硬料孔加工以鉆代銑工藝技術研究

馮亞坤，魏培杰，謝志紅

（珠海格力精密模具有限公司，廣東珠海 519070）

1 引言

鈑金模具硬料材質在經過熱處理后，硬度值一般能達到55～62HRC，材料硬度越高，切削性能越差，且硬料的螺絲底孔特征直徑小（一般尺寸為?10.6mm、?8.7mm、?6.8mm、?5.2mm、?4.3mm、?3.4mm）且深度一般能達到15～30mm，利用小刀銑削時間長，難排屑，且為了滿足螺絲底孔的加工深度，還不得不人為拉長銑刀的裝刀長度，大大提高了斷刀的概率，增加了刀具成本，有時，為了減少斷刀還會降低下切量Ap和進給速度Vf，導致現場加工效率太低，制造成本高，這種加工方式已經不能滿足市場對于模具制造短周期、高效率、高質量的要求。

2 硬料孔特征加工現狀

以PowerMILL編程軟件為例，鈑金模具硬料螺絲底孔的加工一般選用D6R0.5、D4R0.5或者D3R0.5的圓鼻刀運用等高開粗的方式逐層銑削，考慮硬料銑螺絲底孔時會因側面擦刀桿而導致斷刀，因此在編程前，先將螺絲底孔單邊拔模0.15°以防止斷刀，如圖1所示，以M12mm的螺絲底孔?10.5mm為例，編程選用D6R0.5圓鼻刀采用等高加工，切削方式為順銑，螺旋下刀切削，如圖2所示，下切步距（Ap）為0.06mm，進 給 率（Vf）為700mm/min，銑削深度為25mm，加工一個螺紋底孔需要耗時約5min，從產能方面已經不能滿足市場競爭的需求，且由于材質較硬，特征較深，鐵屑無法順暢排出，極易發生斷刀異常，且螺絲底孔精度要求較低（公差要求一般為±0.1mm），用如此耗時費力的加工方式來加工此類特征，得不償失。

圖1 螺絲底孔單邊拔模0.15°示意圖

圖2 硬料螺絲底孔傳統加工方式

根據不同大小的螺紋底孔，選用不同的刀具，加工參數如表1所示。

表1 各螺紋底孔銑削加工參數表

3 工藝革新探索

眾所周知，粗加工工序對于螺絲底孔的加工都是采用同直徑的內冷鉆或者外冷鉆加工達圖，這種加工方式效率高，幾秒鐘便能加工完一個孔特征，解決了用銑刀加工難排屑的問題，大大降低了非刀具正常磨損外的斷刀異常。據此，能否用內冷鉆或者外冷鉆代替銑刀通過改變其加工參數達到可加工硬度為55～62HRC的加硬材料的目的。

內冷鉆和外冷鉆主要的區別在于內冷鉆鉆尖部位有兩個跟隨螺旋槽的中心出水孔，在加工時，內冷鉆通過這兩個出水孔噴射出高壓水，鐵屑跟隨高壓水通過鉆頭周圍的排屑槽反沖出特征，起到排屑的作用；而外冷鉆沒有中心出水孔，需要通過外部冷卻水沖出鐵屑來排屑。根據鉆孔加工工時的計算公式可知：

式中Vf——進給速度

N——主軸轉速

Fz——每齒進給

Zn——刀具齒數

綜合上述所知，提高進給速度能夠降低孔加工的時間，提升效率，而內冷鉆的進給速度是外冷鉆的幾倍甚至十倍。且在加工時，內冷鉆的循環方式是單次啄鉆，而外冷鉆的循環方式為深鉆，如圖3所示，單次啄鉆的在加工中的抬刀次數明顯少于深鉆，在兩種鉆頭都能使用的粗加工工序中，當然優先選擇內冷鉆作為加工孔特征的主要手段。

圖3 兩種鉆頭的不同循環方式a——單次啄鉆 b——深鉆

而對于硬料（55～62HRC）的鉆孔加工，內冷鉆的優勢將蕩然無存，由于材料硬度高，內冷鉆的中心出水孔就會成為強度的最薄弱點，經過現場測試，在其周圍很容易產生應力集中而導致刀具碎裂，不適合硬料孔類的加工，所以運用強度相對均勻的外冷鉆，結合現場的加工現狀，測試出合適的加工參數是解決硬料螺絲底孔以鉆代銑的唯一途徑。

外冷鉆一般有螺旋槽型和近直槽型兩種類型，如圖4所示，根據現場實際加工得知，近直槽型外冷鉆在加工硬料時，聲音刺響，纏屑明顯，斷刀現象嚴重，如圖5所示。而螺旋槽型外冷鉆表面有一層黃色PVD高速涂層，增加了鉆頭的耐磨性和剛性，更適合硬料的加工。

圖4 兩種不同類型的外冷鉆 a——近直槽型外冷鉆b——螺旋槽型外冷鉆

圖5 直槽型外冷鉆纏屑嚴重

綜合上述分析，運用螺旋槽型外冷鉆通過調節相關加工參數解決加硬材料（55～62HRC）螺絲底孔的加工問題是目前最符合實際需求、最高效的一種方法。

在表2所示的加工參數及加工環境下，根據現場實際測試可知，對于M8mm、M6mm、M5mm、M4mm的螺絲底孔的加工，在鉆孔過程中，斷屑良好，均未出現斷刀、纏屑現象；對于M10mm和M12mm的螺絲底孔的加工，孔的中上段斷屑良好，在接近鉆穿時，會出現斷屑不良現象，但鐵屑不會纏繞在刀具上，對鉆孔加工的影響幾乎可以忽略，加工過程中均無異常聲響且在加工完10個通孔后未出現斷刀現象。以M12mm的螺絲底孔為例，?10.5mm外冷鉆加工完10個通孔后刀具磨損情況和加工的通孔實際情況如圖6所示。

圖6 刀具磨損情況及加工特征的實際情況

通過上述工藝，基本實現螺絲底孔以鉆代銑新工藝，以PowerMILL軟件統計理論加工10個?10.5mm深度為25mm的螺絲底孔的時間為例，其加工效率對比如表3所示，精度也滿足圖紙公差要求（實測尺寸為10.52mm），在刀具的使用壽命內，也大大減少了斷刀率，降低刀具成本。

表3 新舊工藝加工效率的對比

需要注意的是，以鉆代銑新工藝除了增效以外，還解決了非正常斷刀問題，但是由于材料過硬，外冷鉆沒有經過任何其他處理，只是通過控制加工參數來保證加工的穩定性，所以，和粗加工使用鉆頭加工孔特征相比，外冷鉆的損刀現象比較嚴重，刀具壽命的管控將顯得尤為重要，根據刀具的磨損情況和加工特征的表面粗糙度合理分析，外冷鉆鉆硬料單條程序需要控制在200～250mm內。

4 各切削要素的理論分析

硬料螺絲底孔的鉆孔加工，為了取得最高的加工效率，要加大主軸轉速和進給速度，但是矛盾的是轉速和進給的不合理增加會加速刀具的磨損，甚至造成非正常斷刀。所以，為了保證刀具的使用壽命，對應的啄孔深度即下切步距就要降低，而下切步距的降低又會反過來影響加工效率。固主軸轉速（N）、下切步距（Ap）、進給速度（Vf）和加工效率、刀具磨損程度之間相輔相成、相互影響，如何才能達到動態平衡，需要根據現場測試得到。

5 結束語

用普通外冷鉆頭代替銑刀加工硬料孔特征，加工效率提高了200%，減少甚至杜絕了因排屑不良導致的非正常斷刀，打破了數控加工硬料無法鉆孔加工的行業現狀。“以鉆代銑”新工藝不僅僅是一場技術革新，其發展和推廣應用將帶動了整個制造業的進步和效益的提升,是現代切削加工技術的發展方向[3]，更是為廣大從事制造行業的同事們推陳出新提供借鑒和指導。