微孔的加工方法及车床简介外文翻译资料

 2022-03-22 08:03

附录Y 外文原文

Options for micro-hole making and introduction of lathes

As in the machining world, hole making is one of the most— if not the most—frequently performed operations for micro machining. Many options exist for how those holes are created. Each has its advantages and limitations, depending on the required hole diameter and depth, pieceworker material and equipment requirements. This article covers hole making with through-coolant drills and those without coolant holes, plunge milling, micro drilling using sinker Ed Ms and laser drilling.

Helpful Holes

Getting coolant to the drill tip while the tool is cutting helps reduce the amount of heat at the tool/pieceworker interface and evacuate chips regardless of hole diameter. But through-coolant capability is especially helpful when deep-hole micro drilling because the tools are delicate and prone to failure when experiencing re cutting of chips, chip packing and too much exposure to carbidersquo;s worst enemy—heat.

When applying flood coolant, the drill itself blocks access to the cutting action. “Somewhere about 3 to 5 diameters deep, the coolant has trouble getting down to the tip,” said Jeff Davis, vice president of engineering for Harvey Tool Co., Cowley, Mass. “It becomes wise to use a coolant-fed drill at that point.”

In addition, flood coolant can cause more harm than good when micromanaging. “The pressure from the flood coolant can sometimes snap fragile drills as they enter the part,” Davis said.

The toolmaker offers a line of through-coolant drills with diameters from 0.039' to 0.125' that are able to produce holes up to 12 diameters deep, as well as micro drills without coolant holes from 0.002' to 0.020'.

Having through-coolant capacity isnrsquo;t enough, though. Coolant needs to flow at a rate that enables it to clear the chips out of the hole. Davis recommends, at a minimum, 600 to 800 psi of coolant pressure. “It works much better if you have higher pressure than that,” he added.

To prevent those tiny coolant holes from becoming clogged with debris, Davis also recommends a 5mu;m or finer coolant filter.

Another recommendation is to machine a pilot, or guide, hole to prevent the tool from wandering on top of the pieceworker and aid in producing a straight hole. When applying a pilot drill, itrsquo;s important to select one with an included angle on its point thatrsquo;s equal to or larger than the included angle on the through-coolant drill that follows. The pilot drillrsquo;s diameter should also be slightly larger. For example, if the pilot drill has a 120° included angle and a smaller diameter than a through-coolant drill with a 140° included angle, “then yoursquo;re catching the coolant-fed drillrsquo;s corners and knocking those corners off,” Davis said, which damages the drill.

Although not mandatory, pecking is a good practice when micro drilling deep holes. Davis suggests a pecking cycle that is 30 to 50 percent of the diameter per peck depth, depending on the pieceworker material. This clears the chips, preventing them from packing in the flute valleys.

Lubricious Chill

To further aid chip evacuation, Davis recommends applying an oil-based metalworking fluid instead of a water based coolant because oil provides greater lubricity. But if a shop prefers using coolant, the fluid should include EP (extreme pressure) additives to increase lubricity and minimize foaming. “If yoursquo;ve got a lot of foam,” Davis noted, “the chips arenrsquo;t being pulled out the way they are supposed to be.”

He added that another way to enhance a toolrsquo;s slipperiness while extending its life is with a coating, such as titanium aluminum Trident. Nuptial has a high hardness and is an effective coating for reducing heatrsquo;s impact when drilling difficult-to-machine materials, like stainless steel.

David Burton, general manager of Performance Micro Tool, Evansville, Wis., disagrees with the idea of coating micro tools on the smaller end of the spectrum. “Coatings on tools below 0.020' typically have a negative effect on every machining aspect, from the quality of the initial cut to tool life,” he said. Thatrsquo;s because coatings are not thin enough and negatively alter the rake and relief angles when applied to tiny tools.

However, work continues on the development of thinner coatings, and Burton indicated that Performance Micro Tool, which produces microeconomics and micro routers and resells micro drills, is working on a project with others to create a sub micron-thickness coating. “Wersquo;re probably 6 months to 1 year from testing it in the market,” Burton said.

The micro drills Performance offers are basically circuit-board drills, which are also effective for cutting metal. All the tools are without through-coolant capability. “I had a customer drill a 0.004'-aid. hole in stainless steel, and he was amazed he could do it with a circuit-board drill,” Burton noted, adding that pecking and running at a high spindle speed increase the drillrsquo;s effectiveness.

The requirements for how fast micro tools should rotate depend on the type of CNC machines a shop uses and the tool diameter, with higher speeds needed as the diameter decreases. (Note: The equation for cutting speed is sf = tool diameter times; 0.26 times; spindle speed.)

Although relatively low, 5,000 rpm has been used successfully by Burtonrsquo;s customers. “We recommend that our customers find the highest rpm at the lowest possible vibration—the sweet spot,” he said.

In addition to minimizing vibration, a constant and adequate chip load is required to penetrate the pieceworker while exerting low cutting forces and to allow the rake to remove the appropriate amount of material. If the drill takes too light of a chip load, the rake face wears quickly, becoming negative, and tool life suffers. This approach is often tempting when drilling with deli

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附录X 译文

微孔的加工方法及车床简介

正如宏观加工一样，在微观加工中孔的加工也许也是最常用的加工之一。孔的加工方法有很多种，每一种都有其优点和缺陷，这主要取决于孔的直径、深度、工件材料和设备要求。这篇文章主要介绍了内冷却钻头钻孔、无冷却钻孔、插铣、电火花以及激光加工微孔的几种方法。

易于孔加工的操作

无论孔有多大，在加工时将冷却液导入到刀尖，这都有助于排屑并能降低刀具和工件表面产生的摩擦热。尤其是在加工深细孔时，有无冷却对加工的影响更大，因为深细孔加工的刀具比较脆弱，再加上刀具对切屑的二次切削和切屑的堆积会积累大量的热，而热量是碳化物刀具的主要“天敌”，它会加快刀具的失效速度。

当使用外冷却液时，刀具本身会阻止切削液进入切削加工位置。“也就是到3-5倍的直径深度后切削液就会很难流入到刀尖。” 副哈维工具有限公的副总工程师杰夫戴维斯说，“这时，就应该选用带有内冷的钻头。”

另外，在加工小孔时采用外冷却液的冷却方式产生的利要大于弊，“当钻头进入工件时，已经流入孔的冷却液产生的压力有时会缴坏钻头。”戴维斯说。

刀具生产商提供的标准钻头的直径从0.039到0.125英寸，能加工深度小于12倍直径的深孔，同时提供直径从0.002到0.020英寸的不带内冷的钻头。

尽管有内冷能力，但还是不够的，冷却液还需要一定的流动速度从而能够将切屑清出孔外。戴维斯强调，冷却液的最低压力应为600-800磅/平方英寸，“加工状况还会随着所施压力的增加而提高。”他补充道。

为了防止这些冷却液通口被杂物堵塞，戴维斯还推荐在钻头上加一5mu;m孔径或更加精密的冷却液滤清器。

另外，他还推荐在加工孔时有必要在工件的上方先加工一个定心或导向孔，以防止刀具偏斜，并有助于保证所加工孔的垂直度。当选用定心钻时，应使选择的定心钻刀尖上的坡口角小于等于其后内冷钻的破口角。定心钻的直径还要稍微大一些。

虽然没加强调，但是加工细深孔时，啄式进给是一种很好的加工方式。戴维斯建议，根据工件的材料的不同，每次啄式进给的深度最好为孔径的30%—50%。这种加工方式便于排出切屑，使切屑不在加工的孔中堆积。

润滑及冷却

为了更加有助于排屑，戴维斯推荐在金属加工中用油基金属切削液代替水基冷却液，因为油具有较高的润滑效果。但是如果车间更加青睐于使用水基冷却液，液体中应该包括EP（极压）添加剂，增加润滑和减少发泡。“如果产生很多泡沫，”戴维斯说，“切屑就不会按着预定的方式排出。”

威斯康星州简斯维尔微型刀具公司的总经理大卫伯顿，对微加工刀具的小批量涂层有不同的看法，他说：“对直径小于0.020英寸的刀具涂层，会对从刀具的加工质量到刀具的寿命等每一加工方面都产生消极影响”。因为小刀具的涂层不能够做得足够薄，这样涂层就会改变刀具的前角和后角，从而不利于加工。

不过，更薄涂层的开发正在继续，伯顿表示，现在微型刀具公司除了生产销售微型铣刀、刨刀和微型钻头外，还在和其他公司合作致力于开发一种亚细微涂层。伯顿说：“我们计划这种图层刀具会在六个月到一年的时间内上市。”

微型钻公司的产品主要是用于电路板加工的钻头，但也可用于有效的切削金属。所有的刀具都没带有内冷能力。“我有一个客户想要在不锈钢上面钻一个0.004英寸的孔，他当时非常惊讶这能用一把加工电路板的钻头完成。”伯顿还补充说，“采用啄式进给并选择高的主轴速度可以提高钻头的效率。”

虽然相对较低，但伯顿的客户也成功地应用过每分钟5000转的加工速度。伯顿说：“我们建议我们的用户找到一个震动最小的最高转速——最佳加工速度。”

为了减少震动，在用小的切削力通过刀具的前倾面去除适当的金属时，应使渗入到工件中的切削载荷连续而充足，如果钻头承受的切削载荷太轻，刀具前倾面的磨损速度就会加快，刀具变钝，从而影响刀具的使用寿命。这在加工细孔时应更加注意。

太多的跳动也可能是破坏性的，但是影响有多少还值得商榷。伯顿指出，公司打算设计一台具有0.0003英寸偏差的机器，用以建立室内最坏情况下的铣削场景，还将能够加工0.004英寸宽的槽，“这迟早会实现的”。

他还补充：“你还可以试想一下0.0003英寸的跳动和只有正常水平三分之一的切削载荷，也就是说0.0001Prime;到0.00015，刀具将会立即破坏，因为刀具的一个排屑槽会承受所有的载荷，然后排屑槽的后面就会破坏”。

插铣

虽然通常没有直径小于0.002英寸的标准微型钻头，但可以用微型端铣刀来“冲”孔。“每当人们想加工一个小于0.002英寸的孔时，他们可以选用端铣刀，效果也不错”伯顿说到。但是这样加工的孔不能太深，因为刀具体不长，没有大的深度直径比率。因此一把直径为0.001英寸的端铣刀只能加工最深0.020英寸的孔，而同样直径的钻头可以加工得更深，因为钻头的设计使载荷全部作用在刀尖上，进而传到刀柄上被吸收。

市面上能提供最小5微米（0.0002英寸）的端铣刀，但是并没有大量销售。“当人们想买这样的刀具时，我非常严肃的试着说服他们不要买，因为我们不喜欢制作这样的刀具。”伯顿说到。这种刀具的主要问题是，不但这种刀具的硬质合金齿处于亚细微尺寸，而且当一把刀有多个齿时，每个齿的尺寸还要保持一致。伯顿道：“一把直径5微米的端铣刀在其基体上就夹持大约10个刀齿。”

他还补充说，他曾经看到过带有0.2微米齿的粉末冶金硬质合金刀具，这是商业上能提供齿的尺寸的一半，但它还包括0.5和0.6微米的小齿。“如果齿的尺寸不统一，小齿是发挥不出作用的”。

坠电火花加工

应用坠电火花的电火花加工是另一种微孔加工方式。这不同于将放电导线穿过工件的电火花加工方式，应用坠电火花加工的微孔更加精密和精确，但同时花费也会很高。

坠电火花加工深细孔时，要用一个导电管作为电极。加工小而浅的孔时，需要用到一根导线或棒，“我们尽量用导管做电极，”位于密歇根州的牧野公司总经理 Jeff Kiszonas说道，导管的排渣孔能使加工的孔有大的深度直径比，并能够在加工中将孔底的熔渣排除孔外。他又补充道“但是另一方面，没人能制出小于一定直径的导管。”一些供应商能提供直径小于0.003英寸的导管可以加工出0.0038英寸的孔。

现在Makino公司生产的双边坠电火花加工设备能够加工出0.00044英寸（11微米）的微孔，这种设备主要用于孔的精加工。最近，在日本这种机床的开发人员用两分钟加工了八个这样的孔，并用四十秒穿透了0.0010英寸厚的碳化钨板。加工电极为一个银钨合金棒，由于电火花加工中在电极和工件间存在放电间隙，所以，所加工孔的直径会比电极直径大0.00020英寸。

当加工上述尺寸的孔时，旋转的导棒上包裹着通电的放电导线。精加工时需要一个W轴附件，用来夹持电极导向的模具，另外还需要一个中间导向件，当电极旋转时用来来防止其弯曲和摆动。应用这种加工方式的机床适合于加工直径小于0.005英寸的孔。

另一种坠电电火花加工微型孔机床是三菱VA10机床，它用精加工孔的钻模附件来装卡和引导精制导线来腐蚀金属。伊利诺伊州的MC机械系统公司产品加工经理丹尼斯德利说：“这是一种标准的电火花加工，但是借助于安装在机器上的附件，我们同样可以加工细孔。”他还补充说在电火花加工中用2000转/分的转速旋转的导线可以加工小于0.0004英寸的孔。

钨电极电火花加工

电火花加工是一种典型的慢加工，加工微孔时这表现得也很明显。“电火花加工非常慢，并且随着加工精度的增加而减慢” Midvale公司（ Midvale公司是一个位于犹他州，主要生产24伏低压电火花加工设备和基于精密电火花加工的公司）的总裁迪恩约根森说。

钨电极的生产是应用反极性接法，经机械加工、研磨加工使之直径达到10微米、粗糙度为0.000020英寸。应用10微米的电极能加工10.5到11微米的孔，并能加工盲孔。用于加工最小孔的最大工件厚度为0.002英寸，加工50微米直径的孔时工件的厚度能达到0.004英寸。

车间里的多数精细加工为100美元/时，包括特殊金属的电火花加工，如：X射线加工金和铂、光加工不锈钢、阴极射线加工钽和钨。约根森说道，电火花加工还适合加工半导体材料，如聚晶金刚石。

光加工

除了硬质合金和钨电极外，光也是一个不错的微孔加工的“刀具”材料。虽然大多数用来钻孔的激光都是处于红外光谱范围，但是据宾尼法尼亚州的Ex One Co., Irwin,公司的激光技术主管兰迪吉尔摩介绍，他们采用是绿色光柱的超脉冲技术。不像其他种类的微加工光束，超脉冲是一种纳秒级激光，它绿色光束的波长为532纳米。这种技术产生的激光一对脉冲时间为4到5纳秒，每对脉冲的间隔为50到100纳秒。这种技术的加工方式成倍的提高了加工效率。“与其他激光加工相比，这种技术大大的提高了金属去除率”吉尔摩说：“由于这种激光脉冲短，所以很大程度上减少了对工件材料的热损伤”。

超脉冲激光加工空的最小直径为45微米，不过这种加工最常用在H系列钢材料的柴油机喷油嘴90微米到110微米孔的加工。吉尔摩提到，根据排放标准的要求这种孔的直径要缩小到50微米到70微米，因为越小的孔越能使燃料充分燃烧。

另外，这种技术加工的孔还带有一个负的锥度，就是入口直径小于出口直径，这有利于燃料的流动。

这种技术的另一种常用的应用是在航空涡轮叶片上打冷却孔。虽然叶轮的只有1.5mm到2mm厚，但吉尔摩解释说，这种孔要带有25°的入口倾角，以使冷空气贴着孔壁流动，更好的起到冷却作用，这就是说钻孔的长度会达到5mm。他说：“温度是航空发动机的主宰，叶轮运行的环境温度越高，燃料的利用率越高，得到的推理推力越大。

为了加强这技术的竞争力，Ex One公司研发了一种专利材料，将这种材料注入中空的部件体内，可以防止光柱对所加工孔以下壁体的烧伤。光加工之后，可以将这种材料完全清理掉。

“光加工的一种缺点是，光柱在遇到另一个实体之前就会一直传播”吉尔摩说：“加工柴油机喷油嘴时，这会损坏相对壁的内表面”。

超脉冲加工设备的价格为650，000到800，000美元，虽然这要高于电火花加工设备，但是光加工不会用到电极。“激光加工用光作刀具”吉尔摩说：“它节省了电极的开支”。

根据其应用的不同，机械钻削加工、插铣、电火花加工和光加工在微孔加工中都占有一席之地。牧野公司的Kiszonas 说“用户也比较向往有更多的微孔加工方法供其选择”。

车床介绍

车床主要是为了进行车外圆、车端面和镗孔等项工作而设计的机床。车削很少在其他种类的机床上进行，而且任何一种其他机床都不能像车床那样方便地进行车削加工。由于车床还可以用来钻孔和铰孔，车床的多功能性可以使工件在一次安装中完成几种加工。因此，在生产中使用的各种车床比任何其他种类的机床都多。

车床的基本部件有：床身、主轴箱组件、尾座组件、溜板组件、丝杠和光杠。

床身是车床的基础件。它能常是由经过充分正火或时效处理的灰铸铁或者球墨铁制成。它是一个坚固的刚性框架，所有其他基本部件都安装在床身上。通常在床身上有内外两组平行的导轨。有些制造厂对全部四条导轨都采用导轨尖朝上的三角形导轨（即山形导轨），而有的制造厂则在一组中或者两组中都采用一个三角形导轨和一个矩形导轨。导轨要经过精密加工以保证其直线度精度。为了抵抗磨损和擦伤，大多数现代机床的导轨是经过表面淬硬的，但是在操作时还应该小心，以避免损伤导轨。导轨上的任何误差，常常意味着整个机床的精度遭到破坏。

主轴箱安装在内侧导轨的固定位置上，一般在床身的左端。它提供动力，并可使工件在各种速度下回转。它基本上由一个安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮(类似于卡车变速箱)所组成。通过变速齿轮，主轴可以在许多种转速下旋转。大多数车床有8~12种转速，一般按等比级数排列。而且在现代机床上只需扳动2~4个手柄，就能得到全部转速。一种正在不断增长的趋势是通过电气的或者机械的装置进行无级变速。

由于机床的精度在很大程度上取决于主轴，因此，主轴的结构尺寸较大，通常安装在预紧后的重型圆锥滚子轴承或球轴承中。主轴中有一个贯穿全长的通孔，长棒料可以通过该孔送料。主轴孔的大小是车床的一个重要尺寸，因此当工件必须通过主轴孔供料时，它确定了能够加工的棒料毛坯的最大尺寸。

尾座组件主要由三部分组成。底板与床身的内侧导轨配合，并可以在导轨上作纵向移动。底板上有一个可以使整个尾座组件夹紧在任意位置上的装置。尾座体安装在底板上，可以沿某种类型的键槽在底板上横向移动，使尾座能与主轴箱中的主轴对正。尾座的第三个组成部分是尾座套筒。它是一个直径通常大约在51~76mm（2~3英寸）之间的钢制空心圆柱体。通过手轮和螺杆，尾座套筒可以在尾座体中纵向移入和移出几个英寸。

车床的规格用两个尺寸表示。第一个称为车床的床面上最大加工直径。这是在车床上能够旋转的工件的最大直径。它大约是两顶尖连线与导轨上最近点之间距离的两倍。第二个规格尺寸是两顶尖之间的最大距离。车床床面上最大加工直径表示在车床上能够车削的最大工件直径，而两顶尖之间的最大距离则表示在两个顶尖之间能够安装的工件的最大长度。

普通车床是生产中最经常使用的车床种类。它们是具有前面所叙的所有那些部件的重载机床，并且除了小刀架之外，全部刀具的运动都有机动进给。它们的规格通常是：车床床面上最大加工直径为305~610mm（12~24英寸）；但是，床面上最大加工直径达到1270mm（50英寸）和两

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