可替代常规钻削的孔加工方法

　　常规钻削加工是最常用的金属切削工艺。根据美国一家市场研究机构ReadexResearch公司的调查，在《切削刀具工程》杂志的读者中，有92%都在应用这种加工方式。但是，常规钻削并非唯一的制孔方式。根据不同的加工对象，以及制造商可利用的加工设备，某些替代性的孔加工方法有可能是一种更好的选择。

　　例如，与使用整体硬质合金钻头或可转位刀片式钻头的钻孔加工以及使用立铣刀的圆形插补铣孔加工相比，套料孔加工对机床功率的要求更低，加工时会产生一个可用于制造其他零件的孔芯，并能加工出具有更大深度/直径比的深孔。BTA Heller公司总裁Mark Sollich指出，“如果人们希望加工大直径孔，而他们的机床并不具备能驱动整体硬质合金钻头进行加工的足够功率，那么，套料钻头就是一种不错的替代刀具。”

　　另一种可供选择的加工方式是加热钻孔。据加热钻孔和滚压成形螺纹刀具制造商Flowdrill公司总裁Mitch Ray介绍，与常规钻削相比，加热钻孔的优势是可以缩短加工循环时间。该工艺又称为摩擦（或流动）钻孔，它能节省成本的主要原因是减少了操作步骤。例如，用户可能需要在钻出的孔中放入一个紧固装置（如带螺纹的嵌件或带肋螺母），而他们可以在加热钻孔的同时形成与紧固装置类似的结构，并在其上加工出螺纹，这样就无需专门制备紧固装置，并节省了对其定位和清除加工产生碎屑的劳动力。

　　套料钻削深孔

　　与孔加工本身类似，深孔钻削也存在多种方法，如使用空心的旋转或非旋转刀具在工件上切孔的套料加工。

　　据Sollich介绍，BTA Heller公司提供的标准可转位刀片式套料刀具具有可更换的硬质合金刀垫和直径范围63.5－762mm的套筒（多数直径在76.2－203.2mm范围内）。刀垫可以帮助刀具导向，以保持孔的直线度和起到初步光整内孔壁的作用。该刀具的额定加工孔深可达100倍孔径。Sollich说，“但它也有可能加工更深的孔，主要的限制在于所用的机床，而不一定是刀具。”

　　一般而言，套料钻孔要求的机床功率为每25.4mm刀具直径7－10马力，如果是切削难加工材料，则需要更大的马力和推力。与整体钻削相比，套料钻削所需功率可减小15％－30％，切削速度可提高10％－15％。

　　Sollich指出，最终用户既可以在标准型机床（如采用外径排屑的车床）上使用套料刀具，也可以将其用于为BTA钻削（用“镗削和套料加工协会”的首字母命名）而设计的专用深孔钻床上，这种钻床将冷却液引入套料刀具周围，并通过刀具中央和驱动刀具的管型钻排屑。

　　当加工孔径增大时，所需的冷却液流量也随之增多。一般的经验法则是，机床加工每25.4mm孔径需要提供的冷却液流量为25－30gpm（加仑/每分钟），这意味着加工直径76.2mm的孔时，为了有效地冲刷切屑，需要75－90gpm的冷却液。

　　此外，必须对冷却液进行过滤，以确保冷却液循环系统不会将夹带切屑和杂质的液体泵回切削刃处，造成二次切削。Sollich说，“我们设计冷却液系统时，要用目数10微米的过滤网对冷却液进行过滤。”此外，盛放冷却液的贮液箱必须足够大，使油基或水基冷却液有充分时间沉淀和冷却。如果冷却液不停地循环使用，就有可能变得过热，使刀具寿命缩短，造成有害的工件热膨胀。他补充说，“为了使冷却液降温，你可能需要在系统中增加制冷装置。”

　　Sollich指出，大部分套料加工，无论是生产油田专用的钻铤和管子、飞机起落架，还是在加工车间生产各种混合零件，都是在水平方向加工。因此，移除一个又大又重的孔芯可能是一项困难的任务。为了便于拉出这个孔芯，用户往往需要在孔芯一端钻一个孔并攻丝，然后插入一个I型螺栓。

　　他补充说，套料加工通孔的情况比加工盲孔更常见。如果是加工盲孔，就需要在二次加工时，将一把切芯刀具伸入大约19－38mm宽的切缝中，在孔的底部驱动这种割刀型刀具切断孔芯。

　　无论是何种类型的套料加工，Sollich都建议加工时用一个载荷计来监测钻进情况。如果载荷计读数不断增大，表明刀具磨损加剧或出现了其他问题。他说，“可对载荷计设定某一标准，如果载荷超过该标准，表明刀片已磨钝或可能会打刀，此时机床将自动停机，以避免发生灾难性的刀具失效。”

　　据Sollich介绍，根据不同的机床设备和工件材料，套料钻孔加工可达到±0.05mm的孔径公差和83－125rms的表面光洁度。

　　加热钻孔

　　据Flowdrill公司介绍，与套料钻孔不同，加热钻孔使用的工具没有中空的芯部，也不会产生任何切屑。加热钻孔时，一个具有四瓣圆形凸起几何形状的硬质合金工具以180－900磅（取决于刀头直径和工件材料的类型及厚度）的轴向压力与工件材料接触，并将工件加热至软化和具有延展性，足以被成形和钻孔。Ray说，“当该工具旋转钻入工件材料时，这四瓣圆形凸起产生摩擦热。主轴转速范围通常为900－3,000 r/min。”

　　该工艺适合加工延展性较好的材料，包括低碳钢和不锈钢、铝、铜和一些黄铜合金，但不适合加工具有高孔隙度的金属，如铸铁，以及一些工具钢、Inconel合金及其他硬金属和难加工金属。除了具有延展性以外，还要求工件的厚度相对较薄（0.5－12.7mm）。Ray说，“如果工件厚度小于0.5mm，材料就会产生过大的变形。”

　　该工艺加工时，会形成一个长度约为工件厚度3倍的套管，用户随后可在该套管上加工出螺纹。Ray说，“如果需要加工螺纹，我们会专门使用一种挤压成形丝锥，以保持加工清洁和无屑。在钻孔或攻丝过程中都不会产生任何切屑。”

　　通过预钻导向孔，可以形成较短的套管，所钻的导向孔越大，套管的长度就越短。例如，在需要减少对流经一根管道的空气、液体或气体流动量限制的场合，就会需要较短的套管，但这只是一种例外。

　　Ray解释说，“加热钻孔的基本理念就是在套管上获得尽可能多的材料。”形成最大的套管长度使制造商可以将原来厚度为10mm的工件换为厚度3mm的工件，而仍然有10mm的螺纹连接长度。

　　Flowdrill公司的钻头直径范围为1.6－63.5mm。为了在恶劣条件下加工时延长工具寿命，还可以对钻头涂层。通常，在不锈钢板上钻孔时，工具寿命为3,000－5,000个孔；在低碳钢上钻孔时，工具寿命为8,000－10,000个孔；加工一些较软的合金（如铝和铜）时，工具寿命超过10,000个孔。据Ray估计，销售的工具中有30%－35%用于专门加工，如也需要形成倒棱或油槽的加工。他指出，每孔加工成本约为0.01－0.03美分。

　　为了延长刀具寿命，Ray建议，每钻2－4个孔就加注一次润滑剂（手动钻孔使用糊状润滑剂，自动钻孔使用液体润滑剂），以防止钻头上聚集来自工件材料的金属颗粒，并提供一定的润滑作用。他还建议，在使用期间，每天用砂布擦抹一下钻头，以去除其上粘附的杂质。Flowdrill公司不对钻头进行重磨，因为在钻头圆锥体与圆柱体的过渡部位（此处承受的扭矩最大）不可避免地会形成一些微小裂纹。

　　Flowdrill钻头有两种型式：一种用于在孔的周围形成套管；另一种与一把刀具组合，用于在工件表面加工孔口平面。

　　激光打孔

　　与机械套料钻孔类似，用激光进行套料打孔时也会产生一个孔芯。美国Coherent公司董事、直接二极管和光纤系统业务总经理Stuart Woods解释说，为了打出这些孔，需要开启激光并按圆形路径移动，直至切孔完成。这种加工原理也适用于断续式激光打孔，该方法通过激光束的快速开启与关闭，逐渐在工件材料上烧熔出一个孔。Woods说，“激光烧熔金属材料时，基本上就是在不断撞击去除金属原子。”

　　Woods指出，激光打孔的优势是，与机械钻孔相比，加工成本更低，通常可以降低成本10％－50％（取决于工件材料的种类和厚度）。虽然激光加工硬件设备的初始购置成本较高，但由于维护成本较低，以及可以省略后续加工，因此具有很大的节省成本潜力。激光打孔还可以缩短维护停机时间，而且工件不会产生任何翘曲变形或冲压效应。这是因为与在工件上施加压力，并可能对其材料形态产生负面影响的常规钻削不同，激光打孔是一种采用聚焦热源的非接触式加工。

　　此外，激光打孔的加工速度更快，尤其在加工硬脆材料时更是如此。通常，激光打孔的速度是常规钻削的2－5倍（取决于工件材料的种类和厚度）。

　　Woods指出，有多种类型的激光器可用于在金属材料上打孔，包括密闭CO2和光纤激光器。通常，CO2激光器非常适合金属加工，具有最佳功能性。

　　高功率CO2激光器适合在厚度0.1mm以上的金属（如不锈钢）薄片上打孔，孔径尺寸范围从大约100?m到毫米级。而光纤激光器更适合加工较厚的工件材料。这是因为CO2激光器在切割较厚的材料时，往往容易形成一个切口。

　　Woods指出，在为加工某种工件材料匹配激光器类型时，重要的是要了解这种材料的吸收特性，即它如何吸收激光并与其相互作用。Coherent公司的加工实验室会定期评估用户的工件样品，并根据加工试验，提供最适合加工这些工件的激光波长的反馈信息。

　　美国一家激光加工和系统集成商PhotoMachining公司首席执行官Ronald D. Schaeffer最近在(暂不可见)网站的激光加工栏目中指出，有三种最常见的激光孔加工方法：一次性打孔、断续式打孔和套料打孔。所有这些加工都可以用固定激光束系统或通过检流计控制反射镜运动的振镜系统来完成。不过，在实际加工中，一次性打孔和断续式打孔通常更多是用固定激光束系统来完成，而套料打孔往往是用振镜系统来完成。

　　一次性打孔是一种速度最快的加工方式，它加工出的孔径大致等于所用激光束的直径。由于没有后续激光脉冲对孔进行“清理”，因此一次性加工出的孔往往存在较明显的锥度。断续式打孔是利用多个激光脉冲来去除工件材料。这种加工方法速度较慢，但加工出的孔比一次性加工的孔圆度更好，锥度更小。采用振镜激光系统进行套料加工时，获得的孔具有最好的圆度和最小的锥度。

　　电子束打孔

　　激光打孔的一种替代加工方法是电子束打孔，它能够实现深度/直径比高达25∶1的深孔加工。据最早开发电子束打孔技术并提供此项服务的Owens Corning Ridgeview公司新产品开发制造工程师Kenneth E. Norsworthy介绍，这种加工需要在真空室中进行，在其中，电子束被加速到光速的大约2/3。该工艺的孔径加工范围为0.025－1mm（常用加工范围0.1－1mm），可加工的工件包括厚度9.5mm以下的金属、陶瓷和复合材料。通过改变功率密度、焦距和脉冲宽度，即可实现对孔径尺寸的控制。据称，该工艺的尺寸精度为±0.025mm，孔的定位精度为0.0127mm。它可在直径达1m的工件上加工出3.5万－600万个孔，电子束与工件表面的倾斜角度可达40°。

　　Norsworthy表示，电子束打孔适用于许多行业，包括纸浆和造纸、航空航天、食品和饮料等，可以加工用于挤出、过滤和气体流动等各种零件。据称，该工艺非常适合加工孔隙面积很大（可高达45％）的筛子。

　　由于这种加工需要在真空中进行，因此一般来说，采用电子束加工少量的孔在经济上很不划算。此外，该工艺也不适合加工熔融温度很低的工件材料（如许多塑料）。但是，与常规钻孔相比，电子束打孔能够快速加工出大量的孔。Norsworthy说，“任何其他工艺都很难在一个零件上加工出600万个孔。”

　　电火花孔加工

　　据牧野（Makino）公司微细加工研发团队负责人John Bradford介绍，当工件材料具有导电性时，电火花（EDM）孔加工（无论是采用电极加工孔径10?m或更小的微孔，还是采用线切割方式加工孔）也是一种可选方案。虽然电火花加工孔的速度低于常规钻孔，但在大批量加工小孔时，该工艺具有高水平的可预见性和重复性。如果将常规钻削修正工艺不稳定性的时间考虑在内，电火花加工有可能实现每孔加工时间更短。

　　Bradford补充说，电火花工艺可以加工出尺寸精确、几乎无毛刺、长径比高达100∶1的孔，而机械钻孔通常只能达到15∶1的有效长径比。他说，“电火花孔加工，加上激光加工的可能性，是一种比机械钻孔更具优势的解决方案。”

　　许多用户认为，电火花孔加工属于快速放电打孔（Hole Popper）加工的范畴，但对于高精密孔而言，通常事实并非如此。快速放电打孔加工采用比电火花成形加工机床更高的输入电压，并用水作为电介质。这两种因素相结合，可以获得很高的加工速度，但同时也降低了被加工孔的形位精度（直线度、圆度）和表面光洁度。

　　模具制造商Plastic Design公司（PDC）总裁Mark Kinder也表示，“我不认为快速放电打孔适用于精密孔加工，虽然一些用户对自己的快速放电打孔设备进行了调整，使其突破了自身的精度限制。” 即便如此，这些机床主要用于加工直径0.64－1mm的孔，而该公司通常需要用电火花成形机床在400系列不锈钢上粗加工直径0.15－0.18mm的初始孔，然后在线切割机床上，用直径小至0.05mm的电极丝将孔径精加工到0.25mm，以消除喇叭口误差，达到要求的最终尺寸。Kinder补充说，“由于要用线切割机床进行后续精加工，因此我们并不关心这些小孔的粗加工光洁度。”

　　PDC公司用一台具有小孔加工功能的Makino Edge2型电火花成形加工机床进行小孔粗加工，该机床通常采用旋转的铜钨空心管电极和低粘度绝缘油。Kinder说，“虽然这种绝缘油悬浮切屑的性能不如一些粘度更高的切削液，但它使我们可以进行更精细的烧蚀加工。”

　　在一次使用低粘度绝缘油和直径0.25mm空心管电极的粗加工试验中，PDC公司实现了长径比100∶1、喇叭口误差0.025mm、开口位置在起始位置±0.025mm以内的小孔粗加工。不过，Kinder指出，该公司尽量避免进行长径比超过50∶1的深孔加工。

　　Bradford解释说，可实现更大长径比的一种深孔加工方法，是先在电火花成形机床上加工出一个盲孔，然后翻转工件并重新定位，放电加工第二个连接孔，最后形成一个很深的通孔。加工长径比较大的深孔时，需要对整个电极进行冲洗。

　　Bradford指出，虽然电火花小孔加工能加工出直径小于0.013mm的孔，但可用的空心管电极直径通常不能小于0.076mm（其上的通孔直径约为0.025mm），他说，“为了使低粘度的电介质流过电极顶端，需要对其施加1,500 psi（磅/平方英尺）或更高的压力。”

　　对于尺寸精度要求更严格的孔，采用超精磨线切割机床比用电火花成形小孔加工机床效果更好。例如，用户可以用一根直径15μm的电极丝在一个直径30μm的初始孔中进给走丝，加工出圆度为500nm的精密小孔。Bradford说，“但是，线切割加工小孔的主要优势在于，可以最大限度地减少重铸现象，并能获得比电火花成形小孔加工高2－3倍的表面光洁度。”用电火花成形机床加工小孔时，在孔的过渡边缘处产生的重铸层厚度约为2?m，而线切割加工的重铸层厚度仅为几十纳米。用硬质合金电极加工时，可获得Ra0.17?in.的表面光洁度。

　　此外，线切割机床对孔的长径比没有限制，由于管理电极磨损不会造成问题，因此，孔径尺寸的一致性只受到线切割机床本身机械和电气性能的限制。Bradford说，“如果你要求加工的各个孔之间具有非常好的一致性，则线切割加工是迄今为止的最佳选择。如果你要求孔有尖锐边缘过渡区，线切割加工也是迄今为止的最佳选择。”

　　Bradford指出，近年来，电火花孔加工的应用在大幅增加，“四年前，我们的业务活动有10％是围绕精密小孔的测试与加工，而如今，这一比例可能已经达到了65％。”

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