【中國機床商務網】導讀：常規鉆削加工是zui常用的金屬切削工藝。根據美國一家市場研究機構ReadexResearch公司的調查，在《切削刀具工程》雜志的讀者中，有92%都在應用這種加工方式。但是，常規鉆削并非*的制孔方式。根據不同的加工對象，以及制造商可利用的加工設備，某些替代性的孔加工方法有可能是一種更好的選擇。
　　
　　例如，與使用整體硬質合金鉆頭或可轉位刀片式鉆頭的鉆孔加工以及使用立銑刀的圓形插補銑孔加工相比，套料孔加工對機床功率的要求更低，加工時會產生一個可用于制造其他零件的孔芯，并能加工出具有更大深度/直徑比的深孔。BTAHeller公司總裁MarkSollich指出，“如果人們希望加工大直徑孔，而他們的機床并不具備能驅動整體硬質合金鉆頭進行加工的足夠功率，那么，套料鉆頭就是一種不錯的替代刀具。”
　　
　　另一種可供選擇的加工方式是加熱鉆孔。據加熱鉆孔和滾壓成形螺紋刀具制造商Flowdrill公司總裁MitchRay介紹，與常規鉆削相比，加熱鉆孔的優勢是可以縮短加工循環時間。該工藝又稱為摩擦（或流動）鉆孔，它能節省成本的主要原因是減少了操作步驟。例如，用戶可能需要在鉆出的孔中放入一個緊固裝置（如帶螺紋的嵌件或帶肋螺母），而他們可以在加熱鉆孔的同時形成與緊固裝置類似的結構，并在其上加工出螺紋，這樣就無需專門制備緊固裝置，并節省了對其定位和清除加工產生碎屑的勞動力。
　　
　　套料鉆削深孔
　　
　　與孔加工本身類似，深孔鉆削也存在多種方法，如使用空心的旋轉或非旋轉刀具在工件上切孔的套料加工。
　　
　　據Sollich介紹，BTAHeller公司提供的標準可轉位刀片式套料刀具具有可更換的硬質合金刀墊和直徑范圍63.5－762mm的套筒（多數直徑在76.2－203.2mm范圍內）。刀墊可以幫助刀具導向，以保持孔的直線度和起到初步光整內孔壁的作用。該刀具的額定加工孔深可達100倍孔徑。Sollich說，“但它也有可能加工更深的孔，主要的限制在于所用的機床，而不一定是刀具。”
　　
　　一般而言，套料鉆孔要求的機床功率為每25.4mm刀具直徑7－10馬力，如果是切削難加工材料，則需要更大的馬力和推力。與整體鉆削相比，套料鉆削所需功率可減小15％－30％，切削速度可提高10％－15％。
　　
　　Sollich指出，zui終用戶既可以在標準型機床（如采用外徑排屑的車床）上使用套料刀具，也可以將其用于為BTA鉆削（用“鏜削和套料加工協會”的首字母命名）而設計的深孔鉆床上，這種鉆床將冷卻液引入套料刀具周圍，并通過刀具中央和驅動刀具的管型鉆排屑。
　　
　　當加工孔徑增大時，所需的冷卻液流量也隨之增多。一般的經驗法則是，機床加工每25.4mm孔徑需要提供的冷卻液流量為25－30gpm（加侖/每分鐘），這意味著加工直徑76.2mm的孔時，為了有效地沖刷切屑，需要75－90gpm的冷卻液。
　　
　　此外，必須對冷卻液進行過濾，以確保冷卻液循環系統不會將夾帶切屑和雜質的液體泵回切削刃處，造成二次切削。Sollich說，“我們設計冷卻液系統時，要用目數10微米的過濾網對冷卻液進行過濾。”此外，盛放冷卻液的貯液箱必須足夠大，使油基或水基冷卻液有充分時間沉淀和冷卻。如果冷卻液不停地循環使用，就有可能變得過熱，使刀具壽命縮短，造成有害的工件熱膨脹。他補充說，“為了使冷卻液降溫，你可能需要在系統中增加制冷裝置。”
　　
　　Sollich指出，大部分套料加工，無論是生產油田的鉆鋌和管子、飛機起落架，還是在加工車間生產各種混合零件，都是在水平方向加工。因此，移除一個又大又重的孔芯可能是一項困難的任務。為了便于拉出這個孔芯，用戶往往需要在孔芯一端鉆一個孔并攻絲，然后插入一個I型螺栓。
　　
　　他補充說，套料加工通孔的情況比加工盲孔更常見。如果是加工盲孔，就需要在二次加工時，將一把切芯刀具伸入大約19－38mm寬的切縫中，在孔的底部驅動這種割刀型刀具切斷孔芯。
　　
　　無論是何種類型的套料加工，Sollich都建議加工時用一個載荷計來監測鉆進情況。如果載荷計讀數不斷增大，表明刀具磨損加劇或出現了其他問題。他說，“可對載荷計設定某一標準，如果載荷超過該標準，表明刀片已磨鈍或可能會打刀，此時機床將自動停機，以避免發生災難性的刀具失效。”
　　
　　據Sollich介紹，根據不同的機床設備和工件材料，套料鉆孔加工可達到±0.05mm的孔徑公差和83－125rms的表面光潔度。
　　
　　加熱鉆孔
　　
　　據Flowdrill公司介紹，與套料鉆孔不同，加熱鉆孔使用的工具沒有中空的芯部，也不會產生任何切屑。加熱鉆孔時，一個具有四瓣圓形凸起幾何形狀的硬質合金工具以180－900磅（取決于刀頭直徑和工件材料的類型及厚度）的軸向壓力與工件材料接觸，并將工件加熱至軟化和具有延展性，足以被成形和鉆孔。Ray說，“當該工具旋轉鉆入工件材料時，這四瓣圓形凸起產生摩擦熱。主軸轉速范圍通常為900－3,000r/min。”
　　
　　該工藝適合加工延展性較好的材料，包括低碳鋼和不銹鋼、鋁、銅和一些黃銅合金，但不適合加工具有高孔隙度的金屬，如鑄鐵，以及一些工具鋼、Inconel合金及其他硬金屬和難加工金屬。除了具有延展性以外，還要求工件的厚度相對較薄（0.5－12.7mm）。Ray說，“如果工件厚度小于0.5mm，材料就會產生過大的變形。”
　　
　　該工藝加工時，會形成一個長度約為工件厚度3倍的套管，用戶隨后可在該套管上加工出螺紋。Ray說，“如果需要加工螺紋，我們會專門使用一種擠壓成形絲錐，以保持加工清潔和無屑。在鉆孔或攻絲過程中都不會產生任何切屑。”
　　
　　通過預鉆導向孔，可以形成較短的套管，所鉆的導向孔越大，套管的長度就越短。例如，在需要減少對流經一根管道的空氣、液體或氣體流動量限制的場合，就會需要較短的套管，但這只是一種例外。
　　
　　Ray解釋說，“加熱鉆孔的基本理念就是在套管上獲得盡可能多的材料。”形成zui大的套管長度使制造商可以將原來厚度為10mm的工件換為厚度3mm的工件，而仍然有10mm的螺紋連接長度。
　　
　　Flowdrill公司的鉆頭直徑范圍為1.6－63.5mm。為了在惡劣條件下加工時延長工具壽命，還可以對鉆頭涂層。通常，在不銹鋼板上鉆孔時，工具壽命為3,000－5,000個孔；在低碳鋼上鉆孔時，工具壽命為8,000－10,000個孔；加工一些較軟的合金（如鋁和銅）時，工具壽命超過10,000個孔。據Ray估計，銷售的工具中有30%－35%用于專門加工，如也需要形成倒棱或油槽的加工。他指出，每孔加工成本約為0.01－0.03美分。
　　
　　為了延長刀具壽命，Ray建議，每鉆2－4個孔就加注一次潤滑劑（手動鉆孔使用糊狀潤滑劑，自動鉆孔使用液體潤滑劑），以防止鉆頭上聚集來自工件材料的金屬顆粒，并提供一定的潤滑作用。他還建議，在使用期間，每天用砂布擦抹一下鉆頭，以去除其上粘附的雜質。Flowdrill公司不對鉆頭進行重磨，因為在鉆頭圓錐體與圓柱體的過渡部位（此處承受的扭矩zui大）不可避免地會形成一些微小裂紋。
　　
　　Flowdrill鉆頭有兩種型式：一種用于在孔的周圍形成套管；另一種與一把刀具組合，用于在工件表面加工孔口平面。
　　
　　激光打孔
　　
　　與機械套料鉆孔類似，用激光進行套料打孔時也會產生一個孔芯。美國Coherent公司董事、直接二極管和光纖系統業務總StuartWoods解釋說，為了打出這些孔，需要開啟激光并按圓形路徑移動，直至切孔完成。這種加工原理也適用于斷續式激光打孔，該方法通過激光束的快速開啟與關閉，逐漸在工件材料上燒熔出一個孔。Woods說，“激光燒熔金屬材料時，基本上就是在不斷撞擊去除金屬原子。”
　　
　　Woods指出，激光打孔的優勢是，與機械鉆孔相比，加工成本更低，通常可以降低成本10％－50％（取決于工件材料的種類和厚度）。雖然激光加工硬件設備的初始購置成本較高，但由于維護成本較低，以及可以省略后續加工，因此具有很大的節省成本潛力。激光打孔還可以縮短維護停機時間，而且工件不會產生任何翹曲變形或沖壓效應。這是因為與在工件上施加壓力，并可能對其材料形態產生負面影響的常規鉆削不同，激光打孔是一種采用聚焦熱源的非接觸式加工。
　　
　　此外，激光打孔的加工速度更快，尤其在加工硬脆材料時更是如此。通常，激光打孔的速度是常規鉆削的2－5倍（取決于工件材料的種類和厚度）。
　　
　　Woods指出，有多種類型的激光器可用于在金屬材料上打孔，包括密閉CO2和光纖激光器。通常，CO2激光器非常適合金屬加工，具有*功能性。
　　
　　高功率CO2激光器適合在厚度0.1mm以上的金屬（如不銹鋼）薄片上打孔，孔徑尺寸范圍從大約100?m到毫米級。而光纖激光器更適合加工較厚的工件材料。這是因為CO2激光器在切割較厚的材料時，往往容易形成一個切口。
　　
　　Woods指出，在為加工某種工件材料匹配激光器類型時，重要的是要了解這種材料的吸收特性，即它如何吸收激光并與其相互作用。Coherent公司的加工實驗室會定期評估用戶的工件樣品，并根據加工試驗，提供加工這些工件的激光波長的反饋信息。
　　
　　美國一家激光加工和系統集成商PhotoMachining公司執行官RonaldD.Schaefferzui近在MICROmanufacturing.com的激光加工欄目中指出，有三種zui常見的激光孔加工方法：一次性打孔、斷續式打孔和套料打孔。所有這些加工都可以用固定激光束系統或通過檢流計控制反射鏡運動的振鏡系統來完成。不過，在實際加工中，一次性打孔和斷續式打孔通常更多是用固定激光束系統來完成，而套料打孔往往是用振鏡系統來完成。
　　
　　一次性打孔是一種速度zui快的加工方式，它加工出的孔徑大致等于所用激光束的直徑。由于沒有后續激光脈沖對孔進行“清理”，因此一次性加工出的孔往往存在較明顯的錐度。斷續式打孔是利用多個激光脈沖來去除工件材料。這種加工方法速度較慢，但加工出的孔比一次性加工的孔圓度更好，錐度更小。采用振鏡激光系統進行套料加工時，獲得的孔具有的圓度和zui小的錐度。
　　
　　電子束打孔
　　
　　激光打孔的一種替代加工方法是電子束打孔，它能夠實現深度/直徑比高達25∶1的深孔加工。據zui早開發電子束打孔技術并提供此項服務的OwensCorningRidgeview公司新產品開發制造工程師KennethE.Norsworthy介紹，這種加工需要在真空室中進行，在其中，電子束被加速到光速的大約2/3。該工藝的孔徑加工范圍為0.025－1mm（常用加工范圍0.1－1mm），可加工的工件包括厚度9.5mm以下的金屬、陶瓷和復合材料。通過改變功率密度、焦距和脈沖寬度，即可實現對孔徑尺寸的控制。據稱，該工藝的尺寸精度為±0.025mm，孔的定位精度為0.0127mm。它可在直徑達1m的工件上加工出3.5萬－600萬個孔，電子束與工件表面的傾斜角度可達40°。
　　
　　Norsworthy表示，電子束打孔適用于許多行業，包括紙漿和造紙、航空航天、食品和飲料等，可以加工用于擠出、過濾和氣體流動等各種零件。據稱，該工藝非常適合加工孔隙面積很大（可高達45％）的篩子。
　　
　　由于這種加工需要在真空中進行，因此一般來說，采用電子束加工少量的孔在經濟上很不劃算。此外，該工藝也不適合加工熔融溫度很低的工件材料（如許多塑料）。但是，與常規鉆孔相比，電子束打孔能夠快速加工出大量的孔。Norsworthy說，“任何其他工藝都很難在一個零件上加工出600萬個孔。”
　　
　　電火花孔加工
　　
　　據牧野（Makino）公司微細加工研發團隊負責人JohnBradford介紹，當工件材料具有導電性時，電火花（EDM）孔加工（無論是采用電極加工孔徑10?m或更小的微孔，還是采用線切割方式加工孔）也是一種可選方案。雖然電火花加工孔的速度低于常規鉆孔，但在大批量加工小孔時，該工藝具有高水平的可預見性和重復性。如果將常規鉆削修正工藝不穩定性的時間考慮在內，電火花加工有可能實現每孔加工時間更短。
　　
　　Bradford補充說，電火花工藝可以加工出尺寸、幾乎無毛刺、長徑比高達100∶1的孔，而機械鉆孔通常只能達到15∶1的有效長徑比。他說，“電火花孔加工，加上激光加工的可能性，是一種比機械鉆孔更具優勢的解決方案。”
　　
　　許多用戶認為，電火花孔加工屬于快速放電打孔（HolePopper）加工的范疇，但對于高精密孔而言，通常事實并非如此。快速放電打孔加工采用比電火花成形加工機床更高的輸入電壓，并用水作為電介質。這兩種因素相結合，可以獲得很高的加工速度，但同時也降低了被加工孔的形位精度（直線度、圓度）和表面光潔度。
　　
　　模具制造商PlasticDesign公司（PDC）總裁MarkKinder也表示，“我不認為快速放電打孔適用于精密孔加工，雖然一些用戶對自己的快速放電打孔設備進行了調整，使其突破了自身的精度限制。”即便如此，這些機床主要用于加工直徑0.64－1mm的孔，而該公司通常需要用電火花成形機床在400系列不銹鋼上粗加工直徑0.15－0.18mm的初始孔，然后在線切割機床上，用直徑小至0.05mm的電極絲將孔徑精加工到0.25mm，以消除喇叭口誤差，達到要求的zui終尺寸。Kinder補充說，“由于要用線切割機床進行后續精加工，因此我們并不關心這些小孔的粗加工光潔度。”
　　
　　PDC公司用一臺具有小孔加工功能的MakinoEdge2型電火花成形加工機床進行小孔粗加工，該機床通常采用旋轉的銅鎢空心管電極和低粘度絕緣油。Kinder說，“雖然這種絕緣油懸浮切屑的性能不如一些粘度更高的切削液，但它使我們可以進行更精細的燒蝕加工。”
　　
　　在一次使用低粘度絕緣油和直徑0.25mm空心管電極的粗加工試驗中，PDC公司實現了長徑比100∶1、喇叭口*.025mm、開口位置在起始位置±0.025mm以內的小孔粗加工。不過，Kinder指出，該公司盡量避免進行長徑比超過50∶1的深孔加工。
　　
　　Bradford解釋說，可實現更大長徑比的一種深孔加工方法，是先在電火花成形機床上加工出一個盲孔，然后翻轉工件并重新定位，放電加工第二個連接孔，zui后形成一個很深的通孔。加工長徑比較大的深孔時，需要對整個電極進行沖洗。
　　
　　Bradford指出，雖然電火花小孔加工能加工出直徑小于0.013mm的孔，但可用的空心管電極直徑通常不能小于0.076mm（其上的通孔直徑約為0.025mm），他說，“為了使低粘度的電介質流過電極頂端，需要對其施加1,500psi（磅/平方英尺）或更高的壓力。”
　　
　　對于尺寸精度要求更嚴格的孔，采用超精磨線切割機床比用電火花成形小孔加工機床效果更好。例如，用戶可以用一根直徑15μm的電極絲在一個直徑30μm的初始孔中進給走絲，加工出圓度為500nm的精密小孔。Bradford說，“但是，線切割加工小孔的主要優勢在于，可以zui大限度地減少重鑄現象，并能獲得比電火花成形小孔加工高2－3倍的表面光潔度。”用電火花成形機床加工小孔時，在孔的過渡邊緣處產生的重鑄層厚度約為2?m，而線切割加工的重鑄層厚度僅為幾十納米。用硬質合金電極加工時，可獲得Ra0.17?in.的表面光潔度。
　　
　　此外，線切割機床對孔的長徑比沒有限制，由于管理電極磨損不會造成問題，因此，孔徑尺寸的一致性只受到線切割機床本身機械和電氣性能的限制。Bradford說，“如果你要求加工的各個孔之間具有非常好的一致性，則線切割加工是迄今為止的*選擇。如果你要求孔有尖銳邊緣過渡區，線切割加工也是迄今為止的*選擇。”
　　
　　Bradford指出，近年來，電火花孔加工的應用在大幅增加，“四年前，我們的業務活動有10％是圍繞精密小孔的測試與加工，而如今，這一比例可能已經達到了65％。”