正确选择孔加工策略

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　　大多数人都同意，目前钻削仍然是在各种工件材料上大批量加工孔最常用的加工方法。当然，对于每一特定尺寸的孔，就需要一种其直径与被加工孔径相差不到千分之几英寸的钻头。这就意味着，为了加工各种不同尺寸的孔，加工车间必须预备大量钻头。
　　当被加工的孔径较大，如大于11/2″(38.1mm)时，对孔加工机床的功率和稳定性要求就变得十分重要。还有一个必须考虑的因素：是需要高效率加工大量的孔，还是仅仅需要加工少量的孔。此外，机床的加工能力和适用刀具的供货能力也是加工车间必须考虑的重要问题。
/ J& B$ }% I1 E' d! x$ `3 a　　瓦尔特美国公司的产品经理Patrick Nehls指出：“在钻削孔径44.45mm以下的孔时，采用可转位钻头将非常经济和高效，但超过这一尺寸的孔则很少采用可转位钻头加工，甚至很少采用钻削方式加工。”
. C- @" g9 r5 R. U　　在确定采用何种孔加工策略时，山特维克可乐满公司建议考虑以下5个要素：①孔径、孔深、公差、表面光洁度和孔的结构；②工件的结构特点，包括夹持的稳定性、悬伸量和回转性；③机床的功率、转速、冷却液系统和稳定性；④加工批量(10个孔或上百万个孔)；⑤加工成本。
) J5 a1 o9 o( B; y9 `/ U　　一旦确定了需要加工的孔径和孔深，接下来的问题就是完成这些孔加工所需要的机床加工能力和刀具供货能力，这取决于加工车间拥有机床的刀库和自动换刀装置，以及刀具制造商提供的适用刀具。
　　本文讨论的孔加工范围不包括采用套料钻加工3″～6″(76.2～152.4mm)的大直径孔(如用枪钻加工深孔)以及镗孔加工。除非另有说明，假定孔深一般不超过5倍孔径(5D)。
& u3 u( H7 c* _% Q5 ]　　可钻削加工孔的尺寸上限取决于机床驱动钻头钻入工件材料所需要的功率和稳定性。山特维克可乐满公司的旋转刀具产品经理Bruce Carter解释说：“钻削加工的限制一般取决于机床加工能力，包括机床的尺寸、功率、安装、进给力和扭矩。例如，在考虑机床功率时，确定机床所能提供的整个马力和扭矩范围是非常重要的。”
　　随着刀具技术、机床技术的发展以及可方便地实现固定路径编程，螺旋插补铣削(即螺旋铣削)、圆周插补铣削和插铣(即Z轴铣削)正成为制造商加工大直径孔和凹腔的有效选择。对于此类加工，钻削可能并非最佳加工方式。
3 L5 @( s4 c% P. m　　(1)螺旋插补铣削是用铣刀斜向铣入工件毛坯或已加工出的预孔，然后在作X/Y向圆周运动的同时沿Z轴螺旋向下铣削，以实现扩孔加工。
　　(2)圆周插补铣削是铣刀围绕已加工预孔的外径或内径以全齿深进行走刀铣削，以实现扩孔加工。
　　(3)插铣(或Z轴铣削)通过沿着工件的肩壁逐次进行插切，在粗铣出凹腔的同时加工(钻削)出一个新的孔。
　　“螺旋和圆周插补铣削能够利用有限的机床功率(如10马力[7.5kW]或15马力[11.2kW])加工出采用普通钻头或可转位钻头无法加工的大直径孔，”英格索尔刀具公司的产品经理Konrad Forman解释说，“为了钻削一个大直径孔，传统的加工方式是首先用一个较小直径的钻头钻孔，然后逐次换用更大直径的钻头扩大孔径。这就必须购置所需要的各种钻头，并要花费额外的时间更换钻头。而采用一把铣刀同时在X/Y/Z三轴方向进行螺旋斜坡铣削，可以直接在无预孔的毛坯材料上加工出所需要的孔径尺寸。”Forman说，只要工艺运用得当，高效铣刀能够加工出圆度在0.0005"(0.013mm)以内并具有良好表面光洁度的孔。
　　螺旋插补铣削可以使用多种不同类型的标准铣刀，包括方肩铣刀、圆形纽扣铣刀、高进给铣刀、螺旋铣刀等。
+ y. \* y8 [) C, y: t& p  v　　大多数现代数控机床都有用于螺旋插补加工的固定循环。在三轴加工机床中，这种固定循环可以完成X、Y、Z三个轴的快速编程。此外，CAM软件程序中甚至包括了插补加工所需要的更复杂算法。
/ q1 S6 V5 X3 b# @　　“只要用户使用的不是老式的CAM软件包或数控系统，他们就能很容易地生成螺旋刀位轨迹或圆周刀位轨迹。”英格索尔刀具公司的产品经理William Fiorenza说，“在刀具和模具制造行业，大约60%的数控加工程序是由专业程序员离线编制的，他们能编写出加工效率最高并可实现的刀具轨迹；而另外40%的加工程序则是由训练有素的机械工艺师编写的。”
) }( \+ V- H+ s　　伊斯卡公司国内培训经理Michael Gadzinski指出，在螺旋和圆周插补加工中，刀片的切削长度和终端用户希望保持的尺寸公差是需要考虑的关键因素。“可以使用整体硬质合金立铣刀，但通常仅限于加工浅孔，因为刀具夹持问题可能会限制插补加工的深度。深孔通常是采用可转位硬质合金立铣刀或面铣刀进行加工，以获得更好的表面光洁度和更干净、更平直的孔壁。”Gadzinski说。
6 g2 T! {6 H. O7 I% l  z% a/ u　　插铣加工的出现已有相当长的时间，而现在正变得日益流行。“插铣加工受到欢迎的一个原因是现在的机床技术和人机对话式编程使终端用户能够更容易地设定插铣步距，而无需对全部加工G码进行手工编程。”Gadzinski解释说。近来，刀具制造商已开始集中力量设计开发具有最佳插铣功能的刀具。
# @9 n1 y; Z' c- ^　　在模具制造业，插铣已被公认为是一种粗铣模具型腔的高效加工方式。“人们发现，采用插铣进行粗加工能够缩短加工时间，优于通常采用的直线加工方式，”Gadzinski说。插铣后在工件上留下的棱状刀痕可以通过螺旋铣削或常规的半精加工及精加工予以去除。
6 ~8 F  ?& e, U" X6 d% X3 \　　螺旋插补铣削是一种高效孔加工方式，正获得越来越广泛的应用。它要求刀具具有斜坡铣削功能。与圆周插补铣削相比，当刀具沿Z轴向下进行斜坡铣孔时，向下的螺旋切削运动可以减小作用于刀具上的侧向压力，而圆周铣孔时刀具与工件的整个径向接合面要承受全部切削力。
4 H9 f' R, y" H3 U4 C　　“当工件上已钻有预孔，而你想将其扩大到某一特定尺寸时，采用圆周插补铣削非常有效，无论被加工孔是通孔还是盲孔。”山高刀具公司的产品经理Jim Minock解释说，“首先将刀具插入孔中直至全刀深，然后围绕孔进行全圆周铣削。如果需要继续增加孔的深度，可以降低刀具位置，然后重复进行圆周铣削，直至将整个工件铣通。”
# E6 S, K& y' y　　对于可能采用的孔加工策略，唯一的限制是程序员和机械工艺师的想象力和编程技巧。以在28″(711.2mm)厚的4140材料工件上加工一个12″(304.8mm)的通孔为例，山高刀具公司通过采用螺旋插补斜坡铣削替代扁钻/插铣工艺，能为用户缩短2小时以上的加工时间。用户原来采用的工艺是先用8″(203.2mm)的可转位扁钻钻出一个深度为14″(355.6mm)的孔，再用直径6″(152.4mm)的插铣刀将孔径尺寸扩大至12″(304.8mm)。然后将工件调头，在工件的另一边重复进行上述加工，最后加工出一个通孔。山高刀具公司采用的优化加工策略则是用一把直径6.6″(167.6mm)的高进给cassette铣刀进行螺旋插补斜坡铣孔。用户能在20分钟内完成孔的粗加工，用40分钟即可完成孔的全部加工。而采用原工艺，工件每一边的加工需耗时85.2分钟，完成工件两边的全部加工则需要170.4分钟。
　　螺旋插补运动完全可以与斜坡运动或铣削轮廓的平面运动组合应用。瓦尔特美国公司的Nehls解释说：“当你考察一下斜坡铣削或螺旋插补铣削，或斜坡铣削和工件轮廓的平面铣削，你就会发现它们之间有许多相同之处。采用螺旋插补铣孔时，你是加工出一个圆孔并以螺旋方式向下走刀铣通整个工件，你完全也可以采用这种螺旋运动方式并将它转而用于直线斜坡铣削，采用横切工件而不是进入工件的方式来铣削工件轮廓。”
　　在某些加工应用中，创新性的加工技术可能需要采用一些新型的多功能钻削刀具。英格索尔刀具公司的Forman描述了如何在一台50锥度、50马力(37.3kW)的机床上采用传统加工方法，用Quad钻头在6Al4V钛合金材料上快速插钻出一个7″(177.8mm)深、4″(101.6mm)宽、11″(279.4mm)长的凹腔。
, z+ ~1 `5 j5 v　　“开凹腔的传统方式是先用一根直径31/2″(88.9mm)的钻头斜向钻出进入孔，然后用一把21/2″(63.5mm)的面铣刀围绕进入孔走刀铣削，开始时采用短粗刀柄，长度不够时则换用加长刀柄。由于底部有半径1″(25.4mm)的圆弧，因此需要使用长柄球鼻铣刀加工。”
6 b/ p3 h# B. G: V　　“由于我们的Quad钻头能够进行插钻，因此另一种加工方法是先用一根31/4″(82.55mm)的Quad钻头向下插钻到尽可能深但又不会破坏底部圆弧的位置，然后用钻头以50%～75%的跨距横向走刀加工出一个排屑通道，使钛合金切屑能顺畅排出而不会形成积屑瘤。使用相同的立铣刀沿侧壁周围走刀铣削，然后用球鼻立铣刀进行精加工，也能轻松地加工出扇形凹腔。”Forman最后说。
　　下面介绍几种新型高效加工刀具：
　　(1)山高刀具公司的Turbo可转位方肩立铣刀
　　这种高进给刀具可用于螺旋插补铣孔和圆周铣孔。它采用一种独特的刀片形状，能以可有效减薄切屑的小切深和极高的进给率进行铣削，从而实现高金属切除率。这种圆形刀具主要用于仿形铣削加工，但也能在螺旋铣削加工中进行向下斜坡铣削和插补铣削。此外，使用与螺旋插补铣削所用的同一把Turbo立铣刀还可以完成插铣加工。
　　(2)山特维克可乐满公司的CoroDrill 880钻头
　　CoroDrill 880钻头有4个切削刃和刮削刃，可用于螺旋插补加工、插钻和镗孔。目前已上市产品的规格为：钻头直径0.473″～2.5″(12.7～63.5mm)，钻头长度2D～5D。CoroMill 210的直径可到4.0″(99.06mm)，可用于插铣和高进给面铣。用CoroMill 210进行插铣(如铣削深凹腔或沿深肩壁铣削工件外部时)能在轴向去除大量金属材料。
* @0 n5 b* f6 U  ~2 ~7 i　　(3)瓦尔特美国公司的Xtra-tec F4042肩铣刀
: o0 q7 {% u# `* {　　F4042肩铣刀可加工出具有良好表面光洁度的90°台肩；F2330高进给铣刀采用了三面摆线刃刀片；F2334圆形钮扣刀片铣刀的后部实际上是正方形或六边形，因此不需要采用顶部夹紧来防止转动，并可以采用4个、6个和8个切削刃；F2280八边形铣刀采用4个切削刃进行螺旋插补铣削，刀片采用了2个相邻刀尖。
　　(4)伊斯卡公司的Heliplus铣刀
0 G$ Z, Y" l6 C/ x& w5 c7 ]+ y　　Heliplus铣刀采用了22mm的加长切削刃，可用于陡峭的螺旋插补铣削、深腔插入铣削以及圆周插补铣削。在模具加工、大悬伸量加工和需要去除大量毛坯材料的加工中，可采用Plungemill铣刀和Feedmill铣刀进行插铣加工。
　　(5)英格索尔刀具公司的Quad钻头
0 a" S- t3 W* \' _7 H　　刀具直径范围0.625″～3.25″(15.9～82.6mm)的Quad钻头采用重载正方形刀片进行插钻加工；S-MAX插铣刀的直径范围为2″～4″(50.8～101.6mm)，可采用0.600″(15.24mm)大跨距加工；ChipSurfer整体硬质合金插钻-插铣刀具的直径范围为0.375″～0.625″(9.53～15.88mm)，适合加工包括不锈钢、高温合金在内的各种工件材料；Punch-In-Quad大正角插铣刀的直径范围为0.75″～4.00″(19.05～101.6mm)，采用四边形刀片。
1 V' C" y7 a  ~/ p/ B6 D3 f/ b　　(6)肯纳金属公司的Mill1 Max系列刀具
　　该系列刀具设计用于航空铝合金工件的高速、高进给加工。Mill1 Max系列刀具的刀尖圆弧半径可选范围为0.8～6.4mm；刀具种类包括立铣刀、套式铣刀和整体式刀柄(monoblock)工具夹头等；KSOM Mini系列面铣刀及刀片采用25°后角，刀片上有8个切削刃，可用于面铣、斜坡铣、螺旋斜坡铣、铣槽和插铣等加工。【MechNet】
文章关键词： 刀具