在大型電站、礦山、重型和通用機械行業(yè)中，不少如機座、缸體、壓力腔等零件需要進行大直徑孔(螺孔)加工，有的孔大且深，精度也很高，這樣就使加工周期大為延長。用傳統(tǒng)的高速鋼鉆、擴孔刀具加工一個大直徑孔，往往需要4～6小時，甚至更長時間，這種落后的加工方式和刀具很容易成為生產(chǎn)的瓶頸。
為適應快速發(fā)展的生產(chǎn)形勢，研發(fā)、應用高效大直徑刀具已顯得極為迫切，為此國內(nèi)外刀具廠商和相關(guān)研究機構(gòu)加快了大直徑孔加工刀具的創(chuàng)新、研發(fā)步伐，幾年來已取得可喜的成果。
目前加工大直徑孔(螺孔)的機床主要有兩類：一類是大型數(shù)控鏜、銑床，在這類機床上加工大直徑孔，由于機床功率大、剛性好、精度高，一般可采用適于高速切削的高效硬質(zhì)合金刀具(特別是硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位孔加工刀具)；另一類是普通大型搖臂鉆床，該類機床雖然在功率、剛度、加工精度等方面都無法與大型數(shù)控鏜、銑床相比，但其最大優(yōu)點是加工成本低廉。目前國內(nèi)大部分重型機械制造廠仍將該類機床作為生產(chǎn)的主力，因而研制適應于大型搖臂鉆床上使用的高效大直徑孔加工(螺孔)刀具同樣具有重要意義。
1 數(shù)控鏜、銑床上應用的大直徑孔加工刀具
1.1 鉆孔刀具
硬質(zhì)合金/高速鋼大直徑復合鉆 該類刀具的典型結(jié)構(gòu)可見圖1，刀具切削刃由硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片和高速鋼中心鉆兩部分組成。高速鋼中心鉆在鉆頭的中心，切削時速度低，刀刃鋒利且有較小的橫刃，故軸向切削力小，切削時能得以穩(wěn)定鉆削；鉆頭兩側(cè)的可轉(zhuǎn)位刀片交叉排列，并可選用硬度和強度較好的刀片和點式硬質(zhì)合金斷屑槽型(一般刀片宜選用涂層刀片)，這樣在鉆削時可獲得切屑面積較小的C形屑，以便于鉆屑的順利排出；鉆桿和鉆頭通常都采用內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)，這樣在鉆削時鉆刃能得到充分冷卻，同時切削液在高壓泵的噴射下能將切屑順利排出孔口；該刀具的刀桿和刀頭之間還配置有十字保險環(huán)，主要是防止刀桿在超負荷切削時損壞。
圖1 硬質(zhì)合金/高速鋼大直徑復合鉆
采用這種高效大直徑復合鉆，切削速度Vc可達80～120m/min，進給量f可達0.1～0.12mm/r，其切削效率與采用高速鋼鉆、擴刀具相比，可提高8～12倍。該類鉆頭的加工范圍一般在Ø80～Ø170，在機床功率允許條件下，甚至可加工Ø300以上的大孔。目前這種鉆頭在國內(nèi)哈爾濱汽輪機廠、上海龍記金屬有限公司等單位已廣為采用。
1.2 硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位套料鉆
套料鉆的結(jié)構(gòu)形式簡圖可見圖2，該刀具設(shè)計、制造精度較高，有三組刀塊，每組兩個刀塊對稱分布在刀體上，第三組用偏心夾緊，第一、二組用滑塊偏心夾緊，兩相鄰組刀塊高度差0.25~0.30mm，同一組兩個刀片高度相等，起良好的分屑作用。切削45#鋼時，切削液是機油，油壓P為0.5～0.7MPa。目前硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位套料鉆在上海申孔機械廠已穩(wěn)定應用，并取得了明顯的加工效果。
圖2 大直徑硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位套料鉆
1.3 內(nèi)螺紋加工用刀具
高效加工大直徑內(nèi)螺紋，應用場合較多的刀具結(jié)構(gòu)形式有兩種。
旋風銑大直徑內(nèi)螺紋切削頭 該銑削頭是一個獨立的工藝裝備，屬于機床附件。它適用于普通的具有螺紋進給系統(tǒng)的臥式鏜、銑床及其他機床上進行銑螺紋加工，銑削頭上可安裝1～4個可轉(zhuǎn)位螺紋刀片，刀具在高速自轉(zhuǎn)銑削的同時還進行圓周進給和軸向進給(即螺旋進給)，附加式內(nèi)螺紋旋風切削頭的結(jié)構(gòu)簡圖可見圖3，該裝置通常用于M30～M120的米制和1.5”～4.5”的英制螺紋孔的左、右螺紋的旋風銑削。
1.刀片 2.旋風刀座 3.旋風銑軸 4.帶調(diào)節(jié)滑座的電動機 5.調(diào)節(jié)螺桿 6.機床主軸 7.機床外殼 8.錐柄 9.固定板 10.垂直連桿 11.水平連桿 12.專用塊規(guī)
圖3 附加式內(nèi)螺紋旋風切削頭
硬質(zhì)合金螺紋梳刀 這是近年來新開發(fā)的一種內(nèi)螺紋加工高效刀具，其刀頭上的刀片可以是單片，也可以是多片。由于刀片上螺距是固定的，因此同種規(guī)格的刀片可適用于同螺距的各種不同直徑的大螺紋孔加工。硬質(zhì)合金螺紋梳刀片以選用涂層型式為佳，切削速度一般可選用100～120 m/min，應用該刀具進行大螺紋加工可獲得高效率、高質(zhì)量的加工效果。在加工螺紋深孔時，常因刀桿振動等原因出現(xiàn)振紋和孔的偏斜，此時可選用具有防振性能的刀桿予以解決。目前，該類刀具已在北京重型電機廠、第一重機廠和上海滬東車造船廠等單位應用。其刀具結(jié)構(gòu)簡圖可見圖4。
圖4 硬質(zhì)合金螺紋梳刀
2 在搖臂鉆床上加工大直徑孔的高效刀具
2.1 高速鋼大直徑扁鉆
這是孔加工中最原始的一種刀具，由于其制造簡單、使用方便，在以前的中小型非標孔的單件、小批零件加工中得到廣泛應用，但切削效率低、刀具壽命短、孔加工質(zhì)量差等弊病限制了這類刀具的發(fā)展。近年來，由于國內(nèi)需要在大型搖臂鉆床上加工大直徑孔的零件愈來愈多，因而要求用于大型搖臂鉆床的高效鉆孔刀具發(fā)展創(chuàng)新的呼聲也愈來愈高，扁鉆能不能進一步改進成為高效孔加工刀具也提到了議事日程。經(jīng)國內(nèi)外有關(guān)單位的研究、改進、開發(fā)，現(xiàn)大直徑扁鉆已成功應用于國內(nèi)外重型企業(yè)對零件大直徑孔的加工。其創(chuàng)新的內(nèi)容主要有以下幾點：刀具結(jié)構(gòu)采用刀片機夾型式，刀桿有內(nèi)冷卻孔，切削時在高壓冷卻液的作用下，刀刃可得到充分冷卻；刀片材料選用高性能高速鋼(如M42等)并進行表面涂層處理；減小刀具橫刃和適當加大刀具前角，使軸向切削力降低；兩側(cè)刀片增加交叉分屑槽(配合前刀面的斷屑槽型和合理走刀量)，使切屑成C形屑，便于排出并減小切削抗力。典型的大直徑孔扁鉆結(jié)構(gòu)簡圖可見圖5。
圖5 機夾高速鋼大直徑扁鉆
哈爾濱電機廠現(xiàn)在很多產(chǎn)品零件孔加工中都應用了這種大直徑扁鉆，實現(xiàn)了高效切削。
2.1 高速鋼大直徑復合鉆
機夾高速鋼大直徑復合鉆結(jié)構(gòu)為內(nèi)冷卻式，與硬質(zhì)合金/高速鋼復合鉆不同的地方是：將刀頭兩側(cè)原采用的硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片改成兩側(cè)帶有分屑槽的兩片高性能高速鋼刀片；對刀片進行了強化表面處理(涂層或多元共滲處理)；在刀具幾何角度上根據(jù)被加工材料作了不同選擇。目前該種類型的高速鋼大直徑復合鉆已在哈爾濱汽輪機廠應用，其加工效率較原用高速鋼鉆、擴孔刀具提高了3倍以上，同時刀具壽命也有明顯提高，并能大大縮短裝卸、刃磨刀具的時間。其結(jié)構(gòu)簡圖可見圖6。
圖6 高速鋼大直徑復合鉆
2.3 大直徑內(nèi)螺紋刀具
大直徑大螺旋角絲錐 加工大直徑內(nèi)螺紋孔的傳統(tǒng)做法是用套裝成組絲錐完成，但由于應用多支絲錐加工，且主軸的偏擺常易引起振動，容易使螺孔加工出現(xiàn)波紋、“雙眼皮”、螺紋通端不通止端通等現(xiàn)象。而大直徑螺旋槽絲錐是單支絲錐攻絲而成，攻絲時切屑可連續(xù)通暢排出，具有很小的阻力；另外這種絲錐還有較大的螺旋角(35°～40°)，能增加實際前角和容屑空間，降低切削扭矩，使切削更加平穩(wěn)，有利于提高加工效率和保證質(zhì)量，其刀具結(jié)構(gòu)簡圖可見圖7，通常大螺旋角絲錐的應用范圍為M56～M140。
a) 普通盲孔用 b) 深盲孔用
圖7 大直徑大螺旋角絲錐
內(nèi)容屑絲錐 內(nèi)容屑絲錐是一種先進、高效的加工絲錐，它既適用于數(shù)控鏜銑床對大直徑內(nèi)螺紋孔的加工，同時也適用于大型搖臂鉆床上加工螺紋內(nèi)孔。
內(nèi)容屑絲錐主要的特點有：普通絲錐的容屑槽是軸向溝槽，而內(nèi)容屑絲錐的容屑槽是在絲錐的前部開有一個足夠大容屑空間的貯屑孔；內(nèi)容屑絲錐工作部分由三部分螺紋組成，在切削錐上的螺紋起粗切作用，圓柱上的間斷螺紋起標準作用，圓柱上的完整螺紋起導向作用；內(nèi)容屑絲錐的切削錐上開有帶左向正刃傾角的切削刃，攻螺紋時將切屑推向前方，使絲錐退回時，不會因切屑而引起卡死現(xiàn)象，當加工盲孔時，切屑被貯存在容屑孔內(nèi)，切屑與被加工螺紋表面徹底隔離，因而排屑理想，使螺紋加工表面質(zhì)量得以提高。
圖8 套式內(nèi)容屑絲錐
刀具結(jié)構(gòu)簡圖可見圖8，套式內(nèi)容屑絲錐的加工范圍為M56～M250，切削速度Vc根據(jù)被加工材料不同常選用2～6m/min，一般加工精度可達6H。目前，該類高效內(nèi)容屑絲錐已在國內(nèi)汽輪機、發(fā)電機行業(yè)和重型機械制造行業(yè)推廣使用。
