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孔加工技术的发展


     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、高精度钻削加工已提上议事日程,高效率孔加工对于促使零部件生产合理化是不可或缺的重要工艺过程。近年来,零部件生产大都采用以CNC机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电加工机床等先进设备。无论哪个领域的孔加工,实现高精度和高速化都是取得用户订单的重要竞争手段。  
  1 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必须采用高速加工中心,而机床的高速化必须满足下列条件。 
  1.1 配备高速回转主轴 
  钻头和立铣刀一样带有中心齿,由于中心齿附近有一种圆周速度,因此,切削速度向高速化发展时,主轴的转速也必须实现高速化。特别是在使用小直径钻头时,主轴的高速化更是不可缺少的。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最小程度之内,因此,高速主轴的配置是实现高速高精度孔加工不可缺少的条件。 
  1.2 可动部分具有动作敏捷的功能 
  主轴和工作台等可动部分应尽可能减轻重量,以实现动作快捷化,这也是进行高速孔加工必须具备的条件。1个孔的加工时间只需数秒钟,因此,必须缩短孔与孔之间的工具移动时间,这是实现高效率切削的关键问题,解决此问题的途径首先即为可动部件的动作必须灵活快捷。例如,即便达到了高精度的定位精度,但如机床可动部分的动作不够灵敏快捷,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)来判断机床可动部分的快捷性能,当G=0.8~1.5时,可判断该机床为具有高度快捷性能的加工中心。 
  1.3 工作台与机床整体面积的比例应较小 
  作为加工中心的用户,他们希望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成本较高而附加价值又较低的加工领域,最好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,机床本体所占面积950mm2,机床所占面积约为可加工最大工件尺寸的三倍,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(工作台仅限Z轴移动),其加速度特性值G=1.5,表明该机床具有快捷动作功能。 
  1.4 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以上的孔必须特别注意排屑问题,最好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更为方便。 
  1.5 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合理加工,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。 
  2 跨入高速钻孔加工新时期 
  长期以来都是利用钻头进行高精度孔、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迅速发展。 
  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,今后将会不断开发出许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磨性、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,提高切削速度有利于切屑形态的合理化和改善加工表面的粗糙度,预计今后仍将沿着高速切削的方向发展;提高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,这种设备有利于提高钻头的切削速度。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、布拉萨工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.

 
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