首先，讓我們試著給“微孔鉆削”下一個定義。不過，與許多金屬切削術(shù)語一樣，往往很難給出一個嚴(yán)格而精確的定義。金屬切削行業(yè)充滿了相對性，事實上，幾乎所有旨在確定金屬切削參數(shù)值的討論都會以“取決于具體的加工條件”作為開場白或結(jié)束語。

 

不過，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——愿意用一個數(shù)字來定義微孔鉆削。他解釋說，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還補充說，這個標(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，微孔鉆削的最小孔徑下限值也會不斷縮小。

 

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)，確實存在零件日益小型化的趨勢，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，此類加工只能通過微細(xì)加工技術(shù)來完成。

 

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，就試圖進行微孔鉆削，當(dāng)加工無法完成時，他們也不知道問題出在哪里。問題在于，當(dāng)你突破2.5mm的孔徑界限時，精度要求將會大幅提高。相應(yīng)地，必須對加工工藝進行全面優(yōu)化。這不是僅靠更換刀具就能解決的問題，只有訓(xùn)練有素的加工車間才能實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。”

 

機床設(shè)備能否實現(xiàn)微孔鉆削？

 

微細(xì)加工要求機床的進給軸具有足夠高的靈敏度和足夠小的分辨率。機床還必須具備精度極高的主軸，能以很小的動態(tài)徑跳高速旋轉(zhuǎn)。動態(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)進行測量。

 

Burley解釋說，“機床制造商已經(jīng)為微細(xì)加工開發(fā)出了專用機床。對于那些打算利用現(xiàn)有設(shè)備進行微細(xì)加工的車間，我建議請專家對機床進行評估，以確保其能實現(xiàn)足夠精細(xì)的進給，且動態(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，因此具有價格優(yōu)勢，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

 

無論采用哪種型式的鉆頭，刀具夾持技術(shù)對微孔鉆削都非常重要。微型鉆頭對徑跳精度要求嚴(yán)格。機床主軸、刀具夾頭和夾筒的任何徑跳誤差都會對微型鉆頭產(chǎn)生很大影響。對于直徑小于2mm的微型鉆頭，在孔深為4倍孔徑處測得的最大徑跳誤差（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，“刀具夾頭和機床主軸構(gòu)成一個支持系統(tǒng)，確保鉆尖能盡可能精確地鉆入工件。我們的測試表明，達(dá)到AA級標(biāo)準(zhǔn)的高精密夾頭可以提供穩(wěn)定的徑跳精度，并使換刀更為簡便。對于在加工中心上進行的超小直徑鉆削，通常是用手將夾頭直接在主軸中夾緊，以消除采用自動換刀機械手所產(chǎn)生的定位誤差。”【金屬加工微信，內(nèi)容不錯，值得關(guān)注！】

圖3  換刀時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，這一點與常規(guī)鉆削加工并無二致。不同的是，微型鉆頭的切削刃必須非常鋒利，并具有良好的對中性，因為這些微型刀具缺乏足夠的結(jié)構(gòu)完整性，難以依靠推力來鉆削工件。

Burley解釋說，“微型刀具制造商可以通過采用不同的幾何刃型和刀具材料，來優(yōu)化微型鉆頭的加工性能。通過改變鉆尖的橫刃厚度，我們就能根據(jù)工件材料增強或削弱鉆尖強度。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，因為每個刀具供應(yīng)商制造的刀具都略有不同。”

 

公差要求是多少？

 

對于許多微型鉆頭來說，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，人們越來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，“更嚴(yán)格的尺寸公差推動了精密孔加工刀具的發(fā)展。微型鏜刀和鉸刀用于進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)無法達(dá)到的水平。只要微孔鉆削的工藝要素（進給控制、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)鉆一個定心孔。這道工序使結(jié)構(gòu)細(xì)長、脆弱易斷的微型鉆頭能夠鉆入一個直徑尺寸略大的孔，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。對于深度為2倍直徑的孔，我建議采用進刀3次、退刀1次的‘啄擊’程序?？咨蠲吭黾?倍孔徑長度，就額外增加一次進刀，并將整個刀具全部退出孔外。為了完成這種加工，具有精密伺服控制功能的機床至關(guān)重要。”

 

他補充說，“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，如果鉆頭鉆入點的傾角小于10°，通過小心謹(jǐn)慎地進給，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，解決鉆頭滑移問題。例如，可在鉆入點斜面上銑出一個小槽口，為中心鉆創(chuàng)建一個可垂直鉆入的平臺，然后再用微型鉆頭通過定心孔進行鉆削。

 

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)控機床。首先，主軸帶動鉆頭進給（鉆尖垂直于工件的鉆入點），一旦鉆頭與工件接觸，B軸則轉(zhuǎn)動給定的傾角，鉆頭就可以垂直鉆入了。采用該方法加工無需預(yù)鉆定心孔。

 

需要加工多少個孔？

 

Burley向打算從事微孔鉆削的加工車間提出的下一個問題是：需要在工件上加工多少個孔？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，也可以是在每個零件上鉆許多孔）。

 

Burley解釋說“孔的加工批量不同，微孔鉆削的工藝規(guī)范可能也會有所變化。如果加工批量較大，工藝優(yōu)化的重點應(yīng)是提高加工效率和延長刀具壽命。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。一般來說，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影響微型刀具的名義尺寸。對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。

 

Burley表示，“加工技能是可以習(xí)得的。我見過一些從事微細(xì)加工的操作人員，他們知道刀具何時會失效，或何時會變鈍。他們可能說不出其中的道理，全憑豐富的實踐經(jīng)驗。這是一種寶貴的技能。我認(rèn)為，車間管理者除了投資購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的微型刀具進行切削加工是一種不同的體驗。”

 

微孔鉆削實例

圖5  微孔鉆削實例

 

圖5所示圓形零件是用于醫(yī)療行業(yè)的一個過濾器，其上有400個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；加工機床：Kern精密微孔加工機床；主軸轉(zhuǎn)速：6,300 r/min；進給率：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。

來源：工具展望