微型鑽頭

直徑小於3.175mm的鑽頭，通常稱為微型鑽頭，簡稱微鑽。要使微鑽在使用中發揮高效率，必須考慮一系列因素：如鑽頭本身的各項要素、加工參數、孔深、安裝的完善性及工件的結構等。

基本介紹

• 中文名：微型鑽頭
• 直徑：小於3.175mm
• 簡稱：微鑽
• 作用：提高深孔加工的生產率

難度

要把這些相互影響又對鑽削過程十分敏感的因素處理好，需要有科學的創新精神。Guhring(美國)公司的市場部經理Mark Megal說：“在很多場合，使用微鑽你得邊琢磨邊乾。”儘管工具製造商已經在微鑽的材料和幾何參數方面完成了很多開發，不需要每件事都從頭試驗，但是要把鑽削過程中諸多因素都加以很好控制，仍然不是一項簡單的工作。

長徑加大

材料選擇

眾所周知，鑽頭的長度和直徑之比越大，其彎曲傾向增加。減小長徑比，可以減小撓曲力，從而避免鑽頭折斷和孔徑誤差加大。較深的孔要求鑽頭有較大的長徑比。通常孔深超過3倍直徑就是“深孔”，而微鑽的孔深一般都要超過這個限度。

如直徑為3.175mm的鑽頭加工孔深31.75mm的孔，長徑比達10:1；而直徑為0.508mm的鑽頭加工孔深25.4mm的孔，其長徑比達到50：1。所以，隨著鑽頭直徑減小和脆性的增加，撓曲便成為產生很多問題的根源。而控制鑽頭的脆性，就要在刀具基體的硬度和韌性之間加以權衡。

一般說來，高速鋼鑽頭容許有一定的撓度並能承受相應的彎曲力，但是，高速鋼具有的這種彈性變形能力和較低的硬度，也使其耐磨性降低，從而限制了刀具的壽命。而硬質合金則具有高剛性和高硬度，所以能使刀具壽命較長、加工精度較高。

M.A.Ford製造公司的鑽削生產部經理Joe Kueter指出，硬質合金的高耐磨性使其製成微鑽後速度達到高速鋼的3倍，且壽命也能提高；同時，硬質合金的高剛性有助於正確定位和保持孔的尺寸。

局限

然而，硬質合金也不是萬能的，剛性高會使其容易崩裂。Guhring公司的現場銷售工程師Peter Jones指出，用M35鈷高速鋼做微型鑽頭，可以在硬質合金和普通高速鋼(M2、M7)之間取得較好的折衷。他說：“切削時在孔中產生熱，加上刀具的輾壓，使切削刃變鈍，並劃出溝道，最終導致工具損壞。而較高的含鈷量，使M35的抗熱性增加，並能較長時間保持刀刃鋒利。”

此外，硬質合金鑽頭需要仔細地安裝和使用，精確的同心度特別重要，因為不同心造成的側向負荷會導致鑽頭崩裂。

建議

三菱金屬材料(美國)公司的銑削和鑽削部高級生產經理Larry Brenner建議：應儘量在鑽頭旋轉的工具機(如加工中心)上使用微鑽，他指出，加工中心的主軸能給予鑽頭正確的中心線定位，而車床上工件的偏心會導致鑽頭撓曲。因此，假如在車床上使用微鑽，則必須把每個影響同心度的因素事先調整好，特別對硬質合金鑽頭更要注意，因其不能適應彎曲變形。

假如在車床上使用微鑽，最好把刀具轉塔的安裝孔重新鏜一刀，並且使用可調式鏜孔刀夾，以便把鑽頭和工件的同心度調至最佳狀態。

Brenner進一步指出，要把刀夾的跳動降至最小限度。為此，應首選熱縮性刀夾，其次是液壓刀夾。要求刀夾套筒端面處的最大跳動值在0.005～0.0076mm範圍內。

消除定心誤差

任何鑽頭工作時，開始幾轉至關重要。因為開始切削時，鑽頭承受偏心力。此外，工件表面的不規則形狀會引起橫向滑步，導致刀具彎曲、折斷，或者至少是增大孔的偏差。

對於直徑3mm以下的鑽頭，三菱公司建議先用剛性好的定心鑽打一個深度為1～2倍直徑的初始孔。定心鑽的鑽尖頂角應等於或大於最終鑽孔的微鑽頂角。若定心鑽的頂角較小，則隨後微鑽切入時，兩切削刃比頂尖先接觸工件，容易引起崩刃。

如果不用定心鑽，則可採用這樣的方法：使微鑽開始切入時的進給量遠低於隨後的正常進給量。例如鑽頭直徑1.613mm，孔深12.7mm，正常進給量規定為0.0508mm/r，開始用0.0127mm/r的進給量推進0.254mm，也可推進到刃帶開始接觸工件，然後再轉為正常進給。這種辦法同樣可防止鑽頭滑步。

Brenner指出，微鑽使用中的另一挑戰是要儘量提高轉速，以發揮生產潛力，但就最大轉速規範而言，鑽頭往往走在工具機的前面。有的工具機在其最高轉速下運行，仍未達到微鑽的最佳切削速度。例如直徑為1mm的鑽頭，切削速度達到91.44m/min，要求工具機主軸轉速達到28000r/min。

被加工材料的硬度，對於確定微鑽切削速度和進給量的初始推薦值有很大影響。例如，M.A.Ford公司推薦：用直徑為1.32mm的整體硬質合金鑽頭加工1018低碳鋼(20HRC)時，其切削速度選用91.44m/min，進給量選用0.038mm/r。但是該鑽頭加工塑膠和合成材料時，切削速度可達198.12m/min，進給量達0.127mm/r。加工難加工材料(如鎳基合金、鈦合金)時，切削速度僅為15.24～18.29m/min，進給量僅為0.0305mm/r。

分步鑽孔序列

通常，鑽削微型深孔採用分步鑽孔序列，即周期性退出鑽頭，以便折斷切屑，防止堵塞。分步鑽孔也有助於防止在孔底持續擠壓，這一點在加工冷作硬化材料時尤為重要。

Brenner指出，一般認為分步切削就得把鑽頭完全退出來，其實不然。若採用中斷進給(幾轉或短時)，同樣可以斷屑。另外，完全退出鑽頭還易產生喇叭口以及將部分切屑留在孔內，所以不得不對其再切削。這些情況都是不希望出現的。

許多問題往往發生在鑽孔深度的最後20%這一段內。Brenner指出，這是因為隨著孔的逐漸加深、切屑排出十分困難的原因所致。具體的解決辦法因工件及材料的狀況而異。套用工程師應按具體情況確定分步切削方案。

談到加工線路板的微鑽，雖然從鑽頭材質和直徑大小來看，同設計用於加工韌性材料的微鑽十分相似，但是，兩者的切削幾何參數卻有很大差異。

M.A.Ford公司的Kueter指出，雖然經過仔細安裝調試，線路板鑽頭也可用於加工較硬的材料，但Ford公司一般不這么做，寧肯精心製備適用於韌性工件材料的專門鑽頭。一個重要的方向是儘量縮短槽長，以提高鑽頭的強度。Kueter還特別說明，用戶要求鑽削25.4mm的深孔，但我們提供的鑽頭槽長不一定要達到25.4mm，一般提供槽長為9.525mm或12.7mm的鑽頭即可。

Kueter指出，有些線路板鑽頭製成所謂“階梯式柄部。”例如，一支直徑為0.1524mm的鑽頭，鑽削孔深為1.524mm，槽全長也製成1.524mm，但鑽頭工作部分直徑不直接從槽尾連線到直徑3.175mm的柄部，而是通過一個0.762mm中間直徑加以過渡。對此Kueter認為，鑽削韌性材料時，鑽頭伸出長度應儘量短，所以加一段過渡直徑的結構是不可取的。

Kueter還指出，從幾何參數的角度來看，線路板鑽頭通常採用較大的螺旋角，溝槽截面尺寸也較其它微鑽薄。而對於加工不鏽鋼和其它難加工材料的微鑽，則採用較小的螺旋角和較厚的溝槽截面尺寸。他還指出，為了減小微鑽上的應力，製成倒錐——直徑向柄部方向減小——是十分必要的。倒錐量一般為0.005～0.127mm。因為鑽頭槽長常小於25.4mm，所以每25.4mm長度上的倒錐通常為0.0127～0.0254mm。Kueter強調，只要鑽孔有深度，就需要倒錐度。特別是對鈦合金等加工中出現“回縮”的材料，若沒有適當的倒錐度，鑽頭將被膠結在孔里。

Kueter介紹了一家用戶為克服鈦合金加工時“回縮”現象的獨特方法：要求工具廠供應的鑽頭鑽尖處徑向跳動處於公差上限，這樣在鑽孔時擴張量較大，工件“回縮”也不至於抱住鑽頭。

內冷卻效果好

實踐證明，採用內冷卻鑽頭對提高深孔加工的生產率十分有效。它的優點不僅在於把切削液直接送到鑽尖處，起冷卻作用，而且還能發揮強制排屑和幫助斷屑的作用。在孔深大於3倍直徑時，採用內冷卻鑽頭加工時其效果更為明顯，但迄今為止，內冷卻鑽頭往往限於直徑3mm以上的鑽頭。

CooL Jet系統公司的全國銷售經理Colin ELdon說，正確使用HPC(高壓冷卻)系統，能極大地提高生產率。他回顧一家用戶的實際例子：鑽頭直徑1.397mm，孔深13.335mm，工件材料為302不鏽鋼。以往採用常規冷卻(壓力為4個大氣壓)，採用鈷高速鋼鑽頭，轉速為1600r/min，單件工時42秒，鑽頭壽命175件。後來採用雙鑽頭加工新工藝：首先，採用三菱公司的MZE型整體硬質合金定心鑽，無冷卻，轉速為6000r/min，進給量0.0254mm/r，定心孔深2.54mm。第二步，採用三菱公司MZS型內冷卻微鑽，轉速9000rpm，進給量0.0203mm/r，分步切削步長1.397mm，冷卻液壓力達102個大氣壓。兩支鑽頭的單件加工工時合計為16.5秒(節省工時60%)，刀具壽命增加到875件。獲得如此巨大的好處，代價僅為每個零件刀具費用提高3.3%。

三菱公司的Brenner介紹，該公司生產直徑1mm至3mm的微鑽，冷卻壓力至少達到68個大氣壓，隨鑽頭上的兩個微小冷卻孔尺寸而變。冷卻孔最小直徑為0.1524mm，用於直徑最小的鑽頭。為了確保充分的冷卻液流量，必須保證有足夠的壓力。對於大尺寸鑽頭，內冷卻孔直徑達到1.524mm，在68個大氣壓下，其冷卻液流量達16.4升/分，而在同樣壓力下，用微鑽鑽削時的冷卻液流量僅為1.89升/分。

三菱公司還建議：冷卻系統應能濾掉尺寸小至5微米的質點；使用的精密過濾套，不論採用內密封還是外密封，應能在68個大氣壓保持密封。並建議採用水溶性冷卻液，帶EP類添加劑，如硫、氯等。由於油的粘度為水的8～10倍，所以不宜採用。

M.A.Ford公司最新生產的內冷卻微鑽系列(最小直徑1mm)，增加了鑽芯增量，這有助於保證鑽頭強度。內冷卻螺旋孔貫穿鑽體，位置可貼近槽的前部或背部。

該公司專注於開發小螺旋角內冷卻鑽頭，因為它有助於切屑排出孔外。Kueter指出，內冷卻鑽頭應能大大減少分步切削次數，在加工冷作硬化型材料如304或316號不鏽鋼時尤其重要。

小孔大挑戰

Starro精密產品公司是一家從事瑞士式螺紋加工和其它加工服務的公司。在內冷卻微鑽的套用方面和M.A.Ford公司有密切合作。該公司的銷售和製造副總裁Lee Dwyer指出：“必須懂得，你所選用的冷卻液和刀具幾何角度能帶來什麼效果。”

Starro公司與眾不同之處就是在某些生產工序上公差保持在±0.005mm。Dwyer指出，現有的鑽削數據，通常都用於鑽頭旋轉的場合，所以Starro公司不得不自行開發許多適用於螺旋工具機和加工中心的微鑽應用程式。Dwyer指出：定心是決竅，必須使工具機處於良好狀態，主軸徑向跳動要小於0.0025mm；內冷卻微鑽的主要優點是可提高刀具壽命和切削速度。與不用冷卻液的硬質合金鑽頭相比，內冷卻鑽頭的刀具壽命提高到3倍，切削速度提高30%，具體隨工件材料而異。

對於長期套用微鑽的場合，對整個切削系統的每一個要素加以最佳化則顯得格外重要。

Kyocera Tycom公司的工業用微型刀具分公司全國銷售經理Tom Krueger指出：對於小批量生產，可使用價格低廉的標準工具。但對於特定產品的大批量生產，生產車間應對整個工序流程進行分析和最佳化。

對於某種特定的工件材料，採用專用的鑽頭、鑽尖幾何參數、槽長、螺旋角以及柄部的直徑和長度，可以獲得最佳的使用效果。若再對使用鑽頭的工具機進行認真分析，將會使生產率進一步提高。

Krueger列舉一個實例：在一台特殊工具機上，用一直徑為0.0381mm的鑽頭加工一種不鏽鋼醫用零件，工件和刀具的轉速均為5000rpm，反向旋轉。由於接受Kyocera Tycom公司建議，對加工過程進行改進，如調整工具機的同心度，結果生產率成倍提高。

實踐證明，要想提高生產率，就得花時間、金錢，加上積極工作。例如Starro公司就在設備和生產工藝過程方面進行了投入，並開展一系列微鑽套用的研究工作。該公司的銷售副總裁Dwyer指出，不花費力氣，不會有收穫。

鑽頭修磨方法

刃磨鑽頭主要掌握幾個技巧：

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準。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。

刃口接觸砂輪後，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，而後沿著整個後刀面緩慢往下磨。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，還要防止後柄往上翹，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，往后角再輕輕蹭一下，讓刃後面更光潔一些。

5、保證刃尖對軸線，兩邊對稱慢慢修。

一邊刃口磨好後，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、兩刃磨好後，對直徑大一些的鑽頭還要注意磨一下鑽頭鋒尖。

改善鑽孔方法

為了改善鑽頭的切割幾何尺寸，最佳化新材料的切削數據，我們需要進行試驗性的檢查。利用在車、鑽組合實驗台上測到的數據，研製出了一種計算鑽孔時過程力的方法，這種方法的基礎是在正交旋轉試驗中取得的特徵數據。

如果成功地利用車削時測到的現有數據對鑽孔過程進行模擬，那么鑽孔過程可以得到更好的理解和檢查鑽孔是最重要的切削加工工藝之一。在典型的轉動部件上，鑽孔加工的時間約占30%。無論是在鑽孔時還是車削時，鑽刃或刀刃在一般情況下總是處在連續的切割中，而且使用的也是同樣的刃具材料，因而就這一點而言，鑽與車的過程是相似的。

車與鑽主要區別

車與鑽之間的主要區別包括，鑽孔時有一個以上的刃在切割；鑽頭刃上的切削速度在0與實際切削速度之間變化，這就是說，切削速度越低切削條件就越惡劣，儘管如此麻花鑽頭中心的進給仍然很大。鑽頭沿鑽刃邊上的幾何形狀變化很大(切削角、后角、楔形角、傾斜角)。鑽頭橫刃根據尖銳程度的不同對鑽頭的軸向力有著重大的影響；由於鑽孔里的空間被封閉，鑽屑從鑽孔中排出受到很大的阻礙，周期性地排屑或控制之下的冷卻潤滑劑循環可以對這種情況有所改善。

如果成功地利用車削時測得的數據對鑽孔過程進行模擬，那么所有這些挑戰以及在對用麻花鑽切屑進行試驗性調查時遇到的困難都可以得到更好的解決。

切削力是鑽孔試驗的基礎

考慮到沿著鑽頭刃邊的切削角和傾斜角變化甚大，切削速度取決於半徑，應當從採用類似刀刃幾何形狀的車削時取得的切削數據，或者是通過從正交的切割實驗的換算，對鑽孔時的力具情況加以模擬，並通過現實的鑽孔實驗加以檢查。同時應當估計到，在鑽頭正中心橫刃部位，切削速度與進給速度相比非常小，鑽孔過程不僅可以按照Kienzle切削力模型進行描述，而且還必須另外用變形力份額來加以擴大。圖1顯示的是這種方法，以及由此產生的最佳化鑽孔幾何形狀的可能性。在鑽頭上，切削角γ典型的變化範圍在橫刃上的-50°和外徑上的+30°之間。由於橫刃的原因或鑽頭尖部的直徑，主刃不是位於半徑射線上。這就是說，它通過k/2的偏移得到一個取決於半徑的傾斜角λ。圖2表示來自CAD數據和使用共焦的測量顯微鏡通過光學測量取得的鑽頭幾何形狀分析。

鑽孔分布在同心扇區

為了能夠在分析當中顧及到沿鑽頭刃邊的鑽刃的幾何形狀變化，鑽孔可以劃分為同心扇區(見圖3)。若簡單地假設為在一個扇區內的切割性能是恆定的，那么來自一系列採用相應刀刃幾何形狀和切削數據的試驗中的數據，必須也能換算到鑽孔上。其切削力是全鑽孔在所有扇區上的總和。

由於對劃分扇區制訂模型的思路還需要利用按照鑽頭調整過的刀刃幾何形狀和切削數據進行大量的車削試驗，因而需要研發一種新的模型，它可以從車削的正交基準切削中推導出鑽頭上的力和力矩。為此，必須了解刀刃上的各種角和切削速度對力的影響。為了對鑽孔過程建立模型，首先要測算出這些參數對特定的切削力和進給力的影響。根據半徑的容積份額各有不同Kienzle公式通過求和計算出全鑽孔的相應力。為了確定模型的參數需要在車和鑽的加工試驗中進行大量的測量。為此，在一台NC車床的刀具轉塔上每一個加工站點安裝一個Kistler切削力測力計Typ 9121和一個Kistler鑽孔平台Typ 9271A(見圖4)。這些試驗可以在不同的冷卻潤滑條件下來進行。計算切削和進給力的基礎是Kienzle方程，該方程分別以特定的切削力和進給力與切削麵積的乘積來表示

刀刃幾何形狀影響切削力

眾所周知，特定的切削力和進給力在很大程度上取決於刀刃幾何形狀，而刀刃幾何形狀在鑽頭上是沿半徑變化的。因此，必須在第一步中，從0切削角的正交車試驗和從使用麻花鑽頭的鑽孔試驗中測出切削角和傾斜角之比的依存關係。例如，給出了從測量中求出的車削和鑽孔的主刀刃上切削力的比值。這些值可以通過切削角γ(r)和傾斜角λ(r)的校正因數互相換算。與車削的切削能力相比，鑽孔的切削能力也可以用係數AC或BC加以表示。橫刃的換算與此類似。

按照Kienzle求切削力的公式

根Kienzle的力公式，第二步中可以用前面確定的kc1.1(r)的值測定主刃和橫刃上的切削力。同時，還要考慮到使用橫刃時切削容積的校正。這種校正符合這樣一個事實：鑽頭在這個部位的切削體積構成尖銳的圓形扇區，而不是車削形成的方形。

橫刃區發生變形

完全鑽孔的切削力是在考慮到作用半徑的情況下主刃和橫刃切削力的總和。以車時的測量數據和為鑽孔而計算出的切削力或進給力比和在鑽孔時測量的力為基礎，表明了作為進給函式的誤差。因此，尤其是在橫刃區，也就是在鑽頭的中心，這裡的切削速度非常低，還需要對那裡發生變形過程的分力做出模型。

鑽頭的保養

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未的材料，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 。