群钻的特征和使用性能

群钻的特征和使用性能

普通麻花钻受其固有结构的限制，其几何形状存在着某些缺陷。通过对其切削部分的修磨，可以得到一定改善。“群钻”就是一种行之有效的修磨形式。如果采用比普通高速钢性能更好的新型刀具材料，或变革麻花钻的结构，在此基础上再将钻头切削部分修磨成“群钻”钻型，则钻孔效果将进一步提高。近年来，新刀具材料的研制技术和刀具的制造技术有了很大的发展，故使变革麻花钻的材料和结构成为可能。此外，随着被钻孔材料和钻孔条件日益多样化，“群钻”的钻型也有了很多发展，形成了一个系列。由于“群钻”的几何形状比较复杂，对其刃磨技术的进展也作相应报道。

1．新材料的“群钻”

过去普通麻花钻一般用普通高速钢W6Mo5Cr4V2或W18Cr4V制造。他们的硬度为62～64HRC磨成“群钻”后，切削性能的提高受到刀具材料的限制。超硬高速钢的出现，使刀具切削性能出现了一个飞跃。国外多用高钴超硬高速钢，美国的M42(110W1．5Mo9．5Cr4VCo8)和瑞典的HSP―15(W9Mo3Cr4V3Co10)是其中的佼佼者。但它们的含钴量多，达8％～10％，价格昂贵。国内多用少钴或无钴超硬高速钢，如501(W6Mo5Cr4V2AL)、(Co5Si(W12Mo3Cr4V3Co5Si)、V3N(W12Mo3Cr4V3N)等。超硬高速钢的常温硬度达67～69HRC，比普通高速钢高出5HRC，高温硬度亦显著提高。实践证明，用超硬高速钢制成麻花钻，再修磨成“群钻”形式，与普通高速钢“群钻”相比，钻孔效率可提高一倍以上。目前，国内一些工具厂可根据用户需求，提供超硬高速钢麻花钻。

上述所有的高速钢都是用熔炼方法制造的。有用粉末冶金工艺制造的高速钢，其性能优于熔炼高速钢。如用粉末冶金高速钢制成麻花钻，再磨成“群钻”，其钻孔效率可成倍提高。

在高速钢钻头磨成“群钻”后，如在其工作部分表面上用PVD(物理气相沉积)法涂覆TiN薄层可使其切削性能大幅度提高。但这样做，除增加了修磨工时外还将加上涂层费用，而重磨后将失去后刀面的涂层，因此涂层“群钻”难以推广。

硬质合金是一种更为先进的刀具材料，其硬度和耐磨性比高速钢高得多。但是，硬质合金的韧性较差，钻头容

易折断，它的可加工性也不太好，故过去很少用硬质合金制造麻花钻。近年，随着化学成分和制造方法的改进，硬质合金的韧性有了改进，中小尺寸的整体硬质合金麻花钻已得到广泛应用。在硬材料上钻孔，效果很好。制造麻花钻，必须选用韧性和抗弯强度较高的硬质合金，例如钻钢

材时可用YS25、YT798等，钻铸铁及淬硬钢时可用YS8、YSl0、YG813等，有时亦可采用YT5、YT14、YG6X、YG8等牌号。

作者曾用YG6X整体硬质合金麻花钻(直径10mm)在KmT-BCr20Mo2高铬冷硬铸铁(60HRC）上钻孔，在修磨成“群钻”形式前后进行切削对比。“群钻”形式的使用寿命约提高了3倍以上。由于硬质合金较脆，对切削部分应予以加强，“群钻”形状见图1钻高铬冷硬铸铁的整体硬质合金“群钻”图1，几何参数数值见表1。切削用量：转速n=600r/min，每转进给量?=0.13mm／r。整体硬质合金

2．“群钻”的几何形状

早在1953年，北京永定机械厂青年钳工倪志福，用标准麻花钻在装甲钢钢板上钻孔，遇到了困难。他凭经验，对标准麻花钻切削部分进行了修磨，即在两条直线主切削刃上各磨出了一个圆弧刃，形成了三个钻尖，中心钻尖比原钻尖降低。修磨过的钻头好用，很快地完成了生产任务。当时称这种钻型为“倪志福钻头”，即53型“群钻’’（60年代倪志福钻头被正式定名为“群钻”。）(图2a)。在1953年以后的十余年中，倪志福和研究小组在实践中逐步总结改进，对53型“群钻”进行过多次修改，几何参数逐步演变，形成了56型、58型、58A型、64型、67型(图2)。67型是经过多次演进而后定型的“群钻”基本钻型。

图3为中等直径67基本型群钻的切削部分几何参数。图中：l为外直线切削刃AB的长度，l2为AB刃上分屑槽的宽度，l1为AB刃上分屑槽距外缘点的距离，R为圆弧切削刃BC的圆弧半径，CD为内切削刃，近似为一条直线，h为尖高，即中心尖尖点，0c与侧刃尖尖点B在钻头轴线方向的距离，bΨ为横刃长度，C为AB刃上分屑槽的深度，2φ为外刃锋角，2φτ为内刃锋角，τ为内刃斜角，Ψ为横刃斜角，γτc、αc、αfc、αRc、ατc分别为有关切削刃上的前角、后角。这些几何参数决定着钻头各部分的强度、锋利程度和分屑、断屑性能，从而影响了钻头工作时的磨损与耐用度。

可以用四句话来总结和概括67基本型“群钻”几何形状的特征：三尖七刃锐当先，月牙弧槽分两边，一侧外刃再开槽，横刃磨低窄又尖。

3．“群钻”的切削效果

与修磨前的普通麻花钻相比，“群钻”有前角比较合理、钻削力降低、耐用度提高、钻孔质量改善等优点；而且，分屑、断屑、排屑性能亦较好。

(1)前角分布较为合理

基本型“群钻”与普通麻花钻各段切削刃上前角的数值由下表可见。除外刃(AB段)前角基本未变外，其余各段切削刃上前角均有所加大。圆弧刃(BC段)上前角加大10?～14?，内刃(CD段)上加大15?～20?，横刃上约加大5?。加大前角，可减小切屑变形，降低切削力及切削温度。

(2)钻削力和钻削扭矩得到降低

切削试验表明，在碳素结构钢上钻孔时，“群钻”的轴向力比普通麻花钻约降低35％～47％，扭矩约减小10％～30％；在钻削灰铸铁时，“群钻”的轴向力约降低35％～50％，而扭矩仅加大2％～8％；在钻削有色金属时，“群钻”的轴向力和扭矩分别降低25％～40％和15％～19％。钻削力和钻削扭矩降低后，有利于降低切削温度及提高钻孔质量。

(3)分屑、断屑、排屑得到改善

由于外刃、圆弧刃和内刃交接处有明显的转折点，而且一侧外刃上还开出分屑槽，故能保证良好分屑。切屑变窄后有利于断屑和排屑。在这种情况下，如施加切削液，则切削液较易到达孔底与钻尖，能充分发挥冷却、润滑作用。

(4)钻头耐用度提高

切削试验与现场验证表明，“群钻”切削部分的磨损比普通麻花钻明显减缓，耐用度显著提高。一般“群钻”的耐用度可提高2～3倍。

(5)钻孔质量提高

由于横刃磨窄，定心作用好；两个侧刃尖和圆弧刃对钻头均有稳定、定向作用；且轴向力显著减小，故“群钻”钻孔时不易走偏，提高了钻孔精度。钻削过程平稳，切屑变形减小，也有利于提高钻孔表面质量。

由于“群钻”具有以上优点，40余年来驰名中外，得到了广泛的应用。

群钻的各种钻型（1）

基本型群钻在钻通用结构钢材料时，获得了良好的切削性能。但是加工材料日益多样化，各类材料的加工性千差万别，加工零件的结构形状、工艺条件也有着很大的变化。工件材料变了，孔的要求变了，促使钻型也必须跟着变，要有灵活性。要正确分析和估计客观情况，并采取有效的措施。本章将着重分析和总结各种情况下的钻孔经验和初步规律。

第一节钻孔中产生的问题

钻孔中遇到的问题很多，下面从加工材料和工艺条件两个方面列举些实例，说明用普通麻花钻钻孔时所暴露出来的问题。

一、加工材料不同所产生的问题

(1)钻强度大、硬度高的钢材时(如各种高强度合金钢、淬火钢等)，负荷大，钻不动，勉强钻下去，钻头很快磨钝、烧坏。

(2)钻高锰钢及奥氏体不锈钢时，产生严重的加工硬化现象，越钻越硬，钻头磨损很快，产生毛刺很严重。

(3)在钻床上钻钢时(如低碳钢、不锈钢)，切屑长而不断，象两条长蛇一样盘旋而出，缠绕在主轴上，乱甩伤人，很不安全，而且切削液加不进去。在自动机床上这一问题更为突出。

(4)钻铸铁时，切屑成碎末，像研磨剂一样，高速切削时常把钻头两外缘转角磨损掉。

(5)钻紫铜时孔形常不圆，钻软紫铜也不易断屑，有时钻头被咬在孔内。

(6)钻黄铜等材料经常产生“扎刀”现象，轻则把孔拉伤，重则使钻头扭断。

(7)钻铝合金孔壁不光，切屑不易排出，尤其在钻深孔时切屑常挤死在钻沟里。

(8)钻层压塑料(如夹布胶木、夹纸胶木、玻璃丝夹布胶木等)，时常发生孔入口处有毛刺、中间分层、表面变色出黄边、出口处脱皮现象。

(9)钻有机玻璃时，孔不光亮，发暗(乌)，本来是透明净亮的，钻完孔后，孔壁变成乳白色了，更严重时孔壁烧伤，和产生“银斑”状裂纹。

(10)钻橡皮时，孔收缩量很大，易成锥形、上大下小，孔壁毛糙。

二、工艺条件不同产生的问题

(1)钻薄板孔，有时工件不便于压紧，人们多采用手扶，但当钻头刚要钻出工件时，手就扶不住工件了，发生抖动，很容易出工伤事故。另外，孔易产生多角形、毛刺和变形。

(2)钻深孔时，切屑难排出，常常要在中途多次退出钻头才能钻完一孔，人们称之为“啄木鸟式”的钻削方式；钻直径大的孔(如在钢上钻直径大于35毫米的孔)，直接用普通麻花钻钻出就比较困难，负荷大，钻头和机床都承受不了，常发生“闷车”，此时要先钻出小孔，再用大钻头扩孔。如果，硬要一次钻出，进给量必定选得很小，这样生产效率就很低。

(3)当工件上已有毛坯孔再扩孔时，由于加工余量不均匀，表面有硬皮，因此钻头常会歪斜，刃口也容易崩坏。

(4)在倾斜表面或曲面上钻孔时，钻头往往定不住中心，发生偏斜，常不得不先将工件表面锪平，然后才能钻孔。

(5)由于小量生产的需要，为了节省非标准尺寸的专用铰刀，希望用钻头钻出精孔。这也是我们常遇到的难题。

(6)小量生产采用划线钻孔时，钻头不易找正，当孔窝划得浅时，孔偏不容易发现；划深时，看出孔偏再找正也就费劲了。

(7)用钻头进行扩孔，也容易产生“扎刀”；有时孔壁出现大螺旋沟，甚至用铰刀铰孔后也不能除掉。

(8)用钻头锪倒角，容易发生抖动，出现多角形，或产生严重的毛刺。

第二节工件材料的钻削加工性

一、概述

在钻头与工件的矛盾统一体中，一般来说，钻头是矛盾的主要方面，但也常常会发生转化。因此研究钻孔过程，既要研究刀具一方，又要研究矛盾的另一方――工件材料。在这里，着重需要研究的是工件材料的钻削加工性。

工件材料的钻削加工性(或称可钻削性)是指材料由毛坯通过钻削过程，得到所要求孔形难易程度的工艺特性。

显然，钻削加工性是一个综合性指标。这是由于钻孔中的各种问题：生产效率、切削力、耐用度、加工质量等交织综合在一起，切屑变形与摩擦运动决定着钻削力和切削热；钻削热影响着钻削温度和冷硬层；而积屑瘤与钻削温度密切相关；积屑瘤、振动和切屑的挤刮则限制着表面光洁度的提高；孔要求越精越光，则又限制着钻头耐用度和生产效率的提高，……。还应指出，由于各种材料在钻孔中的具体要求不同，其钻削加工性的指标也不同。

影响材料钻削加工性的因素很多，有物理一力学性能、化学成分、材料制造和热处理方法等。化学成分和材料制造状态如金相组织是决定物理一力学性能的根据，然而直接起作用的却还是物理一力学性能，它包括强度(或硬度)、塑性(或韧性)、导热率和线膨胀系数以及弹性系数等，这些因素直接影响到钻孔效率的高低。

二、钻削加工性分级指标

材料的钻削加工性，可以采用一种分级的方法进行粗略地判定。即按主要物理一力学性能指标的大小，分成11级，如表5―1。表中针对钻孔(特别是用高速钢麻花钻钻孔)的特殊性，选定材料的硬度HB(或强度σb)、伸长率σ(或冲击值αk)、导热系数九和弹性系数四(或线膨胀系数Ⅸ)作为评定钻削加工性的指标。

当材料类型一定(如钢、铸铁或铜合金)时，硬度愈高，则强度愈大，有一定对应关系，不论是硬度高还是强度大，都能使切削负荷大，因此，可用硬度或强度极限或两者中的高等级作为评定指标之一。另外需要指出，用硬质合金车刀加工σb=100公斤力／毫米2的钢材属于较易切削的等级，而当改用高速钢麻花钻钻时则应属于较难钻削的等级了。同样，当材料类型一定时，其塑性伸长率σ和韧性(冲击值αk)相互间也

有一定关系。通常，伸长率σ大时，冲击值αk也高。两者在物理意义上虽有不同：塑性表征材料所能允许的塑性变形程度；韧性则表示材料所能承受的冲击能量(如切削功率)，但它们都相近似地影响到钻削过程。σ或αk值愈大，则切屑愈难折断，切削负荷(钻削力和钻削功率消耗)愈大。因此，可用σ或αk或两者中的高等级作为评定指标之一。

还应注意的是，钻削加工性的第Ⅱ项指标，以中等塑性(或韧性)的加工性为好。塑性(或韧性)过低、过高，则可钻削性均变坏。材料脆性很大时，则切屑崩碎甚至碎成粉末，对排屑和散热均不利，切削力和热将集中在刃口上，导致耐用度降低。弹性系数E和线膨胀系数α，对孔加工来说，常起到较大的作用，例如孔径的弹性回复和热胀冷缩，直接影响到孔壁与钻头的摩擦、磨损和孔径扩张量。同样，也用E或α或两者中的高等级作为第四个评定指标。由上可见，这四个评定指标在表示钻削过程的矛盾特点时，各有侧重，即：Ⅰ――负荷，Ⅱ――切屑(断屑、粘刀和表面硬化)，Ⅲ――温度，Ⅳ――变(收缩)。

三、常用材料的可钻削性分级

钻孔中经常遇到的各类材料，包括铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢、有色金属、非金属材料等，其主要物理―力学性能及可钻削性分级列于表5-2、5-3。每种材料可钻削性分级的代号表示为：

以上前两例(1)、(2)可钻削性分级的各项指标均不超过5，因此其可钻削性是良好的或较好的。由第(3)例可知，45钢经淬火和中温回火后，硬度、强度大增，切削力增加，则可钻削性变坏。而第(4)例，不锈钢1Cr18Ni9Ti，强度虽不算高，但因其塑性大和导热系数低，造成切屑不易断，加工硬化强烈，产生的切削热多、温度高。因此，在钻孔时，应作为主要问题认真对待，采取对策。

第三节钻铸铁

一、问题的提出

灰铸铁与碳素钢一样，也是一种铁(Fe)与碳(C)的合金，含碳高于2％的就为铸铁。铸铁是机械工业应用广泛的材料之一，例如机床床身，机器底座，各种箱体、壳体等都是铸铁(如HT15-33、HT20-40)制成，许多机床厂，汽车、拖拉机厂的生产线上多轴组合钻床大都用来钻这种材料。球墨铸铁通过浇铸前向铁水加入球化剂和墨化剂，以促使碳呈球状石墨结晶，其强度和塑性均比灰铸铁高。在用普通麻花钻钻铸铁孔时，发现有下述特点：

(1)钻头的磨损几乎完全在后面上，外缘转角处磨损最大，有时整个角磨掉，限制了生产效率的提高。

(2)当横刃修磨得过窄时，钻头容易崩刃或崩尖，尤其是钻铸造质量差或带有铸造黑皮的工件。

(3)切屑细碎，钻深孔时难以排屑，切削液不容易流到切削区。

(4)不用切削液时，钻头与孔壁容易研死。而且灰尘很大，有害于人身健康。

(5)有一定程度的扎刀现象，使工件在出口处易产生崩裂。

二、灰铸铁的特点

上述这些问题的产生不是偶然的，而是与铸铁的特性密切地联系着的。常用的铸铁其特点有：

(1)硬度较低，一般约为HB176～255，但是铸件表面往往有带型砂的硬皮和氧化层，这层表皮硬度很高。另外，毛坯边缘有时可能出现白口铸铁，这时硬度极高，约为HB600，加剧钻头磨损。

(2)强度低(指抗拉、抗弯强度)，而抗压强度和耐磨性则较高。因此，整个来说，钻削力不大(相对于钢而言)。而且，在切削负荷中轴向抗力是主要的，扭矩抗力占的比例不大，例如用直径27毫米的普通麻花钻，钻合金结构钢(40Cr)和铸铁(HT15-33)来比较，钻铸铁比钻合金结构钢的轴向力只减小35％，而扭矩则减小57％，如表5-4。其他脆性材料有类似的趋向。

(3)脆性大，塑性变形小，切屑是崩碎的，夹杂有粉末。碎末状的切屑，带来一些问题，第一，当钻深孔时，比较难排出；第二，切屑碎末如同研磨剂一样，夹在钻头的后面、刃带与工件之间，产生剧烈的摩擦，使钻头磨损；第三，由于切屑是成小片崩碎的，钻削力和热量均集中在刃口上，且切屑与钻头前刀面的摩擦较小，与后刀面的摩擦是主要的。

这几个方面的因素就决定了钻头的磨损主要在后刀面和刃带上，实际情况也正是这样。

(4)铸铁的导热率较低，也促使切削热集中在切削刃口上。

(5)铸铁组织比较粗松，并含有石墨，减小了材料的塑性和强度，有利于切削。但铸铁中还含有碳化铁(显微硬度高达1000～2300)及其他很硬的杂质，则对刀具耐用度很有害。铸造中难免产生铸造缺陷，如气孔、砂眼、冷隔、白口等，常导致切削刃崩坏，或两刃负荷不同，使孔轴线偏斜。

三、钻铸铁群钻的特点和使用

由表5-2可知，灰铸铁(如HT20-40)的可钻削性等级为3、4、4、3，即属于较易钻削一类。但就其四项指标而言，Ⅱ、Ⅲ项指标高，即塑性较低，切削崩碎，导热慢，热量集中在刃口。因此，基本对策是：

(1)应使钻头尽快地通过工件，尽量缩短切削刃与工件的接触路程，减少钻头切削刃与工件摩擦的机会。所谓快速通过工件，就是要求钻头每分钟进给量尽量大一些，即转速(n)与进给量(f)的乘积(nf毫米/分)要大。另一方面，当钻头每分钟钻入的深度相同，亦即每分钟进给行程(nf)一定时，由于切削刃是沿螺旋线前进，若转得慢(n小)，进给得快(f大)，即螺线的螺距大一些，则切削刃走过的总路程要短，切削刃受到的摩擦机会就减少了。因此，应尽可能加大进给量，然后适当地选择转速。

(2)要加大进给量，则钻削抗力增大，因此应使钻头尽量锋利。由于钻铸铁轴向抗力是主要的部分，而轴向抗力又多集中在横刃上，所以，合理地修磨钻头横刃，减小轴向抗力是主要的。如果把横刃完全切除，则轴向抗力可显著降低，但这样带来两个问题：第一，定心不好，通常要用钻模来定位；第二，钻硬的铸铁时，尤其是稍遇到有铸造黑皮和白口时，钻头容易崩刃。因此不宜将横刃完全磨掉，应保留一定的钻心尖，但比钻钢的群钻横刃修磨得更窄、更锋利一些，内刃前角γτ0也可大些。

(3)为了保护钻心尖，磨出月牙圆弧槽使钻心尖低下来，切入工件后三尖很快同时切削，钻心尖不易崩坏和磨损，也便于找正。横刃虽然修得更窄了，但钻尖高可和钻钢的基本型相近。

(4)采用双重锋角。由于钻头的外缘切削速度高，即相对摩擦运动速度高，因此该部分产生钻削热多，加上铸铁导热慢，所以热量都集中在钻头外缘刃尖处，致使它磨损最快。通常，磨出倒角，即形成双重锋角(2ψ1)，使转角处变宽，改善钻头散热条件，从而提高了耐用度。经多次试验，表明双重锋角可以提高耐用度2～4倍，如表5-5。但由于磨出双重锋角，加长了切削刃，使钻削扭矩稍有增加。但是，钻铸铁群钻的轴向力降低很多，扭矩增加不多，因此总的切削负荷还是不大的。

(5)适当加大后角。一般比钻钢的大3。左右，减少钻头后刀面与工件间的摩擦。根据试验结果，外刃后角αfc为13～18。时，钻头的耐用度较高。

(6)合理使用切削液。有些人在钻铸铁工件时，不愿意用切削液。这里可能有一些客观因素，如工件很大，切削液不易清理；碎屑中含有石墨使水很快变得又黑又脏等。但对于批量大的钻孔工序，最好还是采用切削液，这样可以大大提高钻头耐用度，改善钻孔质量，而且避免灰尘飞扬。但要特别注意，切削液应自始至终连续加入，而且流量要适当，否则少量和断续的水流入孔内，容易引起孔壁局部硬化，和把碎屑调和成研磨膏一样，加剧钻头磨损。

(7)当发现“扎刀”现象，需适当采取措施节。

(8)用群钻钻铸铁时选择的切削用量，可参见表5-6。

群钻的各种钻型（2）

第四节钻铸铁精孔

一、问题的提出

钻头通常是用来钻粗孔的，如果要求孔的精度高、光洁度好，则需要通过铰孔来达到。但是，我们在生产中也会碰到一些特殊情况，如有时对孔的精度和光洁度要求较高而缺乏铰刀，或要求加工出特殊的孔径尺寸而缺乏专用铰刀等。这时，如能使用钻头直接钻出精孔(尤其是对一些铸铁件)，确能起到“临阵破难关”的作用。

二、钻铸铁精孔群钻的特点和使用

钻铸铁精孔群钻如图5-2所示。用这种钻型的钻头来钻铸铁精孔，效果较好。其特点如下：

(1)如第二章所述，要想得到较精确的孔，首先应注意在切削中保持定心稳定和不产生振动，不使出现多边形。为此，在较小锋角(2ψ=110°)的切削刃上，修磨出圆弧刃，形成一个突起的钻芯刃尖，类似一个小尺寸的钻头，它的横刃斜角较大，ψ=80°，以减小内刃的侧后角，在切削中保持稳定。

(2)在副切削刃(刃带)上，于2～8毫米长度上修窄，把副后角适当加大，并用油石鐾光，这样可减少刃带与孔壁的摩擦。由于副切削刃变得锋利了，有助于避免在外缘处产生积屑瘤，从实际可以看到，外缘刀刃上的积屑瘤对加工光洁度有较明显的影响。同时光鐾刃带(到▽8)，提高刃口的光洁度，可以避免刃带上的毛刺将孔壁擦伤。

(3)在切削刃外缘处磨出双重锋角2ψ1=15～20°，形成修光刃，可以减小切削中孔壁上的残留面积。由于双重锋角使切削刃外缘的锋角减小，它的切削厚度相应减薄，有利于改善钻孔的切削变形情况。

钻铸铁精孔群钻切削部分的几何参数列于表5-8。

(4)正确选用切削用量对保证孔的质量有重要作用。钻铸铁精孔，切削速度不宜太高，否则会影响钻头的耐用度，一般选用切削速度v≤15(米/分)即可。进给量的大小直接影响到切削层的变形情况，建议选用进给量f=0.1～0.15毫米/转为宜。在钻孔中，应使用切削液来改善加工条件。

(5)在钻孔操作中，钻头要装正，保证跳动量小，使钻头切削刃口具有较好的运动精度。同时在钻完孔后，应注意先停车后退钻头，防止在退出钻头时将孔壁擦伤。