在某加工实例中,需要在一个17-4PH不锈钢U型铸件上钻削直径为1/4'(6.4mm)、斜度25°的通孔。在钻床钻孔前,按需要的角度在夹具上夹紧工件,然后在夹具上安装带淬硬钢衬套的钻模。钻孔时产生的铁屑和冷却液四处飞溅,且因为出孔时钻头不时会断裂,断裂飞射物易造成人身伤害。
即使在今天,采用钻床和带衬套的钻模仍是批量孔加工的有效方法,特别是在加工斜孔时更行之有效。这是因为钻模衬套支撑着钻头,可防止钻头入孔时弯曲,出孔时可使操作者降低钻削压力以避免钻头断裂。当加工批量较小时,很少采用钻模夹具,操作者凭自己的经验引导钻头加工斜孔。很多孔加工在桥堡钻床(Bridgeport)上完成,该钻床可使操作者获得更好的加工感觉,而在其他金属去除率高的大型卧式镗铣床或大型手动机床上却没有。
图1 在立式铣床上钻削加工电缆卷筒轴斜孔时需要精细(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)
在加工316不锈钢的电缆卷筒轴孔时需要细致的加工。将工件安装在桥堡钻床工作台上,主轴头倾斜45°,找到孔的中心线,然后用立铣刀在所需位置锪平面,接着采用HSS直柄钻头加工到交叉孔位置。可采用不同的方法来加工电缆卷筒轴孔,也可以借助正弦块使工件倾斜至所需角度,这时需要计算来保证孔的正确位置。当钻至出孔位置时,需要有良好的加工感觉,因为这时钻头可能会折断,这也是采用韧性更好的HSS钻头而不用合金钻头的原因。
除加工机床外,加工斜孔的最好方法是采用四棱边钻头。每个切削刃带两个棱边的钻头可使工件和钻头的接触更充分。特别是在出孔时,这种结构有助于引导钻头和防止钻头偏移。对于钻削浅孔,当孔的斜度较小时通常不用引导孔来钻削,但当钻削韧性很高的材料或位置精度要求高的孔时需要钻引导孔。对于深径比在8∶1以下的孔,通常也可以直接钻削。如果采用瓦尔特DC170那样的钻头,由于其棱边对钻头周边起到充分支撑作用,可防止振动和偏移,加工时可不钻削引导孔。
对于大多数的斜孔钻削,推荐在入孔和出孔时采用比正常低30%-50%的切削速度和进给量。在需要引导孔的场合,通常不用钻头钻引导孔,而采用底齿中心切削的立铣刀来铣尺寸相同或略大的引导孔。比铣引导孔更好的方法是:采用钻尖为180°的平底钻来钻引导孔,可获得更高的金属去除率、加工精度以及更长的刀具寿命。
套料钻也可用于斜孔加工,它看起来像一把中空的立铣刀,加工时不与孔中心部位的材料接触,而是通过移除孔周边的材料来加工精确孔。在取出套料钻时,芯部材料被弹出。因为套料钻移除的是孔边缘部分材料,加工所需的功率和推力比传统的制孔工具低很多,因此套料钻更适合在磁力钻床和手工钻床上使用。当CNC机床的主轴功率有限时,套料钻也常用于制孔。在孔的倾斜度≤20°时,套料钻也可用于斜孔加工。如果所加工的材料不是软质材料,加工时的横向载荷会非常大,这时刀具就有破碎的危险。建议在入孔时降低进给速度,直到钻头完全钻入。因为套料钻完全自支撑,在出孔时不必降低进给速度。
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图2 套料方法通常用于加工≤20°的斜孔(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)
钻斜孔时一般要采用衬套来支撑钻头,有时可采用软质金属如黄铜而非淬硬钢来做衬套。某客户在钻斜孔时发现,切屑会缠绕在钢制衬套和刀具之间。把衬套改成黄铜后,排屑得到改善,绕屑问题也完全解决。
当需要加工复杂、复合角度的斜孔时,采用钻模衬套的方法既不切合实际也不经济。
加工复杂和高精度孔时,首先要考虑的是精度要求和毛刺状况。枪钻依靠衬套将单刃的、非中心切削的钻头导入工件,也通过衬套提供高压切削液。例如,钻削汽车曲轴轴承颈的斜孔时,需采用特殊设计的衬套,使衬套的凹面与轴承颈贴合。除采用特殊磨削的钻尖外,在钻头周边采用耐磨垫、正确的线速度和进给可保证成百上千的孔按预期精度加工。
斜孔加工的最大挑战之一是控制毛刺。在交叉孔处或出孔时,钻尖附近的切削液压力降至接近零,排屑性能下降,切削区域的温度上升。如在批量生产中采用的是特殊枪钻,钻头与工件只有一侧贴合,产生不均匀的钻削力,因而不能有效切削,其结果是切削时工件材料倾向于被挤压而不是剪切。
另一个常见问题是如何检验交叉孔(如注塑模具和大量汽车零部件中的交叉孔)。例如,要钻削一对直径为0.080'、在4'-6'处相交的孔,就没有实际可行的精确检测方法。三坐标机可用于探测零件内孔的相交位置,但不能检测钻孔是否偏移。对此,最好是采用管道镜来检测相交孔。