微孔钻削，绝对的高难度，看完这都不叫事！

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微孔钻削，绝对的高难度，看完这都不叫事！

首先，让我们试着给“微孔钻削”下一个定义。不过，与许多金属切削术语一样，往往很难给出一个严格而精确的定义。金属切削行业充满了相对性，事实上，几乎所有旨在确定金属切削参数值的讨论都会以“取决于具体的加工条件”作为开场白或结束语。　　

不过，有一位业内人士——Big Kaiser公司负责销售和工程的副总裁、瑞士微型钻头制造商Sphinx公司产品线的分销商Jack Burley——愿意用一个数字来定义微孔钻削。他解释说，Sphinx公司将孔径在0.05－2.5mm范围内的钻削加工定义为微孔钻削。为了便于讨论，我们暂且同意这一定义。Burley还补充说，这个标准并非一成不变，随着加工技术和用于制造微型钻头的材料的持续改进，微孔钻削的最小孔径下限值也会不断缩小。

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什么是微细加工？　　

微细加工并不一定等同于加工微型零件。虽然在医疗和电子器件制造业，确实存在零件日益小型化的趋势，但在许多尺寸较大的工件上，往往也需要加工一些非常小的特征，此类加工只能通过微细加工技术来完成。　　
Burley指出，“我曾看到一些惯常使用直径6.35mm钻头的加工车间，只是把刀具更换为直径1.52mm的钻头，就试图进行微孔钻削，当加工无法完成时，他们也不知道问题出在哪里。问题在于，当你突破2.5mm的孔径界限时，精度要求将会大幅提高。相应地，必须对加工工艺进行全面优化。这不是仅靠更换刀具就能解决的问题，只有训练有素的加工车间才能实现这种转换。”

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机床设备能否实现微孔钻削？　　

微细加工要求机床的进给轴具有足够高的灵敏度和足够小的分辨率。机床还必须具备精度极高的主轴，能以很小的动态径跳高速旋转。动态径跳误差是高速主轴的重要衡量指标，可利用激光或电容阻抗传感技术进行测量。　　

Burley解释说，“机床制造商已经为微细加工开发出了专用机床。对于那些打算利用现有设备进行微细加工的车间，我建议请专家对机床进行评估，以确保其能实现足够精细的进给，且动态径跳误差（TIR）小于0.0025mm。”

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如何夹持微型钻头？　　

微型钻头的基本型式有两种：①丝柄钻头：其柄部直径与钻削部分直径相同（图1左）；②标准柄钻头：无论其钻削部分直径是多大，柄部直径均为标准尺寸φ3mm（图1中、右）。丝柄钻头的制造成本较低，因此具有价格优势，但为了夹持不同直径的钻头，需要有不同尺寸规格的夹头。此外，由于丝柄钻头的外径较小，因此操作难度也更大。


图1  两种型式的微型钻头　　

无论采用哪种型式的钻头，刀具夹持技术对微孔钻削都非常重要。微型钻头对径跳精度要求严格。机床主轴、刀具夹头和夹筒的任何径跳误差都会对微型钻头产生很大影响。对于直径小于2mm的微型钻头，在孔深为4倍孔径处测得的最大径跳误差（TIR）应小于0.0025mm。


图2  基于刀具直径和切屑负荷的最大径跳值（TIR）　　

Burley解释说，“刀具夹头和机床主轴构成一个支持系统，确保钻尖能尽可能精确地钻入工件。我们的测试表明，达到AA级标准的高精密夹头可以提供稳定的径跳精度，并使换刀更为简便。对于在加工中心上进行的超小直径钻削，通常是用手将夹头直接在主轴中夹紧，以消除采用自动换刀机械手所产生的定位误差。”


图3  换刀时清洁夹头有助于保持其重复性精度

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工件材料是什么？

为了减小排屑所需的力，并防止切屑与排屑槽发生冷焊，要求钻头所有切削刃的磨损均匀一致，这对于微孔钻削至关重要。因此，微型钻头的表面光洁度必须非常好。

微孔钻削刀具必须与被加工材料相互匹配，这一点与常规钻削加工并无二致。不同的是，微型钻头的切削刃必须非常锋利，并具有良好的对中性，因为这些微型刀具缺乏足够的结构完整性，难以依靠推力来钻削工件。

Burley解释说，“微型刀具制造商可以通过采用不同的几何刃型和刀具材料，来优化微型钻头的加工性能。通过改变钻尖的横刃厚度，我们就能根据工件材料增强或削弱钻尖强度。虽然高速钢是最常用的钻头材质，但纳米晶粒硬质合金钻头具有最长的刀具寿命。我建议加工车间与刀具供应商密切合作，创建基于特定加工的切削参数和刀具规格，因为每个刀具供应商制造的刀具都略有不同。”

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公差要求是多少？

对于许多微型钻头来说，并不缺乏钻削这种小孔的能力。但是，随着微孔钻削的广泛应用，人们越来越迫切地要求微孔钻削能达到与常规钻削类似的尺寸精度和表面光洁度。


Burley指出，“在微孔钻削中，钻头的精度至关重要。由于微孔钻削基本上是‘一锤子买卖’，最好能一次进刀就达到尺寸要求。为了覆盖所需尺寸范围，我们提供的微型钻头、普通钻头和中心钻的直径增量为0.01mm。”


Burley继续说，“更严格的尺寸公差推动了精密孔加工刀具的发展。微型镗刀和铰刀用于进一步提高微型钻头加工出的孔壁表面光洁度（通常为20rms），以及将孔的尺寸精度和直线度提高到仅靠钻削加工远远无法达到的水平。只要微孔钻削的工艺要素（进给控制、主轴和刀具夹头的径跳误差、刀具材料和几何形状、切削参数等）能满足要求，就完全可以通过微孔镗削和铰削达到0.0025mm的公差要求。”


图4  夹持在镗头上的微型镗刀（镗孔直径：0.135mm，孔径微调量：1μm，柄部直径：7mm）

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孔的深度是多少？

随着切削刀具和加工技术的不断进步，用微型钻头钻削深孔的加工水平也在不断提高。采用具有反向直径公差（即+0.004/-0mm）而不是在正（负）方向具有标准公差的中心钻，可以为深孔钻削预钻一个定心孔。这道工序使结构细长、脆弱易断的微型钻头能够钻入一个直径尺寸略大的孔，以防止钻头受到束缚和折断。

Burley表示，“我们成功钻削出了长径比为10－15的微孔。除了采用定心孔引导钻头以外，我们还建议采用‘啄击’加工程序。对于深度为2倍直径的孔，我建议采用进刀3次、退刀1次的‘啄击’程序。孔深每增加2倍孔径长度，就额外增加一次进刀，并将整个刀具全部退出孔外。为了完成这种加工，具有精密伺服控制功能的机床至关重要。”

他补充说，“由于微型钻头形成的切屑很小，传入切屑的切削热不多。因此有必要采取措施清除切屑和冷却钻头。我们建议采用油雾/压缩空气来辅助排屑和冷却钻头。”

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钻头如何钻入工件？

在理想情况下，微型钻头最好能垂直钻入工件。然而，并非每个孔都能满足这一条件——有些工件的孔口表面倾斜了一定角度。

Burley指出，如果钻头钻入点的倾角小于10°，通过小心谨慎地进给，就能避免钻头在工件表面发生滑移，并成功完成加工。如果倾角大于10°，则需要采取一些措施，解决钻头滑移问题。例如，可在钻入点斜面上铣出一个小槽口，为中心钻创建一个可垂直钻入的平台，然后再用微型钻头通过定心孔进行钻削。

微型钻头斜面钻削的另一种解决办法是采用带B轴的数控机床。首先，主轴带动钻头进给（钻尖垂直于工件的钻入点），一旦钻头与工件接触，B轴则转动给定的倾角，钻头就可以垂直钻入了。采用该方法加工无需预钻定心孔。

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需要加工多少个孔？

Burley向打算从事微孔钻削的加工车间提出的下一个问题是：需要在工件上加工多少个孔？微孔钻削可以非常有效地应用于大批量加工（既可以是在许多零件上钻孔，也可以是在每个零件上钻许多孔）。

Burley解释说“孔的加工批量不同，微孔钻削的工艺规范可能也会有所变化。如果加工批量较大，工艺优化的重点应是提高加工效率和延长刀具寿命。例如，如果可能的话，应取消预钻定心孔工序，以加快生产节拍。为此，可采用能减小刀具磨损的涂层钻头。一般来说，由于尺寸太小，微型刀具大多不采用涂层。PVD涂层的厚度有可能会影响微型刀具的名义尺寸。对用于大批量加工的微型刀具，采用的任何涂层都必须非常薄（厚度小于0.001mm），而且非常光滑。”

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车间员工的技能水平如何？

或许与以上所有问题同样重要的是：车间员工是否适应向微细加工的转型？员工们不仅需要掌握新的加工技能，还需要知道，对于这些比头发丝还细、脆弱易损的微型刀具，必须轻拿轻放、小心呵护。

Burley表示，“加工技能是可以习得的。我见过一些从事微细加工的操作人员，他们知道刀具何时会失效，或何时会变钝。他们可能说不出其中的道理，全凭丰富的实践经验。这是一种宝贵的技能。我认为，车间管理者除了投资购买加工所需的硬件以外，还必须培训操作人员掌握微细加工所需的特定技能。用直径小于2.5mm的微型刀具进行切削加工是一种不同的体验。”