一、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（便于排屑），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。麻花鑽的結構及幾何參數見圖1。

D：直徑 y：橫刃斜角 a：後角 b：螺旋角 Ø：頂角 d：鑽芯直徑 L：工作部分長度

圖1 麻花鑽結構及切削部分示意圖

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于靠鑽芯處的後角和頂角的大小。當頂角一定時，後角越大，則y越小，橫刃越長（一般将y控制在50°～55°範圍内）。

二、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将受到Fx、Fy、Fz三個分力的作用。

圖2 麻花鑽切削時的受力分析

如圖2所示，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産生橫向彎曲、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産生。經有限元分析計算可知，普通鑽尖切削刃上的扭矩約占總扭矩的80％，橫刃産生的扭矩約占10％。軸向力主要由橫刃産生，普通鑽尖橫刃上産生的軸向力約占50％～60％，主切削刃上的軸向力約占40％。

圖3 鑽芯直徑d-剛度Do關系曲線

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（見圖3）可以看出，随着鑽芯直徑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。

由于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，不僅要産生較大軸向抗力，而且要産生較大扭矩。對于一些厚鑽芯鑽頭，如抛物線鑽頭（G鑽頭）和部分硬質合金鑽頭（其特點之一是将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，孔徑精确，進給量可加大20％。但鑽芯厚度的增大必然導緻橫刃更長，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産生較大影響。此外，由于橫刃與工件的接觸為直線接觸，當鑽尖進入切削狀态時，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，一般采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并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。

三、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，呈抛物線冠狀。由于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于普通麻花鑽，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令人滿意，鑽削進給量和進給速度進一步提高。根據抛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（見圖4）。

圖4S刃鑽尖的三種類型

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：由于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，适于修磨厚鑽芯刀具。但鑽尖尖端部分相對薄弱，強度較差，不适合高速加工高硬度工件。鑽尖材質需采用具有較好韌性的材料（如高速鋼類）。

低冠S刃鑽尖

低冠S刃鑽尖以德國五軸磨床（由瑞士Numroto配備編程軟件）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；由于鑽尖S刃冠狀曲率小，因此自定心性及穩定性均優于高冠S刃鑽尖。開橫刃前角後，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。适用于加工較硬材料的工件（如鋼件、鑄鐵件等）。鑽頭材質可采用高速工具鋼、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。

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；由于主切削刃強度高、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刃鑽尖無負前角産生，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。适于修磨高硬度材料（如硬質合金類）小螺旋角鑽頭。

四、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确修磨。

圖5所示為S刃鑽尖的簡單修磨原理。将被修磨鑽頭水平裝夾于A軸，修磨時錐形砂輪與刀具切削刃接觸後，B軸在XZ平面内轉動，A軸聯動（按後刀面螺旋升程要求旋轉）；同時，砂輪相對于刀具在Y軸方向下降，形成螺旋後刀面和S形橫刃。

圖5 S刃鑽尖的簡單修磨原理

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（見圖5）。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，并使其角度與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刃中部産生的負前角，使冠狀抛物線中部刀刃的前角等于零或小于零（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。由圖1可知，頂角（2Ø）越小，主切削刃越長，切削負荷越大。由于S刃鑽尖的自定心性較好，因此不必采用減小頂角的方法來改善被加工孔的幾何精度（該方法在加工實踐中效果并不明顯），以避免增大切削負荷。相反，為改善刀具切削性能，提高刀具強度和切削速度，一般将S刃鑽尖的頂角設計為118°以上（甚至可達140°）。此外，外緣後角決定了鑽尖外緣部切入工件時楔角的大小。刀具楔角的大小應根據被加工工件材料的硬度決定，當工件材料較軟時，需選用較大的後角。

五、S刃鑽尖的應用實例

我們将S刃鑽尖修磨技術應用于發動機連杆小頭孔的加工中，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。40序：鉸孔Ø17.5 0.05mm。

用Ø17mm普通麻花鑽鑽孔時，由于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，緻使産品報廢，操作者隻好手工修磨鑽尖，但修磨質量很不穩定。

我們将鑽頭修磨成頂角118°、軸向後角7°、圓周後角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，并在橫刃處用80°圓錐砂輪開出兩槽，使冠狀前角大于或等于零，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産生的擠壓現象，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，而且生産效率顯著提高，廢品率大大下降。Ø17mm普通鑽尖麻花鑽與S刃鑽尖麻花鑽的加工效果對比見下表。

表 普通鑽尖與S刃鑽尖的加工效果對比

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