整體硬質合金鑽頭加工深孔 效率提高8倍

越來越多的加工車間正用整體硬質合金鑽頭取代槍鑽加工深孔。

    在過去槍鑽占主導地位的深孔加工刀具市場中，能鑽削深度達16－40倍孔徑深孔的新一代整體硬質合金麻花鑽正占有越來越大的份額。爲了提高加工精度和排屑性能，這種整體硬質合金鑽頭采用了橫刃和螺旋槽，并采用高密度硬質合金材料以提高硬度，從而使其能以比槍鑽快5－10倍的速度進行鑽削加工。

    一些整體硬質合金鑽頭制造商認爲，此類鑽頭的性能優勢對于那些在自己的車床上用槍鑽加工深孔，或将深孔加工任務轉包給槍鑽加工車間的制造商具有越來越大的吸引力。然而，他們也指出，與槍鑽——通常采用硬質合金或淬硬高速鋼鑽尖、淬硬鋼刀柄和直槽——相比，整體硬質合金深孔鑽頭也存在一些局限性。例如，它們的鑽孔深度極限值（标注尺寸）爲40倍孔徑，而槍鑽可以輕而易舉地鑽削深度達50倍孔徑以上的深孔。

    既制造槍鑽，也生産整體硬質合金鑽頭的伊斯卡公司孔加工産品經理TomEdler指出，槍鑽可以鑽削加工各種難加工材料，“由于槍鑽的加工速度較慢，因此排屑較容易。在鑽削钛合金和不鏽鋼時，排屑是一個大問題，而槍鑽在加工難加工材料時具有更好的通用性。在這些加工中，槍鑽仍然會被大量使用。”

    采用整體硬質合金深孔鑽頭的另一個障礙是，加工人員對其脆性并由此引起斷裂的潛在危險感到擔心。例如，Bosco加工車間的CNC數控車床操作者RayDomingue曾經懷疑，用一支直徑6.35mm的整體硬質合金鑽頭，能否在不到4分鍾的時間内，在像Nitronic50氮強化奧氏體不鏽鋼這種極難加工的合金材料上鑽削出240mm的深孔，而鑽頭仍能保持完好（就像一位刀具銷售人員宣稱的那樣）。

    但是，Domingue必須試一下。去年，與大多數加工車間一樣，他的老闆也将簡化操作、削減成本作爲優先任務。去年8月，該公司決定将以前轉包給外單位的槍鑽深孔加工改爲由本車間自行加工。該加工任務包括在120個稱爲伽馬串列的石油零件上鑽削一個深度爲240mm的深孔。工件材料爲Nitronic50不鏽鋼，這種材料含有22％鉻和接近12％的鎳，具有很高的磨蝕性，鑽削加工難度極大。

    該車間計劃在自己的HaasSL30車床上用槍鑽加工這些深孔。Domingue介紹說，“我們購買了幾支直徑6.35mm的槍鑽。我編制了加工程序，開動機床進行加工，鑽削一個240mm的深孔大約用了24分鍾。”在加工了幾個零件後，刀具制造商Guhring公司的銷售代表到車間來走訪用戶。“他告訴我，如果用他們的整體硬質合金鑽頭，隻需3－4分鍾就能鑽一個同樣的孔。我說，‘果真如此嗎？我們要試一試，如果行，我會購買這種刀具。’說實話，我并不相信整體硬質合金鑽頭能做到這一點，鑽削Nitronic不鏽鋼是一種最困難的加工，而硬質合金的脆性又非常大。”

    Domingue首先将一支标準長度硬質合金鑽頭裝夾在車床上，鑽了一個2倍孔徑深（約13mm）的導向孔，然後轉而使用Guhring公司的RT100T内冷卻整體硬質合金鑽頭（直徑6.35mm，長度爲30倍直徑）進行鑽削加工。他說，“我在轉而使用Guhring鑽頭後，編制了一個M00代碼。然後采用車床冷卻系統的高壓噴頭，提供2000psi、3.5gpm的高壓冷卻液。由于采用高壓冷卻，因此選用了密封式套筒夾頭來夾持鑽頭。當鑽頭鑽入孔中後，就開啓高壓冷卻噴頭。”切削參數爲：圓周切削速度42m/min（140sfm），主軸轉速2140r/min，進給率0.089mm/r。鑽削每個孔的加工時間（包括鑽導向孔在内）約爲3.5分鍾。在必須對鑽頭進行重磨和重新塗層（TiAlN塗層）前，一共加工了65個孔。

    Domingue補充說，整體硬質合金鑽頭産生的切屑“小而緊”，2000psi的高壓冷卻有助于确保切屑快速排出。此外，這種鑽頭證明具有很高的加工精度，孔的終端徑跳小于0.25mm。

    從生産率的角度來看，整體硬質合金鑽頭的加工效率比槍鑽提高了8倍；從加工成本的角度來看，Bosco加工車間節省了外協加工的勞動力成本和運輸成本。盡管整體硬質合金鑽頭的價格（375美元）比槍鑽（70美元）高5倍多，但生産率的大幅提高很快就能抵消和超過刀具成本的增加。

    刀具性能試驗

    在去年9月進行的一次刀具性能試驗中，Guhring公司将其RT100T整體硬質合金鑽頭與槍鑽的切削性能進行了比較。用這兩種直徑爲6.35mm的鑽頭在Nitronic50材料上各鑽削1000個深度爲240mm的孔。Guhring的硬質合金鑽頭在22.59小時内完成了全部加工，而槍鑽則耗時323.48小時。按車間平均水平，将每小時65美元的加工成本折算爲每孔加工成本，RT100T硬質合金鑽頭爲4.46美元，而槍鑽達到37.06美元。

    Guhring公司除了3年前上市的、用于加工長徑比爲20和30深孔的系列整體硬質合金鑽頭以外，又于去年11月推出了能鑽削長徑比達40的深孔鑽頭。該公司的Hellinger介紹說，“實際上，還可以鑽削更深的孔，取決于鑽頭的直徑。例如，直徑3.2mm鑽頭的螺旋槽長度大約爲150mm，因此可以鑽削長徑比達45的深孔。”

    與伊斯卡公司的Edler一樣，Hellinger也很清楚硬質合金鑽頭的局限性，他認爲，“對于整體硬質合金鑽頭來說，不鏽鋼、淬硬鋼和合金鋼比較容易加工。我們還用它來加工鑄鐵。用它加工鎳基合金時表現也很不錯。但這種鑽頭或許并不是加工冷硬鑄鐵或鋁合金的最佳選擇。不過，我們已爲加工鋁合金專門設計了一種硬質合金鑽頭，其螺旋槽的設計較爲平緩，這種鑽頭大約6個月後就能作爲标準産品上市。”

    減小鑽削力

    伊斯卡公司3年前推出的整體硬質合金深孔鑽頭能夠加工長徑比爲22的孔。這種鑽頭采用了140°的正鑽尖角和四棱帶設計，可最大限度地減小鑽削力，起到輔助定心和保護切削刃的作用。該公司對鑽頭的螺旋槽、棱帶和切削刃進行了塗層後磨光處理，以減小摩擦和加工所需的扭矩。刀具材料采用了亞微米晶粒硬質合金，含钴量爲10％，具有實現快速鑽削的關鍵特性。Edler介紹說，“這種牌号的晶粒尺寸爲0.8μm，其高密度成分使鑽頭具有良好的硬度和韌性。”按照傳統理論，硬度與韌性是兩種相互對立的特性。“一般來說，制造這麽長的鑽頭，爲了獲得所需的強度，必須采用韌性好的硬質合金牌号，但良好的韌性并不能轉化爲良好的耐磨性。”

    Edler補充說，“深孔鑽削是一種極其困難的加工，因爲它是在封閉的環境中進行，切削熱很難消散。在加工某些工件材料時，熱量無法傳入材料中，就會傳入硬質合金鑽頭中。因此，隻有具有高硬度，才能兼顧硬質合金鑽頭的強度和耐磨性，使我們能以大進給量進行加工。”

    Edler指出，用整體硬質合金鑽頭實現大進給量加工的另一個關鍵要素是冷卻。

冷卻液壓力越高，冷卻效果越好。他推薦采用1000－1400psi的壓力，“理想的效果是把切屑沖出來，在鑽削深孔時，這始終是一個難題。”他補充說，用整體硬質合金鑽頭鑽削深孔時，采用最小量潤滑（MQL）方式也很有效。

    強化鑽尖設計

    山高刀具公司（SecoToolsInc.）是最近進入整體硬質合金深孔鑽頭市場的刀具制造商之一。它在今年早些時候推出了SD16鑽頭，作爲其Feedmax産品系列的一部分，該鑽頭能加工深度爲16倍孔徑的深孔（山高公司還可以定制長徑比達25的深孔鑽頭）。

    山高公司孔加工經理TomSandrud表示，“我們選擇了一種不同于标準圓錐鑽頭的鑽尖幾何形狀設計。這是一種四面體鑽尖形狀，有一個主後角和一個副後角，可以更好地保護鑽頭中心處的鑽尖。它能産生一個自由切削橫刃，并能幫助鑽頭定位。”

    他補充說，SD216整體硬質合金鑽頭的結構設計使正式加工前不需要再預鑽導向孔。此外，該鑽頭采用的雙棱帶加上寬邊副棱帶的設計使其能“在鑽削加工剛一開始就切入工件，從而有助于加工出良好的孔型，保持很小的幾何形狀誤差，并确保孔的直線性。”

    Sandrud表示，盡管山高公司最近才開始涉足整體硬質合金深孔鑽頭市場，但其新型鑽頭的銷售量正在穩步增長——而且他預計，深孔鑽削技術還将進一步發展，“在最近四五年内，更多像山高這樣的企業會将深孔鑽頭加入到其産品線中。我們的競争對手正沿着與我們相同的方向不斷努力。”這一發展方向就是：盡可能将鑽頭做得更長，使其加工效率更高。