历史学家认为,第一支丝锥大概制造于公元前400年,而钻孔工具的问世还要早得多。尽管这些基本制造工艺已年代久远,但意义重大的技术进步却一直延续到今天。
航空、医学、石油等行业的需求推动了大多数加工技术的进步,其中主要是对高精度、高效率、小尺寸以及(在许多情况下)对“清洁加工”的需求。
在加工直径50mm或更小的孔时,钻头仍然是占有绝对优势的工具,尽管激光、“水刀”和放电加工在孔加工领域的应用也在不断增长。目前,硬质合金已成为许多工业加工的首选基础材料。多功能钻头也很受欢迎。许多用户为了获得与其生产要求相匹配的刀具,宁愿支付更高的刀具价格。
为了满足加工新的金属材料的需求,肯纳公司(Kennametal)开发了一种采用新牌号和新的几何设计的可转位式钻头。据肯纳公司的Chet Parzick介绍,该公司的钻头已能钻削加工直径小至3mm、孔深达到30倍孔径的小深孔。这些长钻头大部分都是为汽车零部件的加工而开发的。
大昭和精密工具公司(BIG Kaiser Precision Tooling)的Tim Stapula指出,对精密加工的需求推动了带亚微米级可调镗头的镗削刀具的开发。例如,许多航空和汽车行业的用户要求达到±0.013mm的镗孔精度,为了实现流水线的高速运转,这是必须保证的。为了确保精确定位,该镗刀上配备了可用于高速镗削的微调螺距差动螺钉和平衡调节盘。对于更小孔径的加工,该公司提供了孔径尺寸范围4-20mm的Quatro 15 plus钻头系列。为了夹持直径更小的钻头和立铣刀,大昭和提供了一种转速为50-80000rpm的空气主轴,其径跳误差仅为3µm。
当今的美国市场是由航空工业、石油天然气工业的发展推动的。这两个行业都大量使用不锈钢和高温超级合金(HRSA)材料。为了满足加工这些材料的需求,山特维克可乐满公司开发了CoroDrill 880钻头系列(孔径12-64mm,孔深可至5D)。该公司的钻削产品专家Curtis Cole指出,在钻头设计中,常常采用可转位刀片式钻头进行半粗加工和半精加工。整体硬质合金钻头的成本较高,但钻削精度高、定位能力好。整体硬质合金通常用于制造直径20mm以下的钻头。山特维克的CoroDrill 880可转位钻头的加工性能比它所替代的产品大幅提高。R846 Delta-C钻削系统(金箭钻)也是山特维克的最新产品,其特点是采用了正角钻尖形状设计、具有连贯一致的外形曲线和保护圆角的切削刃,以及能流畅排屑的较深槽型。这些设计有利于采用较高的切削速度、减小切削力和延长刀具寿命,使刀具均匀磨损,将刀尖角破损的可能性降至最低,稳定切削性能。
ATI Stellram公司新开发了一种双重材料硬质合金钻头,其特点是应用了“硬芯”技术——钻头芯部采用一种可抵抗刀尖破损的微细晶粒硬质合金材料。据称,该钻头的寿命是目前市场上常见的其它高性能钻头的4倍。Stellram公司全球产品经理Werner Mueller解释说,该钻头采用了两种不同牌号的硬质合金材料,一种具有较好的弹性,足以承受施加在钻尖上的切削压力;另一种具有较好的耐磨性,可与刀具外径处的高速度相匹配。当刀具的外周切削刃以很高的表面速度进行切削时,钻尖则可以吸收高切削压力并基本保持稳定。所用的两种硬质合金牌号都是根据加工要求专门设计的,可以根据被钻削的工件材料选用不同的硬质合金牌号及其组合。由于磨损力减小,为了实现“零径跳”,采用了140°的钻尖角。目前,该公司已能提供用于切削钢和铸铁的钻头牌号,其长径比为3∶1和5∶1。年内将可提供长径比为5∶1和8∶1的内冷式钻头。
Werner介绍了一个应用实例:某种加工要求在4140淬硬钢上加工814个孔,原来需要使用3支钻头,加工时间超过66分钟。而使用1支“硬芯”钻头进行加工,仅用34分钟就钻完了814个孔(加工速度为每孔2.5秒)。
联合机械工程公司(Allied Machine and Engineering,AMEC)的产品经理Rob Brown表示,“我们非常重视对客户需求的快速响应。客户不想知道什么时候货可以送到,他们只想知道为什么现在货还没送到!这是因为缩短开发周期的压力很大,而车间里干活的人很少。与此同时,机床的单位时间运行成本也在不断提高。我们公司拥有一个很大的刀具成品库,备有各种几何参数、不同长度和涂层的刀具。我们还可以为水电、建筑钢材、汽车等特定行业提供适合其加工特点的刀具。”AMEC也能以最短的响应时间提供定制刀具。为了有助于专用刀具的快速交货,AMEC开发了Insta-Quote系统,这是一种在线报价软件包,可以实时提供产品报价和图纸。为了缩短加工周期、减少刀具库存,市场对多功能刀具的需求也很大。AMEC不断向市场推出孔加工解决方案及产品,如GEN3SYS高钻进率钻削系统、GEN2 T-A开放式钻头,以及最新开发的Revolution Drill,这是一种可调式IC钻头,其直径方向的最大调节量可达0.200°,最大长径比为4.5。
大多数刀具制造商都注意到,能高精度加工不锈钢和超级合金的刀具有很大市场需求。为了满足这种需求,住友
电工硬质合金公司(Sumitomo Electric Carbide Inc.)为其SMD可换齿冠钻头设计了多种新型钻尖,包括一种用于加工超级合金、采用特殊的切削刃制备方式和刀尖几何形状的钻尖。据该公司的Paul Ratzki介绍,加工超级合金的钻尖采用了耐磨性更好的硬质合金牌号和公司专有的DEX光滑涂层。由于不锈钢和超级合金通常粘度较大,不易切削,因此对钻尖切削刃的钝化处理程度较轻。DEX涂层是为了满足医用零件加工的严格要求而开发的,刀具的基体和涂层都必须符合人体健康的要求。另一种新开发的MTL-C钻尖用于铸铁加工。通过对钻尖切削刃进行钝化处理,最大限度地减少了加工铸铁时常见的崩刃现象。为了满足对较长钻头的需求,将钻体的长径比扩大到8,从而改善了钻头的深孔加工能力。由于SMD可转位硬质合金钻头采用了独特的锯齿状联接系统来联接钻尖与钻体,提高了钻头精度,因此其加工精度比传统的可转位刀片式钻头更高。该公司今后将提供更多整体硬质合金钻头,明年还将推出直径50mm以上的可转位钻头。
螺纹可以通过滚压、攻丝、铣制和磨制等工艺方法加工。
在攻丝加工时,直径比孔径稍大的丝锥被强力推进孔内,丝锥外圆周上的刀槽即可切出螺纹,加工的进行主要依赖于施加的扭矩。
在铣制螺纹时,直径小于孔径的铣刀以圆周运动与直线运动相结合的方式在孔壁上铣制出螺纹。
磨制螺纹仅限于加工高精度螺纹(如测微螺杆、滚珠丝杠副、机床主轴零件等)。对于硬度大于HRC50的工件材料,磨削可能是唯一可用的螺纹加工方法。
砂轮所用磨料从氧化铝到金刚石或CBN各不相同。UGT公司的圆柱产品分部为螺纹磨削加工提供了Studer数控螺纹磨床。虽然它是一种标准机床,但配备了用于磨削分配的专用软件。编程很简单,通过一次性设置,用户就能进行常规圆柱磨削和螺纹磨削。该软件可以计算螺纹牙型和修形程序,还能控制C轴。只需揿下按钮,即可生成标准螺纹牙型。
LMT公司可以提供多种型号的螺纹滚压加工系统(包括轴向、径向和切向滚丝装置)。目前,这些滚丝装置的最大市场是加装在
数控车床和
加工中心上使用。与切制螺纹相比,用该装置滚制螺纹加工速度更快。T220F切向滚丝装置是最新开发的产品,可用于单轴和多轴螺纹车床以及数控车床上,其加工螺纹的规格范围是M2–M38螺纹长度,滚制一个螺纹的实际时间约为1秒钟。
许多螺纹加工都与紧固件有关,在直线传动装置、
电子产品和输电设备零件的制造中也有大量高精度螺纹需要加工。例如,Drake制造服务公司可以提供成系列的内、外圆磨床,可用于磨制丝锥、蜗杆、齿轮、丝杠以及动力转向零件等。高精度蜗杆蜗轮副(质量符合DIN 2标准)要求齿廓和导程的偏差不超过几个微米,此类蜗轮副用于驱动第四轴定位工作台以及机床上的轴系、滚齿机上的自动偏心夹紧卡盘等,并越来越多地用于食品服务业的工业减速器齿轮箱,以及其他终端用户难以容忍齿轮噪声的场合。
Drake公司总裁James L. Vosmik指出,磨制螺纹的另一个不断增长的市场与小型电子装置(如iPods、黑莓手机、蜂窝电话、光盘驱动器、掌上电脑及类似装置)的加工有关。加工这些电子装置上的紧固件螺孔需要直径3mm或更小的丝锥。目前,加工这种丝锥的磨床由直线电机驱动,与通过滚珠丝杠传动的机床相比,允许采用更高的铲齿速度。加上采用机械手从每次可盛装300个以上工件的托盘上装卸工件,使无人看管的
自动化加工成为可能。
螺纹加工的可选方式包括攻丝、铣制、磨削和冷滚成型。车削螺纹和攻丝通常是零件加工的最终工序,因此,对于复杂工件来说,由于报废成本太高,螺纹加工变得非常关键。
根据Advent Tool & Manufacturing公司Ross D. Wegryn-Jones的观点,由于目前的机床具有螺旋插补功能已相当普遍,因此在一些加工中铣制螺纹正逐渐取代攻丝。螺纹铣削既可采用整体硬质合金铣刀,也可采用可转位刀具。在加工材料较硬、加工周期较短、加工质量要求较高等攻丝容易出现问题的加工场合,采用螺纹铣削工艺具有优势。然而,当螺纹底孔较小、孔深较大时,螺纹铣削会变得十分困难。为解决这一难题,专门从事螺纹铣削加工的Advent Tool公司提供了多种刀具解决方案。
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