用立式加工中心進行孔加工

yangym1981

用立式加工中心進行孔加工

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采用立式加工中心進行孔加工是最普通的加工方法，但是當進行深孔加工時，則會遇到很大困難。不過，目前已經有許多有效的方法來解決這個難題。
目標在于精確地加工出這些孔，并達到良好的重復定位精度和表面精度以及良好的經濟性。成功的深孔加工中最重要的因素是對加工原理的理解。你必須了解當鉆孔時在孔的內部所發生的一切，并知道如何應用這些知識來指導你采用最有效的技術方法。
, i, }) m' w: f3 G& f: a1 o深孔加工的優化編輯
1 `8 [! x  n8 p, k1 E3 x解決深孔加工的三個主要問題：排出鉆屑且不能損傷工件表面；采用冷卻液來保持鉆具與工件的冷卻效果 ；以及使加工周期最小化。其它重要的因素包括加工精度，重復定位精度及表面粗糙度。通常來說，深孔是由孔的直徑與深度的比例來定義的。習慣上將大于等于5:1的認為是深孔加工。
8 {% b# b5 a" w3 O1 w$ b, K' x% C3 L鉆屑必須足夠小才能從鉆槽中排出。長的帶狀鉆屑可以破壞表面精度并造成過早的刀具磨損與斷裂。冷卻液必須到達刀具的頂端來保持鉆具與工件的冷卻，以及迫使鉆屑從孔內排出。穩固的設備結構與良好的減震性能以及很小的軸向跳動是獲取加工精度，重復定位精度及表面粗糙度所必需的。當然，合適的鉆頭幾何形狀可以使深孔加工更加高效。
控制鉆屑的尺寸和形狀 一些材料形成了細小的鉆屑，且能夠通過鉆槽容易地排出。有些材料卻形成長的帶狀鉆屑。一種控制鉆屑尺寸和形狀的方法是采用特殊的加工周期。深孔加工與退刀相結合可以破碎鉆屑，令其小的足以從鉆槽排出，并且不會造成表面的損傷，可避免鉆具的過早磨損。
一般來說，有兩種深孔加工方法。一種采用均分退刀深度來達到最終的深度。另一種是不同的退刀深度，每次的深度逐步遞減。
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當冷卻液不能到達深孔的底部時，切屑很可能堵塞了鉆槽，使熱量聚集而損壞鉆具與工件。
" Z! Q" ?1 O' S大多數加工設備的控制系統提供了深孔加工的鉆削加工，控制鉆具鉆入材料特定的距離后，從孔內完全退出，然后再鉆入孔中。此類鉆孔周期，當鉆頭退出時，鉆屑在冷卻液沖刷下會落入孔中。這種情況尤其會發生在鋼料的加工中。當鉆頭再次進入后，它將撞擊位于孔底部鉆屑。鉆屑在刀具的作用下開始旋轉，將鉆屑切斷或熔化。在手動鉆孔中，操作者能感覺到切屑阻礙鉆頭旋轉，就停止加工來清理吹凈鉆屑。無論如何，這樣的加工周期可以編寫到程序中，在上次退刀排屑前暫停加工，以避免此類情況的發生。
$ ^# w" I) O" J1 w7 q+ j# d在不同深度退刀加工循環的實例中，加工到1英寸使進行第一次退刀排屑，下一次退刀只再鉆入0.5英寸深，接著再進0.25英寸深,而最后一次退刀排屑只比上一次退刀再進0.05英寸深。鉆頭在孔中鉆的越深，減少退刀深度將有助于消除刀具周圍鉆屑的堆擠。鉆的孔越深則冷卻液進入也越困難，因此退刀既用于排出鉆屑也可以讓更多的冷卻液流到鉆具的頂部。
使用機床控制系統編寫特殊的加工代碼，可以得到特殊加工路徑，在任何時候寫入新的加工位置時，設備都能夠自動運行。
; G9 a& b+ R: H) P$ L3 N退刀排屑并不只限于深孔加工，在每次退刀中，即使只有很小距離，它也能起到折斷鉆屑的作用，從而排除了鉆屑落入孔內的問題。退刀排屑的時間決定了鉆屑的長度，去除纏繞在刀具上的鉆屑通常被稱作“天使的頭發”。這些鉆屑會令冷卻液隨著它從孔內排出，使鉆頭上的熱量聚集而引起刀具的過分磨損。這種情況最終將導致刀具徹底損壞。深孔加工與退刀排屑的缺點是花費了太多的時間來完成每個孔的加工。其時間將用在刀具的進刀與快速的退刀，再快速地退回和進刀。以一次退刀排屑的周期所需時間乘以被加工孔數再加上延誤的時間。即使每個孔只增加幾秒鐘，鉆孔效率也大大降低了。在工序多的產品加工中，這種低效率會成為嚴重制約。
讓冷卻液到達孔的底部

在一般的深孔加工中，鉆頭從孔內徹底退出。而采用穿軸式冷卻方式中，為達到較高生產效率，這些周期退刀排屑被取消。在快速橫向移動中，冷卻液流可以被切斷。
在深孔加工過程，需要解決問題還包括如何選用不同的冷卻液輸送方式。立式加工中心通常采用三種不同類型的冷卻系統：自流式，低壓穿軸式與高壓穿軸式。采用自流式，到達刀具頂端的冷卻液越來越少。最終幾乎沒有冷卻液能到達底部，之后加工便在干燥的狀態下進行，結果就是鉆屑在鉆槽內開始堆積，即便如此，仍可見到冷卻液從孔的頂端漫出。事實上，孔的末端在干燥的狀態下被加工，此時刀具的溫度上升，并導致過早的磨損與斷裂。
來自鉆頭上的熱量在孔周圍對工件進行“熱處理”，而產生加工硬化。磨擦產生的熱量加熱了工件，隨后當冷卻液最終到達被加熱的材質上，冷卻液對其進行淬火。在隨后一系列的退刀過程中，鉆頭與被硬化的材質相遇，造成刀具過分的磨損或斷刀及局部損壞。
成功的深孔加工中至關重要是要有一種可以使冷卻液到達鉆頭頂端的方法，使其可以帶走熱量排出切屑。穿軸式冷卻系統提供了最好的解決方案。幾家立式加工中心的制造商提供了這種性能作為可選部分。例如：Fadal提供了350-psi穿軸式冷卻系統可輸送冷卻液到達刀具的頂端。系統在高壓下輸送冷卻液，如Chip Blaster液壓系統推進冷卻液的壓力可達1,000psi，使鉆屑更有效的排出。
3 u& E' g9 d0 }# u0 `5 G采用低壓穿軸式冷卻系統，程序員可在安全范圍內適當的增加退刀排屑的深度,并且在某些情況下可以徹底去除周期性排屑，節約加工時間。采用高壓穿軸式冷卻系統，不僅可以減少或去除排屑，而且提高進刀速率及主軸速度。另一個好處就是可以延長刀具的壽命。高壓穿軸式冷卻系統在節省時間并提高刀具壽命上有著很好的前景。
在冷卻液的高壓下，鉆屑破碎，并被動地從鉆槽內向上排出孔外。因為當主軸與進刀的速率被提高時，排屑退刀的過程就可以取消，從而縮短了加工周期時間。采用較高的進刀速率，形成地鉆屑也較細。
通過軸來輸送冷卻液也可以提高通孔加工的產量。當冷卻液不能充分地到達刀具的頂端，而鉆頭接近穿透點，孔邊緣的材料在被刀具沖掉之前變的薄而熱。采用冷卻液輸送到刀具的頂端，當它很薄時，熱量在材料上的聚集很少，可允許其被鉆削除去而不是被沖掉。在孔的底部形成整齊的邊緣。這種情況更利于清理毛刺。
鉆具的幾何形狀

為達到高效的深孔加工，鉆具幾何形狀必須與加工方法以及工件材質相匹配。寬型鉆槽更利于鉆屑的排出。
% V" M5 X( I, T( h( ?鉆具的幾何形狀對成功的深孔加工是一個關鍵因素。鉆槽的尺寸與空間影響鉆屑的排出。例如，鉆具上開放的凹槽使鉆屑能夠向上流動并從孔內容易排出，尤其在采用穿軸式冷卻系統中。但在孔的底部如果沒有液流，開放凹槽設計也會遭受鉆屑堵塞和鉆的斷裂。
$ P: a( X# n+ C當今的技術已經能夠使刀具制造商依據鉆削加工的特性設計出更有利于排屑的鉆具，并最大程度地避免刀具過熱。采用較高級的合金鋼制造可提高壽命，這種刀具特性具有新形狀，可以輔助深孔加工。因為刀具剛性較大，在深孔加工中很少有偏離現象發生。
在高速機床中，一些合金刀具有冷卻孔貫穿整個刀體。盡管此類刀具可以讓頂部有更多的冷卻液，但它們的價格非常昂貴。這此新型的刀具要求高壓冷卻液，高主軸速度，高電機功率才能發揮高效。如果加工設備缺乏這些特性，那么購買這種刀具只是浪費。
標準的鉆削刀具在頂部又寬又薄。一些鉆的設計將頂部分成幾個小部分或者將其設計得更窄，從而提高刀具性能。也有些對頂部的幾何形狀進行改進。這些特殊的幾何形狀，可用來加工更深的孔，并提高光潔度，直線度，精確度，刀具的壽命與生產效率。
3 g6 Z% S" {7 Y7 |/ r0 ^另外，特殊的涂層有時也被應用在刀具的刃口上以使磨擦產生的熱量達到最小。涂層有助于形成良好的鉆屑，使其更快的向上并排出孔內。由涂層增加的成本與刀具壽命的延長相抵消。
% o1 j% I, n+ P" ^4 M1 V機床特性
8 i8 c: H) f( U, O' ^" c在深孔加工中設備的穩固性起主要作用，因為設備基礎越不穩定，在頂部與機臺上將產生越大的振動，造成刀具的斷裂。對于深孔加工而言，設備所具有的特性包括：鑄件采用均勻薄壁以避免熱變形，具有大接觸表面的箱形結構，不產生彎曲且堅固的頭部與立柱。并要求低振動的主軸。
在深孔加工中，當壓力作用在鉆頭上時，剛性較小的機床會導致立柱彎曲。結果造成鉆的彎曲，降低了精度并導致刀具磨損，最終導致刀具斷裂。在頭部過大壓力的作用下，鉆頭會產生一個加工角度，并最終會脫離正確的加工位置。
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/ g; Y9 f$ D6 F: I! G/ V具有中心通孔的刀具，可以使高壓冷卻液到達孔的底部，冷卻液沖刷出鉆屑并帶走熱量。
$ t3 N/ r- f: v其它方面的改進對改善鉆孔效果也有幫助。例如，一個系統用于維持主軸速度，當負載增加時確保在鉆具上對鉆屑有恒定的負載。在加工過程中如果主軸的速度降低，刀具的負載與切屑的負載將會增加并容易崩斷刀具。Fadal立式加工中心的主軸矢量驅動系統提供了這項功能。在這些立式加工中心中有另一個特性，那就是雙主軸電機線圈，可提供低速范圍到2,500rpm及高速范圍2,500到10,000rmp。該特性增加了采用雙動力驅動矢量驅動的主軸電機在高速上運行的功能。在深孔加工中也有益處，是刀具負載補償，使程序員設計刀具負載在不同的加工條件下隨著進刀速率動態變化。
滿足需求
穿軸式冷卻，鉆頭的幾何形狀，合金刀具，涂層以及周期選擇是加工
深孔時的重要因素。每個因素都影響孔的完整性，制造周期，刀具壽命及孔底的毛刺。深孔加工的最佳組合是采用高壓冷卻，帶有開放式鉆槽，具有涂層的合金刀具及單次退刀完成孔的加工。
% j0 b; u1 a& J7 `1 y1 b1 x當我們考慮怎么使用手邊的工具時，必須要考慮鉆得種類、性能以及可選的加工設備。不同的工作，可以有很多種不同的加工方法。所以必須了解不同的材料，刀具，特性及加工設備在不同情況下的作用，這決定了我們是否能夠達到最終加工目標。