空心鑽頭原理

 專用空心鑽頭的設計對切削性能的影響

空心鑽頭是一種較適合便攜式工具使用的孔加工刀具。但由於空心鑽頭的製造工藝比較複雜，且不能加工盲孔，因此在金屬切削加工中使用並不普遍，通常隻在加工一些大直徑或貴金屬工件的通孔或鑽孔設備功率受到限製時才使用。由於空心鑽頭沒有標準定型產品，因此大部分用於特殊材料加工的空心鑽頭均需自行研製。

 有關行業曾為用戶研製一種用於加工難加工材料的專用空心鑽頭。被加工材料代號U-Mn，主要化學成分包括：碳(0.56%～0.68%)、錳(1.35%～1.65%)、矽(0.2%～0.35%)等；材料抗拉強度≥882N/ mm2，硬度及耐磨性均較高。該鑽頭用於在厚17mm的材料上加工Ø30^+0.5mm通孔，便攜式鑽機功率<1000W，要求鑽頭壽命>30min，鑽頭材料為W6Mo5Gr4V2。在研製該空心鑽頭過程中，通過反複調整鑽頭的設計參數，並進行鑽孔試驗，*後確定鑽幾何參數為：前角g=12°，後角a= 9°，副後角a1 = 3°。

下麵就空心鑽頭的設計對切削性能的影響作一簡要分析。

1 前角變化對鑽頭切削性能的影響

1) 前角對切削力的影響

    前角的變化會影響切屑材料的變形程度，從而使切削力發生變化。切屑變形越大，切削力越大；切屑變形越小，切削力越小。當前角在0°～15°範圍內變化時，切削力修正係數的變化範圍為1.18～1。

2) 前角對鑽頭耐用度的影響

增大鑽頭前角時，會使刀尖強度和散熱體積減小，同時會影響刀尖受力情況。當前角為正值時，刀尖受拉應力；當前角為負值時，刀尖受壓應力。如選用的前角過大，雖可增加鑽頭鋒利度，減小切削力，但刀尖所受拉應力較大，刀尖強度降低，容易折斷。在切削試驗中許多鑽頭均因前角過大而損壞。但是，由於被加工材料硬度和強度較高，加之便攜式鑽機的主軸及整機剛性較低，如選用的前角過小，鑽孔時切削力的增大會使主軸產生振動，加工表麵出現明顯振紋，鑽頭耐用度也會降低。

2 後角變化對鑽頭切削性能的影響
       增大後角可減小後刀麵與切削材料間的摩擦，減小已加工表麵的擠壓變形。但如後角過大，則會降低刀刃強度和散熱能力。

       後角的大小直接影響鑽頭耐用度。在鑽孔過程中，鑽頭的主要磨損形式為機械擦傷和相變磨損。考慮機械擦傷磨損，當切削壽命一定時，後角越大，可用切削時間越長；考慮相變磨損，後角增大會使鑽頭散熱能力降低。鑽頭磨損後，隨著後刀麵磨損帶的逐漸加寬，切削功率逐漸加大，摩擦產生的熱量會逐漸增加，使鑽頭溫度升高，當溫度升高到鑽頭相變溫度後，鑽頭將出現快速磨損。

3 鑽頭設計對刃磨加工的影響

         空心鑽頭用量較少，加工批量小，因此設計鑽頭時應考慮其加工工藝問題，盡量以常用機加工設備和常用刀具實現加工及刃磨。

        切屑經前刀麵流出，因此前刀麵的形狀直接影響切屑形狀和排屑性能。切屑在流出過程中受到前刀麵擠壓和摩擦，進一步產生變形。切屑底層金屬變形程度*大，並沿前刀麵產生滑移，使切屑底層長度較長，從而形成各種卷曲形狀。使用空心鑽頭鑽孔時，希望切屑成碎屑或帶狀屑，以利於排屑。為便於加工和刃磨，前刀麵必須設計為平麵，且不開斷屑槽。前刀麵在使用中不需要重磨。

         後刀麵是空心鑽頭*易重磨的麵，也是磨損速度*快的麵，因此空心鑽頭的刃磨是以刃磨後刀麵來實現。

         副後刀麵分為內副後刀麵和外副後刀麵。從重磨角度來說，重磨內、外副後刀麵不易實現，因此副後刀麵應設計為不重磨形式。

 

4 切削液使用及對鑽頭切削性能的影響

       空心鑽頭的主要特點是加工時孔的內芯不被切削，因此空心鑽頭的切削量比麻花鑽明顯減少，所需鑽機功率和切削中產生的熱量也較小。用高速鋼空心鑽頭鑽孔時，因加工區溫度對鑽頭硬度影響很大，因此鑽孔過程中必須使用冷卻液降溫(如不用冷卻液，鑽頭磨損一開始就將以相變磨損為主而快速磨損)。開始色多多福利导航采用外部噴淋冷卻方式，但因鑽頭工位為水平軸線方向加工，冷卻液不易進入鑽頭刀刃部分，冷卻液消耗較大，冷卻效果不理想。經重新設計改變鑽機主軸結構，將外部噴淋冷卻變為內部噴淋冷卻，冷卻液由空心鑽頭芯部加入，使冷卻液能順利到達鑽頭切削部分，從而明顯降低了冷卻液消耗量，改善了冷卻效果。

5 空心鑽頭使用效果

        設計完善的空心鑽頭應同時滿足以下幾方麵要求：①便於製造，能采用普通機床和通用刀具加工；②便於重新刃磨，可利用普通砂輪機進行刃磨；③生產效率高，使用壽命長；④價格低廉。
研製的空心鑽頭基本上達到了以上要求。在實際使用中，鑽頭耐用度可穩定達到50 分鍾，孔徑公差、表麵粗糙度等均達到了設計要求。