数控钻床孔加工技术发展动向

在机械零件加工作业中，孔加工所占比例相当大，与高速铣削相类似的高速、钻削加工已提上议事日程，孔加工对于促使零部件生产公道化是的重要工艺过程。近年来，零部件生产大都采用以CNC数控钻床为中心的生产形态，进行孔加工时，也大都采用加工中心、CNC电加工数控钻床等设备。无论哪个的孔加工，实现和高速化都是取得用户订单的重要竞争手段。

高速孔加工所用加工中心(MC)的条件

实现孔加工高速化的先决条件是采用高速加工中心，而数控钻床的高速化满足下列条件。

1.配备高速回转主轴

钻头和立铣刀一样带有中心齿，由于中心齿四周有一种圆周速度，因此，切削速度向高速化发展时，主轴的转速也实现高速化。特别是在使用小直径钻头时，主轴的高速化更是的。今后，随着孔加工高速化的进展，预计转速达30000～100000r/min的主轴需求将不断增多。同时，由于达到规定的高速回转所需时间很短以及要求Z向(钻头切削方向)主轴伸出长度应控制在程度之内，因此，高速主轴的配置是实现高速孔加工的条件。

2.可动部分具有动作灵敏的功能

主轴和工作台等可动部分应尽可能减轻重量，以实现动作化，这也是进行高速孔加工具备的条件。1个孔的加工时间只需数秒钟，因此，缩短孔与孔之间的工具移动时间，这是实现切削的关键题目，解决此题目的途径首先即为可动部件的动作灵活。例如，即便达到了的定位精度，但如数控钻床可动部分的动作不够灵敏，也就不可能满足当前用户提出的实现高速孔加工的要求。通常是用加速度特性(G值)来判定数控钻床可动部分的性能，当G=0.8～1.5时，可判定该数控钻床为具有高度性能的加工中心。

3.工作台与数控钻床整体面积的比例应较小

作为加工中心的用户，他们希看工作台及工作台以外的部分所占空间应尽可能少一些。尤其是孔加工这类加工本钱较高而附加价值又较低的加工，使用那种结构紧凑的加工中心。如日本理化研究所试制的高速CNC铣床，其加工范围为300mm2，数控钻床本体所占面积950mm2，数控钻床所占面积约为可加工工件尺寸的三倍，整个结构相当紧凑。该铣床主轴转速为45000r/min，可进行高速切削。主轴为XY方向移动式结构(工作台Z轴移动)，其加速度特性值G=1.5，表明该数控钻床具有动作功能。

4.主轴可直接供给冷却液

在钻削过程中，加工L/D(钻头直径与孔深之比)在5以上的孔特别留意排屑题目，选用带供油孔的钻头，以便进行稳定的加工。采用由主轴中心供给冷却液的方式，对于更换卡具的锁紧螺栓则方便。

5.具有孔加工用CNC工具插补功能

CNC切削的特点在于可以进行控制工具轨迹的公道加工，在对孔进行CNC切削加工时，可采用螺旋切削、等高走刀、对切等工具插补方式，具有这些功能的CNC控制系统均可在孔加工中加以应用。

跨进高速钻孔加工新时期

长期以来都是利用钻头进行孔、螺纹孔等通孔及螺栓孔等的加工，最近，这类加工已经向高速切削方向发展。

在孔加工作业中，目前仍大量使用高速钢麻花钻，但各企业之间在孔加工精度和加工效率方面已逐渐拉开了差距。高速切削钻头的材料以陶瓷涂层硬质合金为主，如MAZAK公司和森精机制作所在加工铸铁时，即采用了陶瓷涂层钻头。在加工铝合金等有色材料时，可采用金刚石涂层硬质合金钻头、DLC涂层硬质合金钻头或带金刚石烧结体刀齿的钻头。总之，今后将会不断出很多新型的高速切削钻头。

在各种涂层钻头中，陶瓷涂层硬质合金钻头特别重视、耐热性及润滑性，其涂层工艺也采取多层涂覆方式，如利用TiAlN、TiN、TiCN等复合氮化物形成复合涂层结构。钻头的切削条件总的趋势是高速化，随着被加工材料的不同，切削速度已可分别达到200～300m/min。

高速钻头切削是一种高速大进给量的发展趋势，类似球头立铣刀切削条件的发展趋势。切削实践表明，进步切削速度有利于切屑形态的公道化和加工表面的粗糙度，预计今后仍将沿着高速切削的方向发展；进步进给量对断屑排屑和延长刀具寿命非常有利，因此，今后也仍将沿着大进给的方向不断发展。

目前，高速孔加工大都采用主轴带供液孔的加工中心，这种设备有利于进步钻头的切削速度。例如，用φ10mm涂层硬质合金钻头在S45C材料上加工浅孔时，切削速度可达250m/min，进给速度可达1600mm/min(相当于0.2mm/r)，在此条件下，加工1个孔只需1秒钟左右。日立精机公司、布拉萨产业公司均采用此条件进行浅孔加工。布拉萨公司在此条件下，用金刚石涂层硬质合金钻头在铝合金杆料上加工小直径孔时，1个孔只需0.2～0.5秒钟左右即可完成。预计，今后小直径孔加工将进进1秒钟加工1个孔的高速加工时期。

高速切削对钻头寿命的影响因素甚多，诸如由于切削热较高而引起刃部磨损，切削振动将导致崩刃、切屑缠绕，甚至引起钻头折断等。

为了减少上述故障对钻头寿命的影响，可采取如下一些技术措施：

(1)选用优异，适宜于高速钻削的刀具材料，例如涂层硬质合金等。

(2)选取适应高速切削的切削刃外形，如确定合适的钻尖角和刃口倒棱等。通常钻尖角可选为130°～140°，这种角度可减小切削扭矩；另外，可采取十字形修磨等方式，使切削刃与被切削面的接触面积尽可能减小。同时，应尽量进步柄部和切削刃部分的振摆精度及凸缘部分的高度精度。

(3)选用夹持刚性和振摆的夹具，同时应减轻夹具重量，以利于动作化。例如，HSK刀柄的热装式结构就是目前比较理想的夹持系统。

(4)高速钻削时，为了进步刃口冷却和排屑效果，可采用直接向切削刃供给冷却液的供液方式，以获得稳定的切削效果。冷却液中，除切削液外，还可添加少量植物油和空气，形成混合的雾状冷却剂。

可转位钻头的发展动向

可转位钻头是一种作为切削刃的刀片可更换的工具，与普通钻头相比，其直径较大，不过最近已出φ10mm的小型可转位钻头。目前，可转位钻头已系列化，几乎可以涵盖整体式钻头系列的各类产品。钻头刀片一般采用涂层硬质合金材料制作，只有少数产品采用烧结高速钢、金刚石烧结体、CBN烧结体等材料。可转位钻头通常只有1个刀片，也可有两个刀片，即分别为中心齿和外周齿。在进行大直径孔加工时，钻头可安装2个以上的刀片。装单个刀片的钻头与整体式钻头类似，为三角外形，这样可减小切削阻力；为了便于切屑的分断，刀片均带有断屑槽。刀片夹紧方式因厂家而异，在多数情况下，均采用1个或几个螺钉紧固刀片。当带有2个以上刀片时，刀片外形和断屑槽外形均各不相同。最近这一趋势尤为明显。

可转位钻头的初期，只能加工为钻头直径3倍左右的孔，目前已发展到可加工5D～8D(D为钻头直径)的深孔。在加工那些孔规格同一的零件时，使用可转位钻头。例如，利用装有多刀片的钻头，可同时对孔处进行倒棱和锪孔等作业，这对进步孔加工效率是极为有利的。

CNC孔加工技术

CNC切削是使切削加工公道化的加工方式，进行CNC孔加工时，可采用具有多方向切削功能的立铣刀、螺旋切削插补及等高切进插补等方式，它要求选用尽可能少的刀具来对少量孔进行公道的加工。近来，生产中采用高速铣削方式进行孔加工即为此类加工的应用实例。高速铣削具有下述特点：

(1)利用球头立铣刀和螺旋插补的钻头，可进行镗削和倒棱加工；

(2)球头立铣刀配合螺旋插补法，可进行锥度孔的连续加工；

(3)加工螺纹用的立铣刀配合螺旋插补法，可进行各种螺纹孔加工；

(4)立铣刀配合等高切进插补，可对孔进行半精加工和精加工。

总之，利用工具插补功能，可对任意尺寸的孔进行加工。尤其在采用高速铣削时，各刀齿所承受的负荷相对较轻，因而用同一把涂层硬质合金立铣刀，可对多种被加工材料进行高速孔加工。今后，这种加工方式可看进一步用于干式切削。

高速孔加工

除采用CNC切削方式对孔进行加工外，还可采用镗削和铰削等方式对孔进行加工。随着加工中心主轴的高速化，已可采用镗削工具对孔进行高速加工。据报道，目前在铝合金材料上进行φ40mm左右的镗削加工时，切削速度已可进步到1500m/min以上。在用CBN烧结体作切削刃加工钢材、铸铁及钢时，也可采用这样的切削速度。预计，今后镗削加工的高速化将会普及推广。

为了实现镗削加工的高速化和化，留意刀齿振动对加工表面粗糙度和工具寿命的影响。为了防止加工精度和工具寿命下降，所选用的加工中心配备动平衡性能优异的主轴，所选镗削刀具也具有很高的动平衡特性。尤其是镗削工具的刀齿部分，应选择适用于高速切削的几何外形、刀具材料及装卡方式。切削刃端部的R应较大，以利于进步加工效率；在获得同等加工表面粗糙度的条件下，应加大进给量。但加大进给量应适可而止，否则将增大切削阻力，不利于进步加工效率。切削刃带应设置0.1mm以下的负倒棱，这样可保持刀具寿命的稳定。

至于刀具材料，则视被加工材料性质而有所不同。如加工40HRC以下的钢等材料时，可选用金属陶瓷刀具，这种刀具在v=300m/min以上的高速切削条件下，可获得良好的加工表面粗糙度与较长的刀具寿命。涂层硬质合金刀具则适用于对60HRC以下的钢材等进行高速切削，刀具寿命非常稳定，但切削速度稍低于金属陶瓷刀具。

CBN烧结体刀具适用于加工钢、铸铁等材料，切削速度可达1000m/min以上，而且刀具寿命非常稳定。CBN刀齿的刃带部分应进行适当的倒棱处理，这种处理对进行稳定的高速切削和延长刀具寿命极为有利。在对铝合金等有色金属及非金属材料进行速切削时，可选用金刚石烧结体刀具，这种刀具切削稳定，刀具寿命也很长。应留意的是，使用金刚石刀具时，刀齿刃带进行倒棱处理，这是切削稳定的重要条件。

在铰削加工方面，目前尚未见到高速、的新型刀具问世，该的研究工作似乎处于停滞不前的状态。高速铰刀迄今仍被某些特定的用户用来进行高速孔加工。这种铰刀带有负前角，刚性高，断屑效果好，在高速切削条件下，可进行稳定的孔加工。该铰刀的特点是，采用较大的负前角和奇数刀齿，其高速切削的速度是过往的铰刀无法达到的，因此，可以说此种设计对铰刀的传统概念进行了大胆的突破，是一种的铰削刀具。

高速螺纹切削刀具

随着CNC切削的发展，目前已出一些相应的复合型刀具产品，如将钻削和螺纹切削融为一体的新型螺纹加工刀具，钻孔和螺纹切削在一个行程内完成。这种复合型刀具使螺纹孔加工公道，加工效率也大为进步。

螺纹切削用的新型立铣刀采用了螺旋切削插补方式，该立铣刀可加工M3以上的螺纹孔，排屑性能良好，可获得稳定的加工效果。一般的丝锥也正在朝着高速切削和加工钢的方向发展，攻丝刀具的应用范围正在不断扩大。

丝锥实现高速切削的基本条件如下：

(1)应重视刀齿的切削功能，例如，选择刀齿设计有后角的丝锥，切削效果比较理想；

(2)丝锥的夹持应选用刚性良好的夹具，如选用弹簧夹具、热装式夹具等。

(3)加工中心等数控钻床在切削回转过程中，应具有很高的同步精度。

对于高速攻丝作业，如能满足攻丝刀具、工具轨迹及切削条件、夹具及所用加工中心的功能，即可实现稳定的螺纹切削加工。

今后所要求的微细孔加工技术

随着IT相关产业的发展，近年来，光学和电子产业所用装置的零部件产品的需求增长，这种增长刺激了微细外形及加工技术的发展。其中，微细孔加工技术的应用尤其引人注目。微细孔加工早已在印刷电路板等加工中加以应用，包括钢材在内的多种被加工材料，均可用钻头进行小直径加工。例如，Dijet公司最近出一种新型麻花钻，它将聚晶金刚石和硬质合金烧结成一个整体作为切削刃，这种钻头可对铝合金、镁合金、石墨和塑料等进行高速加工，刀具寿命也大幅度延长。该钻头的螺旋角为30°，直径为φ0.4mm，同时还生产一种挤光钻头，直径为φ0.88mm。这类钻头产品已系列化，的特点是加工表面粗糙度的。

三菱综合材料公司出一种金刚石涂层硬质合金钻头，直径为φ0.2～3.0mm。这种钻头在加工铝合金时，转速可高达32000r/min，进给量为0.09mm/r，进给速度为3008mm/min，在此条件下，刀具寿命为加工30万个孔。

在加工工件的钻头品种中，MMC神钢工具公司的钻头表现。用该公司的φ0.4mm钻头加工SKD11材料(60HRC)时，可在转速6000r/min、进给速度30mm/min条件下，进行长时间稳定的切削加工。三菱综合材料公司最近推出一种带供油孔的小直径钻头(φ2mm)，在切削速度60m/min、进给量0.02mm/r的条件下，加工SUS630材料(长径比为L/D=6)的深孔，其刀具寿命为加工600个孔以上。

目前，小直径孔加工中，利用钻头切削的直径可至φ50μm左右。小于φ50μm的孔则多采用电加工来完成。为了毛刺的产生，很多研究者提出可采用超声波振动切削的方式。目前，正在探索一种应用范围广而且工艺公道的超声波振动切削模式，其中包括研究数控钻床的适应特性等内容。随着这些题目的顺利解决，今后可看地实现直径更小、L/D值的微小深孔加工，钻削的速度会，加工精度会。

近年来，随着高速铣削的出现，以铣削刀具为中心的切削加工正在进进高速化的加工时期。目前，孔加工的高速化明显滞后于其他切削加工。零件的生产是制造业赖以生存的重要条件，因而孔加工技术不能成为机械加工的瓶颈工艺，它沿着切削高速化的方向跟进，尽快步进高速化的加工行列。