麻花钻在小孔加工中的应用和种类介绍

一、概述

麻花钻是目前孔加工中应用最广的刀具。它主要用来在实体材料上钻出较低精度的孔，或作为攻螺纹、扩孔、铰孔和镗孔的预加工。麻花钻有时也可当作扩孔钻用。钻孔直径为0.1～80mm，一般加工精度为IT13～IT11，表面粗糙度值为Ra12.5～6.3μm。加工30mm以下的孔时，至今仍以麻花钻为主。

按刀具材料不同，麻花钻分为高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻。高速钢麻花钻种类很多，本节重点加以介绍。按柄部分类，有直柄和锥柄之分。直柄一般用于小直径钻头；锥柄一般用于大直径钻头。按长度分类，则有基本型和短、长、加长、超长等各种钻头。

二、麻花钻的组成

标准麻花钻由柄部、颈部和工作部分构成，如图6－7（a）所示。

1.柄部

柄部是钻头的装夹部分，用于与机床的连接并传递转矩。当钻头直径小于13mm时通常采用直柄（圆柱柄），大于12mm时则采用圆锥柄。锥柄后端的扁尾是供使用锲铁将钻头从钻套中取出。

图6－7　麻花钻的组成

1—前刀面；2—后刀面；3—副切削刃；4—主切削刃；5—横刃；6—螺旋槽；7—棱边；8—副后刀面

2.颈部

颈部是柄部和工作部分之间的连接部分，作为磨削时砂轮退刀和打印标记（钻头的规格及厂标）用。为制造方便，直柄麻花钻一般不制作颈部。

3.工作部分

麻花钻的工作部分有两条螺旋槽，其外形很像，麻花因此而得名。它是钻头的主要部分，由切削部分和导向部分组成。

1）导向部分

钻头的导向部分由两条螺旋槽所形成的两螺旋形刃瓣组成，两刃瓣由钻心连接。为减小两螺旋形刃瓣与已加工表面的摩擦，在两刃瓣上制造出了两条螺旋棱边（称为刃带），用以引导钻头并形成副切削刃；螺旋槽用以排屑和导入切削液并形成前刀面。导向部分也是切削部分的备磨部分。

2）切削部分

钻头的切削部分由两个螺旋形前刀面、两个圆锥后刀面（刃磨方法不同，也可能是螺旋面）、两个副后刀面（刃带棱面）、两条主切削刃、两条副切削刃（前刀面与刃带的交线）和一条横刃（两个后刀面的交线）组成，如图6－7（b）所示。主切削刃和横刃起切削作用，副切削刃起导向和修光作用。

三、麻花钻的结构参数

麻花钻的结构参数是指钻头在制造时控制的尺寸和有关角度，它们是决定钻头几何形状的独立参数，包括直径d、钻心直径do和螺旋角β等。

1.直径d

直径d是指钻头两刃带间的垂直距离。标准麻花钻的直径系列国家标准已有规定。为了减少刃带与工件孔壁间的摩擦，直径做成向钻柄方向逐渐减小，形成倒锥，相当于副偏角的作用，其倒锥量一般为（0.05～0.12）／100mm。

2.钻心直径do

钻心直径do是指钻心与两螺旋槽底相切圆的直径。它直接影响钻头的刚性与容屑空间的大小。一般钻心直径约为0.15倍的钻头直径。对标准麻花钻而言，为提高钻头的刚性和强度，钻心直径制成向钻柄方向逐渐增大的正锥，如图6－8所示。其正锥量一般为（1.4～2）／100mm。

图6－8　钻心直径

3.螺旋角β

螺旋角β是指钻头刃带棱边螺旋线展开成直线后与钻头轴线间的夹角，如图6－7（a）所示。螺旋角实际就是钻头的进给前角。因此螺旋角越大，钻头的进给前角越大，钻头越锋利。但螺旋角过大，钻头刚性变差，散热条件变坏。麻花钻不同直径处的螺旋角不同，外径处螺旋角最大，越接近中心螺旋角越小。标准麻花钻螺旋角β＝18°～30°。螺旋角的方向一般为右旋。

四、麻花钻的几何参数

麻花钻的两条主切削刃相当于两把反向安装的车孔刀切削刃，切削刃不过轴线且相互错开，其距离为钻心直径，相当于车孔刀的切削刃高于工件中心。表示钻头几何角度所用的坐标平面，其定义与本书中从车刀引出的相应定义相同。

1.基面与切削平面（图6－9）

1）基面pr

主切削刃上选定点A的基面prA是通过该点且包括钻头轴线在内的平面。显然，它与该点切削速度vcA的方向垂直。因主切削刃上选定点的切削速度垂直于该点的回转半径，所以基面pr总是包含钻头轴线的平面，同时各点基面的位置也不同。

2）切削平面ps

主切削刃选定点的切削平面是通过该点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。显然切削平面的位置也随基面位置的变化而变化。

此外，正交平面po、假定工作平面pf和背平面pp等的定义也与车削中的规定相同。

图6－9　麻花钻的基面与切削平面

2.麻花钻的几何角度（图6－10）

麻花钻的各种几何参数性质不同，有一些是钻头制造时已定的参数，使用者在使用时无法改变，如钻头直径d、直径倒锥度（Kr′）、钻心直径do、螺旋角β等，可以称之为固有参数；另一些几何参数是钻头的使用者可以根据具体的加工条件，通过刃磨而控制其大小，它们是构成钻头切削部分几何形状的独立参数，也称独立角度，包括顶角2ϕ、侧后角αf、横刃斜角φ；还有一些几何参数是非独立的，是由钻头的固有参数和独立角度换算而求得的，例如主切削刃上的主偏角Kr、刃倾角λs、前角γo、后角αo等，一般称为派生角度。

1）顶角2ϕ

顶角2ϕ是指主切削刃在与其平行的轴向平面（pc—pc）内投影之间的夹角。标准麻花钻的顶角2ϕ一般为118°。

2）主偏角κr

任一点的主偏角κrx是指主切削刃在该点基面（prx—prx）内的投影与进给方向的夹角。由于主切削刃上各点的基面不同，因此主切削刃上各点的主偏角也是变化的，外径处大，钻心处小。

当顶角2ϕ磨出后，各点主偏角κr也就确定了。顶角2ϕ与外径处的主偏角κr的大小较接近，故常用顶角2ϕ大小来分析对钻削过程的影响。

3）前角γo

主切削刃上任一点的前角γo是在正交平面内测量的前刀面与基面的夹角。在假定工作平面pfx内，前角γfx也是螺旋角βx，它与主偏角κrx有关。由于螺旋角βx越靠近钻心越小，故在切削刃上各点的前角γo也是变化的。标准麻花钻主切削刃上各点的前角变化很大，从外径到钻心处，约由＋30°减小到－30°。因此，越靠近钻心处切削条件越差。此外，由于主切削刃前角不是直接刃磨得到的，因而钻头的工作图上一般不标注前角。

4）后角αf

主切削刃上任一点的后角αfx是在假定工作平面内测量的后刀面与切削平面的夹角。在刃磨后刀面时，后角αf应满足外径处小、钻心处大的要求，一般从8°～14°增大到20°～27°。其主要目的是，减少进给运动对主切削刃上各点工作后角产生的影响，改善横刃处的切削条件及使主切削刃上各点的楔角基本相等。

5）副后角αo′

钻头的副后角（刃带）是一条狭窄的圆柱面，因此副后角αo′＝0°。

6）横刃角度

图6－10　钻头的几何角度

横刃是两个主后刀面的交线，如图6－10所示。横刃角度是在端平面pt上表示的，包括有横刃斜角、横刃前角、横刃后角。横刃斜角是横刃与主切削刃之间的夹角，它是刃磨后刀面时形成的。标准麻花钻的横刃斜角一般为50°～55°。当后角磨得偏大时，横刃斜角减小，横刃长度增大。因此，在刃磨麻花钻时，可以通过观察横刃斜角的大小来判断后角磨得是否合适。

五、钻削工艺范围

钻削加工是在钻床上加工孔的工艺方法，主要用来加工外形复杂、没有对称回转轴线的孔及直径不大、精度不太高的孔，如连杆、盖板、箱体、机架等零件上的单孔和孔系，也可以通过钻孔—扩孔—铰孔的工艺手段加工精度要求较高的孔，利用夹具还可加工要求一定相互位置精度的孔系。另外，钻床还可进行攻螺纹、锪孔和锪端面等工作。

钻床在加工时，工件一般不动，刀具一边做旋转主运动，一边做轴向进给运动。钻床的加工方法及其所需运动如表6－1所示。

表6－1　钻床的加工方法

六、钻削工艺特点

钻削时的切削运动和车削一样，由主运动和进给运动组成。其中，钻头（在钻床上加工孔时）或工件（在车床上加工孔时）的旋转运动为主运动，钻头的轴向运动为进给运动。

钻削属于内表面加工，钻孔时，钻头的切削部分始终处于一种半封闭状态，切屑难以排出，而加工生产的热量又不能及时散发，导致切削区温度很高。浇注切削液虽然可以改善切削条件，但由于切削区是在内部，切削液最先接触的是正在排出的热切屑，待其达到切削区时，温度已显著升高，冷却作用已不明显。另外，为了便于排屑，一般在钻头上开出两条较宽的螺旋槽，导致钻头本身的强度及刚度都比较差；而横刃的存在，使钻心定性差、易引偏、孔径容易扩大，且加工后的表面质量较差，生产效率也较低。因此，在钻削加工中，冷却、排屑和导向定心是三大突出而又必须重点解决的问题。

七、钻削用量及其选择

1.钻削用量

钻削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三要素，如图6－11所示。

图6－11　钻削用量

（1）背吃刀量（ap）指已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，也可以理解为一次走刀所能切下的金属层厚度，ap＝d／2。

（2）钻削时的进给量（f）指主轴每转一转钻头对工件沿主轴轴线的相对移动量，单位是mm／r。

（3）钻削时的切削速度（vc）指钻孔时钻头直径上一点的线速度。可由下式计算：

式中　d——钻头直径，单位为mm；

　　　n——钻床主轴转速，单位为r／min；

　　　vc——切削速度，单位为m／min。

2.钻削用量的选择

1）选择钻削用量的原则

钻孔时，由于切削深度已由钻头直径所确定，所以只需选择切削速度和进给量。对钻孔生产率的影响，切削速度vc和进给量f是相同的；对钻头寿命的影响，切削速度vc比进给量f大；对孔的粗糙度的影响，进给量f比切削速度vc大。

综合以上的影响因素，钻孔时选择切削用量的基本原则是：在允许范围内，尽量先选较大的进给量f，当f受到表面粗糙度和钻头刚度的限制时，再考虑较大的切削速度vc。

2）钻削用量的选择方法

（1）背吃刀量的选择。直径小于30mm的孔一次钻出；直径为30～80mm的孔可分为两次钻削，先用（0.5～0.7）d（d为要求的孔径）的钻头钻底孔，然后用直径为d的钻头将孔扩大。这样可以减小切削深度及轴向力，保护机床，同时提高钻孔质量。

（2）进给量的选择。高速钢标准麻花钻的进给量可参考有关手册选取。当孔的精度要求较高和表面粗糙度值要求较小时，应取较小的进给量；当钻孔较深、钻头较长、刚度和强度较差时，也应取较小的进给量。

（3）钻削速度的选择。当钻头的直径和进给量确定后，钻削速度应按钻头的寿命选取合理的数值，一般根据经验选取，也可查阅有关手册。当孔深较大时，应取较小的切削速度。

八、麻花钻的缺陷与修磨

1.麻花钻的缺陷

标准麻花钻由于本身结构的原因，存在以下缺陷：

1）主切削刃方面

主切削刃上各点前角不相等，从外径到钻心处，由＋30°至－30°，各点切削条件相差很大，切削速度方向也不同。同时，主切削刃较长，切削宽度大，各点的切屑流出速度和方向不同，互相牵制不利于切屑的卷出，切削液也不易注入切削区，对排屑与冷却不利。另外，主切削刃外径处的切削速度高，切削温度高，切削刃易磨损。

2）横刃方面

横刃较长，引钻时不易定中心，钻削时容易使孔钻偏。同时，横刃处的前角为较大的负值，钻心处的切削条件较差，轴向力大。

3）刃带棱边

刃带棱边处无后角（α′o），摩擦严重，主切削刃与刃带棱边转角处的切削速度最高，刀尖角较小，热量集中不易传散，磨损最快，其也是钻头最薄弱的部位。

标准麻花钻结构上的这些特点，严重影响了它的切削性能，因此在使用中常常加以修磨。

2.麻花钻的修磨

麻花钻的修磨是指在普通刃磨的基础上，针对钻头某些不够合适的结构参数进行的补充刃磨。在使用过程中可采用修磨麻花钻的刃形及几何角度的方法，来充分发挥钻头的切削性能，以保证加工质量和提高钻孔效率。

1）修磨出过渡刃（图6－12）

在钻头的转角处磨出过渡刃，使钻头具有双重顶角。其优点是增大刀尖角，提高刀尖强度，改善刀尖的散热条件。此法主要适用于较大直径钻头和铸件钻孔。

2）修磨横刃（图6－13）

修磨横刃的目的是增大钻尖的前角，缩短横刃的长度，从而有利于钻头的定心和减小轴向力。

图6－12　修磨过渡刃

图6－13　修磨横刃

3）修磨分屑槽（图6－14）

在钻削塑性材料或尺寸较大的孔时，在钻头的后刀面上交错磨出分屑槽，使切屑分割成窄条，以便于切屑的卷曲、排出和切削液的注入。此法主要适用于中等以上直径钻头钻削钢件。

4）修磨刃带（图6－15）

修磨刃带的目的是减小刃带宽度，磨出副后角，以减小刃带与加工孔壁的摩擦。这种修磨方法适用于直径大于12mm的钻头，钻削韧性高的软材料，以提高表面加工质量。修磨后钻头的寿命可提高一倍以上。

图6－14　修磨分屑槽

图6－15　修磨刃带

3.群钻

群钻是针对标准麻花钻的缺陷，经过综合修磨后而形成的新钻型，在长期的生产实践中已演化扩展成一整套钻型。图6－16所示为基本型群钻切削部分的几何形状。群钻的刃磨主要包括磨出月牙槽、修磨横刃和开分屑槽等。群钻共有七条切削刃，外形上呈现三个尖。其主要特点是：三尖七刃锐当先，月牙弧槽分两边，一侧外刃开屑槽，横刃磨低窄又尖。

图6－16　基本形群钻

1—分屑槽；2—月牙槽；3—横刃；4—内直刃；5—圆弧刃；6—外直刃

与普通麻花钻比较，群钻具有以下优点：

（1）群钻横刃长度只有普通钻头的1／5，主切削刃上前角平均值增大，进给力下降35%～50%，转矩下降10%～30%。

（2）进给量比普通麻花钻提高3倍，钻孔效率得到很大提高。

（3）群钻的使用寿命比普通麻花钻可提高2～4倍。

（4）群钻的定心性好，钻孔精度提高，表面粗糙度值也较小。

九、硬质合金麻花钻

硬质合金麻花钻有整体式、镶片式和可转位式等结构。采用硬质合金钻头加工硬脆材料，如铸铁、玻璃、大理石、花岗石、淬硬钢及印制电路板等复合层压材料时，可显著提高切削效率。

小直径（d≤5mm）的硬质合金钻头都做成整体结构（图6－17（a））。直径d＞5mm的硬质合金钻头可做成镶片结构（图6－17（b）），其切削部分相当于一个扁钻。刀片材料一般用YG8，刀体材料采用9SiCr，并淬硬到50～55HRC。其目的是提高钻头的强度和刚性，减小振动，便于排屑，防止刀片碎裂。硬质合金可转位钻头如图6－18所示。它选用凸三角形、三边形、六边形、圆形或菱形硬质合金刀片，用沉头螺钉将其夹紧在刀体上，一个刀片靠近中心，另一个在外径处，切削时可起分屑作用。如果采用涂层刀片，切削性能可获得进一步提高。这种钻头适用的直径范围为d＝16～60mm，钻孔深度不超过（3.5～4）d，其切削效率比高速钢提高3～10倍。

图6－17　硬质合金钻头

（a）整体式；（b）镶片式

图6－18　硬质合金可转位钻头