浅论群钻的特点.docx

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浅论群钻的特点

天津市国家职业技能鉴定技师论文

工种：

钳工

题目：

浅论“群钻”的特点及几种常用“群钻”之钻形和加工特点

姓名：

范力飞

单位：

经纬机械股份有限公司

身份证号：

142401************

【摘要】“群钻”是将标准麻花钻的切削部分修磨成特殊形状的钻头，是我国工人阶级和科技人员的重大创造。

“群钻”是中国人倪志福于1953年创造的，原名倪志福钻头，后经本人倡议改名为“群钻”，寓群众参与改进和完善之意。

标准麻花钻的切削部分由两条主切削刃和一条横刃构成，最主要的缺点是横刃和钻心处的负前角大，切削条件不利。

“群钻”是把标准麻花钻的切削部分磨出两条对称的月牙槽，形成圆弧刃，并在横刃和钻心处经修磨形成两条内直刃。

这样，加上横刃和原来的两条外直刃，就将标准麻花钻的“一尖三刃”磨成了“三尖七刃”。

修磨后钻尖高度降低，横刃长度缩短，圆弧刃、内直刃和横刃处的前角均比标准麻花钻相应处大。

因此，用“群钻”钻削钢件时，轴向力和扭榘分别比标准麻花钻降低30～50%和10～30%，切削时产生的热量显著减少。

标准麻花钻钻削钢件时形成较宽的螺旋形带状切屑，不利于排屑和冷却。

“群钻”由于有月牙槽，有利于断屑、排屑和切削液进入切削区，进一步减小了切削力和降低切削热。

由于以上原因，刀具寿命可比标准麻花钻提高2～3倍，生产率提高2倍以上。

群钻的三个尖顶，可改善钻削时的定心性，提高钻孔精度。

关键字：

孔加工群钻标准麻花钻倪志福几何形状钻型

1.引言

孔加工是机械制造中的重要加工工种，钻头则是用得最广泛的切削刀具之一。

19世纪中叶以前，钻孔多用扁钻。

1864年，英国摩斯麻花钻及机器公司（MorseTwistDrill＆MachineCo.）发明了麻花钻并进行商品生产。

此后，麻花钻得到了广泛的应用，在机械制造中发挥了重要作用。

在19世纪中，麻花钻用碳素工具钢和合金工具钢制造；进入20世纪后，制造麻花钻的材料多用高速钢。

2.标准麻花钻的缺陷及其改善途径

2.1麻花钻的几何形状虽比扁钻合理，但尚存在着以下缺点：

（1）标准麻花钻主切削刃上各点处的前角数值内外相差太大。

钻头外缘处主切削刃的前角约为+30°；而接近钻心处，前角约为-30°，近钻心处前角过小，造成切屑变形大，切削阻力大；而近外缘处前角过大，在加工硬材料时，切削刃强度常嫌不足。

（2）横刃嫌长，横刃的前角是很大的负值，达-54°～-60°，从而将产生很大的轴向力。

（3）与其他类型的切削刀具相比，标准麻花钻的主切削刃很长，不利于分屑与断屑。

（4）刃带处副切削刃的副后角为零值，造成副后刀面与孔壁间的摩擦加大，切削温度上升，钻头外缘转角处磨损较大，已加工表面粗糙度恶化。

以上缺陷常使麻花钻磨损快，严重影响着钻孔效率与已加工表面质量的提高。

2.2麻花钻的改善措施：

（1）采用切削性能更好的新型刀具材料，例如超硬高速钢或硬质合金。

新型刀具材料的硬度与耐磨性高于普通高速钢，故可提高钻头的切削性能；但是它们的韧性和可加工性将降低，必须予以注意。

在普通高速钢麻花钻上用PVD方法进行表面涂层，亦可获得很好的切削效果。

（2）改变标准麻花钻的结构，主要是改变钻头螺旋槽的槽形。

现用标准麻花钻的槽形基本上还是一百多年前的形式，麻花钻固有的缺陷多由这种传统结构所造成。

国内外有很多新的槽形结构，在一定条件下可以改善麻花钻的切削性能。

但结构的改进只能在刀具制造部门，故工作较难进行。

多年来，虽有人在这方面进行研究探讨，但工作进展不大。

（3）在标准麻花钻的结构基础上，通过刃磨改变和改善麻花钻切削部分的几何参数，从而提高其切削性能。

这种方法简便易行，形式多种多样，常为生产单位操作人员所乐于采用。

“群钻”即是其中的一种刃磨形式。

3.“群钻”的几何形状

“群钻”是将标准麻花钻的切削部分修磨成特殊形状的钻头。

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1a）。

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1）。

67型是经过多次演进而后定型的“群钻”基本钻型。

图2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。

4.“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。

4.1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。

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ﾟ～14ﾟ，内刃（CD段）上加大15ﾟ～20ﾟ，横刃上约加大5ﾟ。

加大前角，可减小切屑变形，降低切削力及切削温度。

4.2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。

4.3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。

4.4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。

4.5钻孔质量提高

“群钻”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。

“群钻”由于具有以上优点，50余年来驰名中外，得到了广泛的应用。

5.“群钻”钻型的发展

基本型“群钻”主要用于钻削一般钢材。

针对各种工件材料的不同加工性和结构形状、技术要求迥异的零件，“群钻”的几何形状必须根据工件的具体情况，进行调整，即所谓“灵活应用”。

如钻铸铁“群钻”的特点是采用双重锋角，钻不锈钢“群钻”的特色是保证断屑、排屑，钻黄铜“群钻”的特色是防止“扎刀，钻薄板“群钻”的特点是增加稳定性和切割能力，钻橡胶“群钻”的特点是增加锋利性。

另外，还有钻削高锰钢、钛合金、纯铜、铝合金、胶木、玻璃钢的“群钻”和钻精孔、钻小孔、钻斜面孔、扩毛坯孔的“群钻”。

以下简单介绍几种常用“群钻”的钻形和加工特点：

5.1钻纯铜用“群钻”

5.1.1问题的提出

在纯铜上钻孔，常遇到的问题有：

（1）孔形不圆，成多角形，钻出的孔上部扩大。

（2）孔不光，孔壁有撕痕，有时出现螺线挤痕，出口出现毛刺。

（3）软的纯铜切屑不断，绕在钻头上，不安全；而且阻碍切削液流入孔中。

（4）有些硬化的纯铜切屑又较碎，此时孔也不容易光洁。

（5）钻头容易在孔中咬住。

5.1.2钻纯铜“群钻”的特点和使用

图3钻纯铜群钻

（1）重要的是钻芯部分的形状要合适，以保证切削平稳，定心牢靠。

其办法是：

适当减小内刃锋角，2Φτ≈110～120°；加大钻尖高，h≈0.06d；内刃前角的负值要大些，γτC≈－20～－25°；圆弧后角减小，αRC≈10～12°，并加大横刃斜角，ψ≈90°，以得到较小的内刃切深方向后角αp。

总而言之，钻芯部分尖一些，刃稍钝些，后角小一些，有利于定心、振动轻、不打抖，孔不出多角形。

（2）对直径d超过25毫米的钻头，外刃可磨分屑槽，便于排屑，而且可以进一步降低切削负荷。

（3）外刃锋角要适当，以利于排屑和改善光洁度，　根据试验来看，2Φ＝118～122°较好。

但当钻孔较深，孔光洁度要求不高时，则应加大锋角，改善排屑。

（4）钻软纯铜，为了使切屑一段段地断开并顺利排出，应选用较大的进给量（f）。

必要时可以在钻头的前面磨出负前角的断屑面，或采取其他断屑措施。

钻硬化的纯铜，为避免切屑太碎难以排出，外刃锋角（2Φ）应适当加大。

（5）必要时，可将外缘刃尖磨出倒角或磨出圆弧刃，以及采用高转速（ｎ）和小进给量（f），以提高孔壁光洁度。

例如，钻头直径d＝12.4毫米，可采用转速n＝1050～1700转/分，进给量f＝0.12～0.21毫米/转。

5.1.3钻纯铜“群钻”的特点口诀

纯铜群钻钻心高，圆弧后角要减小，横刃斜角九十度，孔形光整无多角。

5.2钻铝合金用“群钻”

5.2.1问题的提出

在铝合金（主要是铸造铝合金）上钻孔，遇到的主要问题是：

（1）产生积屑瘤严重。

（2）孔光洁度低。

（3）孔较深时切屑难排出，轻则使孔壁划伤；重则切屑挤住刃沟，使钻头折断。

图4钻铝合金群钻

5.2.2钻铝合金“群钻”的特点和使用

（1）钻铝合金群钻的几何参数，与基本型群钻基本相近，只是将横刃修磨得更窄，bψ≈0.02d，以进一步降低切削负荷。

同时加大外刃锋角2Φ，以利于排屑。

（2）为了减轻产生积屑瘤的情况，特别是避免积屑瘤在消失时的残痕粘附在前面上，应将钻头切削刃的前刀面（螺旋槽）和后刀面用油石鐾光到▽8以上；最好选用刃沟经过抛光的钻头。

（3）采用较大的后角和修磨刃带，尖高h较低，钻芯稍为磨偏一些，以避免孔径收缩和减小摩擦，降低切削温度。

（4）钻较深的孔时，排屑的顺利与否成为关键。

在对待容屑与排屑的关系问题上，应该排、容并举，以排为主。

具体的措施是：

第一，要保证分屑良好，应适当减小内刃锋角，2Φτ≈90～110°，并减小圆弧半径，R≈0.08d，使圆弧刃加深，改善B点的分屑作用。

同时将两外刃磨得高低不同，以得到完全分屑；

第二，加大外刃锋角，2Φ≈140～170°，并将外刃前刀面鐾出小平面，宽度C稍大于进给量f，外缘处结构法前角γnc减小到8～10°，这样，会使切屑在流出时减轻与螺旋槽的摩擦；

第三，尽量减轻前刀面上积屑瘤残痕对排屑的阻碍作用；

第四，在修磨横刃时，将刃瓣沿沟背棱多磨去一些，以加大容屑空间；

第五，采用较高的转速，以利用甩屑的作用促使切屑排出。

钻铝合金ZL101时，钻头直径d＝15毫米，推荐几何参数如图5-17所示，切削用量参考表5-15。

当孔深为170毫米时，采用转速n＝1200～1700转/分，进给量f＝0.32～0.4毫米/转，排屑很顺利，效率也很高。

5.2.3铝合金“群钻”的特点口诀

料粘、孔糙、积屑瘤，孔深排屑很棘手,鐾出平面、大锋角，精孔最好加煤油。

5.3钻有机玻璃用“群钻”

5.3.1问题的提出

在钻有机玻璃中，我们遇到的问题有：

（1）难以得到满意的透明度，孔壁易成灰暗色（即“发乌”或“发暗”），严重时孔壁烧伤。

（2）孔壁有时产生“银斑”状裂纹。

（3）孔两端有时发生崩块。

5.3.2钻有机玻璃“群钻”的特点和使用

（1）通过修磨，加大外刃的轴向结构前角γC（γC≈35～40°）；并且修磨横刃到尽可能短，以减小切削力和热量。

（2）选用较小的外刃锋角2Φ（2Φ≈100～110°），和修圆外缘刃尖，减轻切削痕迹。

（3）加大刃带的倒锥，有必要时可在外圆磨床上磨出半锥角Φ´≈15～30´的锥度，磨窄刃带；加大副刃的径向结构副后角α´C≈25～27°，形成锐刃，以减小钻孔中的摩擦。

（4）要把刃口和刃带鐾光到▽8以上；充分加冷却液；选用适中的转速n和较小的进给量f，例如，直径18.5毫米的钻头。

选用n≈335转/分，f≈0.09～0.12

图5钻有机玻璃群钻

毫米/转。

5.3.3钻有机玻璃“群钻”的特点口诀

有机玻璃孔发乌。

刃带磨窄、修圆弧，加大倒锥、前、后角，刃口鐾光、冷却足。

5.4钻薄板和多层板用“群钻”

5.4.1问题的提出

当某些薄金属板零件，生产批量不大或不便于冲孔时，往往需要钻孔，如薄钢板、马口铁、薄铝板、黄铜皮和紫铜皮等，厚度约为0.1～1.5毫米。

加工中的主要问题有：

（1）孔形不圆，出多角形。

（2）孔口出飞边、毛刺，严重时孔不能成形，被钻头撕坏，特别是钻黄铜皮时很容易把孔划坏。

（3）薄钢板零件有时较大，常常不便于在机床上装卡，一般即用手扶着零件钻孔，这样当孔将要钻透时，零件会发生抖动，手扶不住，容易出事故。

（4）零件在钻削力作用下容易产生扭曲变形。

5.4.2钻薄板“群钻”的特点和使用

图6钻薄板群钻

钻薄板群钻是将基本型群钻的月牙圆弧加大，直到只有三个尖点，把进攻力都集中在三个锋利的刃尖上，钻心尖先切入工件，定住中心，两外刃尖象圆规划圆一样，迅速把中间的圆片切离，得到所要求的孔，干净利落，效果很好。

但在刃磨钻型时还应注意：

（1）钻心修磨尽可能锋利，即横刃长bψ大大缩短，内刃锋角减少，2ψτ≈90～110°，外刃尖也要锋利，刃尖角ε要小，ε≈30～40°。

当钻较厚的板料时，则应将外缘刃尖稍加以倒角。

（2）尖高h约为0.5～1毫米，外刃尖至弧底的圆弧深度h1比板厚大0.5～1毫米。

（3）当钻头直径大时，可用分段圆弧连接，但要保证刃尖角8和圆弧深度h1的大小。

（4）圆弧后角适当减小，αRc=12～15°，以增强钻心部分的定心作用，避免振动。

（5）在木板和薄胶合板上钻孔，也可采用这种钻头型式。

钻黄铜皮时，应将外缘刃尖的前角用油石鐾小一些。

5.4.3钻簿板“群钻”的特点口诀

套料切削靠三尖，内定中心外切圈，压力减轻变形小，孔形圆整只安全。

5.5钻不锈钢用“群钻”

5.5.1问题的提出

在近代工业广泛地应用着各种类型的不锈钢。

这类钢钻孔时存在的问题有：

（1）不容易断屑；

（2）钻头耐用度低；（3）生产效率低。

而且这几个问题又互相关联着。

由此可见，如何处理好耐用度、生产效率与断屑、排屑之间错综复杂的关系，便成了钻不锈钢时极待解决的一项重要问题。

5.5.2钻不锈钢“群钻”的特点和使用

钻不锈钢的钻型如图7所示。

用它钻不锈钢时，切屑长100毫米左右，呈礼花状，。

切屑从孔中顺利排出，切削液也能顺利地向孔内流入，工作安全可靠。

关于这种钻头的使用特点简单叙述如下：

图7钻不锈钢群钻

（1）“礼花”状切屑的形成和排出，这种钻型与基本型群钻比较可以看出，其不同点是尖高，圆弧刃浅，圆弧半径大，单边分屑槽也浅，B、B′点的刀尖角均较大，εγ≥150°，使B′点在分屑方面处于时分时而不分的“临界”状态；使B点处有时出宽的卷屑，有时则能将切屑撕裂断开。

“礼花”状切屑是属于长螺距带状屑与短螺距的螺卷屑的过渡型。

正是利用这种过渡的不稳定性，以达到断屑目的。

（2）外刃锋角的选择外刃锋角不仅影响到切削刃B点的刃尖角εγ，以及分屑和外刃处切屑的排出情况，而且影响到钻头的耐用度。

试验表明，钻不锈钢当外刃锋角2ψ≈135～140°时，耐用度最好；大钻头取较大值。

（3）正确地选用切削用量适当加大进给量和降低转速，有利于实现断屑。

而且切削用量对钻头的耐用度影响很大。

从钻孔试验中（见表5-10）可以看到，采用姐10.4毫米的钻头，当进给量不变、转速由320转/分增大到400转/分时，钻头的耐用度降低很多；而当切削速度不变，进给量由0.2毫米/转增大至0.25毫米/转时，钻头的耐用度也有明显的降低。

（4）钻孔时的系统刚性要好特别是钻小孔时，可用较短的钻头以增强钻头的刚性。

实践证明，采用短钻头其耐用度将比长钻头提高3～10倍。

（5）注意充分冷却,一般采用乳化液冷却，根据有的试验对奥氏体不锈钢采用浓度大（20～30％）的乳化液可以明显降低扭矩和轴向力。

采用内冷却钻头比普通溅入式冷却，能改善钻削条件，见效切屑收缩系数。

5.5.3钻不锈钢“群钻”的特点口诀

钻心稍高弧槽浅，刃磨对称是关键。

一侧外刃浅开槽，时连时分屑易断。

结　论

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。

由于“群钻”具有众多优点，50余年来驰名中外，得到了广泛的应用。

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，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，逐渐形成了一个“群钻”的钻型系列。

而采用新型刀具材料，例整体硬质合金“群钻”出现后，又带来了许多新的问题。

针对新的情况，“群钻”的钻型必然还会有更新的发展。

参　考　文　献

1.于启勋，庞思勤，姬广振，柳德春。

北京理工大学《机械工人》，2008

2.成大先，《机械设计手册（第五版）》化学工业出版社，2008-5-1