首先，讓我們?cè)囍o“微孔鉆削”下一個(gè)定義。不過(guò)，與許多金屬切削術(shù)語(yǔ)一樣，往往很難給出一個(gè)嚴(yán)格而精確的定義。金屬切削行業(yè)充滿了相對(duì)性，事實(shí)上，幾乎所有旨在確定金屬切削參數(shù)值的討論都會(huì)以“取決于具體的加工條件”作為開(kāi)場(chǎng)白或結(jié)束語(yǔ)。

 

不過(guò)，有一位業(yè)內(nèi)人士——Big Kaiser公司負(fù)責(zé)銷售和工程的副總裁、瑞士微型鉆頭制造商Sphinx公司產(chǎn)品線的分銷商Jack Burley——愿意用一個(gè)數(shù)字來(lái)定義微孔鉆削。他解釋說(shuō)，Sphinx公司將孔徑在0.05－2.5mm范圍內(nèi)的鉆削加工定義為微孔鉆削。為了便于討論，我們暫且同意這一定義。Burley還補(bǔ)充說(shuō)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并非一成不變，隨著加工技術(shù)和用于制造微型鉆頭的材料的持續(xù)改進(jìn)，微孔鉆削的最小孔徑下限值也會(huì)不斷縮小。

 

什么是微細(xì)加工？

 

微細(xì)加工并不一定等同于加工微型零件。雖然在醫(yī)療和電子器件制造業(yè)，確實(shí)存在零件日益小型化的趨勢(shì)，但在許多尺寸較大的工件上，往往也需要加工一些非常小的特征，此類加工只能通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)來(lái)完成。

 

Burley指出，“我曾看到一些慣常使用直徑6.35mm鉆頭的加工車間，只是把刀具更換為直徑1.52mm的鉆頭，就試圖進(jìn)行微孔鉆削，當(dāng)加工無(wú)法完成時(shí)，他們也不知道問(wèn)題出在哪里。問(wèn)題在于，當(dāng)你突破2.5mm的孔徑界限時(shí)，精度要求將會(huì)大幅提高。相應(yīng)地，必須對(duì)加工工藝進(jìn)行全面優(yōu)化。這不是僅靠更換刀具就能解決的問(wèn)題，只有訓(xùn)練有素的加工車間才能實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。”

 

機(jī)床設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)微孔鉆削？

 

微細(xì)加工要求機(jī)床的進(jìn)給軸具有足夠高的靈敏度和足夠小的分辨率。機(jī)床還必須具備精度極高的主軸，能以很小的動(dòng)態(tài)徑跳高速旋轉(zhuǎn)。動(dòng)態(tài)徑跳誤差是高速主軸的重要衡量指標(biāo)，可利用激光或電容阻抗傳感技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。

 

Burley解釋說(shuō)，“機(jī)床制造商已經(jīng)為微細(xì)加工開(kāi)發(fā)出了專用機(jī)床。對(duì)于那些打算利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行微細(xì)加工的車間，我建議請(qǐng)專家對(duì)機(jī)床進(jìn)行評(píng)估，以確保其能實(shí)現(xiàn)足夠精細(xì)的進(jìn)給，且動(dòng)態(tài)徑跳誤差（TIR）小于0.0025mm。”

 

如何夾持微型鉆頭？

 

微型鉆頭的基本型式有兩種：①絲柄鉆頭：其柄部直徑與鉆削部分直徑相同（圖1左）；②標(biāo)準(zhǔn)柄鉆頭：無(wú)論其鉆削部分直徑是多大，柄部直徑均為標(biāo)準(zhǔn)尺寸φ3mm（圖1中、右）。絲柄鉆頭的制造成本較低，因此具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但為了夾持不同直徑的鉆頭，需要有不同尺寸規(guī)格的夾頭。此外，由于絲柄鉆頭的外徑較小，因此操作難度也更大。

圖1  兩種型式的微型鉆頭

 

無(wú)論采用哪種型式的鉆頭，刀具夾持技術(shù)對(duì)微孔鉆削都非常重要。微型鉆頭對(duì)徑跳精度要求嚴(yán)格。機(jī)床主軸、刀具夾頭和夾筒的任何徑跳誤差都會(huì)對(duì)微型鉆頭產(chǎn)生很大影響。對(duì)于直徑小于2mm的微型鉆頭，在孔深為4倍孔徑處測(cè)得的最大徑跳誤差（TIR）應(yīng)小于0.0025mm。

圖2  基于刀具直徑和切屑負(fù)荷的最大徑跳值（TIR）

 

Burley解釋說(shuō)，“刀具夾頭和機(jī)床主軸構(gòu)成一個(gè)支持系統(tǒng)，確保鉆尖能盡可能精確地鉆入工件。我們的測(cè)試表明，達(dá)到AA級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的高精密夾頭可以提供穩(wěn)定的徑跳精度，并使換刀更為簡(jiǎn)便。對(duì)于在加工中心上進(jìn)行的超小直徑鉆削，通常是用手將夾頭直接在主軸中夾緊，以消除采用自動(dòng)換刀機(jī)械手所產(chǎn)生的定位誤差。”【金屬加工微信，內(nèi)容不錯(cuò)，值得關(guān)注！】

圖3  換刀時(shí)清潔夾頭有助于保持其重復(fù)性精度

 

工件材料是什么？

 

為了減小排屑所需的力，并防止切屑與排屑槽發(fā)生冷焊，要求鉆頭所有切削刃的磨損均勻一致，這對(duì)于微孔鉆削至關(guān)重要。因此，微型鉆頭的表面光潔度必須非常好。

 

微孔鉆削刀具必須與被加工材料相互匹配，這一點(diǎn)與常規(guī)鉆削加工并無(wú)二致。不同的是，微型鉆頭的切削刃必須非常鋒利，并具有良好的對(duì)中性，因?yàn)檫@些微型刀具缺乏足夠的結(jié)構(gòu)完整性，難以依靠推力來(lái)鉆削工件。

Burley解釋說(shuō)，“微型刀具制造商可以通過(guò)采用不同的幾何刃型和刀具材料，來(lái)優(yōu)化微型鉆頭的加工性能。通過(guò)改變鉆尖的橫刃厚度，我們就能根據(jù)工件材料增強(qiáng)或削弱鉆尖強(qiáng)度。雖然高速鋼是最常用的鉆頭材質(zhì)，但納米晶粒硬質(zhì)合金鉆頭具有最長(zhǎng)的刀具壽命。我建議加工車間與刀具供應(yīng)商密切合作，創(chuàng)建基于特定加工的切削參數(shù)和刀具規(guī)格，因?yàn)槊總€(gè)刀具供應(yīng)商制造的刀具都略有不同。”

 

公差要求是多少？

 

對(duì)于許多微型鉆頭來(lái)說(shuō)，并不缺乏鉆削這種小孔的能力。但是，隨著微孔鉆削的廣泛應(yīng)用，人們?cè)絹?lái)越迫切地要求微孔鉆削能達(dá)到與常規(guī)鉆削類似的尺寸精度和表面光潔度。

 

Burley指出，“在微孔鉆削中，鉆頭的精度至關(guān)重要。由于微孔鉆削基本上是‘一錘子買賣’，最好能一次進(jìn)刀就達(dá)到尺寸要求。為了覆蓋所需尺寸范圍，我們提供的微型鉆頭、普通鉆頭和中心鉆的直徑增量為0.01mm。”

 

Burley繼續(xù)說(shuō)，“更嚴(yán)格的尺寸公差推動(dòng)了精密孔加工刀具的發(fā)展。微型鏜刀和鉸刀用于進(jìn)一步提高微型鉆頭加工出的孔壁表面光潔度（通常為20rms），以及將孔的尺寸精度和直線度提高到僅靠鉆削加工遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到的水平。只要微孔鉆削的工藝要素（進(jìn)給控制、主軸和刀具夾頭的徑跳誤差、刀具材料和幾何形狀、切削參數(shù)等）能滿足要求，就完全可以通過(guò)微孔鏜削和鉸削達(dá)到0.0025mm的公差要求。”

圖4  夾持在鏜頭上的微型鏜刀（鏜孔直徑：0.135mm，孔徑微調(diào)量：1μm，柄部直徑：7mm）

 

孔的深度是多少？

 

隨著切削刀具和加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，用微型鉆頭鉆削深孔的加工水平也在不斷提高。采用具有反向直徑公差（即+0.004/-0mm）而不是在正（負(fù)）方向具有標(biāo)準(zhǔn)公差的中心鉆，可以為深孔鉆削預(yù)鉆一個(gè)定心孔。這道工序使結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)、脆弱易斷的微型鉆頭能夠鉆入一個(gè)直徑尺寸略大的孔，以防止鉆頭受到束縛和折斷。

 

Burley表示，“我們成功鉆削出了長(zhǎng)徑比為10－15的微孔。除了采用定心孔引導(dǎo)鉆頭以外，我們還建議采用‘啄擊’加工程序。對(duì)于深度為2倍直徑的孔，我建議采用進(jìn)刀3次、退刀1次的‘啄擊’程序?？咨蠲吭黾?倍孔徑長(zhǎng)度，就額外增加一次進(jìn)刀，并將整個(gè)刀具全部退出孔外。為了完成這種加工，具有精密伺服控制功能的機(jī)床至關(guān)重要。”

 

他補(bǔ)充說(shuō)，“由于微型鉆頭形成的切屑很小，傳入切屑的切削熱不多。因此有必要采取措施清除切屑和冷卻鉆頭。我們建議采用油霧/壓縮空氣來(lái)輔助排屑和冷卻鉆頭。”

 

鉆頭如何鉆入工件？

 

在理想情況下，微型鉆頭最好能垂直鉆入工件。然而，并非每個(gè)孔都能滿足這一條件——有些工件的孔口表面傾斜了一定角度。

 

Burley指出，如果鉆頭鉆入點(diǎn)的傾角小于10°，通過(guò)小心謹(jǐn)慎地進(jìn)給，就能避免鉆頭在工件表面發(fā)生滑移，并成功完成加工。如果傾角大于10°，則需要采取一些措施，解決鉆頭滑移問(wèn)題。例如，可在鉆入點(diǎn)斜面上銑出一個(gè)小槽口，為中心鉆創(chuàng)建一個(gè)可垂直鉆入的平臺(tái)，然后再用微型鉆頭通過(guò)定心孔進(jìn)行鉆削。

 

微型鉆頭斜面鉆削的另一種解決辦法是采用帶B軸的數(shù)控機(jī)床。首先，主軸帶動(dòng)鉆頭進(jìn)給（鉆尖垂直于工件的鉆入點(diǎn)），一旦鉆頭與工件接觸，B軸則轉(zhuǎn)動(dòng)給定的傾角，鉆頭就可以垂直鉆入了。采用該方法加工無(wú)需預(yù)鉆定心孔。

 

需要加工多少個(gè)孔？

 

Burley向打算從事微孔鉆削的加工車間提出的下一個(gè)問(wèn)題是：需要在工件上加工多少個(gè)孔？微孔鉆削可以非常有效地應(yīng)用于大批量加工（既可以是在許多零件上鉆孔，也可以是在每個(gè)零件上鉆許多孔）。

 

Burley解釋說(shuō)“孔的加工批量不同，微孔鉆削的工藝規(guī)范可能也會(huì)有所變化。如果加工批量較大，工藝優(yōu)化的重點(diǎn)應(yīng)是提高加工效率和延長(zhǎng)刀具壽命。例如，如果可能的話，應(yīng)取消預(yù)鉆定心孔工序，以加快生產(chǎn)節(jié)拍。為此，可采用能減小刀具磨損的涂層鉆頭。一般來(lái)說(shuō)，由于尺寸太小，微型刀具大多不采用涂層。PVD涂層的厚度有可能會(huì)影響微型刀具的名義尺寸。對(duì)用于大批量加工的微型刀具，采用的任何涂層都必須非常?。ê穸刃∮?.001mm），而且非常光滑。”

 

車間員工的技能水平如何？

 

或許與以上所有問(wèn)題同樣重要的是：車間員工是否適應(yīng)向微細(xì)加工的轉(zhuǎn)型？員工們不僅需要掌握新的加工技能，還需要知道，對(duì)于這些比頭發(fā)絲還細(xì)、脆弱易損的微型刀具，必須輕拿輕放、小心呵護(hù)。

 

Burley表示，“加工技能是可以習(xí)得的。我見(jiàn)過(guò)一些從事微細(xì)加工的操作人員，他們知道刀具何時(shí)會(huì)失效，或何時(shí)會(huì)變鈍。他們可能說(shuō)不出其中的道理，全憑豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這是一種寶貴的技能。我認(rèn)為，車間管理者除了投資購(gòu)買加工所需的硬件以外，還必須培訓(xùn)操作人員掌握微細(xì)加工所需的特定技能。用直徑小于2.5mm的微型刀具進(jìn)行切削加工是一種不同的體驗(yàn)。”

 

微孔鉆削實(shí)例

圖5  微孔鉆削實(shí)例

 

圖5所示圓形零件是用于醫(yī)療行業(yè)的一個(gè)過(guò)濾器，其上有400個(gè)用肉眼幾乎難以看清的微孔。這些微孔的加工條件為：工件材料： 6Al4V鈦合金；微孔尺寸：孔徑0.15mm，孔深0.8mm；孔的數(shù)量：400個(gè)；加工機(jī)床：Kern精密微孔加工機(jī)床；主軸轉(zhuǎn)速：6,300 r/min；進(jìn)給率：0.0025mm/r。由于孔的數(shù)量很多，為縮短加工周期，取消了預(yù)鉆定心孔工序，也未采用“啄擊”鉆削方式。

來(lái)源：工具展望