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直槽钻头的特点与应用

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    发表于 2008-8-15 19:24:01 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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    关于“螺旋槽钻头不可替代”的传统观念如今正被直槽钻头的加工效能所颠覆。在某些加工场合,直槽钻正成为比麻花钻更佳的刀具选择。

    现代直槽钻的“先驱”是模具钻头(die drills),这种钻头尺寸短、刚性好,钻尖结实,适合以较低的主轴转速和较小的进给率钻削加工硬钢材料,它的高强度和高刚性使其能够加工出直线度和圆度俱佳的孔。模具钻头之所以能取得好的加工效果,是因为设计钻头时所针对的加工材料通常是产生短切屑的金属。在直槽钻头的加工应用中,切屑控制仍然是一个关键问题。直槽钻只有在加工那些不会产生长卷须状切屑的材料时才能获得最佳效果,这些材料包括铸铁、粉末合金(P/M)、中-高硅含量(6%或更高)硅铝合金等。

    但是,随着机床技术、冷却液输送技术以及刀具几何形状设计的进步,直槽钻的加工应用范围正在不断扩展。传统的思维方式认为钻头的螺旋槽对于排屑来说是必不可少的,直槽钻只能用于在铝和铸铁上钻削孔深为2D~3D(D为孔径)的浅孔。但如今开发的高压冷却系统和更高的机床主轴转速,使得采用内冷却的直槽钻的断屑和排屑性能大大提高。

    在条件适宜的加工场合,直槽钻头可表现出远远优于螺旋槽钻头的良好加工性能。直槽钻头的优势是能够加工出圆度和直线度较高的孔,而且其切削速度比标准的钴或高速钢钻头更快。例如,用直径0.394″(φ10mm)的Guhring RT150GG直槽钻替代麻花钻加工铝件时,麻花钻的切削速度为50sfm(15m/min),进给量为0.005ipr(0.127mm/r);而直槽钻的切削速度可达800sfm(245m/min),进给量达0.007ipr(0.178mm/r)。直槽钻所用切削时间仅为麻花钻的1/10。

    直槽钻能显著提高加工效率的部分原因是基于钻头的基本设计——直槽为切屑排出孔外提供了一个直接通道。但是,由于直槽钻头的切削刃缺少一个正前角,因此它的卷屑和断屑能力很差,在加工延展性较好的材料时尤其如此。

    切削速度(特别是足够高的切削速度)是成功应用直槽钻的另一个因素。切削速度越快,形成的切屑就越小。直槽钻正是通过较快的主轴转速而不是较高的进给率来达到高生产率的。

    许多高性能、高钻进率的麻花钻头在切削刃上都有相当大的倒棱,这就要求钻头进入工作的进给量应超过切削刃的倒棱尺寸,从而使切削刃能够对工件材料进行切削而不只是推挤它。对于某些加工应用及被加工材料,麻花钻的切削刃倒棱工作状态良好,而这些麻花钻通常是以高于直槽钻的进给率和低于直槽钻的切削速度进行钻削的。

    以汽车制造商Saturn公司的钻削加工为例。该公司所用钻头以前采用大约500sfm(150m/min)的切削速度进行加工。后来他们决定做一下切削试验,想确定这些钻头到底能以多高的转速进行加工。结果他们发现,当转速提高后,刀具寿命延长,加工周期缩短,排屑效率提高。使用未涂层整体硬质合金钻头加工时,切削速度能够达到1000sfm(300m/min),同时刀具寿命和孔的质量均有显著提高。

    通过采用合理组合的冷却液压力和切削速度,直槽钻也能有效加工那些并非必然产生短切屑的工件材料。例如,用直槽钻加工1144耐应力钢的效果就非常好,断屑顺利且切屑细小,也未形成积屑瘤。加工所用钻头为H.A.M. Precision公司的294-0500非涂层内冷却直槽钻头(直径φ5mm),钻孔深度为48mm,切削速度为185sfm(63m/min),进给量为0.003ipr(0.076mm/r),冷却液压力为1500psi。1144合金中硫化锰的含量较高,有利于断屑。但要成功加工这种材料,需要采用很高的冷却液压力(经验表明,冷却液压力应在600psi以上,最好采用1000psi、1200psi或更高的压力)。

    对于直槽钻,除了切屑控制以外,积屑瘤也可能成为一个问题。这是因为被切除的工件材料从直槽钻中心排出时要经过切削刃,并被推向钻头的钻尖。避免产生积屑瘤的方法之一是使用表面平滑、光洁度高的钻头;使用涂层钻头也有助于防止产生积屑瘤,如广泛用于铝加工的二硫化钼(MoS2)涂层就具有与特氟龙(Teflon)类似的特性,不易与其它物质发生粘结,在需要防止产生积屑瘤的加工场合使用这种涂层钻头效果极佳。

    直槽钻的钻尖结构使其可在每条直槽的外缘处刃磨出2条刃带,由于钻头与工件有4个接触点,钻头在加工中更为稳定,从而可以提高加工精度。

    直槽钻头采用的大顶角也有助于改善其加工性能。例如,H.A.M. Precision公司的标准直槽钻头采用140°顶角,类似于一个分离式钻顶,这种结构可以非常小的推挤力钻入孔中。此外,大顶角还可确保钻头的整个直径与工件材料快速接合,使钻头“跑偏”的可能降至最小。

    在许多加工情况下,最好先用一个其顶角大于硬质合金直槽钻头顶角的导向钻头(中心钻)加工出一个起始孔(预孔),这样,就可以保证正式加工时直槽钻头的钻尖中心(横刃)首先进入预孔,以避免因脆性较大的硬质合金切削刃首先与工件接触而引起崩刃。使用直槽钻加工的另一个策略是在开始钻削前先简单地确定孔位,因为即使是已经过加工的工件表面也可能存在缺陷,操作者只需用钻头接触一下预孔以确定其位置。只要由钻头横刃首先接触工件,钻头就不会“跑偏”,定位孔可以起到类似钻套的作用。

    用三种不同钻头在铸铁材料上加工φ10mm孔时所测得的孔的直线度表明:高速钢螺旋槽钻头采用的切削速度为98sfm(30m/min),进给量为7.66ipm(195mm/min),采用外部冷却方式,孔的加工质量达到IT12级;整体硬质合金螺旋槽钻头采用的切削速度为295sfm(90m/min),进给量为34.5ipm(876mm/min),采用冷却液压力为440psi/2.4-gpm的内冷却方式,孔的加工质量达到IT9级;直槽钻头采用的切削速度为425sfm(130m/min),进给量为33.3ipm(845mm/min),采用冷却液压力为735psi/3.2-gpm的内冷却方式,孔的加工质量达到IT8级。

    许多人将所有的直槽钻都称为“G钻”,但这并不确切,实际上“G钻”只是Accuromm USA Int.公司生产的某一类直槽钻的商标名称,这种钻头的尾部外缘可对孔壁起到挤光作用。

    比较各种孔加工刀具可达到的孔壁光洁度,一般来说,高速钢钻头约为125-rms,硬质合金螺旋槽高效钻头约在63-rms以内,三槽铰刀约为32-rms以内,而G钻则可达到16-rms或更小,已达到精加工的光洁度水平。

    为了加工不同质量水平的孔,Accuromm公司设计了不同的钻头,该公司的G钻一般可以满足H9级公差标准的孔加工要求,而该公司的G-7钻头则集钻削与铰削功能于一身,可以满足H7级公差的加工要求。例如,Accuromm公司列举了一个用直槽G钻取代麻花钻在铝材料上钻孔的加工实例,G钻的直径为0.394″(φ10mm),采用的切削速度为330ft./min(100m/min),进给量为0.008ipr(0.20mm/r),结果表明,孔加工精度显著提高,孔径误差由原来的±0.0032″(0.08mm)减小到±0.0012″(0.03mm)。在相同的切削参数下,如用G-7钻头加工,孔径误差还可减小至±0.0008″(0.02mm)。

    由于直槽钻的钻孔质量较高,对于其它孔加工工序也大有裨益。Accuromm公司指出,如果需对直槽钻头加工的孔进行攻丝,其优良的尺寸精度可使丝锥寿命提高约50%。

    切削刀具性能的提高几乎总是要求其加工对象的范围更窄。虽然直槽钻还远远算不上是一种通用刀具,但其使用范围却在不断扩大。直槽钻的推广应用可在提高加工效率和改善工件质量两方面获得十分显著的效益。

    H.A.M. Precision公司生产的一种整体硬质合金直槽阶梯钻“Muilt-Drill”采用了TiAlN涂层和内冷却通道设计,适用于在短切屑铝合金材料上进行钻孔、阶梯孔和倒角加工。

    Competitive Carbide Int.公司生产的“Insatiable G-Spot”专用复合刀具将该公司的G-Spot直槽钻与内腔钻头结合为一体,用一把刀具即可完成对工件几何结构的多种加工。该刀具一共可以完成9种加工操作,包括钻孔、外径(OD)倒角和锪孔、内径(ID)倒角和锪孔、外径车削(螺纹工件的预加工)等。由于刀具与工件之间的接触面积大,加上钻头外径与工件为4点接触,因此这种两件套的刀具有助于保持工件位置稳定,即可对工件起到额外夹紧作用。由于直槽钻头有2条刃带,该刀具不仅可以钻孔,还可以对孔起到挤光作用。这就意味着加工出的孔光洁度更高,直线度更好,与切削刃仅有1条刃带的传统钻头相比,可以更好地满足对孔的特定尺寸要求。使用Insatiable G-Spot复合刀具至少可以取代3~4种刀具,即如果用原来的刀具加工,需要3次换刀,完成4种加工操作。因此,这种多功能复合刀具的使用,对于提高加工效率、缩短加工时间大有裨益。
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