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鑽頭(zuàntóu)是用以在實體材料上鑽削出通孔或盲孔,並能對已有的孔擴孔的刀具。常用的鑽頭主要有麻花鑽、扁鑽、中心鑽、深孔鑽和套料鑽。擴孔鑽和鍃鑽雖不能在實體材料上鑽孔,但習慣上也將它們歸入鑽頭一類。

1 鑽頭 - 概述

  
鑽頭鑽頭
 麻花鑽是應用最廣的孔加工刀具。通常直徑範圍為0.25~80毫米。鑽頭用以在實體材料上鑽削出通孔或盲孔,並能對已有的孔擴孔的刀具。常用的鑽頭主要有麻花鑽、扁鑽、中心鑽、深孔鑽和套料鑽。擴孔鑽和鍃鑽雖不能在實體材料上鑽孔,但習慣上也將它們歸入鑽頭一類。

2 鑽頭 -種類

鑽頭鑽頭
 1、麻花鑽
它主要由 工作部分和柄部構成。工作部分有兩條螺旋形的溝槽,形似麻花,因而得名。為了減小鑽孔時導向部分與孔壁間的摩擦,麻花鑽自鑽尖向柄部方向逐漸減小直徑呈倒錐狀。麻花鑽的螺旋角主要影響切削刃上前角的大小、刃瓣強度和排屑性能,通常為25°~32°。螺旋形溝槽可用銑削、磨削、熱軋或熱擠壓等方法加工,鑽頭的前端經刃磨后形成切削部分。標準麻花鑽的切削部分頂角為118,橫刃斜角為40°~60°,后角為8°~20°。由於結構上的原因,前角在外緣處大、向中間逐漸減小,橫刃處為負前角(可達-55°左右),鑽削時起擠壓作用。為了改善麻花鑽的切削性能,可根據被加工材料的性質將切削部分修磨成各種外形(如群鑽)。麻花鑽的柄部形式有直柄和錐柄兩種,加工時前者夾在鑽夾頭中,後者插在機床主軸或尾座的錐孔中。一般麻花鑽用高速鋼製造。鑲焊硬質合金刀片或齒冠的麻花鑽適於加工鑄鐵、淬硬鋼和非金屬材料等,整體硬質合金小麻花鑽用於加工儀錶零件和印刷線路板等。 
2、扁鑽
扁鑽的切削部分為鏟形,結構簡單,製造成本低,切削液輕易導入孔中,但切削和排屑性能較差。扁鑽的結構有整體式和裝配式兩種。整體式主要用於鑽削直徑0.03~0.5毫米的微孔。裝配式扁鑽刀片可換,可採用內冷卻,主要用於鑽削直徑25~500毫米的大孔。 
3、深孔鑽
深孔鑽通常是指加工孔深與孔徑之比大於 6的孔的刀具。常用的有槍鑽、BTA深孔鑽、 噴射鑽、DF深孔鑽等。套料鑽也常用於深孔加工。 
4、擴孔鑽
擴孔鑽有3~4個刀齒,其剛性比麻花鑽好,用於擴大已有的孔並提高加工精度和光潔度。 
5、鍃鑽
鍃鑽有較多的刀齒,以成形法將孔端加工成所需的外形,用於加工各種沉頭螺釘的沉頭孔,或削平孔的外端面。 
6、中心鑽
中心鑽供鑽削軸類工件的中心孔用,它實質上是由螺旋角很小的麻花鑽和鍃鑽複合而成,故又稱複合中心鑽。

3 鑽頭 -結構

鑽頭鑽頭
 鑽頭進行切削作用的是它的頭部,它的切削刃部分和橫刃作為刀具在起作用。為使切削部分的圓錐面不碰到工件而帶有后角,后角的值,要根據工件材料適當加以選擇。 
1、橫刃 
橫刃部分的鋒利性很差。大直徑的鑽頭鑽心作得比較粗,橫刃也就大,另外,經橫刃修磨得鑽頭在重磨時,橫刃又會變大。為增加鋒利性,或恢復與修磨初期相同得鋒利性,需要進行橫刃修磨。 
2、刃帶 在以加工過的孔壁內進行導向,而使加工可以正確地進行。但這種場合若與孔壁的摩擦大時,鑽頭會過熱,動力的消耗也會過大。所以,通常從鑽頭的頭部向著柄部帶有極小的錐度,把它叫做倒錐,大約每 100 毫米為 0. 04 ~ 00.1 毫米左右。
3、螺旋槽 
是為排出切屑而設置的,它的大小應該使切屑順利地排出,並應帶有螺旋角。其溝槽的螺旋角,應工件的材料的種類不同而異。對硬的材料,角度要小,對軟的材料,角度要大。加工鋼鐵用的普通鑽頭,螺旋角大約為 30 度。 
4、鑽頭的頂角 
鑽頭的頂角小時,雖然切入工件比較容易,但是它的缺點是由於切削刃變長,所需的動力增加,以及切削刃的前角減小,壽命縮短。因此,頂部尖的鑽頭用在軟質材料的孔加工中。通常對一般鋼鐵材料,頂角用 120 度左右。

4 鑽頭 -安裝拆卸

鑽頭鑽頭
 適用於各種鑽機鑽頭的安裝與拆卸。安裝拆卸方便可靠。
1、鑽頭安裝
緩慢起吊鑽頭盒體,將鑽頭盒體的四個支腿對應放入鑽機轉盤的四個孔內,根據鑽頭的規格選用相應的鑽頭盒芯板,起吊鑽頭盒芯板放入鑽頭盒體內然後將要安裝的鑽頭凹槽與鑽頭盒芯板的凸尖對應,將鑽頭放入鑽頭盒內,鑽頭即卡放在轉盤心。然後依次旋上鑽頭連接螺母鑽桿。 
2、 鑽頭拆卸
起吊鑽桿(附鑽頭),將鑽頭盒體如①條要求與轉盤連接,起吊鑽桿緩慢使鑽頭凹槽與鑽頭盒芯板的凸尖對應,將鑽頭卡在鑽頭盒內,依次退去鑽桿、鑽頭。

5 鑽頭 -鑽削步驟

1、確定進給速度:進給速度一般是憑經驗,從數值上講一般0.08-0.12mm/轉,或者0.6-1.0mm/秒,進給速度是在鑽孔時比較關鍵的要素,不同的進給量可以形成不同的鐵屑,不同的的鐵屑會使排屑性能產生變化
2、定位:在需要鑽孔的位置中心鏨打一定位點或用合金針劃上「十」字線,以確保鑽孔位置的精度。注意,用中心鏨打定位點時,請確保中心鏨垂直於加工工件表面,以免影響切削料芯的順利排出。
3、開始鑽孔:請調好合適的轉速,開機前請確保鑽機磁座底部乾淨,先打開磁座開關再打開電機開關,電機運轉同時打開冷卻液開關,當鑽頭接觸鋼板時,先緩慢進給,鑽入約1-2mm后,再用正常速度進給。
4、鑽孔結束:關閉電機待主軸停止轉動后,用鐵鉤除雲纏繞在鑽本體上的鐵屑,再繼續作業。 

6 鑽頭 -維護保養

鑽頭鑽頭
 1、在鑽削鋼件時,請保證充分的冷卻量並使用金屬切削液。
2、良好的鑽桿鋼性與導軌間隙能提高鑽孔的精度及鑽頭的壽命
3、請確保磁座與工件之間的平整與清潔。
4、鑽薄板時,要將工件加固,鑽大型工件時,請保證工件的穩固 。
5、在鑽孔開始與結束時,進給量應降低1/3 。
6、對鑽削時出現大量細小粉末的材料,如鑄鐵、鑄銅等,可以不使用冷卻液,而採用壓縮空氣幫助排屑。
7、請及時清除纏繞在鑽體上的鐵屑,以保證排屑順暢 。

7 鑽頭 -使用方法

鑽頭鑽頭
 1、鑽頭應裝在特製的包裝盒裡,避免振動相互碰撞。 
2、使用時,從包裝盒裡取出鑽頭應即裝到主軸的彈簧夾頭裡或自動更換鑽頭的刀具庫里。用完隨即放回到包裝盒裡。 
3、測量鑽頭直徑要用工具顯微鏡等非接觸式測量儀器,避免切削刃與機械式測量儀接觸而被碰傷。 
4、某些數控鑽床使用定位環某些數控鑽床則不使用定位環,如使用定位環的其安裝時的深度定位一定要準確,如不使用定位環其鑽頭裝到主軸上的伸長度要調整一致,多主軸鑽床更要注意這一點,要使每個主軸的鑽孔深度要一致。如果不一致有可能使鑽頭鑽到檯面或無法鑽穿線路板造成報廢。 
5、平時可使用40倍立體顯微鏡檢查鑽頭切削刃的磨損。 
6、要經常檢查主軸和彈簧夾頭的同心度及彈簧夾頭的夾緊力,同心度不好會造成小直徑的鑽頭斷鑽和孔徑大等情況,夾緊力不好會造成實際轉速與設置的轉速不符合,夾頭與鑽頭之間打滑。 
7、定柄鑽頭在彈簧夾頭上的夾持長度為鑽柄直徑的4~5倍才能夾牢。 
8、要經常檢查主軸壓腳。壓腳接觸面要水平且與主軸垂直不能晃動,防止鑽孔中產生斷鑽和偏孔。 
9、鑽床的吸塵效果要好,吸塵風可降低鑽頭溫度,同事帶走粉塵減少摩擦產生高溫。 
10、基板疊層包括上、下墊板要在鑽床的工作台上的一孔一槽式定位系統中定位牢、放平。使用膠粘帶需防止鑽頭鑽在膠帶上使鑽頭粘附切屑,造成排屑困難和斷鑽。 
11、訂購廠商的鑽頭,入廠檢驗時要抽檢其4%是否符合規定。並100%的用10~15倍的顯微鏡檢查其缺口、擦傷和裂紋。 
12、鑽頭適時重磨,可增加鑽頭的使用和重磨次數,延長鑽頭壽命,降低生產成本和費用。通常用工具顯微鏡測量,在兩條主切削刃全長內,磨損深度應小於0.2mm。重磨時要磨去0.25mm。普通的定柄鑽頭可重磨3次,鏟形頭(undercut)的鑽頭可重磨2次。翻磨過多其鑽孔質量及精度都會下降,會造成線路板成品的報廢。過度的翻磨效果適得其反。 
13、當由於磨損且其磨損直徑與原來相比較減小2%時,則鑽頭報廢。 
14、鑽頭參數的設置在一般情況下,廠商都提供一份該廠生產鑽頭的鑽孔的轉速和下速的參數表,該參數僅僅是參考,實際還要工藝人員經過實際使用得出一個符合實際情況的鑽頭的轉速和下速參數,通常實際參數與參考的參數有區別但是相差不會太多。

8 鑽頭 -安全規程

 1、 在操作時,請穿戴好工作服,安全眼鏡、安全帽等;請不要穿戴鬆散的衣服和紗手套,以免發生危險。
2、 為防止鐵屑將手划傷,鑽孔時請使用鐵鉤來清除鐵屑。 
3、 使用前,請檢查鑽頭是否有傷痕,如有傷痕請不要使用。 
4、 如果鑽頭被卡住,請立即關閉電機 。
5、 更換、拆卸鑽頭時,應確保設備電源處於斷開狀態。 
6、 在鑽頭旋轉時,請不要用手觸摸,以免發生危險 。
7、 鑽頭刃部非常堅硬,但也很脆,請小心保護,如果鑽頭崩刃會影響鑽孔效果,也可引起鑽頭斷裂。

9 鑽頭 -刃磨技巧

鑽頭鑽頭
 1、刃口要與砂輪面擺平。
磨鑽頭前,先要將鑽頭的主切削刃與砂輪面放置在一個水平面上,也就是說,保證刃口接觸砂輪面時,整個刃都要磨到。這是鑽頭與砂輪相對位置的第一步,位置擺好再慢慢往砂輪面上靠。
2、鑽頭軸線要與砂輪面斜出60°的角度。
這個角度就是鑽頭的鋒角,此時的角度不對,將直接影響鑽頭頂角的大小及主切削刃的形狀和橫刃斜角。這裡是指鑽頭軸心線與砂輪表面之間的位置關係,取60°就行,這個角度一般比較能看得准。這裡要注意鑽頭刃磨前相對的水平位置和角度位置,二者要統籌兼顧,不要為了擺平刃口而忽略了擺好度角,或為了擺好角度而忽略了擺平刃口。
3、由刃口往後磨後面。
刃口接觸砂輪后,要從主切削刃往後面磨,也就是從鑽頭的刃口先開始接觸砂輪,而後沿著整個后刀面緩慢往下磨。鑽頭切入時可輕輕接觸砂輪,先進行較少量的刃磨,並注意觀察火花的均勻性,及時調整手上壓力大小,還要注意鑽頭的冷卻,不能讓其磨過火,造成刃口變色,而至刃口退火。發現刃口溫度高時,要及時將鑽頭冷卻。
4、鑽頭的刃口要上下擺動,鑽頭尾部不能起翹。
這是一個標準的鑽頭磨削動作,主切削刃在砂輪上要上下擺動,也就是握鑽頭前部的手要均勻地將鑽頭在砂輪面上上下擺動。而握柄部的手卻不能擺動,還要防止后柄往上翹,即鑽頭的尾部不能高翹於砂輪水平中心線以上,否則會使刃口磨鈍,無法切削。這是最關鍵的一步,鑽頭磨得好與壞,與此有很大的關係。在磨得差不多時,要從刃口開始,往後角再輕輕蹭一下,讓刃後面更光潔一些。
5、保證刃尖對軸線,兩邊對稱慢慢修。
一邊刃口磨好后,再磨另一邊刃口,必須保證刃口在鑽頭軸線的中間,兩邊刃口要對稱。有經驗的師傅會對著亮光察看鑽尖的對稱性,慢慢進行修磨。鑽頭切削刃的后角一般為10°-14°,后角大了,切削刃太薄,鑽削時振動厲害,孔口呈三邊或五邊形,切屑呈針狀;后角小了,鑽削時軸向力很大,不易切入,切削力增加,溫升大,鑽頭髮熱嚴重,甚至無法鑽削。后角角度磨的適合,鋒尖對中,兩刃對稱,鑽削時,鑽頭排屑輕快,無振動,孔徑也不會擴大。
6、兩刃磨好后,對直徑大一些的鑽頭還要注意磨一下鑽頭鋒尖。
鑽頭兩刃磨好后,兩刃鋒尖處會有一個平面,影響鑽頭的中心定位,需要在刃後面倒一下角,把刃尖部的平面盡量磨小。方法是將鑽頭豎起,對準砂輪的角,在刃後面的根部,對著刃尖倒一個小槽。這也是鑽頭定中心和切削輕快的重要一點。注意在修磨刃尖倒角時,千萬不能磨到主切削刃上,這樣會使主切削刃的前角偏大,直接影響鑽孔。
當然,磨鑽頭沒有一定的定式,需要在實際操作中積累經驗,通過比較、觀察、反覆試驗,定會把鑽頭磨得更好。 

10 鑽頭 -應用

鑽頭鑽頭
 1 、麻花鑽結構特點
麻花鑽是最常用的孔加工刀具,此類鑽頭的直線型主切削刃較長,兩主切削刃由橫刃連接,容屑槽為螺旋形(便於排屑),螺旋槽的一部分構成前刀面,前刀面及頂角(2Ø)決定了前角g的大小,因此鑽尖前角不僅與螺旋角密切相關,而且受到刃傾角的影響。 橫刃斜角y是在端面投影中橫刃與主切削刃之間的夾角,y的大小及橫刃的長短取決於靠鑽芯處的后角和頂角的大小。當頂角一定時,后角越大,則y越小,橫刃越長(一般將y控制在50°~55°範圍內)。
2 、麻花鑽受力分析
麻花鑽鑽削時的受力情況較複雜,主要有工件材料的變形抗力、麻花鑽與孔壁和切屑間的摩擦力等。鑽頭每個切削刃上都將受到Fx、Fy、Fz三個分力的作用。在理想情況下,切削刃受力基本上互相平衡。其餘的力為軸向力和圓周力,圓周力構成扭矩,加工時消耗主要功率。麻花鑽在切削力作用下產生橫向彎曲、縱向彎曲及扭轉變形,其中扭轉變形最為顯著。扭矩主要由主切削刃上的切削力產生。經有限元分析計算可知,普通鑽尖切削刃上的扭矩約佔總扭矩的80%,橫刃產生的扭矩約佔10%。軸向力主要由橫刃產生,普通鑽尖橫刃上產生的軸向力約佔50%~60%,主切削刃上的軸向力約佔40%。 以直徑D=20mm麻花鑽為例,在其它參數不變情況下改變鑽芯厚度,從其剛度變化曲線可以看出,隨著鑽芯直徑d增加,剛度Do增大,變形量減小。
由此可見,鑽芯厚度增加明顯增加了麻花鑽工作時的軸向力,直接影響刀具切削性能,且刀具剛度的大小對加工幾何精度也有影響。 由於普通麻花鑽的橫刃為大負前角切削,鑽削時會發生嚴重擠壓,不僅要產生較大軸向抗力,而且要產生較大扭矩。對於一些厚鑽芯鑽頭,如拋物線鑽頭(G鑽頭)和部分硬質合金鑽頭(其特點之一是將鑽芯厚度由普通麻花鑽直徑的11%~15%加大到25%~60%)等,其剛性較好,鑽孔直線度好,孔徑精確,進給量可加大20%。但鑽芯厚度的增大必然導致橫刃更長,相應增大了軸向力和扭矩,這樣不僅增加了設備負荷,而且會對加工幾何精度產生較大影響。此外,由於橫刃與工件的接觸為直線接觸,當鑽尖進入切削狀態時,被加工孔的位置精度和幾何精度難以控制。因此,在加工過程中為防止引偏,往往需要用中心鑽預鑽中心孔。 
為解決上述問題,一般採用在橫刃兩端開切削槽的方法來減小橫刃長度,減輕擠壓,從而減小軸向力和扭矩。但在實際加工中,鑽尖的負前角切削和直線接觸方式定心性能差的問題並未從根本上得到解決。為此,人們一直在對鑽尖形狀進行不斷研究和改進,S刃鑽尖就是解決這一問題的較好方法之一。 
3 S刃鑽尖的分類及特點S刃鑽尖也稱為溫斯陸鑽尖,從端面投影看,其橫刃為S形。從正面投影可看到鑽尖中部略鼓,呈拋物線冠狀。由於S刃鑽尖為曲線刃,鑽尖進入切削的瞬時與工件為點接觸,因而自定心性及穩定性均優於普通麻花鑽,軸向力降低,切削性能改善,鑽頭壽命延長,被加工孔質量顯著提高,孔的位置精度和幾何精度00令人滿意,鑽削進給量和進給速度進一步提高。根據拋物線冠狀和橫刃形狀,S刃鑽尖基本上可分為三種類型,即高冠S刃、低冠S刃和低冠小S刃。 
鑽頭鑽頭
 1)高冠S刃鑽尖 
高冠S刃鑽尖以美國吉丁斯•路易斯鑽頭磨床修磨的溫斯陸(Winslow)鑽尖為代表。該機床附設了一套特殊的凸輪機構,修磨出的S刃鑽尖切削部分(L0)較長,S刃冠狀曲率較大。特點:由於S部分較高(L0較長),基本消除了負前角,甚至可實現正前角切削,所以不必另加橫刃切削槽。修磨效率高,適於修磨厚鑽芯刀具。但鑽尖尖端部分相對薄弱,強度較差,不適合高速加工高硬度工件。鑽尖材質需採用具有較好韌性的材料(如高速鋼類)。 
2)低冠S刃鑽尖 
低冠S刃鑽尖以德國五軸磨床(由瑞士Numroto配備編程軟體)修磨的鑽尖為代表。鑽尖切削部分(L0)較短,S刃冠狀曲率較小。從端面投影方向可看出橫刃為大S形,中間局部可為一小段直線,橫刃部分有兩個小槽,可減小鑽尖部分的負前角。 特點:因切削部分(L0)相對較短,鑽尖尖端及主切削刃強度較好;由於鑽尖S刃冠狀曲率小,因此自定心性及穩定性均優於高冠S刃鑽尖。開橫刃前角后,鑽削性能明顯改善,既保留了高冠S刃鑽尖的優點,又提高了鑽尖尖端的強度。適用於加工較硬材料的工件(如鋼件、鑄鐵件等)。鑽頭材質可採用高速工具鋼、硬質合金或其它高硬度材料。此類鑽頭的修磨較複雜,要求較高。 
3)低冠小S刃鑽尖
 此類鑽尖形狀與高冠S刃鑽尖較類似,其橫刃也為小S形,鑽尖頂角(2Ø)較上述兩類鑽尖更大,主切削刃短(L0相對較短),冠狀曲率較小。 特點:因主切削刃較短,因此加工中的扭矩較小;由於主切削刃強度高、冠狀曲率小,因此自定心性和穩定性均比高冠S刃鑽尖好。另外,小S刃鑽尖無負前角產生,因此不需在橫刃處加槽,既控制了軸向力,又減小了扭矩,可極大地改善切削性能。適於修磨高硬度材料(如硬質合金類)小螺旋角鑽頭。
4 S刃鑽尖的修磨S刃鑽尖形狀複雜,修磨難度大,很難用手工或普通鑽頭磨床修磨出理想的刃形,一般需要使用具有特殊凸輪機構的鑽頭磨床或數控磨床才能實現精確修磨。將被修磨鑽頭水平裝夾於A軸,修磨時錐形砂輪與刀具切削刃接觸后,B軸在XZ平面內轉動,A軸聯動(按后刀面螺旋升程要求旋轉);同時,砂輪相對於刀具在Y軸方向下降,形成螺旋后刀面和S形橫刃。
鑽尖的冠狀高由圓錐砂輪(錐度為30°~60°)修磨出的圓弧大小以及螺旋面的升程率決定,升程率增大時冠狀高減小,圓弧越大冠狀凸起越高。此外,冠狀高及S曲線的半徑與鑽芯厚度直接相關。 修磨低冠S刃鑽尖時,為改善切削性能,可用75°角砂輪在鑽尖處開出兩個小槽,並使其角度與S兩半圓間的連線基本平行,這樣既可保持主切削刃的強度,又可減小S刃中部產生的負前角,使冠狀拋物線中部刀刃的前角等於零或小於零(r≥0)。 與普通麻花鑽一樣,S刃鑽尖的頂角也非常重要,鑽尖頂角修磨範圍一般在90°~135°之間。
5 S刃鑽尖的應用實例我們將S刃鑽尖修磨技術應用於發動機連桿小頭孔的加工中,取得了良好效果。 工藝設計:20序:鑽孔Ø17+0.07mm,機床轉數:200r/min,切削速度10.68mm/min,走刀量0.45mm/r。鉸孔Ø17.5+0.05mm。 用Ø17mm普通麻花鑽鑽孔時,由於鑽頭自定心性能及鑽削穩定性差,鑽出的孔徑經常達到或超過Ø17.5mm,致使產品報廢,操作者只好手工修磨鑽尖,但修磨質量很不穩定。 我們將鑽頭修磨成頂角118°、軸向後角7°、圓周后角6°的低冠大S刃鑽尖,S刃半徑為1.5mm,兩半圓連線長度為0.5mm,並在橫刃處用80°圓錐砂輪開出兩槽,使冠狀前角大於或等於零,這樣既可保證刀具主切削刃所需強度,又避免了負前角切削產生的擠壓現象,減小了鑽削軸向力,改善了切削性能。加工實踐證明,使用該鑽頭不僅有效控制了孔的幾何精度,而且生產效率顯著提高,廢品率大大下降。
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