1、国内外孔加工刀具发展概况研究1国内外孔加工刀具发展概况研究0.概述孔加工在金属切削加工中占有重要地位，一般约占机械加工量的 1/3。其中钻孔约占 22%25% ，其余孔加工约占 11%13%。我国 1990 年孔加工刀具的产量约占刀具产品总产量的 71.38%，产值约占刀具产品总产值的 45.52%。由于孔加工条件苛刻的缘故，孔加工刀具的技术发展要比车、铣类刀具迟缓一些，许多机械加工部门至今仍采用高速钢麻花钻。近些年来，随着中、小批量生产越来越要求生产的高效率、自动化以及加工中心的飞跃发展与普及，也促进了孔加工刀具技术有所发展。86 中国七类刀具内部构成 85 日本七类刀具内部构成图 1 中日
2、七类刀具产值内部构成1.高速钢孔加工刀具高速钢孔加工刀具仍是孔加工刀具中的主要部分。据原民主德国 85 年的统计资料，高速钢钻镗削刀具的产值占所有钻镗削刀具产值的 79.8%，而硬质合金钻镗削刀具占 20%，陶瓷刀具和超硬材料刀具各占 0.1%。图 2 日本高速钢刀具产值图示1.1 高速钢麻花钻高速钢麻花钻至今仍是金属切削刀具中使用量最大的刀具之一。例如，在德国机械加工中每年约消耗 5000 万支麻花钻，这些麻花钻的直径绝大部分为 614mm。而我国的高速钢麻花钻年产量已达到 3 亿支，年产值约占刀具产品年总产值的 36%。高速钢麻花钻在生产中已应用了几十年，其基本形状没有改变。麻花钻在钻削过
3、程中存在的问题是：主切削刃上各点处前角值相差十分悬殊；横刃长，轴向力大；钻头各处切削速度不同；刃带后角为零与孔壁产生摩擦，加快磨损等。为此，必须针对这些问题改进，但彻底消除是困难的。从目前情况看，主要改进有：1.1.1 加大螺旋角为了能适应被切削材料的特性和高效率生产线的节拍，一些新设计的麻花钻选用较高的切削速度(4050m/min) 。加大螺旋角的抛物线型麻花钻(美国 Bendix 称为抛物线钻，英国 Dormer 称为螺杆式钻头，德国 Guehring 称为 GT 钻，我国上海工具厂、江西量具刃具厂等也称为抛物线钻)正是适应了这样的需要。其主要特性是：(1)大螺旋角(通常为 3545)及大
4、顶角，从而增大了钻头前角，使其切削锋利；(2)大容屑空间，使其出屑流畅；国内外孔加工刀具发展概况研究2(3)较大的钻头芯厚，使其刚性增强；(4)采用“十”字刃磨法或 “S”型刃磨法修磨横刃，使其横刃缩短，定心及钻芯处前角得到改善，切削轻快，轴向力小，可一次进刀加工出相当深度的孔，提高了工作效率，它比传统钻头具有显著的优越性。Guehring 的 GT 钻分为 GT50、GT100 两种，其中 GT50 用于钻削能形成长切屑的软材料，如铝、铝合金、锌、铜、木材等；而GT100 则用于钻削硬度在 31HRC 以下的钢材及铸铁。1.1.2 改善横刃工作条件由于麻花钻横刃处轴向力很大，改善横刃工作条件
5、受到各方面的普遍重视。改善的方法主要有两种：重视改进刃磨法钻尖刃磨类型主要有六种即普通刃磨法、螺旋刃磨法、综合刃磨法、三重面刃磨法、十字刃磨法和圆弧刃磨法。实验证明：螺旋刃磨法位置精度好，十字刃磨适用于较深孔加工，圆弧法易定心。最有发展前途的是十字和圆弧刃磨法。十字刃磨法缩短横刃，减少轴向力，近来在欧美、日本很流行。刃磨过程必须保持两个切削刃的对称性。经试验表明十字刃磨法比普通刃磨法钻头寿命提高一倍，轴向力减少 30%60% ，扭矩减少 13%30% ，排屑顺利，但需加厚钻芯厚度。钻头钻尖的外缘刃带处磨损快，将使锋利的刃口在刀具磨损前的相当一段时间里变成圆弧形，为此发展起圆弧刃磨法。圆弧形钻尖
6、切削图形加长，散热条件好，使得钻头寿命提高；另外修磨了横刃，前角分布合理；钻通孔时很少产生毛刺，飞边现象。关键是刃磨圆弧要求对称，可用手及样板控制圆弧，而美国 INGERSOLL 圆弧形钻尖刃磨机床已研制成功，这对发展圆弧形钻尖有促进作用。图 3 DIN1412 的五种特殊钻尖修磨方法DIN1412 列出了五种特殊的钻尖修磨方法，其中 A 型称为横刃修薄型，B 型称为带切削刃修磨的横刃修薄型，C 型称为分割钻尖型，D 型为切铸铁的双锋角型，而 E 型为钉形钻尖。我国北京航空航天大学根据圆锥面刃磨原理设计了一种型号为 CNC-7DGA 的七坐标数控钻尖刃磨机，在一次装夹一个循环中就可完成磨外刃后
7、面、磨圆弧刃、修磨横刃和磨单边分屑槽等多个步骤，对提高钻尖刃磨的水平，保证钻尖刃磨的质量将有促进作用。选择合理的横刃修磨法为克服横刃处负前角等恶劣的切削条件，减少轴向力，常用修磨横刃的方法来加以解决。现在常用的修磨横刃有S、N、 W、X、S-X 五种。S 型修掉 2/3 横刃，减少轴向力，切屑向上排出。 N 型适于较薄的钻芯，目的使切屑向上排出。W 型(即 DIN1412 中的 B 型)沿全沟进行芯厚减薄，切削性能和对中性较好，刚性则较差。X 型(即 DIN1412 中的 C 型)横刃全修掉，是轴向力减少最多的一种。S-X 型刀尖强度好，切屑易排出，可使加工效率及加工精度有所改善。S N W
8、X S-X图 4 常用的修磨横刃形式1.1.3 改善冷却条件在改善高速钢麻花钻冷却条件方面，除了加大容屑槽使切削液能更顺利地进入切削区外，使用油孔钻成为一个有力的工具。例如，大螺旋角油孔麻花钻最近被广泛用于数控加工中心。为使其性能在使用中得到充分发挥，美国 Cleveland 麻花钻公司近来对油孔麻花钻与普通麻花钻做了大量对比试验，还研究了大进给量与钻头使用寿命及所有切削成本之间的关系。研究结果表明，大螺旋角油孔麻花钻每孔降低的成本可超过 32%。与普通麻花钻相比，它能极大地提高生产率，因而极大地降低了生产成本。而总的成本下降量取决于选择作为进给量函数的刀具寿命。德国 Guehring 公司用
9、普通高速钢和钴高速钢生产油孔麻花钻，槽形有普通型和 GT100 型( 大螺旋角) 等 15 种，普通型的规格为 1050.8mm ，GT100 型的规格为 1135mm，而总规格达到 1216 种。法国 Forecreu 公司采用现代化工艺方法(锻、轧、拉拔、扭转、磨削和热处理等)制造这种获得专利权的带孔圆钢，实现了以工业规模生产带一个或几个螺旋通孔或直线通孔的圆棒高速钢材，为制造油孔钻头提供了半成品。该公司产品的规格为棒料直径 2.265mm，棒料长度 8m。国内外孔加工刀具发展概况研究31.1.4 其它方面圆弧形切削刃钻头TapDie 公司推出获得专利权的的 EX-Gold 圆弧切削刃钻头
10、，其设计独特，切削刃为圆弧形切削刃，钻头后面采用三重面刃磨法，具有很好的切削性能和断屑性能。它在加工中不需要退出钻头就可直接排屑；在精切时精度高，使用寿命长。美国一家飞机制造厂需在一个硬度 3840HRC 的 4340 钢(大致相当于 40Mo)制造的零件上钻削 180 个 13.5mm 的高精度孔，以前采用钴高速钢钻头来加工，为了保证质量和孔的精度，每钻一孔须退出钻头 45 次，生产效率不高，仍出现孔径超差的问题，而且换刀频繁(每把钻头只能钻 3050 个孔) ，增加了辅助时间，影响了使用者的效益。为了克服这主要加工障碍，该飞机制造厂选用 EX Gold 钻头对上述材料进行孔的精加工后，解决
11、了上述钴高速钢钻头所产生的问题，生产效率得到提高，减少了加工成本。经多个用户使用，表明这种新结构钻头是精孔加工的高效钻削工具。双刃带钻头减少刃带处摩擦，发展成双刃带钻头，在第一棱边处磨有付后角,减少摩擦、磨损，避免烧伤，提高寿命和精度。缩短长度，提高刚性NC 机床要求高效率，必然要求钻头高刚性，因而出现缩短钻头长度，加大截面积的短钻头，世界各国相继列入标准，如德国标准 DIN1897 等。1.2 中心钻众所周知，中心孔是保证轴类零件加工精度的基准孔。因为中心孔的 60锥面既是加工时的定位基准，又是以后维修时的基准，因而中心孔是否合适是决定轴类零件加工质量的关键，可见中心孔的加工非常重要。近年来
12、随着机械工业的迅猛发展，对轴类零件中心孔的要求愈来愈高，如在高精度机床上加工出来的零件，其圆度、同轴度要求在 1 2m 范围内，在超精密机床上加工则要求达到 0.20.5m。总之，根据轴类零件的加工要求，中心孔必须达到一定的加工精度和表面粗糙度，60锥面应具有一定的宽度，不能有振纹、毛刺与啃刀等缺陷。中心孔的加工要用到中心钻。我国生产的中心钻主要有三种类型:A 型不带保护锥；B 型带保护锥和 R 型圆弧型，全国年产量达数百万支，使用面广量大，其中主要是 A 型和 B 型两种。1.2.1 普通中心钻结构上存在的不足目前生产中普遍采用的中心钻在结构上存在一些问题，主要是：中心钻的钻孔部分比较长，通
13、常由于加工时切削速度比较低(v10mmin) ，再加上手动进给不均匀及轴的端面不平整等原因，此部分常易折断。用中心钻加工出来的中心孔 60锥面部分宽窄不一，太窄时锥面与顶尖的接触面积小，当切削力较大时会使工件从顶尖孔中滑出，轻则使刀具工件损坏，重则会造成机床或人身事故；而太宽时则容易使工件外形加工成多棱形，表面上产生振纹，增大了加工表面粗糙度，影响到轴类零件的加工精度(如径向跳动、圆度、锥度与同轴度等)。此外，由于中心孔 60锥面的宽窄不一，会造成所加工的一批零件的轴向尺寸长短不一。通常标准中心钻的钻孔部分均留有一定的重磨余量(约 0.40.6mm)，而在生产现场大多数情况下此部分尚未经刃磨即
14、已经折断。为此，有人在使用新中心钻以前即事先将钻孔部分适当磨短后再用。但这也会出现问题，因为如磨得太短,就容易使机床上的顶尖尖端直接碰到中心孔的底部，使顶尖与中心孔的锥面接触不良而导致工件不能正确地定位，使加工出来的轴类零件产生不圆度误差。如将顶尖的尖端部分磨平若干，虽有一些效果，但这样做很不合理，也不符合工艺要求。一般认为，根据零件加工精度的要求，用 23.15mm 的中心钻钻孔时，60锥面宽度以 1.52.5mm 左右较宜。由上可知，普通的标准中心钻由于结构上具有一些不足，再加上使用不当，往往在加工时会影响到中心钻的使用寿命、零件的加工质量、加工效率和加工成本。因此近年来国内外通过科学分析
15、与试验研究，通过改进中心钻的结构来提高其切削性能，提高其使用寿命，改善加工质量。为此发展了若干种新型中心钻，并在应用中取得了良好的效果。1.2.2 圆弧刃中心钻根据普通标准中心钻，特别是小型中心钻的钻孔部分往往太长，当加工较硬或较韧的材料时很易折断的结构特点，圆弧刃中心钻适当减短标准中心钻的圆柱形钻孔部分长度，而适当加大其直径，即可提高中心钻的强度。但圆弧刃中心钻钻出的孔不是圆锥形而是圆弧形，因而它与机床顶尖的接触部分为一个圆或窄的锥圆形带，在轴类零件加工时可提高工件外圆的圆度。当然，圆弧刃中心钻的制造要比较麻烦些。1.2.3 螺旋槽中心钻我国所用的中心钻，容屑槽形状都是直槽结构。这种结构虽然
16、制造方便，但其切削性能并不理想，切屑不易自动排出，刀具使用寿命低。螺旋槽中心钻就可克服这些缺点。国外如美国、德国等工具制造厂均能生产直槽与螺旋槽中心钻，而且制定了标准。对比试验表明，采用螺旋槽中心钻加工时切削轻快，得到银白色带状连续切屑，刀纹清晰，被加工孔壁光亮，刀刃上无崩刃和明显的磨损，在几乎相同的切削条件下，螺旋槽中心钻的耐用度比直槽中心钻提高了 4 倍之多。国内外孔加工刀具发展概况研究4图 5 带球形部中心钻及其中心孔1.2.4 带球形部中心钻带球形部中心钻是国外的改进结构。其中心钻头部由圆柱形钻孔部、球形部与锥部等三部分组成。其特点是：圆柱形钻孔部分长度 l 比普通标准中心钻要短一些，
17、因而具有较高的强度与刚性。该中心钻由于增加了一个扩孔部分，一方面钻出的中心孔锥面宽度较窄，比较合理。特别对精度要求高的轴加工，用标准中心钻加工出中心孔后，还要进行一次扩孔才能达到工艺要求，而用带球形部中心钻钻孔时就不再需要增加这道工序。另一方面，采用此种中心钻时其扩孔长度能保证中心孔顶尖的深度尺寸。用普通标准中心钻加工出来的中心孔由于孔浅、锥面宽，淬硬后中心孔常常难以磨削加工，而带球形部中心孔锥面较窄，改善了中心孔的接触状况。带球形部中心孔由于空间大便于储存润滑油，保证 60锥面得到充分的润滑，以减少摩擦与热量。与标准中心钻相比，有利于提高轴类零件的加工精度。1.3 高速钢铰刀1.3.1 高速
18、钢铰刀主要问题高速钢铰刀在铰孔过程中往往会产生各种各样的误差：如在尺寸与形位方面的误差，铰出的孔会有扩张或收缩现象，存在喇叭口、多棱形孔，加工表面粗糙度大，有波度等等。经分析，造成上述现象的原因大致如下：直槽铰刀的刀齿并未严格地控制在一个圆周上，铰削过程中刀齿上的负荷有周期性变化，切削深度均匀性不一致，在铰削过程中产生颤振，使铰出的孔表面粗糙度变差，而且可能呈多棱形甚至引起“啃刀”等等。制造铰刀时刀齿上存在径向跳动。铰刀在使用一段时间后刀齿磨损，造成刀齿不等高现象。被加工基体材料不均匀，硬度不一致。上道工序所形成孔的质量不高。1.3.2 高速钢铰刀主要改进1.3.2.1 增大容屑空间由于铰孔属
19、于封闭式切削，为了避免切屑堵塞，保证加工孔的表面质量，在铰刀刀齿具有足够强度的前提下，必须要有充分的容屑空间。增大铰刀容屑空间的措施有：适当减小铰削余量。适当增大容屑槽深度。采用折线形或曲线形齿背。适当减少铰刀的齿数。如有的工厂曾将标准铰刀的切削部分前端间隔地磨掉一齿，以增大容屑空间，改善了冷却条件。在后端留有 1/4 的刀齿长度作为修光、校准与导向之用。这祥在加工钢和铸件深孔时可较大幅度地减小加工表面粗糙度并提高铰刀的耐用度。1.3.2.2 采用不等齿距普通铰刀来用等齿距分布制造简单，但只能满足一般加工精度的要求。在铰孔时刀齿如遇到加工材料中硬的质点时，切削力骤增，铰刀会失去平衡而发生振动，
20、在孔壁上压出纵向凹痕。如果采用等齿距分布，每个刀齿遇到硬质点，在原处重复地产生纵向凹痕，使凹痕加深，会使孔壁表面粗糙，甚至成为椭圆形或多棱形。为了提高加工表面质量，可采用不等齿距分布。通常，为了便于制造和测量，采用对顶齿间角相等的不等齿距分布。国外曾推荐一种不等齿距铰刀，如齿数为 6 的，按 45、60与 75不等分距加工，使铰削过程中每个刀齿不会重复切入前一刀齿的切痕，因此所加工孔的精度可达 H5，圆度误差可小到13m，并可减小表面粗糙度，甚至可以代替内孔磨削，因此适合于加工阀门的导向孔，喷射泵的汽缸孔等。1.3.2.3 研制螺旋铰刀普通铰刀铰出的孔圆度误差大，铰削过程不平稳，易产生振动，特
21、别在锥孔铰削时常会产生高频振动，影响到铰孔质量。因此国内外孔加工刀具发展概况研究5国内外纷纷研制发展螺旋铰刀。螺旋铰刀是将普通铰刀的直齿形改进为螺旋齿形，其优点是切削连续，工作过程平稳，可大大改善铰刀的切削性能。采用螺旋铰刀，形成斜角切削，可使切屑顺利排出，铰刀的强度和刚性得到提高，不容易产生崩刃和振动；实际工作前角大，刃口锋利，可避免韧性材料粘结和出现拉毛现象，从而减小了孔壁的表面粗糙度。2.硬质合金孔加工刀具2.1 微型硬质合金整体钻头的发展随着宇航、电子工业、轻工业及医疗器械的发展，促进了整体硬质合金小钻头的发展。微孔钻削常要求具备高达(112)104r/min 的转速。为了提高钻头刚性
22、，这种小钻头多采用韧性高、抗弯强度高的细颗粒的硬质合金材料制成。在结构上，小于 f1mm 的钻头常制成粗柄的，而直径稍大些的，则制成短型整体硬质合金钻头。整体硬质合金小钻头使用时应注意消振、对中、排屑及冷却问题，一般应采用传感器进行监控。如美国麻省理工学院就研制了整体硬质合金小钻头的同位素监控方法。日本东芝钨株式会社的小直径钻头分为 UH(f0.1 0.3mm)、RH(f0.31.65mm)、COS(f16mm)三种系列。苏联 BHNN 也研制了f0.42mm 的粗柄硬质合金钻头，比同种规格的高速钢钻头寿命提高 100 倍。试验说明，用 f0.8 8mm 的直柄硬质合金钻头加工难加工材料和耐热
23、合金材料，效果很好。美国 Amplx 公司发展了电镀金刚石整体小钻头系列产品，可钻削 f0.130.51mm 的小孔。据国外报导，最小的整体硬质合金钻头直径为 f0.020.03mm 。随着印刷电路板向小型、轻型、高密度和高可靠性的要求发展和其用量的日趋扩大，孔的精度也越来越高，孔径越来越小，孔的分布密度越来越大，这样就给这些印刷电路板的微孔加工带来各种困难。作为印刷电路板专用钻头，钻头的材料和形状也要随印刷电路板的种类和孔的深度而改变，一般说来，纸、酚醛树脂印刷电路板或玻璃纤维、环氧树脂印刷电路板切削性能较好，而表面附有铜层的材料对切削性能影响较大。在多层板的情况下，印刷电路板内部有铜层，一
24、般说来，表面铜层的厚度为1835m，内部铜层的厚度为 3570m 。这种铜层对钻头的磨损和折损有很大的影响，铜层越厚，钻头折损率就越高。因而加工多层板要比加工两面附铜板的切削用量小，特别是钻头的直径越小时，为减少钻头的折损，常用改变钻芯厚度和钻槽的比值来增加钻头的横截面积，以提高钻头的刚性。最近开发了新型的 MD 类硬质合金可以减小钻孔时的摩擦，即减少污斑现象，并具有良好的耐磨性和较长的寿命，因此能适应印刷电路板的高速、高效生产的需要。2.2 中等尺寸硬质合金钻头2.2.1 三刃整体硬质合金钻头三刃整体硬质合金钻头特点是：比二刃钻头钻芯厚、强度高，从而补偿了硬质合金韧性差的弱点；刀尖前端形成特
25、殊形状，切削时可自动定心，故不需加工中心孔；因刃多使每转进给量增大(切铝时可达 20m/min)，又可进行高速切削(切铝时最高可达 1000m/min)，从而可大幅度缩短加工时间;加工精度高，尺寸精度达 H9，位置精度为0011mm ，粗糙度 Rz 为 2025m；寿命长：加工合金钢、铸铁和铝合金可分别为 20m 和 80m;重磨容易，不需专门刃磨机。这种钻头适于加工孔深为 3D4D 的下列材料的孔：低合金、钛合金、奥氏体锰钢、硬青铜、高硬度铸铁及硅铝合金等。加工奥氏体锰钢及钛合金时，其切削速度可达 40m/min，加工铝合金切削速度为 130m/min。这种钻头要求机床刚性好，尤其是机床主轴
26、轴承精度和钻夹回转精度必须高。因此，一般用于数控机床或加工中心等。德国Bilz 公司、Hertel 公司、Guehring 公司和 ILIX 公司首先推出这种钻头，继之日本菱高精机株式会社也有产品问世。Bilz 规格为f420mm,Hertel 称为 TF 钻头，规格为 f320mm,Guehring 的 GS200 型规格为 f320mm(分左右两种旋向),ILIX 的规格为f216mm。TF 钻头 SE 钻头 钻头 新钻尖钻头图 6 四种中等尺寸硬质合金钻头2.2.2 S 型硬质合金钻头这种钻头瑞典 Sandvik 称为 Delta-C 钻头，直径为 f312.7mm;日本井田株式会社称为
27、 Diget 钻头；德国 Hertel 称为 SE 钻头，直径范围为 f320mm。这种钻头的特点是经过修磨使得横刃缩短，轴向力减少 50；钻芯附近前角为正值，因此切削锋利;槽形为抛物线型,芯厚度大，刚性强；有两个喷油冷却孔，冷却条件好；圆弧形切削刃和排屑槽形布置合理，便于切屑断裂成小块顺利排出。适于加工难加工材料、高温合金、铬镍铁合金(Inconel 合金) 材料等。一般常用钻孔深度为 3.5D。这种钻头加工精度为 IT9，粗糙度为 Ra1 2m。使用时应保持钻头中心与机床主轴同心度不得大于 0.03m。由于速度比较高，产生热量大，应充分冷却。国内外孔加工刀具发展概况研究62.2.3 强力硬
28、质合金钻头日本住友电气株式会社和三菱金属株式会社均生产这种钻头，前者称为钻头，后者称为钻头。规格为f418mm。分为标准型与短型两种。标准型适于加工深度为 3D4D 的孔，短型适于加工深度为 1.5D 的孔。该钻头可补充可转位与焊接式钻头之间 的空档代替高速钢麻花钻，钻头强度取决于芯厚与沟背比。标准麻花钻的芯厚为直径的 15%23% ，沟背比为(11.3):1，而强力钻头的芯厚为直径的 30%，沟背比为 0.5：1，因此，使截面积增加了约 30%，抗弯强度、扭转强度也相应地提高了约 2 倍。此外，由于控制横刃，钻头的横刃几乎为零，中心部分有前角。为了进一步减少切削力，把切削刃做成圆弧刃，径向前
29、角为正值，而扭矩几乎不变。采用圆弧切削刃与钻头沟槽位置配合很好，使切屑成小圆弧形状，容易折断，排屑流畅，但必须采用耐磨性和强度都比较高的硬质合金材料。这种钻头生产率为高速钢麻花钻的 35 倍。直径越小，提高幅度越大，而直径小于 f16mm 时，效果更显著。但切削刃对称性应严格控制在 0.02mm，孔加工精度为:扩张量不大于 30m，表面粗糙度对于钢和铸铁为 Ra2540m，寿命比高速钢钻头提高 10 倍。2.2.4 无横刃焊接式硬质合金钻头日本三菱金属株式会社、歧阜金属株式会社生产这种被称为新钻尖钻头的产品，规格为 f9.530.5mm，用于加工孔深小于 5D的孔。该钻头的特点是：轴向力小，生
30、产率为高速钢钻头的 510 倍，切削速度为高速钢的 6 倍，进给量为 1.5 倍，孔的扩大量不超过 40m。进给量大于 0.2mm/r 时，切屑更为细小。以新钻尖钻头与其他镶硬质合金刀片钻头作比较，能观察出当工件硬度增加时，新钻尖钻头的平均轴向推力和主轴功率方面比其他镶硬质合金刀片钻头增加较小，工件硬度从 66HRB 增加到104HRB 时，新钻尖钻头的平均轴向推力增加了 25%，而其他镶硬质合金刀片钻头轴向推力则要增加 63%97%。2.3 可转位硬质合金钻头可转位硬质合金钻头在世界上比较盛行，各国在结构形式、刀片形状上各有千秋，使用范围大多在 f16170mm 左右，切削的孔深多数为 3D
31、 以下(浅孔钻) ，特殊的达 8D(深孔钻)。这种钻头效率高于麻花钻 310 倍，采用 TiC 涂层后切削速度可达300m/min。近期对于大尺寸的可转位硬质合金钻头，发展为刀垫式，这样刀体可多次使用，以德国 Hertel 公司、Walter 公司、Komet 公司、Bilz 公司、瑞典 Sandvik 公司等为代表。2.3.1 硬质合金可转位浅孔钻对于直径大于 f12mm、孔深小于 3D 的孔，目前国际上已广泛采用硬质合金可转位刀片制成浅孔钻。这种钻头不仅具有高切削性能，而且无需重磨钻尖。只要更换刀片，钻头体可长期使用。所以很受欢迎，已成为数控钻床和加工中心上的常用钻头。钻前也无须在工件上预
32、钻中心孔，具有自定心能力。瑞典 Sandvik 公司提供的 TMAXU 浅孔钻，其尺寸范围为 f17.558mm。德国 Hertel 公司提供的 Drill-Fix 浅孔钻，其尺寸范围为 f1682mm;德国 KOMET 公司提供的 ABSKUB 浅孔钻，可扩大到 f1282;德国 WIDIA 公司提供的 WIDAXBW 浅孔钻，又可扩大到 f12105mm，而且三家德国公司的浅孔钻均制有冷却液的注入孔，Hertel公司和 KOMET 公司的产品出屑槽又为螺旋形，对排屑极为有利。这种钻头具有很高的金属切除率,对普通碳钢的钻削速度达120150m/min，且具有很高的刚性。另外，德国 WIDIA
33、 公司还提供可转位的浅孔套料钻(一般的最大孔深为 3D，特殊的最大孔深为 5D)，尺寸范围为 f65400mm 。日本东芝钨株式会社生产的 TDJ 型 TAC 浅孔钻，品种有 8 种，可以加工孔径小于 f18mm 的深度小于 2D 的孔，钻杆直径为f25mm。其结构为机夹可转位式，具有内刃与外刃两个刃口。该钻头已向焊接式切钢钻头加工领域扩展，钻头直径为f14175mm。图 7 HTS 系统2.3.2 硬质合金可转位深孔钻60 年代末以来，钻削实心孔的可转位刀片钻头日益增多地出现在市场上。在一般情况下，市场上都能购买到加工大于 f15mm国内外孔加工刀具发展概况研究7孔径的钻头。但是，现有各种可
34、转位刀片钻头大多数不能满足加工孔深大于 3D 的孔，其主要问题是钻头的刚性较差。德国Hertel 公司的 HTSC 是一种新型的孔加工刀具。他们所研制的深孔钻头可用在车床、加工中心和钻床上，钻头在使用时可旋转也可不旋转。装有硬质合金的 HTSC 钻头可采用较高的切削速度，从而较大地减少切削时间。这种钻头主要用来加工直径在 f2045mm 范围内的铸铁件和铝件，钻孔深度可达到 8D。HTS C 钻头是由可拆卸的导向钻头和装有硬质合金可转位刀片的刀头以及螺旋排屑槽刀体三部分所组成。导向钻头在该刀具的结构系统中所起着重要作用，其功能是对刀具导向和钻削孔的中心部分。由于该钻头设计独持，加工深孔时稳定性
35、好，精度高。同时该钻头可任意安装在不同直径的钻柄上使用，有安装方便、重复定位好、调节直径大等特点。大尺寸的可转位硬质合金深孔钻，则属于 HTS 系统。该钻削系统，有一个带 4 个可转位式刀片和小导向钻，使用 4 个可转位式刀片的原因,一是能自动定心，二是能够获得高速切削能力。这个导向钻，甚至在深度为 4D10D 的情况下，都能使钻削头定心。钻削头带有内、外两个刀垫，刀垫上再安装凸三边形可转位式刀片(也可用涂层刀片)冷却液流经钻削头和导向钻，冷却液压力分级可调，以便改善排屑效果。这种钻削系统的尺寸系列是从 f45170mm，中间有 20 种钻削头，并有一系列减细、加长接合件和柄部结构。HTS 和
36、 HTS-C 两种钻头的共同特点是中心装有高速钢钻头，起导向作用，切削速度可达 60120m/min。2.3.3TMAX 钻削头TMAX 是瑞典 Sandvik 公司的钻头牌号，此类钻头带有可转位刀片。TMAX 钻削头用于加工 f65mm 以上的孔，既适合于喷射钻又适合于单管系统。而套料钻是例外，只能在单管系统上使用。钻削头主体由韧性较高的钢制成，带有较大沟槽以有效排屑。支承垫座和刀片座都经精确加工。主体带有方形外螺纹，可用来固定在钻管上。该螺纹通常是多头的，螺距很大，可使螺纹结合部分的压力和扭矩分配均匀，还可避免使用中出现螺纹咬死现象。如果钻削头和钻管的螺纹不同，可用一个接头来加以配合。每个
37、钻削头配有二块支承垫，支承垫为钢制的，有四种尺寸，垫上焊有二条硬质合金。支承垫是圆弧形的，固定在钻头主体的径向座子上,支承垫用螺丝和螺旋弹簧固定，可以调换。支承垫的设计已取得专利，它可在座子里转动以适合加工孔的直径。刀片座有三种不同的设计(每种都适用于二种尺寸的刀片)：中心部分、中间部分和外缘部分刀片座(取决于钻头) 。刀片座由淬火工具钢制造，适用于 TMAX，TMAXS 和 T MAXP 型。可转位刀片是标准的 TMAX，TMAXS 和 TMAXP，用压板或杠杆可靠地固定在刀片座上。图 8 T-MAX 钻削头用不同的刀片座组合起来，可以加工不同的孔径和切削深度。所有的刀片座都带有硬质合金衬垫
38、。刀片类型不同，断屑方式也不同，有的用可拆卸断屑台，有的用烧结在刀片上的断屑槽。进给力集中在钻头中心附近。刀片的切削刃均匀分布在钻头中心二侧，因此切削力可相互平衡，减少了支承垫上的压力和摩擦引起的功率损耗。TMAX 钻削头有以下几种类型：TMAX 实心孔钻削头，加工直径 f65mm 以上:使用 TMAX 钻削头可供喷射钻和单管钻削系统使用，可在均质材料上一次加工出整个孔，并带有较大沟槽以利于排屑。切削刀片分布合理，能控制切屑尺寸，并使切削力得到较好平衡。支承垫可自动调节，并配有不同规格以适应不同的直径。TMAX 套料钻削头，加工直径 f120mm 以上:标准尺寸的 TMAX 套料钻削头，其设计
39、功能就象单管系统，常用来加工 f120mm 以上的大孔。进行套料的原因，是加工此类大孔时，有时因机床功率限制，有时需要中间部分的材料供分析，有时是为了节约。套料钻削头的切削刃是均匀分布的，可使切削力平衡，功率消耗少，切屑也少。切屑沿中心部分材料与钻管之间的缝隙排出。TMAX 扩孔钻削头，加工直径 f65mm 以上。TMAX 扩孔钻削头可用于喷射钻系统也可用于单管系统，可用来把原有的孔、整体钻削的孔或套料加工的孔再扩大。扩孔头上通常只用一块刀片，但若加工余量过大，也可使用多刀片扩孔头。多刀片扩孔头是根据 TMAX 钻削头及其部件而设计的。TMAX 单刀片或多刀片扩孔头的直径可用楔块和径向调节螺钉
40、分别来精确调整。2.4 硬质合金镗刀由于镗孔比铰孔更能保证孔的位置和形状精度，所以在数控机床上广泛使用尺寸可微调和镶装刀头的各种镗刀杆。硬质合金镗刀通常可分为单刃、双刃两种，现在多采用可转位硬质合金刀片制成。2.4.1 硬质合金双刃扩镗刀Walter 公司的硬质合金双刃扩镗刀国内外孔加工刀具发展概况研究8通常是用可转位硬质合金刀片制成的双刃镗刀，具有很高的切削性能。这种镗刀加工普通钢件时切削速度 v 可达100140m/min、切削铸铁时切削速度 v 可达 70 100m/min;单向切深为 410mm；进给量 f=0.250.7mm/r。可见，这种镗刀具有极高的金属切除率，完全摆脱了传统镗削
41、加工的模式，目前已广泛用于镗孔加工。而且由于采用了可调式结构，它又具有很大的柔性。只需配置有限的刀杆就可在一定范围内加工各种尺寸的孔径。如 KOMET 公司提供的 ABSVD90(主偏角 90)及 ABSVD80(主偏角 80)系列双刃镗刀，用 10 种刀杆就可加工 f24215mm 范围内所有的孔，从而大幅度减少了刀具的备置数量。此外该公司还提供另一种 ABSVD 系列的扩镗刀，只要 4 种刀盘就可加工从 f196401mm 范围内的所有的孔。而“epb”公司在 93中国国际机床博览会上展出的双刃内冷却可微调镗刀，最小镗孔尺寸达 f18mm。2.4.2 硬质合金单刃精镗刀为了满足高精度(H7
42、H6 级) 孔的加工要求，应选用单刃精镗刀。 Komet 公司的 ABSFF 系列的单刃微调镗刀 (径向微调)，只要15 种镗刀杆，就能在 f29.5199mm 范围内加工各种尺寸的高精度的孔，而该公司的 ABSFZ 系列的微调镗刀 (斜向微调)，只要 7 种镗刀杆，就能在 f28175mm 范围内加工各种尺寸的高精度孔。切削用量可按下述范围选取：切削速度v80100mmin ；进给量 f=0.070.08mm/r; 单向切深 ap0.150.2mm。以孔径 f9197mm 为例，工件材料为灰铸铁。按上述切削用量加工，孔径偏差可稳定在3m 之内。不仅高于铰孔精度，而且无论从生产效率还是从刀具的
43、耐用度和刀杆的备置量来说，都远远优于铰刀。Microbore 公司生产的一种新型的微调镗刀，不仅能够克服一般微调镗刀调整不够方便，调整部份又存在螺纹间隙，致使难以精确地保证调整精度的缺陷，而且在小直径孔的镗削加工中具有独到之处。该刀具由刀柄、调整装置、镗刀三部份组成，适用于 f30mm 以下孔径的精密镗削，其调整精度为0.005mm ，最大调整范围为 04mm，其特点是刀具的切削部份与调整部份分开。因而刀具切削部份的结构尺寸不受调整装置的限制，从而可方便地实现对小直径孔的精镗加工，并且在调整刀具尺寸时，由于在整个调整范围内的预应力消除了调整结构中螺纹的间隙，因而能精确地实现高精度调整。HELL
44、FEID 在 93中国国际机床博览会上展出的单刃可转位硬质合金镗刀，最小镗孔尺寸达 f4mm。德国 WIDIA 公司使用刀夹的单刃可转位硬质合金镗刀，最小镗孔尺寸为 f27mm;使用可换头部结构的单刃可转位硬质合金镗刀，最小镗孔尺寸为 f40mm。2.5 硬材料铰刀关于铰刀的刀具材料方面，近年来国内很多工具厂已广泛生产整体及焊接式硬质合金铰刀，发展了金刚石和立方氮化硼铰刀。直径较小的常制成整体硬质合金铰刀的结构形式，而直径较大时则依次制成刃部为整体硬质合金及镶焊硬质合金刀片的结构形式。2.5.1 整体硬质合金精密铰刀随着家电工业的发展，冰箱压缩机行业的一些生产线上迫切需要一些形状较复杂、精度较
45、高、制造难度较大的专用刀具，f7.142mm 硬质合金精密铰刀就是其中之一。这种铰刀用于加工冰箱压缩机阀芯上的销孔，该销孔的尺寸要求为在 IT5IT6 之间，表面粗糙度为 Ra0.1m。该铰刀的切削锥较长，在结构上设有前后两个导向部，端面也设有切削刃。该铰刀的尺寸公差仅为 23m，长径比却可达约 25。2.5.2 可涨式铰刀这种可涨式铰刀结构简单，安装调整方便。它的刀体为压铸件，在刀体的圆周上不均匀地焊有 6 12 块硬质合金刀片。刀片焊好后磨削至所需尺寸即可使用。铰削时，切削液从刀杆内部以较高的压力喷出，起到冲刷切屑和润滑冷的作用。铰刀磨损后可通过调整螺母，使锥套迫使可涨式刀体沿径向涨开，即
46、可进行重磨，增加刀具的使用次数，一般刀体的最大涨开量为 5%。这种铰刀的特点是:可改善工件的表面粗糙度并达到相当小的尺寸公差，对于 2D3D 的孔最高可达 IT3IT4;具有良好的重复使用性能，可延长刀具的寿命;可从刀杆上将刀具卸下、调换,并可使用特殊规格的刀具。图 9 可涨式铰刀及其使用瑞士 Dihart 公司生产的这种可涨式铰刀，规格为 f17.6300mm。该公司同时还生产一种称为 DST 材料的可涨式铰刀，它由于摩擦系数小,耐磨性好，在加工钢材时能避免积屑瘤的产生，因此能获得特别好的表面质量。国内外孔加工刀具发展概况研究92.5.3 枪铰枪铰是加工精度较高的深孔刀具。其切削速度、孔的精
47、度、表面粗糙度和切削效率远非一般铰刀可比拟，且钻孔后毋须扩孔或镗孔，一次铰出，铰削余量较多，是一种具有发展前途的刀具。枪铰的基本结构大部为单切削刃、两个导向块；从刀体内部注射冷却液，冲刷切屑和润滑冷却；紧随切削刃后的导向块伸入已加工孔中，起后导向作用。但两导向块的分布形式变化较多，亦有两切削刃和两导向块互为对称分布的。刀刃既有焊接式和机夹式的，也有整体硬质合金的。枪铰无论是单刃的或多刃的，均安置了多个导向块，而且切削刃的刃带比较宽；在切削刃后紧随着导向块，两者的轴向距离相差约为 0.5mm。枪铰的另一特点是前排屑。由杆部后端油孔送入压力较高的切削液射向切削区，既润滑冷却切削热量最高的前面，也冲
48、刷切屑，避免切屑与已加工面的摩擦。由于前排屑，导套与工件端面距离可缩减至极小；又由于刀具外径与导套的间隙很小，因此孔的位置度和精度均较高。枪铰最大的特点是：导向块既具有支承与导向的功能，又起到挤压的作用，因而改善了孔的表面粗糙度。2.5.4 挤压铰刀挤压铰刀可减小被加工孔的表面粗糙度、提高其几何精度。这种铰刀制造简单，造价低廉，操作方便，不需要特殊要求的机床。挤压铰刀过渡刃和其每一个刀齿的前、后角的几何形状都制成圆弧形的过渡曲面，刀具外圆表面粗糙度一致。铰刀外径与普通机用多齿铰刀相似；外径的校准部分不参加切削，在加工时起校准与导向作用。刀片一般用钨钴类或其它耐磨性高的硬质合金，刀柄部分淬硬至
49、3840HRC，刚性较好，能保持与被加工孔可靠的同轴度。由于挤压铰刀是在最后工序精加工时使用，所以在进行最终加工以前对预制孔必须进行一次半精铰，并应根据零件的材质和硬度，严格控制加工余量，铰刀齿形刃带几何形状也要合乎要求。挤压铰刀适用于加工灰铸铁、球墨铸铁等零件，在车床、铣床与镗床上都能运用。铰孔时可以用煤油进行润滑冷却。据试验验证，用挤压铰刀加工出来的孔表面粗糙度可达 Ra0.630.32m，尺寸精度可达到 IT7。瑞典 Sandvik 公司的挤压铰刀采用的是在刀体上安装挤压滚柱的结构。这种挤压铰刀的直径范围为 f4.65127.69mm，孔表面粗糙度可达 Ra0.11m。而且这种铰刀的工作速度高达 25100m/min，进给速度达 150534mm/min。2.5.5 金刚石铰刀随着机械工业的不断发展，对孔加工的要求日益提高，特别是在较
