圖1   鉆頭的基本結(jié)構(gòu)

　　孔加工在金屬切削加工中占有重要地位，一般約占機(jī)械加工量的1/3。其中鉆孔約占22%～25%，其余孔加工約占11%～13%。由于孔加工條件苛刻的緣故，孔加工刀具的技術(shù)發(fā)展要比車、銑類刀具遲緩一些。近年來，隨著中、小批量生產(chǎn)對生產(chǎn)效率、自動化程度以及加工中心性能要求的不斷提升，刀具磨鋒技術(shù)、多軸數(shù)控刀具刃磨設(shè)備的發(fā)展帶動了孔加工刀具的發(fā)展，其中最典型的就是在機(jī)械生產(chǎn)中已應(yīng)用多年、使用最為廣泛的整體結(jié)構(gòu)的鉆頭修磨技術(shù)逐漸成熟起來。通過對鉆頭刃口的修磨和強(qiáng)化改善鉆削加工條件，要從鉆頭的結(jié)構(gòu)特點和實際使用情況中尋求解決方法。

　　鉆頭的特點

　　1．鉆頭的材質(zhì)分為高速鋼和硬質(zhì)合金，高速鋼主要采用高速鋼W系、Mo系材料；硬質(zhì)合金采用鎢鈦類（YG）、鎢鈦鈷類（YT）材料。比較有代表性的如表1中所列W18Gr4V、YG6和YT14。

　　2．麻花鉆的基本形狀和結(jié)構(gòu)并沒有太大的改變（見圖1）。

　　3．麻花鉆切削刃的幾何角度之間具有一定的特點和關(guān)聯(lián)性。如圖2所示，主偏角為Kr，刃傾角為λs，前角為λs，后角為αf，鋒角為2φ（傳統(tǒng)為118°）。

　　表1  高速鋼和硬質(zhì)合金材料的物理力學(xué)性能

　　其中，鉆頭螺旋型結(jié)構(gòu)具有如下特點：

　　（1）主偏角Kr在鋒角2φ確定后也隨之確定。

　　（2）由于鉆頭切削刃的刀尖（鉆頭直徑處）為切削刃的最低點，從結(jié)構(gòu)可知鉆頭切削刃的刃傾角λs為負(fù)。

　　（3）在鉆頭螺旋槽形狀結(jié)構(gòu)影響下，刃部前角λs由鉆頭外徑的韌帶處向鉆心方向逐漸變小。

　　（4）切削刃的前角主偏角λs，隨主偏角Kr的增大而隨之增大。

　　圖2   切削刃的幾何角度

　　4．麻花鉆的橫刃也是切削刃的重要組成部分。如圖2所示，橫刃的前角γom、后角αf、斜角φ，也隨著鉆頭切削刃的不同有著一定的變化。

　　鉆頭在加工過程中的磨損情況

　　1．鉆頭的磨損主要發(fā)生在切削刃部分（見圖3）

　　圖3   鉆頭在加工過程中的磨損

　　2．鉆頭在實際加工中受力的分析，其切削力主要集中在鉆頭的切削刃部分，其中切削刃受到的轉(zhuǎn)矩最大，橫刃部分軸向力較為集中（見表2、圖4）。

　　表2   鉆頭加工中切削部分切削力的分布

　　3．鉆頭在加工過程中產(chǎn)生的切削熱的分布情況見圖5。在加工中，鉆頭的鉆心處由于切削角度較小并且是始終保持切入加工件的最前沿，承受的軸向力占到57%左右，切削過程產(chǎn)生的熱量不能及時排出，是整個鉆頭溫度最高的部分。圖5所示鉆心和鉆頭刃部紅色區(qū)域的溫度為最高，而鉆心橫刃處熱度最為集中。

　　圖4   切削刃的受力分析

　　改善鉆削加工的途徑

　　1．改進(jìn)鉆頭的切削刃

　　采用新型的刃磨法改進(jìn)鉆尖、橫刃的幾何形狀。以往鉆頭的鉆尖刃磨采用普通刃磨法，先行磨出鋒角即2φ角后，再用砂輪圓周的90°成形棱邊靠手工方式修磨鉆心部分。受到傳統(tǒng)的刃磨方法的限制，鉆頭修磨后對稱性較差，精度較低，只有采用傳統(tǒng)的118°鋒角才可保證切削刃為直刃。近年來，我公司引進(jìn)了數(shù)控萬能工具磨床，該機(jī)床采用的是比較先進(jìn)的五軸數(shù)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對鉆頭的切削刃部進(jìn)行鏟磨，改動鉆頭的切削刃形式，仍可保證較高的刀具精度。于是，我們通過一些改進(jìn)鉆頭鉆尖的幾何角度來嘗試提高鉆頭的使用壽命，提高鉆頭和改善鉆削加工條件。

　　圖5   切削熱的分布情況

　　根據(jù)鉆頭的結(jié)構(gòu)特點我們先對麻花鉆的鋒角（2φ角）進(jìn)行了改變，采用118°～140°的鋒角分別進(jìn)行試驗。在生產(chǎn)現(xiàn)場對加工情況進(jìn)行跟蹤和掌握，我們發(fā)現(xiàn)在加工鑄鐵時，采用加大鋒角的鉆頭有一定效果：鉆削加工時，加工變得輕快，聲音和振動明顯減小，孔的表面粗糙度得到提高。從切屑的形狀判斷加工過程平穩(wěn)。但隨著鉆頭的鋒角加大，鉆頭的磨損情況加劇。多次嘗試后發(fā)現(xiàn)，在鋒角為130°左右時加工最為平穩(wěn)，加工數(shù)量和質(zhì)量明顯提高。

　　在改善加工中鉆頭橫刃部分軸向受力情況時，要克服橫刃處負(fù)前角等惡劣的切削條件。我們在橫刃處理時，采用大切除的形式鏟磨橫刃，縮短橫刃的寬度，使鉆心的橫刃與主切削刃接近十字交叉，減少鉆削中的軸向力和鉆削中的轉(zhuǎn)矩（見圖6）。經(jīng)實踐中檢驗，鉆頭軸向受力情況改善后，定心精度大為提高。在殼體加工中心上采用此結(jié)構(gòu)的鉆頭，可在一定條件下取消中心鉆，提高加工效率和縮短生產(chǎn)節(jié)拍。該鉆頭已在我公司生產(chǎn)中逐步試驗推廣采用。

　　圖6   鉆頭橫刃的改進(jìn)

　　與高速鋼鉆頭相比較，硬質(zhì)合金鉆頭的加工條件更為苛刻。我公司在突緣上加工的螺釘孔工序中采用的硬質(zhì)合金鉆頭，原加工數(shù)量和加工效率較低，我們也嘗試進(jìn)行了一些改進(jìn)：

　　根據(jù)硬質(zhì)合金材料硬度高的優(yōu)勢，采用大鋒角140°從而加大切削前角，改變鉆頭受力情況，減小了切削力，使加工更為順暢。依據(jù)所加工材料的特點對鉆頭的橫刃部分進(jìn)行改進(jìn)，采用R型刃口過渡，在R型刃口基礎(chǔ)上加大了橫刃前角，鉆心部分進(jìn)行鉆孔前先行切入定位，實現(xiàn)了自定心，取消了中心鉆的工序，滿足了位置度要求，并在直徑處進(jìn)行棱邊的削邊處理，形成保護(hù)刃，使鉆頭在鉆出時不易造成崩刃，極大地提高了鉆頭的壽命。

　　此種結(jié)構(gòu)對小直徑的鉆頭改善尤為適用。現(xiàn)在我公司同步器車間加工二速同步器鎖銷孔直徑為φ7.5mm，公差范圍0～+0.016mm，每個零件上共加工6個孔，相對位置度要求0.05mm。

　　圖7   改進(jìn)后的鉆頭切削刃

　　涂層處理也是提高鉆頭使用壽命的一個重要的方法。根據(jù)加工條件采用不同的涂層可提高鉆頭的表面硬度和氧化溫度，降低摩擦系數(shù)，大幅提高鉆頭的使用壽命。其中TiN涂層（涂層顏色為黃色）對高速鋼類鉆頭的使用性能有很大的提高，可有效地提高高速鋼鉆頭硬度，提高鉆頭的表面粗糙度并降低摩擦，改善鉆削條件。而TiCN （涂層顏色為灰黑色）和TiALN（涂層顏色紫褐色）這兩種涂層廣泛應(yīng)用在硬質(zhì)合金材料的鉆頭上。這幾種涂層材料的性能對比見表3。

　　表3   幾種典型涂層材料的性能對比

　　刃口的強(qiáng)化（鈍化）和涂層的結(jié)合可大大提高鉆頭的使用效果。其中對鉆頭的刃口強(qiáng)化（鈍化）也是為涂層做準(zhǔn)備，鈍化使涂層材料有足夠的結(jié)合表面。實踐表明，通過刃口強(qiáng)化的鉆頭比未經(jīng)強(qiáng)化處理的鉆頭使用壽命提高40%～50%。

　　結(jié)語

　　鉆頭由于其尺寸必須限制在孔的尺寸以內(nèi)，而且受到自身結(jié)構(gòu)的限制所以技術(shù)改進(jìn)難度較大。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控刃磨設(shè)備不斷發(fā)展，麻花鉆的設(shè)計、制造水平較以往有了很大改進(jìn)。鉆頭作為孔加工刀具中最基本、最廣泛的工具之一，在機(jī)械加工領(lǐng)域中得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步。

　表1  高速鋼和硬質(zhì)合金材料的物理力學(xué)性能

　　其中，鉆頭螺旋型結(jié)構(gòu)具有如下特點：

　　（1）主偏角Kr在鋒角2φ確定后也隨之確定。

　　（2）由于鉆頭切削刃的刀尖（鉆頭直徑處）為切削刃的最低點，從結(jié)構(gòu)可知鉆頭切削刃的刃傾角λs為負(fù)。

　　（3）在鉆頭螺旋槽形狀結(jié)構(gòu)影響下，刃部前角λs由鉆頭外徑的韌帶處向鉆心方向逐漸變小。

　　（4）切削刃的前角主偏角λs，隨主偏角Kr的增大而隨之增大。

　　圖2   切削刃的幾何角度

　　4．麻花鉆的橫刃也是切削刃的重要組成部分。如圖2所示，橫刃的前角γom、后角αf、斜角φ，也隨著鉆頭切削刃的不同有著一定的變化。