麻花钻几何角度和受力分析[1]

一．麻花钻切削部分的几何角度钻头实际上相当于正反安装的两把内孔车刀的组合刀具，只是这两把内孔车刀的主切削刃高于工件中心（因为有钻心而形成横刃的缘故，钻心半径为）。

（1）基面和切削平面

在分析麻花钻的几何角度时，首先必须弄清楚钻头的基面和切削平面。

①基面：切削刃上任一点的基面，是通过该点，且垂直于该点切削速度方向的平面，如图7－35a所示。在钻削时，如果忽略进给运动，钻头就只有圆周运动，主切削刃上每一点都绕钻头轴线做圆周运动，它的速度方向就是该点所在圆的切线方向，如图7－35b中A点的切削速度垂直于A点的半径方向，B点的切削速度垂直于B点的半径方向。不难看出，切削刃上任一点的基面就是通过该点并包含钻头轴线的平面。由于切削刃上各点的切削速度方向不同，所以切削刃上各点的基面也就不同。

②切削平面：切削刃上任一点的切削平面是包含该点切削速度方向，而又切于该点加工表面的平面（图7－35a所示为钻头外缘刀尖A点的基面和切削平面）。切削刃上各点的切削平面与基面在空间相互垂直，并且其位置是变化的。

（2）主切削刃的几何角度（如图7-36所示）

①端面刃倾角

为方便起见，钻头的刃倾角通常在端平面内表示。钻头主切削刃上某点的端面刃倾角是主切削刃在端平面的投影与该点基面之间的夹角。如图7－36所示，其值总是负的。且主切削刃上各点的端面刃倾角是变化的，愈靠近钻头中心端面刃倾角的绝对值愈大（见图7－36b）。

②主偏角

麻花钻主切削刃上某点的主偏角是该点基面上主切削刃的投影与钻头进给方向之间的夹角。由于主切削刃上各点的基面不同，各点的主偏角也随之改变。主切削刃上各点的主偏角是变化的，外缘处大，钻心处小。

③前角

麻花钻的前角是正交平面内前刀面与基面间的夹角。由于主切削刃上各点的基面不同，所以主切削刃上各点的前角也是变化的，如图7－36所示。前角的值从外缘到钻心附近大约由+30°减小到-30°，其切削条件很差。

④后角

切削刃上任一点的后角，是该点的切削平面与后刀面之间的夹角。钻头后角不在主剖面内度量，而是在假定工作平面（进给剖面）内度量（见图7－36a）。在钻削过程中，实际起作用的是这个后角，同时测量也方便。

钻头的后角是刃磨得到的，刃磨时要注意使其外缘处磨得小些（约8°~10°），靠近钻心处要磨得大些（约20°~30°）。这样刃磨的原因，是可以使后角与主切削刃前角的变化相适应，使各点的楔角大致相等，从而达到其锋利程度、强度、耐用度相对平衡；其次能弥补由于钻头的轴向进给运动而使刀刃上各点实际工作后角减少一个该点的合成速度角μ（见图7－36中f-f剖面）所产生的影响；此外还能改变横刃处的切削条件。

（3）横刃的几何角度（如图7-37所示）

①横刃前角

由于横刃的基面位于刀具的实体内，故横刃前角为负值（约-45°~-60°），所以钻削时在横刃处发生严重的挤压而造成

很大的轴向力。

②横刃后角

横刃后角≈90°-││ ，故≈30°~35°。

③横刃主偏角＝90°。

④横刃刃倾角=0°。

⑤横刃斜角Ψ

横刃斜角是在钻头的端面投影中，横刃与主切削刃之间的夹角。它是刃磨钻头时自然形成的，锋角一定时，后角刃磨正确的标准麻花钻横刃斜角Ψ为47°~55°，而后角愈大则Ψ愈小，横刃的长度会增加。

二．麻花钻受力分析

1 麻花钻结构特点

麻花钻是最常用的孔加工刀具，此类钻头的直线型主切削刃较长，两主切削刃由横刃连接，容屑槽为螺旋形(便于排屑)，螺旋槽的一部分构成前刀面，前刀面及顶角(2Ø)决定了前角γ的大小，因此钻尖前角不仅与螺旋角密切相关，而且受到刃倾角的影响。麻花钻的结构及几何参数见图1。

横刃斜角ψ是在端面投影中横刃与主切削刃之间的夹角，ψ的大小及横刃的长短取决于靠钻芯处的后角和顶角的大小。当顶角一定时，后角越大，则ψ越小，横刃越长(一般将ψ控制在50°～55°范围内)。

2 麻花钻受力分析

麻花钻钻削时的受力情况较复杂，主要有工件材料的变形抗力、麻花钻与孔壁和切屑间的摩擦力等。钻头每个切削刃上都将受到F x、F y、F z三个分力的作用。

在理想情况下，切削刃受力基本上互相平衡。其余的力为轴向力和圆周力，圆周力构成扭矩，加工时消耗主要功率。麻花钻在切削力作用

下产生横向弯曲、纵向弯曲及扭转变形，其中扭转变形最为显著。扭矩主要由主切削刃上的切削力产生。经有限元分析计算可知，普通钻尖切削刃上的扭矩约占总扭矩的80%，横刃产生的扭矩约占10%。轴向力主要由横刃产生，普通钻尖横刃上产生的轴向力约占50%～60%，主切削刃上的轴向力约占40%。

以直径D=20mm麻花钻为例，在其它参数不变情况下改变钻芯厚度，从其刚度变化曲线(见图3)可以看出，随着钻芯直径d增加，刚度D o 增大，变形量减小。由此可见，钻芯厚度增加明显增加了麻花钻工作时的轴向力，直接影响刀具切削性能，且刀具刚度的大小对加工几何精度也有影响。

由于普通麻花钻的横刃为大负前角切削，钻削时会发生严重挤压，不仅要产生较大轴向抗力，而且要产生较大扭矩。对于一些厚钻芯钻头，如抛物线钻头(G钻头)和部分硬质合金钻头(其特点之一是将钻芯厚度由普通麻花钻直径的11%～15%加大到25%～60%)等，其刚性较好，钻孔直线度好，孔径精确，进给量可加大20%。但钻芯厚度的增大必然导致横刃更长，相应增大了轴向力和扭矩，这样不仅增加了设备负荷，而且会对加工几何精度产生较大影响。此外，由于横刃与工件的接触为直线接触，当钻尖进入切削状态时，被加工孔的位置精度和几何精度难以控制。因此，在加工过程中为防止引偏，往往需要用中心钻预钻中心孔。

为解决上述问题，一般采用在横刃两端开切削槽的方法来减小横刃长度，减轻挤压，从而减小轴向力和扭矩。但在实际加工中，钻尖的负

前角切削和直线接触方式定心性能差的问题并未从根本上得到解决。为此，人们一直在对钻尖形状进行不断研究和改进，S刃钻尖就是解决这一问题的较好方法之一。