槽鑽頭採用140°頂角,類似於一個分離式鑽頂,這種結構可以非常小的推擠力鑽入孔中。此外,大頂角還可確保鑽頭的整個直徑與工件材料快速接合,使鑽頭「跑偏」的可能降至最小。
在許多加工情況下,最好先用一個其頂角大於硬質合金直槽鑽頭頂角的導向鑽頭(中心鑽)加工出一個起始孔(預孔),這樣,就可以保證正式加工時直槽鑽頭的鑽尖中心(橫刃)首先進入預孔,以避免因脆性較大的硬質合金切削刃首先與工件接觸而引起崩刃。使用直槽鑽加工的另一個策略是在開始鑽削前先簡單地確定孔位,因為即使是已經過加工的工件表面也可能存在缺陷,操作者只需用鑽頭接觸一下預孔以確定其位置。只要由鑽頭橫刃首先接觸工件,鑽頭就不會「跑偏」,定位孔可以起到類似鑽套的作用。
用三種不同鑽頭在鑄鐵材料上加工φ10mm孔時所測得的孔的直線度表明:高速鋼螺旋槽鑽頭採用的切削速度為98sfm(30m/min),進給量為7.66ipm(195mm/min),採用外部冷卻方式,孔的加工質量達到IT12級;整體硬質合金螺旋槽鑽頭採用的切削速度為295sfm(90m/min),進給量為34.5ipm(876mm/min),採用冷卻液壓力為440psi/2.4-gpm的內冷卻方式,孔的加工質量達到IT9級;直槽鑽頭採用的切削速度為425sfm(130m/min),進給量為33.3ipm(845mm/min),採用冷卻液壓力為735psi/3.2-gpm的內冷卻方式,孔的加工質量達到IT8級。
許多人將所有的直槽鑽都稱為「G鑽」,但這並不確切,實際上「G鑽」只是Accuromm USA Int.公司生產的某一類直槽鑽的商標名稱,這種鑽頭的尾部外緣可對孔壁起到擠光作用。
比較各種孔加工刀具可達到的孔壁光潔度,一般來說,高速鋼鑽頭約為125-rms,硬質合金螺旋槽高效鑽頭約在63-rms以內,三槽鉸刀約為32-rms以內,而G鑽則可達到16-rms或更小,已達到精加工的光潔度水平。
為了加工不同質量水平的孔,Accuromm公司設計了不同的鑽頭,該公司的G鑽一般可以滿足H9級公差標準的孔加工要求,而該公司的G-7鑽頭則集鑽削與鉸削功能於一身,可以滿足H7級公差的加工要求。例如,Accuromm公司列舉了一個用直槽G鑽取代麻花鑽在鋁材料上鑽孔的加工實例,G鑽的直徑為0.394″(φ10mm),採用的切削速度為330ft./min(100m/min),進給量為0.008ipr(0.20mm/r),結果表明,孔加工精度顯著提高,孔徑誤差由原來的±0.0032″(0.08mm)減小到±0.0012″(0.03mm)。在相同的切削參數下,如用G-7鑽頭加工,孔徑誤差還可減小至±0.0008″(0.02mm)。
由於直槽鑽的鑽孔質量較高,對於其它孔加工工序也大有裨益。Accuromm公司指出,如果需對直槽鑽頭加工的孔進行攻絲,其優良的尺寸精度可使絲錐壽命提高約50%。
切削刀具性能的提高几乎總是要求其加工對象的範圍更窄。雖然直槽鑽還遠遠算不上是一種通用刀具,但其使用範圍卻在不斷擴大。直槽鑽的推廣應用可在提高加工效率和改善工件質量兩方面獲得十分顯著的效益。
H.A.M. Precision公司生產的一種整體硬質合金直槽階梯鑽「Muilt-Drill」採用了TiAlN塗層和內冷卻通道設計,適用於在短切屑鋁合金材料上進行鑽孔、階梯孔和倒角加工。
Competitive Carbide Int.公司生產的「Insatiable G-Spot」專用複合刀具將該公司的G-Spot直槽鑽與內腔銑刀結合為一體,用一把刀具即可完成對工件幾何結構的多種加工。該刀具一共可以完成9種加工操作,包括鑽孔、外徑(OD)倒角和鍃孔、內徑(ID)倒角和鍃孔、外徑車削(螺紋工件的預加工)等。由於刀具與工件之間的接觸面積大,加上鑽頭外徑與工件為4點接觸,因此這種兩件套的刀具有助於保持工件位置穩定,即可對工件起到額外夾緊作用。由於直槽鑽頭有2條刃帶,該刀具不僅可以鑽孔,還可以對孔起到擠光作用。這就意味著加工出的孔光潔度更高,直線度更好,與切削刃僅有1條刃帶的傳統鑽頭相比,可以更好地滿足對孔的特定尺寸要求。使用Insatiable G-Spot複合刀具至少可以取代3~4種刀具,即如果用原來的刀具加工,需要3次換刀,完成4種加工操作。因此,這種多功能複合刀具的使用,對於提高加工效率、縮短加工時間大有裨益。

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