极具挑战的钻削加工

【编者按】钻削加工是用钻头或扩孔钻等在钻床上加工模具零件孔的方法，其操作简便，适应性强，应用很广。

在难加工材料上钻削高精度的孔可能极具挑战性。为了成功完成难加工材料——从航空工业的大型钛合金或复合材料零部件，到尺寸很小的Inconel合金医疗器件——的钻削加工，需要克服包括切削热、高磨蚀性（如复合材料）、高硬度（如淬硬钢）、高粘性（如奥氏体不锈钢）在内的各种困难。为了应对这些难题，必须多管齐下，在钻尖几何形状、刃口制备、基体牌号、刀具涂层和冷却液输送等方面对钻头进行综合优化。

形成易于处理的切屑

美国联合机械与工程公司（AMEC）研发主管Joseph Nuzzi指出，“最终用户总是希望获得更高的钻进率、更长的刀具寿命和更好的孔形质量。在我们每年为用户和经销商举办的技术培训研讨会上，我们首先会告诉他们，在任何高效钻削加工中，首先必须形成足够小的切屑，使其能顺畅地排出孔外。钻头必须具有合理的切削刃形状，而一旦形成了合适的切屑，还必须由切削液介质提供足够的动能，使切屑流从孔中排出。为了实现顺利排屑，由内冷却刀具和高压冷却液组成的冷却液系统必不可少，因为合适的冷却液系统能将更多热量从刀具中带走。”

AMEC推出的GEN3SYS XT可换钻尖式高效钻头的几何形状、切削刃强度、材料牌号和涂层都是针对不锈钢、高温合金和镍基合金（如Hastelloy、Monel和Waspaloy合金）的钻削加工而专门开发的。用于食品机械和压力容器行业的奥氏体不锈钢（通常为304、316、350、321系列）很难加工。这些材料具有极大的变形率（切屑厚度与每齿进给量的比率），而在钻削奥氏体不锈钢时，大变形率将转化为很厚的切屑。在这种情况下，钻头必须具有正确的几何形状，并对切削刃进行制备，还需采用合适的涂层，以确保钻头不易折断，并能承受切削高温。

Nuzzi指出，“GEN3SYS XT钻头（‘SS’刃型）钻削奥氏体不锈钢时能形成理想的切屑。需要牢记，如果成屑不良，就不可能实现高效钻削。为了确保排屑顺畅，必须形成裹紧的圆锥形切屑，或裹紧的‘6’形和‘C’形切屑。所钻的孔越深，排屑就越困难。”

Nuzzi说，“复合材料、金属基复合材料、酚醛树脂材料和碳纤维复合材料都具有很小的拉伸强度和极大的磨蚀性，钻削这些材料时，就像用砂纸裹着钻头使劲摩擦一样，后刀面极易磨损。我们开发了钻削复合材料的TA钻头系列，以及采用金刚石薄膜涂层或PCD涂层的GEN3SYS钻头系列，并为TA钻头产品线开发了一种能去除钻削复合材料时所产生粉尘的真空抽吸式钻头。”

可预测的刀具磨损

山特维克可乐满(Sandvik Coromant)的钻削产品和行业专家John Dotday指出，在加工淬硬材料或复合材料时，最终用户希望刀具的磨损具有可预测性。“难加工材料会造成一些特殊的加工难题，但只要我们选用合适的刀具和切削参数，就能克服这些困难。如果我们告诉用户，某种钻头一天可以钻100个孔，他们就会期望该钻头每天都能稳定地钻100个孔。如今的趋势是在材料淬硬状态下进行钻削加工，而过去是在材料较软状态下进行钻削，然后将工件淬硬后，再进行铰削加工。如有必要，或许还需要进行二次钻削。现在，用户希望直接钻削淬硬工件，从而省略后续工序。”山特维克可乐满最近推出了新的CoroDrill 860 PM 4234整体硬质合金钻头，该钻头采用TiAlN涂层，直径范围3－20mm，适合加工用不锈钢板材制造的汽车零部件，以及材质从1018钢到工具钢的耐磨板材。

复合材料是一个特殊的加工领域。山特维克可乐满针对复合材料加工推出了CVD涂层钻头CoroDrill 854和856。854钻头用于钻削碳纤维含量较高（50％以上）的复合材料；856钻头则适合加工树脂含量较高（50％以上）的复合材料。针对在航空工业十分常见的用手持电钻钻孔，该公司推出了未涂层的452系列钻头，该钻头钻削复合材料零件时可防止材料撕裂和分层剥离。

肯纳金属(Kennametal)公司提供了针对各种特定用途钻削解决方案的完整产品线，包括整体硬质合金钻头、可转位刀片式钻头和模块化钻头，以及精加工铰削刀具和攻丝刀具。该公司最新开发的整体硬质合金钻头组合包括用于加工高温合金和贵重金属材料的解决方案。肯纳金属公司全球产品经理Frank Martin解释说，“最近推出的Beyond整体硬质合金钻头系列采用了新的Beyond材质牌号，无论是刀具制造商生产的新刀，还是经过工厂重磨后的刀具，在整个刀具生命周期中都能保持其优异性能。Beyond钻头采用了专有的表面处理技术，可以减小钻削压力和扭矩，改善切屑流动性和钻削性能。因此，Beyond技术能够同时提高刀具寿命和加工一致性。”

肯纳公司针对特定应用的钻头组合还包括为钻削难加工材料而开发的Y-TECH钻头。该钻头独特的刃型设计可以减小钻削运动的随意性，克服钻头偏移的倾向，并能提高孔的直线度、圆度、圆柱度和平行度。Martin解释说，“所有的钻头——无论是高速钢钻头、硬质合金钻头，还是可转位刀片式钻头——钻入工件时，工件材料都会迫使钻头发生偏斜，从而使其运动轨迹变为三角形，并不断摆动，导致孔形变差。这也是需要进行后续铰削加工的根本原因。Y-TECH钻头采用了非对称的切削刃和刃带设计，以抗衡钻头的不规则摆动，使其运动更具可预测性，从而显著提高钻孔质量。

伊斯卡(Iscar)公司采用“M”刃型的SumoCham可换钻尖式钻头非常适合加工钛合金、Inconel合金、Waspaloy合金、Hastelloy合金和不锈钢。该公司的钻削产品经理Ben Davis解释说，“SumoCham钻头采用贯穿每条刃沟的两个小孔来输送冷却液，与通过钻体中心的单个内冷却孔相比，这种双孔设计能将更多冷却液输送到孔底，将切屑冲刷出孔外。将冷却孔置于刃沟内还能增大刃沟深度，以提高排屑能力。”该公司的DR Twist钻头系列也采用了相同的冷却液输送方式。

Davis指出，“切削工件材料时，通常要依靠切屑带走一部分切削热，但高温合金的吸热和散热能力较差，因此必须通过采用合适的刀具几何形状、涂层和冷却液来减少切削刃处的热量。因此我建议，在钻削高温合金材料时，应采用比钻削合金钢等材料更低的切削速度。降低钻削速度可以减少切削热，并防止工件发生冷作硬化。”

提高钻孔质量

三菱材料美国公司提供的MHS WSTAR钻头系列用于钻削工具钢和淬硬材料，其特点是钻芯比传统钻头增厚了6%－8%。此外，双刃带可确保钻孔的直线度，防止钻头发生偏移和折断。该公司钻削产品专家Nika Alex解释说，“为了增大钻头强度，MHS钻头的螺旋角比我们的常规钻头略小一点，而钻尖角上的主后角和副后角则更大一些。所有这些参数的变化都是为了确保当切削力增大时钻头不易折断。”该公司用于钻削CFRP材料的MCS钻头系列有8种尺寸规格。该钻头采用了新开发的PVD金刚石涂层牌号，靠近刃带的刃背从钻尖角顶端向下延伸，并采用了较大的刃背，以提高钻头的排屑性能。

BIG Kaiser精密工具公司的Phoenix钻头采用了一种独具特色的钻尖几何形状，在钻削淬硬钢和不锈钢时，可减小作用于钻头上的切削力，延长刀具寿命。该产品线一个较新的分支是钻削深度可达30倍孔径的Power-Phoenix深孔钻头。即使在冷却液压力较低的情况下，该钻头也能有效地进行加工。为了便于排屑，对钻头刃沟进行了精磨和涂层。其加工对象包括医疗行业用于植入人体的小型不锈钢和钛合金器件，以及航空航天工业使用的不锈钢、钛合金和高镍合金零部件。

加工复合材料的金刚石涂层钻头

高迈特(Komet)美国公司的Mark Blosser指出，纳米晶粒金刚石涂层刀具的出现是一个重大技术突破，这种刀具具有硬度很高、极其锋利的切削刃，非常适合钻削或铣削复合材料、铝及铝合金和石墨材料。Blosser解释说，“超细晶粒的高纯度金刚石涂层可以涂覆于各种尺寸的刀具上，包括大型刀具和具有复杂表面形状的刀具。其结果是，涂层的粘附性、稳定性和机械性能，以及对涂层表面粗糙度的控制均大幅提高。在航空航天、模具制造和能源行业，纳米晶粒涂层刀具的应用已经使最终用户获益非浅。这种例子包括：切削碳纤维复合材料时，可使进给率提高一倍；钻削碳纤维/铝/钛复合材料时，可使刀具寿命提高8倍。”

山高刀具(Secotools)公司已推出了用于钻削CFRP复合材料的新型钻头。该公司钻削产品经理Thomas Sandrud表示，“我们主要有两种不同的钻头几何形状。C1钻头经过优化的钻尖适合加工碳纤维和钛/碳纤维叠层材料，或出口处为碳纤维层的铝/碳纤维叠层材料。”为了在钻出孔口时防止碳纤维材料撕裂和分层剥离，这种金刚石涂层钻头采用了双棱面和两个不同的钻尖角。C2钻头用于加工入口处为碳纤维、出口处为钛或铝的叠层材料，通过对切屑的控制，使金属切屑不会将碳纤维表面刮毛。C1和C2钻头都涂覆了CVD Dura涂层。

住友电工硬质合金公司可提供三种用于钻削难加工材料的钻头系列：MDW GS系列、SMD可换钻尖式钻头和用于加工CFRP材料的金刚石涂层钻头。MDW GS钻头系列有两种不同类型：非内冷式GS钻头和具有两条刃带的HGS内冷却钻头。钻头所用涂层包括TiSi和TiAlCrN复合超晶格PVD涂层。高硬度的含铬涂层有助于实现对高温合金（如Inconel合金和钛合金）的大长径比钻削（钻头长径比分别为12D、20D、25D和30D）。该公司建议，使用这些新型涂层钻头时，可采用比以往的钻头或涂层更高的进给率。

瓦尔特(Walter)美国公司的Patrick Nehls表示，“我们的瓦尔特蒂泰克斯(Walter Titex)X-treme钻头可用于各种不锈钢、碳钢、铸铁、有色金属、钛合金和淬硬材料的小批量或大批量钻削加工。在考虑钻孔数量时，重要的是应尽量降低每件加工成本，以最大限度地提高回报率。X-treme钻头性能的提高延长了刀具寿命。自从该钻头于2009年底推出后，我们一直在对其进行测试，并帮助最终用户用加工效率更高的X-treme钻头替换Alpha 4钻头。虽然由于钻头寿命延长，我们向这些用户销售的钻头数量可能会减少，但X-treme钻头优异的加工性能将为我们提供更多机会，带来更多新客户。”

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