钻削刀具种类及麻花钻结构简介

钻削刀具主要有麻花钻、深孔钻、套料钻、扩孔钻、锪孔钻等，其中麻花钻是最常用的钻削刀具。

1.麻花钻

1）麻花钻的结构

麻花钻由工作部分、颈部及柄部三个部分组成，如图6-6所示的标准高速钢麻花钻。

（1）工作部分：又分为切削部分和导向部分。切削部分担负着切削工作；导向部分在切削部分切入工件后起引导作用，也是切削部分的后备部分。为了保证钻头必要的刚性与强度，工作部分的钻芯直径dc向柄部方向递增（见图6-6（d））。

（2）刀柄：钻头的夹持部分，并用来传递转矩。刀柄有直柄与锥柄两种，前者用于小直钻头，后者用于大直径钻头。

（3）颈部：在工作部分与刀柄之间，磨柄部时退砂轮用，也是打印标记的地方。直柄麻花钻一般不制颈部（见图6-6（b））。

标准高速钢麻花钻有两个前面、两个后面、两个主切削刃、两个副切削刃和一个横刃。

2）决定麻花钻结构的主要参数

（1）外径do：钻头的外径即刃带的外圆直径，按标准尺寸系列设计。

（2）钻芯直径dc：决定钻头的强度及刚度并影响容屑空间的大小。一般来说dc=（0.125～0.15）do。

（3）顶角2φ：两条主切削刃在与它们平行的平面上投影之间的夹角。它决定钻刃长度及刀刃负荷情况。

（4）螺旋角β：钻头外圆柱面与螺旋槽交线的切线和钻头轴线的夹角。若螺旋槽的导程为L，钻头外径为do，则

式中：R——钻头半径，单位为mm。

由于螺旋槽上各点的导程相等，所以在主切削刃上不同半径处的螺旋角不相等。钻头主切削刃上任意点y的螺旋角βy可以用下式计算：

图6-6　标准高速钢麻花钻

式中：Ry——主切削刃上任意点的半径，单位为mm。

由上式可知：钻头外径处螺旋角最大，越接近钻芯处，螺旋角越小。螺旋角直接影响前角的大小、刀刃强度及钻头排屑性能。它应根据工件材料及钻头直径的大小来选取。标准高速钢麻花钻的螺旋角一般在18°～30°范围内，大直径钻头取大值。

3）麻花钻的几何角度

定义和测量钻头角度参考系的基面Pr、切削平面Ps如图6-7所示。由于麻花钻的主切削刃并不是一条通过钻芯的直线，因此主切削刃上各点的切削速度方向是不同的，也就是说主切削刃上各点的基面是不相同的，如图6-7（a）所示。由于各点的基面是变化的，因此主切削刃上各点的切削平面也是变化的。图6-7（b）所示是钻头主切削刃上外缘A点的切削平面与基面。

有了基面Pr及切削平面Ps后再通过切削刃选定点作正交平面P。，假定工作平面Pf及背平面Pp，就构成了相应的参考系，从而就可以定义有关刀具角度了。

需要指出的是，上述参考系，在定义基面时，都没有考虑进给运动，即钻头只绕自身轴线旋转。

麻花钻的几何角度如图6-8所示。各个角度均是在上述参考系中定义的，下面叙述几个主要的刀具角度。

图6-7　麻花钻的切削平面与基面

图6-8　麻花钻的几何角度

（1）刃倾角λs与端面刃倾角λt。

麻花钻主切削刃选定点的刃倾角λs是在切削平面内测量的该点主切削刃与基面之间的夹角。由于主切削刃上各点的基面与切削平面的位置不同，因此主切削刃上的刃倾角是变化的。

麻花钻主切削刃上选定点的端面刃倾角λt是该点的基面与主切削刃在端面投影中的夹角（见图6-8（a））。由于主切削刃上各点的基面不同，各点的端面刃倾角也不相等，且外缘处最小，越接近钻芯越大。主切削刃上任意点y的端面刃倾角λty可按下式计算：

式中：dc——钻芯直径，单位为mm；

Ry——主切削刃上任意点的半径，单位为mm。

麻花钻主切削刃上任意点y的刃倾角λsy与端面刃倾角λty的关系为

tanλsy=sinλty·sinφ

式中：φ——麻花钻半顶角。

（2）主偏角κr。

钻头的主偏角κr是主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角（见图6-8（b）、（c））。由于主切削刃上各点的基面位置不同，因此主偏角也是变化的。

主切削刃上任意点y的主偏角κry可按下式计算：

tanκry=tanφcosλty

由上式可知：越接近钻芯，主偏角越小。

（3）前角γo。

麻花钻主切削刃上选定点的前角γo是在正交平面内测量的前面与基面之间的夹角。

主切削刃上任意点y的前角γoy可按下式计算：

式中：βy——主切削刃上任意点y的螺旋角；

κry——主切削刃上任意点y的主偏角；

λty——主切削刃上任意点y的端面刃倾角。

从上式可以看出，麻花钻主切削刃上各点的前角是变化的，从外缘到钻芯，前角逐渐减小，标准麻花钻外缘处的前角为30°，到钻芯减至-30°。

（4）进给后角af。

麻花钻上主切削刃上选定点的进给后角αf是在以钻头轴线为轴心的圆柱面的切平面（假定工作平面Pf）上测量的钻头后面与切削平面之间的夹角，如图6-9所示。如此确定后角的测量平面是由于钻头主切削刃在进行切削时作圆周运动，进给后角能更确切地反映钻头后面与工件加工表面之间的摩擦情况，同时也便于测量。

刃磨钻头后面时，考虑进给运动的影响，应沿主切削刃将后角从外缘到钻芯逐渐增大，以使钻芯处工作后角不致过小并适应前角的变化，使刀刃各点的楔角大致相等，同时可改善横刃处的切削条件。

（5）横刃斜角ψ。

横刃斜角是在刃磨后面时自然形成的，后角刃磨合适时，一般ψ=50°～55°，ψ小于此值表明后角磨得太大，反之则说明磨得太小。

（6）横刃前角γoψ及横刃后角αoψ。

由图6-10可知，在横刃处有很大的负前角，γoψ=-54°～-60°。由于横刃长、负前角大及横刃主偏角为90°，钻孔时横刃实际上不是切削而是挤压，所以产生很大的进给抗力，同时定心也差。横刃后角αoψ=90°-|γoψ|。

图6-9　麻花钻的后角

图6-10　麻花钻的横刃前角及横刃后角

（7）副偏角及副后角。

钻头的副偏角是靠钻头外径向柄部逐渐减小而形成的，其值很小，可以看作=0°；钻头副后面为圆柱刃带，故=0°。

4）标准高速钢麻花钻存在的问题

（1）沿主切削刃上各点的前角值相差悬殊（由+30°到-30°），横刃前角为-54°～-60°，造成很大的进给抗力，切削条件差。

（2）棱边近似圆柱面（稍有倒锥），副后角为0°，摩擦严重。(www.xing528.com)

（3）在主、副切削刃相交处切削速度最大，发热量最多，而散热条件差，磨损太快。

（4）两条主切削刃过长，切屑宽，而各点的切屑流出方向和速度各异，切屑呈宽螺卷状，排出不畅，切削液也难以注入切削区域。

（5）高速钢的耐热性和耐磨性仍不够高。

5）标准高速钢麻花钻修磨改进方法

（1）修磨横刃（见图6-11）。

修磨横刃的目的是减小横刃长度，增大横刃前角，降低轴向力。常用的方法如下。

①将横刃磨短（见图6-11（a））。采用这种方法可以减小横刃的不良作用，加大该处前角，使轴向力明显减小。

图6-11　修磨横刃

②加大横刃前角（见图6-11（b））。横刃长度不变，而将它分为两半，分别磨出新的前角（可磨成正前角），从而改善切削性能，但修磨后的钻尖强度削弱很多，不宜加工硬度高的材料。

③同时磨短横刃及加大前角（见图6-11（c））。这种方法较好，经过修磨的钻头不仅分屑好，还能保证一定的强度。

（2）修磨前面（见图6-12）。

加工较硬的材料时，可将主切削刃外缘处的前面磨去一部分（见图6-12（a）），以减小该处前角，保证足够的强度及改善散热条件；加工较软的材料时，在前面上磨卷屑槽（见图6-12（b）），一方面便于切屑卷曲，另一方面加大了前角，可以减小切屑变形，改善孔面加工质量。

（3）修磨切削刃（见图6-13）。

为了改善散热条件，在主切削刃交接处磨出过渡刃（0.2do，见图6-13（a）），形成双重顶角或三重顶角，后者用于大直径钻头。生产中还有把主切削刃磨成圆弧状，如图6-13（b）所示，这种圆弧刃钻头切削刃长，切削刃单位长度上的负荷明显下降，而且还改善了主副切削刃相交处的散热条件，可以提高刀具使用寿命。

图6-12　修磨前面

图6-13　修磨切削刃

（4）磨出分屑槽（见图6-14）。

沿钻头主切削刃在后面磨出分屑槽，有利于排屑及切削液的注入，有利于改善切削条件，特别是在韧性材料上加工深孔，效果尤为显著。刃磨时，两条主切削刃上的分屑槽必须互相错开。

（5）综合修磨。

综合修磨能够全面改善钻头的切削性能，效果显著。群钻就是对麻花钻应用综合修磨的典型。加工钢材用的标准型群钻（见图6-15）的修磨特点如下。

①将横刀磨窄、磨低，改善横刃处的切削条件。

②将靠近钻芯附近的主切削刃修磨成一段顶角较大的内直刃及一段圆弧刃，以增大该段切削刃的前角。同时，对称的圆弧刃在钻削过程中起到定心及分屑作用。

③在外直刃上磨出分屑槽，改善断屑、排屑情况。

经过综合修磨而成的群钻，切削性能显著提高，钻削时轴向力下降35%～50%，扭矩下降10%～30%，刀具使用寿命提高3～5倍，生产率、加工精度都有显著提高。

图6-14　磨出分屑槽

图6-15　标准型群钻

1、1'—外刃后面；2、2'—月牙槽；3、3'—内刃前面；4、4'—分屑槽

2.深孔钻

深孔一般指深径比L/d＞5的孔，必须使用特殊结构的深孔钻才能进行加工。相对普通孔来说，深孔加工难度更大、技术要求更高，这是由深孔加工的特点决定的。深孔加工的特点如下：第一，孔的深径比大，钻杆细长，刚性差，工作时易产生偏斜和振动，因此孔的精度和表面质量难以控制；第二，排屑通道长，若断屑不好，排屑不畅，可能由于切屑堵塞而导致钻头破坏；第三，钻头在接近封闭的状态下工作，而且时间较长，热量大且不易散出，钻头极易磨损。

基于深孔加工的上述特点，设计和使用深孔钻时应注意钻头的导向、防止偏斜，保证可靠的断屑和排屑，并采取有效的冷却和润滑措施。

深孔钻的类型较多，且不同类型的深孔钻结构也各有特点，下面简要介绍几种典型的深孔钻。

1）外排屑深孔钻

外排屑深孔钻以单面刃的应用最多。单面刃外排屑深孔钻最早用于加工枪管，故又名枪钻，主要用来加工直径为3～20 mm的小孔，孔深与直径之比可超过100。它的工作原理如图6-16所示，高压切削液（为3.5～10 MPa）从钻杆和切削部分的进液孔送入切削区，以冷却、润滑钻头，并把切屑经钻杆与切削部分的V形槽冲刷出来。

2）内排屑深孔钻

内排屑深孔钻在工作中，切屑从钻杆内部排出而不与工件已加工表面接触，可获得好的已加工表面质量。内排屑深孔钻适合加工直径在20 mm以上、孔深径比不超过100的深孔。

错齿内排屑深孔钻是一种典型的内排屑深孔钻，它的工作原理如图6-17所示。高压切削液（2～6 MPa）由工件孔壁与钻杆外表面之间的空隙进入切削区，以冷却、润滑钻头的切削部分，并将切屑经钻头前端的排屑孔冲入钻杆内部向后排出。

图6-16 单面刃外排屑深孔钻的工作原理

1—工作；2—切削部分；3—钻杆

图6-17　错齿内排屑深孔钻的工作原理

1—工件；2—钻头；3—钻杆

错齿内排屑深孔钻的切削部分由数块硬质合金刀片交错地焊在钻体上，使全部切削刃布满整个孔径，并起到分屑作用。这样可根据钻头径向各点不同的切削速度，采用不同的刀片材料（或牌号），并可分别磨出所需要的不同参数的断屑台，采用较大的顶角，以利于断屑。错齿内排屑深孔钻采用导向条以增大切削过程的稳定性，导向条位置根据钻头受力状态安排，导向条材料一般可采用YG8硬质合金。

喷吸钻是一种效率高、加工质量好的内排屑深孔钻，适用于加工深径比不超过100、直径为16～65 mm的孔。喷吸钻的工作原理如图6-18所示。它主要由钻头、内钻管、外钻管三个部分组成。切削液以一定的压力（一般需0.98～1.96 MPa）从内、外钻管之间输入，其中2/3的切削液通过钻头上的小孔压向切削区，对钻头的切削部分及导向部分进行冷却与润滑；另外1/3的切削液通过内钻管上喷嘴（月牙形槽）喷入内钻管，由于流速增大而形成一个低压区，低压区一直延伸到钻头的排屑通道。这样，切屑便随着切削液被吸入内钻管，从而迅速排出。

喷吸钻的特殊之处在于有内、外钻管，外钻管的反压缝隙d的大小直接影响到喷吸效果。如果d过大，则大量的切削液从钻头外流出，通过小钻管喷嘴的流量就相对减少，形成的低压不显著，喷吸效果差；如果d过小，则切削区得不到充分冷却与润滑，同时，由于切削液压力不足而影响排屑。内、外钻管之间的环形面积要大于反压缝隙的环形面积，使切削液向切削区的流动过程中经过的通道面积逐步缩小，流速加快，呈雾状喷出，以利于钻头的冷却。

3.套料钻

对于直径大于60 mm的深孔，为了节约材料或取样，可采用套料钻进行加工。因为套料钻钻孔时只切出一个环形孔，从而留下一个料芯，如图6-19所示，这样大大减少了切削工作量，提高了工作效率，中间留下的料芯材料还可以利用，对材质要求高的工件，可以用芯部材料制造。

图6-18　喷吸钻的工作原理

1—钻头；2—工件；3—钻套；4—外钻管；5—喷嘴；6—内钻管

图6-19　套料钻钻孔

1—料芯；2—刀片；3—钻体；4—导向块；5—钻杆；6—工件

套料钻的刀齿分布在圆管形的钻体上，分单齿与多齿两种。当被钻孔较深时，断屑与排屑仍然是要解决的首要问题。钻孔时，由于钻杆与加工工件表面间隙小，排屑困难，往往需要借助高压切削液，通过钻杆内部（称内排屑）或外部（称外排屑）将切屑排出。此外，制造钻体与钻杆的钢管要有足够的强度、刚度，并适当布置导向块，以保证钻孔的精度和直线度。

4.扩孔钻

扩孔是用扩孔钻对工件上已有的孔进行扩大加工。它既可以用作孔的最终加工，也可以作为铰孔或磨孔前的预加工，在成批或大量生产时应用较广。与麻花钻相比，扩孔钻的特点是没有横刃且齿数较多，刀体刚性好，因此生产率及加工质量均比用麻花钻高。

扩孔钻的结构形式有高速整体式（见图6-20（a））、镶齿套式（图6-20（b））及硬质合金可转位式（图6-20（c））等。

图6-20　扩孔钻

5.锪孔钻

锪孔是用锪孔钻在已加工孔上锪各种沉头孔和锪孔端面的凸台平面，如图6-21所示。图6-21（a）所示为锪圆柱形沉头孔，图6-21（b）、（c）所示为锪圆锥形沉头孔（锥角2φ有60°、90°、120°三种），图6-21（d）所示为锪孔端面的凸台平面。锪孔钻上带有定位导柱（d1），定位导柱用来保证被锪孔或端面与原来孔的同轴度或垂直度。定位导柱应尽可能做成不拆卸的，以便于刀具的制造和刃磨。根据锪孔钻直径的大小，锪孔钻可做成带柄式结构或套式结构。锪孔钻既可用高速钢制造，也可镶焊硬质合金刀片。其中以硬质合金锪孔钻应用较广。

图6-21　锪孔钻及其加工