微孔加工技术的介绍和发展

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National Jet公司于1937年由微型钻孔技术的开拓者John Cupler建立。多年前，一个外国钻头制造商把自己所生产的最微型钻头送给Cupler，并问他是否能生产出如此小的钻头。而Cupler先生回答他们的方式是在这个钻头上钻了个孔并将它送了回去。
    这些微型小孔只有在高倍显微镜下才能看到，许多微小型钻孔的决定因素也类似于标准尺寸的钻削加工。每当对一项新任务进行评估时，National Jet公司首先必须确定最为有效的孔加工方法。这很大程度上还得根据加工零件种类、内孔直径、几何形状、尺寸精度要求和深度、加工零件的批量大小，以及原来采用的加工方法等。
    装有显微镜的手控-机床经常被用于科研项目、小批量生产或只需要极少数的微小孔加工。一些致力于微小孔加工机床开发的制造商，大多提供是-手控式机床，这一加工方法要追溯到上世纪的三十年代。其它的尽管已经用CNC工作台加以改造，但仍然保持着用手工控制钻头的进给，手动进给这样的微小直径钻头，需要熟练的工人进行手工感觉。National Jet公司已经总结的许多微小孔钻削的经验。“我们的熟练的工人操作者事实上都能由‘感觉’确认微小型钻头是否已被磨钝。”Condor先生说。

图1 微小孔加工成了National Jet公司的技术专长。
图示是一根0.003英寸直径的人的头发，被一个
0.001英寸的微小钻头钻穿通过的图示。

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    啄钻的加工程序在几乎每一个微型钻孔操作中都被用到，以保证顺利排屑，保证微小孔的质量，表面粗糙度和最佳化钻头使用寿命。
    冷却液或轻质油用以冷却和从钻尖排除切屑。根据Condor先生介绍，National Jet公司生产的大多数扁平型微小钻头所具有的长径比（L/D）为7:1，而10:1通常被认为是仍能保证提供紧密公差的最大比率。
    在一个曲面上钻一微小孔，需要在-零件上预钻一微小盲孔进行导向，以防止孔的弯曲或“偏斜”。进行预钻的导向微小钻头一般需设计得很短，具有的最大长径比（L/D）为２:1。公司拥有一种专利的加工方法，可以在很尖锐的工件边缘上加工微小型导向孔。
    对于高生产率加工或对于有许多微小孔需要加工的零件，National Jet公司将使用他们的CNC加工中心或车床。手动机床经常用来在将任务交付新的CNC机床之前，对加工的工件进行试钻。这样主要是为了确定在加工的过程中需要更换微钻刀具的频率。
    该公司新购置的2215 VMC由Fadal Machining Center公司（加利福尼亚州的 hatsworth）生产，经主轴孔注入冷却液，可钻小于2.5 mm的小孔。这种加工方式，取消了啄钻方法，因为切屑可通过冷却液从切削区顺利排除。更小的直径钻头即使没有冷却液通道，也可以在这一机床上使用。零件的定位状态可利用传统的刃口尺或专门设计的直线度测试仪进行检查和对零件进行定位调试。
    L32型瑞士车床由Marubeni Citizen-Cincom公司（新泽西州的 Allendale）生产，能提供圆柱体零件的完整加工，包括在一次装夹中，实行微小孔钻削。该车床具有两个最高转速达30000r/min的气动主轴，驱动微小钻头加工。气动主轴实际上被更多地用来进行精密加工小直径钻孔而不是超高速加工。该车床还装备有一个棒料进给器，提供较长久的无人化零件加工。

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图2 使用一台装备有气动主轴的瑞士车床
进行一般车削、铣削操作和微小孔钻削。

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    Condor先生承认许多人对微小孔能够在相对较低的速度下被加工完成感到惊讶，“我们对于直径为0.005英寸的微小孔，选择在500～3000r/min的主轴转速下加工获得了巨大成功,”Condor先生说，“在进给量很小的情况下，没有必要用数千转每分的主轴转速来加工微小孔。”
    钻好微小孔后的去除孔口毛剌，也是完成好孔加工的一个重要因素。每次钻孔都有需要清除孔出口处的毛刺。National Jet公司通常都采用抛光内孔表面和使用一微小钻头捅出孔口毛刺至外的手工去毛刺方法。
    National Jet公司对于难以去除的毛刺，例如小直径通油孔和非圆形的小孔都运用小直径的钢丝或通过EDM设备进行去除。“但对于小深孔加工，我们一般不使用EDM，因为电极容易烧伤小孔底部和产生锥度。”Odom先生说。

图3 微型 EDM 用于管材或其它的去毛
刺和钻孔都比较困难或无法加工的场合。

    National Jet公司的EDM机床能够加工小至0.001英寸直径的微小孔。除了进行微小孔加工，微型的EDM机床还能够从零件中清除已折断在小孔内的小钻头。钻头的直径非常微小，因而折断是可以理解的。
    一些公司的EDM机床都有配备直线电机，用于X和Y轴的工作台快速运动。同时还配备了托盘夹具系统，提供机外的零件快速装夹和更换。EDM机床经常整夜和周末都在进行无人化作业。最新的EDM机床具有一套基于PC的机床控制系统，使原来供CNC加工中心上使用的CAM汇编程序，现在能迅速地变更到EDM机床上加工。

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    微小孔的检测 

    National Jet公司不是对每个零件上的每个微小孔都进行检测，它实际上是通过Nikon视觉系统对每个微小孔进行检测的。该视觉系统能对精密微小孔的尺寸精度和粗糙度进行检测，并将检测结果通过E-mail传递给用户。
    但对于一些上设计有微小孔的零件，例如喷丝头中有几个几何形状精度要求很高的微小孔，用Nikon视觉系统是不能检测的，为此，公司设计了一个能精确检测小孔几何形状的新方法。为了检查微小孔几何形状和微小孔的形状轮廓，National Jet公司向孔中注入一个分成两部分的橡胶泥，当橡胶泥成型后，会被从孔中取出，微小孔轮廓和几何形状等有关信息能通过在测量显微镜下观察橡胶模而得到。

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图4 经预加工的喷丝头零件，能提供很快的零件交付

图5 用橡胶泥检验复杂微小孔几何形状。
以前对于微小孔的几何形状精度是无法检查的。

    在一次装夹中加工 

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    National Jet公司所具有的很强微小型钻孔能力已帮助公司走出最近的制造业不景气的低谷。然而，公司认为它必须将这一能力扩展范围到其它的工业领域，以创造出更好的商机。“我们的微小孔钻削能力已在开始目标外的工业领域获得成功，例如无线电通讯和航空和航天工业，它能支持我们完成许多其他的R & D项目。”Condor 先生说。“我们的重点仍是不断增长着的微小型零件的加工市场。”
    最近的经济衰退也重新坚定了在进入微小孔加工市场后继续前进的决心。我们的微小孔加工，经常是整个零件的最终加工。或者安排在零件的接近最终加工工序。”Odom 先生说。National Jet公司最近作了不少努力，向用户宣传在一次装夹中，完成整个零件加工（也称一次性加工）的优点。并购置新的CNC加工中心，将其计划付诸于生产实际。
    这对一个已在制造业占有一席之地的制造商，跨过以往的专业界限进一步走向柔性化，总是有帮助的。以下是National Jet公司总结出的一次性加工将给用户带来的经济和生产效益：
    ◆使产品迅速交付。由一家公司在一次装夹中，完成整个零件加工，意味着只需很少运输和搬运，加工时间集中，使加工产品能迅速交付。National Jet公司采用一次性加工方式的第一个零件是一个需要车螺纹加工和有一个关键的直径为0.005英寸通孔的小体积汽化器。公司是在先进行完所有要加工的工步后，最后在零件上钻出微小孔的。National Jet公司为用户证明了，它只用了原来加工时间的一半，就能在瑞士车床上加工好整个零件，最终为公司赢得这项生产任务。
    ◆快速适应新产品设计变化，这一点也很重要。快速适应新产品设计变化，National Jet公司为它的主要的纺织业用户，库存了大量的喷丝头等零件的粗制品。因为毛毯制造商不能为新的喷丝头等待一个月的时间。公司采取了预先下料和粗加工毛坯，一旦接到订单，能够迅速地在粗制品上增加微小孔和零件所需的其它几何特征。
    ◆一次性加工带来高的加工精度，极大地减少了多次装夹造成的安装误差，稳定地保证了零件的加工精度。避免了以往因零件满足不了指定规格而遭用户的指责。
    另外，那些进行整体零件生产的用户车间可能不会考虑到那些在二级工序中重要的问题，比如微钻的深度。
    ◆特殊经验。National Jet公司在其微小孔钻削方面，积累了许多宝贵经验，它建议，有时通过设计结构的改造，能使加工变得容易并使生产成本下降。“如果一用户需要在零件上钻出一个很难达到设计要求的微小孔，建议将图纸设计成由一个大孔锥度过渡到微小孔的结构形状，将会使加工变得容易并不会影响产品性能。”Condor先生说。
    一个公司在制造业占有一个固定的专业位置固然重要。但是专业性很强的车间会很快发现，根据用户的市场需要，研究开发新技术新工艺，灵活地为用户提供多种技术服务，将对企业的发展有很重要的作用。这一多种技术服务的继续发展，将会极大地提升企业在市场的竞争力。

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