鑽孔

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鑽孔是一種切削英语cutting加工方式,利用鑽頭在固態材料上切削或是加大圓形截面的孔。鑽頭是旋轉型的切削刀具,多半有多個切削刀刃,在鑽孔時鑽頭會受壓接近工件,轉速從數百RPM到上千RPM。壓力及轉速迫使鑽頭穿過工件,留下圓孔,而切屑英语Swarf也會從圓孔中脫落。

有時可以由特製的鑽頭鑽不是圓形的孔,例如鑽方形的孔[1][2]

特點[编辑]

鑽頭鑽的孔特點是在進入面有尖銳的邊,在離開面(若沒有特殊處理移除的話)會有不規則的毛邊英语Burr (edge),孔的內側一般也會有螺旋狀的進給紋路[3]

鑽頭會影響工件的材料特性,在孔附近產生低殘留應力英语Residual stress的區域,在靠近鑽孔附近很窄的區域會有一周高應力區域,新生成的表面會受到影響,因此工件在有應力的表面會更容易生锈腐蝕。可以用表面處理來避免腐蝕的情形,例如在表面鍍14-20µm的鋅可以避免腐蝕。

鑽頭一般會有螺旋狀的槽,切屑會經過槽離開工件。依材料及製程參數的不同,切屑可能是長的螺旋形或是小的碎片[3]。切屑的形狀是材料可加工性英语Machinability的指標,形成長條式的切屑會減少可加工性。

若是可能的話,鑽孔最好垂直工件表面,以免鑽頭在加工時出現偏移,鑽孔的中心點偏移理想的位置,鑽孔的位置也就不對了,鑽頭長度和直徑的比例越大,越容易出現鑽孔偏移的情形,可以用以下的方式來避免:

  • 在鑽孔前,在中心點製作一個便於加工的標示,例如
    • 鑄造模塑或是鍛造的方式在工件上製作一個標示。
    • 中心衝
    • 中心鑽頭
  • 利用有鑽套英语drill bushing治具,限制鑽頭的位置。

鑽孔的表面光洁度英语Surface finish約在32至500μm,精加工約可以到32μm,較粗糙的加工則為500μm。

在鑽孔時常會用切削液來冷卻鑽頭,延長刀具壽命,增加切削速度和進給英语speeds and feeds、提昇表面光洁度,也幫助退出切屑。切削液一般是和冷卻液及潤滑劑一起以液體形式加在工件上,或是用噴霧的方式進行[3]

在選擇鑽頭時需考慮要加工的方式,評估用哪一種鑽頭最合適。有各因應不同加工條件的鑽頭。例如鏟形鑽(spade drill)可以鑽較大的洞,可轉位鑽頭(indexable drill)可以用在需控制切屑的應用[3]

中心鑽[编辑]

中心鑽的目的是鑽一個小孔,後續鑽孔時可以引導鑽頭用,有些中心鑽鑽孔時可能只會鑽一個盲孔,一般會配合特殊形狀的鑽頭。

深孔鑽孔[编辑]

深孔鑽孔定義為孔的深度超過孔直徑的十倍[4]。這種孔需要設備來維持其直度及公差,而圓度和表面光洁度也是考量之一。

深孔鑽孔一般會用槍孔鑽或BTA鑽。有許多不同給冷卻液的方式(從內部或是外部)以及切屑移除的方式(從內部或是外部)。常會利用刀具旋轉,工件反向旋轉的方式來達到需要的直度及公差[5]。其他的加工方式包括套孔(trepanning)、硬滾及鏡面加工(skiving and burnishing)、 拉式镗孔(pull boring)或瓶形镗孔(bottle boring)。後來提出的振動鑽孔可以克服直度及公差問題,振動鑽孔的鑽頭會控制其軸向的振動,因此在振動時,切屑也會和鑽頭分離。

高科技的鑽孔系統會控制轉矩振動及產生的音頻噪音。振動是深孔鑽孔主要的問題,常會造成鑽頭斷裂,這類的鑽孔會選用特殊的冷卻劑。

槍孔鑽[编辑]

槍孔鑽最早是用來鑽槍管,也常用來鑽小直徑的深孔,其深度-直徑比可以超過300:1。槍孔鑽的關鍵是鑽頭會自動對心,因此可以鑽準確的深孔,鑽頭的旋轉運動類似麻花钻,但鑽頭有設計延著邊緣滑動的軸承,因此鑽頭會維持在鑽孔的中心。槍孔鑽一般是高轉速,低進給速度。

套孔[编辑]

套孔(Trepanning)一般會用來產生直徑較大,不適合一般鑽孔方式的孔,最大可到915 mm(36.0英寸))。套孔用類似圓規畫圓的方式去除工件中一塊圓盤形狀的區域。套孔一般會用在扁平的工件,像金屬片、花崗岩(冰壺),平板或是像工字梁的結構件。套孔也可以製作槽,可以加入像O形環之類的密封件。

微鑽孔[编辑]

微鑽孔(Microdrilling)是指直徑小於0.5 mm(0.020英寸)的孔。鑽這類的孔相當困難,因為不能使用內部補給冷卻液的鑽頭,而且轉速要快。

振動鑽孔[编辑]

鈦金屬切屑-傳統鑽孔和振動鑽孔的比較

振動鑽孔最早是在1950年代由鮑曼莫斯科國立技術大學的Pr. V.N. Poduraev開始研究,主要原理是在鑽頭進給之外,再加上軸向的振動,使切屑破裂,離開切削區域。

振動鑽孔有兩種主要的技術:自維持的振動系統及受激的振動系統。大部份的振動鑽孔技術都還在研究階段。在自維持振動鑽孔中,在切削時運作在系統的本徵頻率下,使其自然振蕩,一般是在刀具夾持部份的質量-阻尼-彈簧系統達成[6]。受激的振動系統則是用壓電系統來產生及控制振動。振動系統一般會運作在高頻(約2KHz),而其振幅很小(約數μm),特別應用在鑽較小的孔。後來振動可以由機械系統產生[7]。其頻率是由旋轉速度及一圈有幾次振動決定,振幅約為0.1 mm。

最後提到的技術是已商品化的技術(如MITIS的SineHoling® 技術)。在面對深孔鑽孔、多材料堆疊鑽孔(航太材料)或沒有潤滑劑的乾鑽孔時,振動鑽孔是一種受歡迎的方案。一般而言可以提昇可靠度,也可以控制鑽孔系統。

圆弧插补[编辑]

圆弧插补

圆弧插补(Circle interpolating)也稱為軌道鑽孔(orbital drilling),是由切削機產生圓孔的方式。

圆弧插补是將刀具沿著本身的軸旋轉,同時也沿一個本身軸平行但有一定橫向偏移的軸旋轉。刀具可以軸向前進或後退來鑽孔,也可以配合任意的橫向移動來加工開口或孔穴。

利用調整偏移,一個固定尺寸的刀具可以切削任意直徑的圓孔,只要大小比刀具大,因此切削刀具的數量可以大幅減少。

軌道鑽孔的名詞是因為刀具是以圓孔中心為圓心的圓軌道上運動,故此得名。相較於傳統的鑽孔,機械施力,偏移量可變的軌道鑽孔有多項優點,大幅提昇了圓孔的精度圆弧插补。較小的推力也代表在金屬鑽孔時會有無毛邊的圓孔。在鑽複合材料時也不會有層離英语delamination的問題[8]

不同材料的鑽孔[编辑]

金屬鑽孔[编辑]

用鋼製的麻花鑽高速的鑽鋁製工件,使用的是甲基化酒精潤滑劑

一般的工作條件下,切屑會由鑽頭的溝槽往上移動,最後離開鑽頭。當鑽頭往下進給時,切削邊會產生更多的切屑。但有時切屑卡在溝槽或鑽孔中無法出來,原因可能是要鑽的孔比正常的孔要深,或是在鑽孔時沒有適時的偶爾將鑽頭往上移,因此使多餘的切屑無法離開鑽孔。有時在此情形會使用切削油,方便切屑排出,切削油也可以冷卻及潤滑刀具及切屑,延長刀具的壽命。在進給較大或是要鑽的孔較深時,會使用有注油孔的鑽頭,利用油泵浦透過小孔將潤滑油注入鑽頭中,再利用鑽頭的槽流到鑽孔中。

数控(CNC)机床中,會使用一種為稱深孔啄钻的加工方式,在鑽深孔時避免形成有破壞性影響的切屑。啄钻的加工方式是在加工時,進給長度在超過五倍長直徑之前,會先將鑽頭退出工件,再重新進給鑽孔,直到鑽孔完成為止。另一種類似的加工方式是高速啄钻,加工時只會定期略將鑽頭退後,再重新進給鑽孔,此加工方式速度較快,但只能用在長度略長的孔中,以免造成鑽頭過熱。若是加工纖維性的材料,也會利用類似的加工方式來將切屑切斷[9][10][11]

木頭鑽孔[编辑]

木頭比大部份的金屬都軟,因此木頭鑽孔時比金屬鑽孔要簡單,速度也比較快。木頭鑽孔不需要切削油。木頭鑽孔主要的問題是確保進入點及離去點的邊緣完整,以及避免燒焦。為避免燒焦,需要選擇尖銳的鑽頭,在適當的切削速度下運作。鑽頭可能會撕裂進入點及離去點邊緣的木頭,這在精緻木工應用中是不希望出現的。

金屬鑽孔中無所不在的麻花鑽頭也可以用在木頭鑽孔,但在進入點及離去點邊緣的木頭可能會剥落。有些情形下,木匠鑽孔時孔的品質不是考慮的重點,此時有許多快速鑽孔的方式,例如铲形钻斗或自進給的螺丝钻英语auger (drill)。有許多專門技術可以鑽出邊緣整齊乾浄的孔,包括三尖木工鑽(brad-point bits)、平底钻頭(Forstner bit)及孔鋸,若在木頭後面墊一塊木頭,可以防止在離去點時使木材剥落,若墊在木頭前面墊一塊木頭,則可以防止在進入點的木材剥落。

木頭鑽孔在開始時會比金屬鑽孔簡單,因為鑽頭可以輕壓入木頭中,形成一個凹陷的記號,方便鑽頭準確的定位,因此鑽孔滑移的可能性也比較低。

其他材料[编辑]

塑膠之類的材料及一些金屬,若加熱的話.工件會膨脹,孔可能會比預期的要小。

相關加工方式[编辑]

以下是一些會和鑽孔前後進行的加工方式:

參考資料[编辑]

  1. ^ Wolfram (mathematical software) website: Drilling a square hole
  2. ^ Practical demonstration of square-hole bit, YouTube video
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo, Manufacturing Processes Reference Guide, Industrial Press Inc.: 43–48, 1994, ISBN 0-8311-3049-0. 
  4. ^ Bralla, James G. Design for manufacturability handbook. New York: McGraw-Hill. 1999: 4‐56. ISBN 978-0-07-007139-1. 
  5. ^ What Is Deep Hole Drilling? An Overview. 
  6. ^ Paris, Henri. Modelling the Vibratory Drilling Process to Foresee Cutting Parameters. CIRP Annals - Manufacturing Technologies. 2005: 367–370. ISSN 0007-8506. doi:10.1016/S0007-8506(07)60124-3. 
  7. ^ Peigné, Grégoire. Axial machining device. 2009. WO/2011/061678 (patent). 
  8. ^ Orbital Drilling Goes Mainstream for the Dreamliner, Aerospace Engineering & Manufacturing, SAE International Publications, March 2009, p. 32
  9. ^ Smid, Peter, CNC programming handbook 2nd, Industrial Press: 199, 2003, ISBN 978-0-8311-3158-6. 
  10. ^ Hurst, Bryan, The Journeyman's Guide to CNC Machines, Lulu.com: 82, 2006, ISBN 978-1-4116-9921-2. 
  11. ^ Mattson, Mike, CNC Programming: Principles and Applications 2nd, Cengage Learning: 233, 2009, ISBN 978-1-4180-6099-2. 

相關條目[编辑]

外部連結[编辑]