钻头方面的基础知识

钻头方面的基础知识-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN钻削与钻头钻削用各种钻头进行钻孔、扩孔或锪孔的切削加工。

钻孔是用麻花钻、扁钻或中心孔钻等在实体材料上钻削通孔或盲孔。

扩孔是用扩孔钻扩大工件上预制孔的孔径。

锪孔是用锪孔钻在预制孔的一端加工沉孔、锥孔、局部平面或球面等，以便安装紧固件。

钻削方式主要有两种：①工件不动，钻头作旋转运动和轴向进给，这种方式一般在钻床、镗床、加工中心或组合机床上应用；②工件旋转，钻头仅作轴向进给，这种方式一般在车床或深孔钻床上应用。

麻花钻的钻孔孔径范围为～100mm，采用扁钻可达125mm。

对于孔径大于100mm的孔，一般先加工出孔径较小的预制孔(或预留铸造孔)，而后再将孔径镗削到规定尺寸。

钻削时，钻削速度v是钻头外径的圆周速度(米/分)；进给量f是钻头(或工件)每转钻入孔中的轴向移动距离(mm/r)。

图2是麻花钻的钻削要素，由于麻花钻有两个刀齿，故每齿进给量a f=f/2(mm/齿)。

切削深度a p有两种：钻孔时按钻头直径d的一半图2 麻花钻的钻削要素计算；扩孔时按(d-d0)/2计算，其中d0为预制孔直径。

每个刀齿切下的切屑厚度a0=a f sin K r，单位为mm。

式中K r为钻头顶角的一半。

使用高速钢麻花钻钻削钢铁材料时，钻削速度常取16～40米/分，用硬质合金钻头钻孔时速度可提高1倍。

钻削过程中，麻花钻头有两条主切削刃和一条横刃，俗称“一尖(钻心尖)三刃”，参与切削工作，它是在横刃严重受挤和排屑不利的半封闭状态下工作，所以加工的条件比车削或其他切削方法更为复杂和困难，加工精度较低，表面较粗糙。

钻削钢铁材料的精度一般为IT13～10，表面粗糙度为R a 20～μm ，扩孔精度可达IT10～9，表面粗糙度为R a 10～μm 。

钻削加工的质量和效率很大程度上决定于钻头切削刃的形状。

在生产中往往用修磨的方法改变麻花钻头切削刃的形状和角度以减少切削阻力，提高钻削性能，中国的群钻就是采用这种方法创制出来的。

当钻孔的深度l 与直径d 之比大于6时，一般视为深孔钻削。

钻削深孔的钻头细长，刚度差，钻削时钻头容易偏斜并与孔壁发生摩擦，同时对钻头的冷却和排屑也较困难。

因此，当l /d 大于20时需要采用专门设计的深孔钻，并输入一定流量和压力的切削液加以冷却和把切屑冲刷出来，才能达到较高的钻削质量和效率。

钻头 用以在实体材料上钻削出通孔或盲孔，并能对已有的孔扩孔的刀具。

常用的钻头主要有麻花钻、扁钻、中心钻、深孔钻和套料钻。

扩孔钻和锪钻虽不能在实体材料上钻孔，但习惯上也将它们归入钻头一类。

锥柄麻花钻直柄麻花钻 扁钻 中心钻 锪钻 扩孔钻 图3 各类钻头麻花钻是应用最广的孔加工刀具。

通常直径范围为～80mm。

它主要由工作部分和柄部构成。

工作部分有两条螺旋形的沟槽，形似麻花，因而得名。

为了减小钻孔时导向部分与孔壁间的摩擦，麻花钻自钻尖向柄部方向逐渐减小直径呈倒锥状。

麻花钻的螺旋角主要影响切削刃上前角的大小、刃瓣强度和排屑性能，通常为25°～32°。

螺旋形沟槽可用铣削、磨削、热轧或热挤压等方法加工，钻头的前端经刃磨后形成切削部分。

标准麻花钻的切削部分顶角为118°，横刃斜角为40°～60°，后角为8°～20°。

由于结构上的原因，前角在外缘处大向中间逐渐减小，横刃处为负前角(可达-55°左右)，钻削时起挤压作用。

为了改善麻花钻的切削性能，可根据被加工材料的性质将切削部分修磨成各种形状(如群钻)。

麻花钻的柄部形式有直柄和锥柄两种，加工时前者夹在钻夹头中，后者插在机床主轴或尾座的锥孔中。

一般麻花钻用高速钢制造。

焊硬质合金刀片或齿冠的麻花钻适于加工铸铁、淬硬钢和非金属材料等，整体硬质合金小麻花钻用于加工仪表零件和印刷线路板等。

图4 麻花钻的结构扁钻的切削部分为铲形，结构简单，制造成本低，切削液容易导入孔中，但切削和排屑性能较差。

扁钻的结构有整体式和装配式两种。

整体式主要用于钻削直径～的微孔。

装配式扁钻刀片可换，可采用内冷却，主要用于钻削直径25～500mm的大孔。

深孔钻通常是指加工孔深与孔径之比大于6的孔的刀具。

常用的有枪钻、BTA深孔钻、喷射钻、DF深孔钻等。

套料钻也常用于深孔加工。

扩孔钻有3～4个刀齿，其刚性比麻花钻好，用于扩大已有的孔并提高加工精度和光洁度。

锪钻有较多的刀齿，以成形法将孔端加工成所需的形状，用于加工各种沉头螺钉的沉头孔，或削平孔的外端面。

中心钻供钻削轴类工件的中心孔用，它实质上是由螺旋角很小的麻花钻和锪钻复合而成，故又称复合中心钻。

抛物线型钻头在深孔加工中的应用当机械加工工艺人员为某一特定的孔加工任务选择钻头时，首先需要考虑被加工孔的深度，被加工的孔越深，则加工过程中需要排出的切屑量越大，如果加工中产生的切屑不能及时、有效地排出，则可能阻塞钻头的排屑槽，从而延缓加工进程，并最终影响孔的加工质量。

因此，有效排屑是成功完成任何材料的孔加工任务的关键因素。

钻头的长径比当工艺人员为特定的孔加工任务选择最合适的钻头类型时，需要计算钻头的长径比。

长径比为被加工孔的深度与钻头直径之比，例如，钻头直径为12.7mm，需要加工的孔深度为38.1mm，则其长径比为3:1。

当长径比约为4:1或更小时，大多数标准麻花钻头的排屑槽均能较顺利地排出钻头切削刃切除的切屑。

而当长径比超出上述范围时，则需采用专门设计的深孔钻头才能实现有效的加工。

一旦被加工孔的长径比大于4:1，标准麻花钻就很难将切屑顶离切削区并排出孔外，切屑很快会阻塞钻头排屑槽，此时需要停止钻削，从孔中退出钻头，清除排屑槽中的切屑，然后重新下钻继续切削，上述操作需重复多次才能加工出要求的孔深，这种钻削方式通常称为“啄击”法。

采用“啄击”法加工深孔会缩短刀具寿命，降低加工效率，影响被加工孔的质量。

每一次将钻头从孔中退出，清除切屑后重新插入孔中时，都有可能偏离孔的中心线，从而使孔径变大，超出规定的尺寸公差范围。

为了解决深孔加工难题，近年来钻头制造商开发出了两种新型深孔加工钻头——普通抛物线型钻头和宽刃抛物线型钻头。

普通抛物线型钻头抛物线型钻头的排屑槽型为抛物线，专门用于连续钻削加工长径比达15:1、材料硬度不超过25～26HRC(包括低碳钢、各种铝合金、铜合金等)的深孔。

例如，直径为12.7mm的抛物线型钻头可成功加工出孔深达190mm的孔。

由于具有较大的排屑空间，普通抛物线型钻头可将切削刃处的切屑快速排出，同时可容许更多的切削液进入切削区，从而显著减小切削摩擦以及发生切屑焊死现象的可能性，此外还可减小加工时的功率消耗、扭矩载荷和切削冲击。

抛物线型钻头的螺旋角为36°～38°，大于标准麻花钻的螺旋角(28°～30°)。

螺旋角可表示钻头的“扭转”程度，螺旋角越大，钻头&排屑速度越快。

普通抛物线型钻头适合深孔加工的另一特点是钻芯较厚(钻头的钻芯是指钻头排屑槽成形后未被磨削的中心部分)。

标准麻花钻的钻芯部分约占整个成品钻头的20%，而抛物线型钻头的钻芯则可占到整个钻头的约40%。

在深孔钻削中，较厚的钻芯可增加钻头的刚性，提高钻削加工的稳定性。

抛物线型钻头的钻尖处开有槽口，因此可采用较大的钻芯直径，此外还可防止钻孔开始阶段容易发生的钻头移位现象。

抛物线型钻头采用高速钢材料制造，为强化切削性能，也可对钻头进行表面涂层处理。

宽刃抛物线型钻头为了适应难加工材料(冷作硬化材料)深孔钻削加工的需要，一些刀具制造商开发出了宽刃抛物线型钻头。

这种钻头的许多特点与普通抛物线型钻头类似，如螺旋角较大(36°～38°)，易于排屑；钻芯较厚，深孔加工时钻头刚性和稳定性较好等。

它与普通抛物线型钻头的不同之处在于排屑槽和刃带形状。

宽刃抛物线型钻头的刃带平滑过渡到排屑槽，从而使钻头切削刃具有较高的强度和刚性，同时切屑也可通过排屑槽顺利排出。

在深孔钻削中，摩擦引起的高温可能引起钻头切削刃轻微软化或回火，从而加速钻头磨损。

钻头切削刃在加工中保持硬度的能力可用“红硬性”来表示。

宽刃抛物线型钻头通常采用高速钢和钴高速钢材料制造，由于钴高速钢宽刃抛物线型钻头具有较高的红硬性，因此刀具寿命更长，抗磨损能力更强。

钻头表面涂层普通抛物线型钻头和宽刃抛物线型钻头经常采用以下几种表面涂层：①氮化钛(TiN)涂层：该涂层可显著改善钻头的使用寿命和被加工孔的质量，与未涂层钻头相比，TiN涂层钻头更适合对多种材料工件(尤其是各种钢件)进行高速钻削加工。

②碳氮化钛(TiCN)涂层：在适当的切削温度下，TiCN涂层比TiN涂层硬度更高、韧性更强、耐磨性更好，同样适合对多种工件材料(尤其是钢件)进行高速钻削加工。

但在加工有色金属材料时应特别小心，因为TiCN涂层与有色金属具有较高化学亲和性，极易磨损。

③氮化铝钛(TiAlN)涂层：该涂层可改善钻头的使用寿命，尤其适用于切削温度较高的加工场合。

与TiCN涂层类似，TiAlN涂层也不太适合加工有色金属材料。

钻削参数的优化在深孔加工中，为了最大限度地发挥钻头的切削性能，必须根据特定的长径比优化调整钻削速度和进给量。

当钻削加工的长径比为4:1时，应将切削速度降低20%，进给率减小10%；当长径比为5:1时，应将切削速度降低30%，进给率减小20%；当长径比达到6:1～8:1时，应将切削速度降低40％；此外，当长径比为5:1～8:1时，应将进给率减小20%。

虽然抛物线型钻头的价格是标准麻花钻头的2～3倍，但它在深孔(长径比大于4:1)加工中表现出的的优异性能大大降低了每孔加工成本，因此成为机械工艺人员加工深孔的首选刀具。