用立式加工中心进行孔加工

yangym1981

用立式加工中心进行孔加工

yangym1981

采用立式加工中心进行孔加工是最普通的加工方法，但是当进行深孔加工时，则会遇到很大困难。不过，目前已经有许多有效的方法来解决这个难题。
目标在于精确地加工出这些孔，并达到良好的重复定位精度和表面精度以及良好的经济性。成功的深孔加工中最重要的因素是对加工原理的理解。你必须了解当钻孔时在孔的内部所发生的一切，并知道如何应用这些知识来指导你采用最有效的技术方法。
深孔加工的优化编辑
6 ^$ p2 k- Q7 n. o解决深孔加工的三个主要问题：排出钻屑且不能损伤工件表面；采用冷却液来保持钻具与工件的冷却效果 ；以及使加工周期最小化。其它重要的因素包括加工精度，重复定位精度及表面粗糙度。通常来说，深孔是由孔的直径与深度的比例来定义的。习惯上将大于等于5:1的认为是深孔加工。
9 ~& n' u- N5 x. ~. z钻屑必须足够小才能从钻槽中排出。长的带状钻屑可以破坏表面精度并造成过早的刀具磨损与断裂。冷却液必须到达刀具的顶端来保持钻具与工件的冷却，以及迫使钻屑从孔内排出。稳固的设备结构与良好的减震性能以及很小的轴向跳动是获取加工精度，重复定位精度及表面粗糙度所必需的。当然，合适的钻头几何形状可以使深孔加工更加高效。
( \0 g, X' S& g( ^8 X& V控制钻屑的尺寸和形状 一些材料形成了细小的钻屑，且能够通过钻槽容易地排出。有些材料却形成长的带状钻屑。一种控制钻屑尺寸和形状的方法是采用特殊的加工周期。深孔加工与退刀相结合可以破碎钻屑，令其小的足以从钻槽排出，并且不会造成表面的损伤，可避免钻具的过早磨损。
一般来说，有两种深孔加工方法。一种采用均分退刀深度来达到最终的深度。另一种是不同的退刀深度，每次的深度逐步递减。
4 o+ n) m7 ^8 W- d3 r
当冷却液不能到达深孔的底部时，切屑很可能堵塞了钻槽，使热量聚集而损坏钻具与工件。
大多数加工设备的控制系统提供了深孔加工的钻削加工，控制钻具钻入材料特定的距离后，从孔内完全退出，然后再钻入孔中。此类钻孔周期，当钻头退出时，钻屑在冷却液冲刷下会落入孔中。这种情况尤其会发生在钢料的加工中。当钻头再次进入后，它将撞击位于孔底部钻屑。钻屑在刀具的作用下开始旋转，将钻屑切断或熔化。在手动钻孔中，操作者能感觉到切屑阻碍钻头旋转，就停止加工来清理吹净钻屑。无论如何，这样的加工周期可以编写到程序中，在上次退刀排屑前暂停加工，以避免此类情况的发生。
在不同深度退刀加工循环的实例中，加工到1英寸使进行第一次退刀排屑，下一次退刀只再钻入0.5英寸深，接着再进0.25英寸深,而最后一次退刀排屑只比上一次退刀再进0.05英寸深。钻头在孔中钻的越深，减少退刀深度将有助于消除刀具周围钻屑的堆挤。钻的孔越深则冷却液进入也越困难，因此退刀既用于排出钻屑也可以让更多的冷却液流到钻具的顶部。
$ a' W  L& ]6 f  S: |使用机床控制系统编写特殊的加工代码，可以得到特殊加工路径，在任何时候写入新的加工位置时，设备都能够自动运行。
3 X) ?' y3 s- Q- A- p4 g( k  f退刀排屑并不只限于深孔加工，在每次退刀中，即使只有很小距离，它也能起到折断钻屑的作用，从而排除了钻屑落入孔内的问题。退刀排屑的时间决定了钻屑的长度，去除缠绕在刀具上的钻屑通常被称作“天使的头发”。这些钻屑会令冷却液随着它从孔内排出，使钻头上的热量聚集而引起刀具的过分磨损。这种情况最终将导致刀具彻底损坏。深孔加工与退刀排屑的缺点是花费了太多的时间来完成每个孔的加工。其时间将用在刀具的进刀与快速的退刀，再快速地退回和进刀。以一次退刀排屑的周期所需时间乘以被加工孔数再加上延误的时间。即使每个孔只增加几秒钟，钻孔效率也大大降低了。在工序多的产品加工中，这种低效率会成为严重制约。
" L, y5 f( J9 A+ ^: c让冷却液到达孔的底部

在一般的深孔加工中，钻头从孔内彻底退出。而采用穿轴式冷却方式中，为达到较高生产效率，这些周期退刀排屑被取消。在快速横向移动中，冷却液流可以被切断。
在深孔加工过程，需要解决问题还包括如何选用不同的冷却液输送方式。立式加工中心通常采用三种不同类型的冷却系统：自流式，低压穿轴式与高压穿轴式。采用自流式，到达刀具顶端的冷却液越来越少。最终几乎没有冷却液能到达底部，之后加工便在干燥的状态下进行，结果就是钻屑在钻槽内开始堆积，即便如此，仍可见到冷却液从孔的顶端漫出。事实上，孔的末端在干燥的状态下被加工，此时刀具的温度上升，并导致过早的磨损与断裂。
( p8 T+ k5 f9 a9 l; f来自钻头上的热量在孔周围对工件进行“热处理”，而产生加工硬化。磨擦产生的热量加热了工件，随后当冷却液最终到达被加热的材质上，冷却液对其进行淬火。在随后一系列的退刀过程中，钻头与被硬化的材质相遇，造成刀具过分的磨损或断刀及局部损坏。
成功的深孔加工中至关重要是要有一种可以使冷却液到达钻头顶端的方法，使其可以带走热量排出切屑。穿轴式冷却系统提供了最好的解决方案。几家立式加工中心的制造商提供了这种性能作为可选部分。例如：Fadal提供了350-psi穿轴式冷却系统可输送冷却液到达刀具的顶端。系统在高压下输送冷却液，如Chip Blaster液压系统推进冷却液的压力可达1,000psi，使钻屑更有效的排出。
采用低压穿轴式冷却系统，程序员可在安全范围内适当的增加退刀排屑的深度,并且在某些情况下可以彻底去除周期性排屑，节约加工时间。采用高压穿轴式冷却系统，不仅可以减少或去除排屑，而且提高进刀速率及主轴速度。另一个好处就是可以延长刀具的寿命。高压穿轴式冷却系统在节省时间并提高刀具寿命上有着很好的前景。
在冷却液的高压下，钻屑破碎，并被动地从钻槽内向上排出孔外。因为当主轴与进刀的速率被提高时，排屑退刀的过程就可以取消，从而缩短了加工周期时间。采用较高的进刀速率，形成地钻屑也较细。
0 s  L7 p+ |+ {3 ^- ~通过轴来输送冷却液也可以提高通孔加工的产量。当冷却液不能充分地到达刀具的顶端，而钻头接近穿透点，孔边缘的材料在被刀具冲掉之前变的薄而热。采用冷却液输送到刀具的顶端，当它很薄时，热量在材料上的聚集很少，可允许其被钻削除去而不是被冲掉。在孔的底部形成整齐的边缘。这种情况更利于清理毛刺。
+ `2 B; ^' b  F0 C钻具的几何形状

为达到高效的深孔加工，钻具几何形状必须与加工方法以及工件材质相匹配。宽型钻槽更利于钻屑的排出。
3 W' E- F# Y) `, |8 n钻具的几何形状对成功的深孔加工是一个关键因素。钻槽的尺寸与空间影响钻屑的排出。例如，钻具上开放的凹槽使钻屑能够向上流动并从孔内容易排出，尤其在采用穿轴式冷却系统中。但在孔的底部如果没有液流，开放凹槽设计也会遭受钻屑堵塞和钻的断裂。
7 J& c; W* o( o7 A0 }. A当今的技术已经能够使刀具制造商依据钻削加工的特性设计出更有利于排屑的钻具，并最大程度地避免刀具过热。采用较高级的合金钢制造可提高寿命，这种刀具特性具有新形状，可以辅助深孔加工。因为刀具刚性较大，在深孔加工中很少有偏离现象发生。
在高速机床中，一些合金刀具有冷却孔贯穿整个刀体。尽管此类刀具可以让顶部有更多的冷却液，但它们的价格非常昂贵。这此新型的刀具要求高压冷却液，高主轴速度，高电机功率才能发挥高效。如果加工设备缺乏这些特性，那么购买这种刀具只是浪费。
  {$ v0 h5 `/ J, z标准的钻削刀具在顶部又宽又薄。一些钻的设计将顶部分成几个小部分或者将其设计得更窄，从而提高刀具性能。也有些对顶部的几何形状进行改进。这些特殊的几何形状，可用来加工更深的孔，并提高光洁度，直线度，精确度，刀具的寿命与生产效率。
/ C9 y3 o4 R0 ^" U( B' C' O7 S" Y另外，特殊的涂层有时也被应用在刀具的刃口上以使磨擦产生的热量达到最小。涂层有助于形成良好的钻屑，使其更快的向上并排出孔内。由涂层增加的成本与刀具寿命的延长相抵消。
机床特性
在深孔加工中设备的稳固性起主要作用，因为设备基础越不稳定，在顶部与机台上将产生越大的振动，造成刀具的断裂。对于深孔加工而言，设备所具有的特性包括：铸件采用均匀薄壁以避免热变形，具有大接触表面的箱形结构，不产生弯曲且坚固的头部与立柱。并要求低振动的主轴。
* N7 l4 y! r% S在深孔加工中，当压力作用在钻头上时，刚性较小的机床会导致立柱弯曲。结果造成钻的弯曲，降低了精度并导致刀具磨损，最终导致刀具断裂。在头部过大压力的作用下，钻头会产生一个加工角度，并最终会脱离正确的加工位置。

2 ~1 n; A. V% M% {2 a4 r具有中心通孔的刀具，可以使高压冷却液到达孔的底部，冷却液冲刷出钻屑并带走热量。
# M- S" I2 Q8 ]5 q6 a% t其它方面的改进对改善钻孔效果也有帮助。例如，一个系统用于维持主轴速度，当负载增加时确保在钻具上对钻屑有恒定的负载。在加工过程中如果主轴的速度降低，刀具的负载与切屑的负载将会增加并容易崩断刀具。Fadal立式加工中心的主轴矢量驱动系统提供了这项功能。在这些立式加工中心中有另一个特性，那就是双主轴电机线圈，可提供低速范围到2,500rpm及高速范围2,500到10,000rmp。该特性增加了采用双动力驱动矢量驱动的主轴电机在高速上运行的功能。在深孔加工中也有益处，是刀具负载补偿，使程序员设计刀具负载在不同的加工条件下随着进刀速率动态变化。
- f! }" Y+ l7 w) l满足需求
穿轴式冷却，钻头的几何形状，合金刀具，涂层以及周期选择是加工
深孔时的重要因素。每个因素都影响孔的完整性，制造周期，刀具寿命及孔底的毛刺。深孔加工的最佳组合是采用高压冷却，带有开放式钻槽，具有涂层的合金刀具及单次退刀完成孔的加工。
$ Y  M9 Z# }: m: ~' q) G6 h, r当我们考虑怎么使用手边的工具时，必须要考虑钻得种类、性能以及可选的加工设备。不同的工作，可以有很多种不同的加工方法。所以必须了解不同的材料，刀具，特性及加工设备在不同情况下的作用，这决定了我们是否能够达到最终加工目标。