CN103692002A - 钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钻头，包括柄部和刃部，所述刃部包括依次连接的切屑成形区域、切屑排出区域和砂轮退出区域，所述砂轮退出区域与柄部连接，所述钻芯直径自切屑成形区域靠近柄部的一端向远离柄部的一端逐渐增大，所述钻芯直径自切屑排出区域靠近柄部的一端向远离柄部的一端逐渐减小，所述钻芯直径自砂轮退出区域靠近柄部的一端向远离柄部的一端逐渐减小。本发明结构简单、合理、紧凑，能在保证钻头切削性能的同时，有效控制切屑截面形状及长度，避免切屑阻塞，降低了切屑与沟槽表面及被钻孔内壁的摩擦，从而减少摩擦热量，并提高被钻孔精度及内壁表面质量。

Description

钻头

技术领域

本发明涉及切削工具技术，尤其涉及一种钻头。

背景技术

钻头为由柄部及刃部组成的圆柱形基体，刃部具有沟槽，沟槽从形成钻尖的端面沿钻头的轴线螺旋状延伸。目前，钻头钻削的主要难点在于如何有效控制切屑的排出。首先，随着钻头钻削深度的增加，切屑排出越来越困难，容易出现切屑阻塞，影响钻头钻削加工，严重时还会导致钻头折断。在钻削过程中，切屑由钻尖主切削刃作用经过剪切滑移从被切削材料本体中分离，沿沟槽表面进行卷曲，形成类似圆锥螺旋状的切屑形态。随着钻削深度的增加，切屑在沟槽内向钻头柄部方向移动，并与被钻孔物内壁及沟槽表面进行摩擦。这种摩擦会降低切屑的排出率，最终会极易导致切屑阻塞，导致钻头的折损；其次，由于切屑与被钻孔物内壁进行摩擦，将影响被钻孔内壁的表面质量；最后，切屑内部的热量由切削产生的热量与摩擦产生的热量组成，因此随着钻孔深度的增加，摩擦热也逐渐增加，造成由切屑传导到刀具的热量逐渐增加。结果会加剧导致钻头主切削刃的磨损。因此，如何通过调整钻头结构，使钻削过程中产生理想的切屑形态，从而提高切屑排出速度，降低摩擦，将直接影响钻头的性能及寿命，以及钻孔的效率及质量。

现有技术一种方式是通过降低钻头的螺旋角，缩短排屑路径长度，从而提高排屑率。但降低螺旋角会降低主切削刃的锋利程度，增加切削力，导致切削区域温度增加，加剧主切削刃磨损。

现有技术另一种方式是优化沟槽截面形状，减小切屑截面扭曲直径，降低与被钻孔内壁的摩擦，从而提高排屑率。但此方法只对切屑截面形状进行改善，而对切屑的长度影响不大，在加工塑性较强的材料时，同样会由于切屑长度过长，造成切屑阻塞。

现有钻头的钻芯直径从钻尖向柄部是连续变化的，并按由小到大或由大到小的单一规律连续变化，即钻芯形状从钻尖向柄部为正锥体。钻芯形状为正锥体的钻头，具有较高的强度，但由于随着切屑在沟槽中向柄部移动，钻芯直径逐渐增大，沟槽深度逐渐减小，因此沟槽表面与被钻孔内壁所形成的空间也逐渐减小，不利于排屑。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有钻头不利于排屑，导致钻头寿命短、钻孔效率和质量差的问题，提出一种钻头，以实现在保证钻头切削性能的同时，有效控制切屑截面形状及长度，避免切屑阻塞，降低了切屑与沟槽表面及被钻孔内壁的摩擦，从而减少摩擦热量，并提高被钻孔精度及内壁表面质量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种钻头，包括柄部和刃部，所述刃部包括依次连接的切屑成形区域、切屑排出区域和砂轮退出区域，所述砂轮退出区域与柄部连接，所述钻芯直径自切屑成形区域靠近柄部的一端向远离柄部的一端逐渐增大，所述钻芯直径自切屑排出区域靠近柄部的一端向远离柄部的一端逐渐减小，所述钻芯直径自砂轮退出区域靠近柄部的一端向远离柄部的一端逐渐减小。本发明中钻芯指在钻头任意径向截面中以轴线为圆心，与沟槽底部相切的最小圆，其直径为该位置的钻芯直径。

进一步地，所述切屑成形区中钻芯直径的最大值为钻头刃部直径的25%～32%。

进一步地，所述切屑成形区中钻芯直径的最小值为钻头刃部直径的18%～22%。

进一步地，所述切屑排出区域中钻芯直径的最大值为钻头刃部直径的20%～25%。

进一步地，所述切屑成形区域长度为0.4～1.1倍的钻头直径。

进一步地，所述钻头刃部的沟槽为两个以上。沟槽从形成钻尖的端面沿钻头的轴线螺旋状向柄部延伸。

进一步地，所述钻头采用高速钢或硬质合金一体成型，可以理解也可采用其他于制造切削工具的材料。

本发明提供了一种适用于加工塑性金属的钻头，该钻头结构简单、合理、紧凑，与现有技术相比较具有以下优点：

（1）、现有技术钻头钻芯直径为钻头直径的22%～30%，钻芯直径变化规律为长度增加100mm，钻芯直径增大1～2mm，本发明所述钻头钻芯的最小直径为钻头直径的18%～22%，钻头的排屑空间远远大于现有钻头，而在靠近柄部（沟槽尾部）达到钻芯直径的20%～25%，使其在保证强度的前提下，具有更大的排屑空间。

（2）、在相同的切削条件下，切屑的长度比现有技术产品更短，更加有利于切屑的排出。切屑成形区域的轴向距离为0.4～1.1倍的钻头直径，即切屑在切屑成形区域内完成扭曲变形，在一个切削周期形成单一形态。切屑从宽度方向来看，由靠近钻头轴线的主切削刃切削形成的部分，称之为内侧切屑；由钻头外圆处主切削刃切削形成的部分，称之为外侧切屑。

钻头外圆处形成的切屑由于线速度最高，在钻头回转周期内沿整个沟槽截面进行扭曲变形，形成圆锥状切屑的锥底，如果在该钻头径向截面处减小钻芯直径直径，增大沟槽深度，将增加切屑成形半径。由螺旋线长度公式：

$S=\sqrt{{\left(2\mathrm{\πR}\right)}^2+L^2}$

S为切屑螺旋线长度，R为半径，L为螺距。

因此在相同的切削条件及切削周期内，外侧切屑的长度相等，即S相等，如果切屑成形半径增大，即R增大，因此螺距L将减小，即相同圈数的切屑长度越短，切屑越紧凑。现有钻头在轴向距钻尖0.4～1.1倍直径长度位置的钻芯直径均在22%～30%钻头直径的范围内，本发明涉及钻头自此位置的钻芯直径为18～22%，远小于现有钻头，这将大大增加沟槽的容屑空间及切屑成形半径，从而减小螺旋状切屑导程，使相同圈数的切屑长度远小于现有技术钻头，避免切屑阻塞。

（3）、内侧切屑由靠近钻头轴线的主切削刃切削成形，此处位于沟槽底部附近，并且由于靠近钻头回转轴线，此处的线速度远远小于外圆处，因此在切屑回转一周时，内侧切屑仅在靠近钻尖径向截面的沟槽底部附近区域运动，由于本发明所述钻头在切屑成形区域内钻尖处钻芯直径直径最大，沟槽深度较浅，沟槽底部曲率减小，即切屑成形半径减小，使切屑更容易卷曲成形。此外，钻头的轴向横截面中，钻芯从钻尖至柄部方向在切屑成形区域逐渐减小，更有利于圆锥形切屑成形，并使其圆锥高度降低，进一步减小相同圈数的切屑长度。

附图说明

图1为本发明钻头的主视图；

图2为图1轴向剖视图；

图3为切屑在钻头中成形的示意图；

图4为图1中A-A向剖视图；

图5为图1中B-B向剖视图；

图6为图1中C-C向剖视图；

图7为现有钻头在切屑成形区域末端径向截面切屑成形示意图；

图8为本发明钻头钻头在切屑成形区域末端径向截面切屑成形示意图；

图9为现有钻头切屑长度示意图；

图10为本发明钻头切屑长度示意图；

图11为现有钻头钻芯变化的轴向局部剖视图及切屑成形示意图；

图12为本发明钻头钻芯变化的轴向局部剖视图及切屑成形示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种适用于加工塑性金属的钻头，如图1所示，该钻头包括同轴连接的柄部12和刃部24，刃部24具有沟槽30，沟槽30从形成钻尖的端面沿钻头的轴线螺旋状向柄部12延伸。钻头后刀面53与沟槽30相交形成具有顶角56的钻尖50，其交线形成主切削刃51。毗邻沟槽30为刃带71，刃带71为圆柱型基体的一部分，毗邻刃带71为清背区域70。钻头在工作中沿轴线1按回转方向15旋转。

如图2所示，所述刃部24包括依次同轴连接的切屑成形区域21、切屑排出区域22和砂轮退出区域23，所述砂轮退出区域23与柄部12同轴连接。依据被切削材料的不同，切屑成形区域21的长度为0.4～1.1倍的钻头直径37。由钻尖50的主切削刃51作用经过剪切滑移从被切削材料本体中分离的切屑100（如图3所示）的形态在切屑成形区域21中形成。毗邻切屑成形区域21为切屑排出区域22，在切屑成形区域21中成形的切屑将从钻尖50至柄部12方向排出。砂轮退出区域23为沟槽30磨削结束时，砂轮外圆轮廓的一部分，此区域不参与切削。

本实施例所述钻芯35的直径是连续变化的，且不同区域变化规律不相同。具体的，所述钻芯直径37自切屑成形区域21靠近柄部12的一端向远离柄部12的一端逐渐增大，切屑成形区域21的钻芯35单侧轮廓包括但不限于直线、圆弧、抛物线，图2中体现为圆弧。所述钻芯直径37自切屑排出区域22靠近柄部12的一端向远离柄部12的一端逐渐减小，切屑排出区域22的钻芯35单侧轮廓包括但不限于直线、圆弧、抛物线，图2中体现为直线。所述钻芯直径37自砂轮退出区域23靠近柄部12的一端向远离柄部12的一端逐渐减小。本文所述单侧轮廓是指钻头径向横截面中，钻芯一侧的外轮廓。

钻芯直径37在钻尖50处具有在切屑成形区域21并且也是整个沟槽30区域中的最大值，取值范围为钻头直径的25%～32%，优选为30%。钻芯直径37在切屑成形区域21柄部12的一端达到最小值，同样为整个沟槽30中的最小值，取值范围为钻头直径的18%～22%，优选为20%。钻芯直径37在切屑排出区域22的最大值（钻芯35靠近柄部12的一端直径最大）为钻头10直径的20%～25%，优选为23%。

切屑100在切屑成形区域21中的成形过程如图3所示。切屑100由钻头主切削刃51作用经过剪切滑移从被切削材料本体中分离，切屑宽度106与主切削刃51的长度相等，切屑沿宽度方向靠近钻头外圆处的部分为外侧切屑101，由主切削刃51靠近钻头外圆处的切削刃52切削成形。切屑沿宽度方向靠近钻头轴线的部分为内侧切屑105，由主切削刃51靠近钻头轴线处的切削刃55切削成形。钻头沿轴线按回转方向15旋转一周形成一个切削周期，形成切屑100的单一形态。由于钻头沿轴线回转，靠近钻头外圆处的切削刃52线速度最高，因此外侧切屑101成形速度最高，在相同切削周期内经过的距离最长，即外侧切屑101的长度最长。相反，靠近钻头轴线处的切削刃55线速度最低，因此内侧切屑105成形速度最低，在相同切削周期内经过的距离最短，即内侧切屑105的长度最短。综上所述，在一个切削周期内，切屑100将形成一圈圆锥状螺旋形态，圆锥母线长度与主切削刃51相等，锥底直径与外侧切屑101长度相等。

图4～图6体现了本发明所述钻头在图1中A-A、B-B、C-C截面的径向剖视图，即在刃部24各区域起始位置的径向剖面。如图所示，沟槽30在径向截面中分为三个部分：沟槽前端31毗邻刃带71；毗邻沟槽前端31为沟槽底部32，沟槽底部的最小曲率半径将直接影响切屑100的直径，称为切屑成形半径；毗邻沟槽底部32为沟槽末端33。在沟槽底部32具有最大的沟槽深度38，钻头在沟槽深度38处形成钻芯直径37。径向截面中沟槽30与被钻孔内壁201形成的空间，称为径向截面容屑空间36。

正如之前所述，切屑100中外侧切屑101将在图5截面，即切屑成形区域21末端截面附近成形。在此位置钻芯直径37最小，沟槽深度38最大，径向截面容屑空间36最大，沟槽前端31内凹程度最大，有利于外侧切屑101沿沟槽前端31向沟槽底部32运动，沟槽底部32中的最小曲率半径，即切屑成形半径比现有技术产品有所增大，使外侧切屑成形更加顺畅，并使切屑100半径增加。通过图7和图8对比可以直观的体现本发明所述钻头与现有钻头在切屑成形方面的优势。

切屑由钻尖主切削刃作用经过剪切滑移从被切削材料本体中分离，因此切屑宽度与主切削刃的长度相等。一方面，由于钻头切削时是以其圆柱形基体的轴线进行旋转，因此沿径向上各点的线速度均不相同，并且越靠近中心的点线速度越低，具有最高线速度的点位于外圆处。即主切削刃上各点线速度不同，最靠近钻头轴线处线速度最低，沿径向逐渐增大，并在延伸至外圆处线速度达到最高。由此可知，切屑在成形时，沿其宽度方向剪切滑移速度也不相同，靠近钻头轴线位置切屑速度最低，在外圆处速度最高；另一方面，钻头沟槽截面为一条成形曲线，切屑会沿沟槽进行扭曲转变形。综上所述，钻头外圆处形成的切屑由于线速度最高，在钻头回转周期内沿整个沟槽截面进行扭曲变形；而靠近轴线处的切屑接近沟槽底部，并由于线速度很低，仅在沟槽底部附近进行扭曲变形。并由于钻头连续切削，因此，切屑形成圆锥螺旋状。进一步，随着螺旋状切屑圈数的增加切屑长度的增长，切屑会在与被钻孔内壁的摩擦及离心力的作用下断裂，而断裂后的长度，称之为切屑长度。切屑长度约短越有利于切屑的排出，避免切屑阻塞。

在相同切削条件及相同切削周期内，外侧切屑101的长度一定，由于切屑直径增加，由公式：

$S=\sqrt{{\left(2\mathrm{\πR}\right)}^2+L^2}$

S为切屑螺旋线长度，R为切屑半径，L为螺距

如图9和图10相比较，将使圆锥状螺旋切屑100的螺距108减小，切屑长度110减小，切屑形态比现有技术钻头更加紧凑。

图4显示切屑成形区域21前端截面。在此位置钻芯直径37最大，切屑成形半径比现有技术产品有所减小增大，切屑扭曲程度加大。虽然此处沟槽深度38最小，径向截面容屑空间36最小，但由于内侧切屑105仅在沟槽底部32附近成形，形成圆锥状切屑的锥顶部分，因此不会造成切屑容屑空间不足的问题。

切屑100成形后，将沿图5与图6所示的径向截面之间的沟槽，即切屑排出区域22中的沟槽向柄部12排出，虽然在此区域中，钻芯直径37逐渐增大，但由于切屑成形区域21末端截面中钻芯直径远小于现有技术钻头，并且切屑排出区域22末端钻芯直径37也远小于现有技术产品，因此在此区域中沟槽的排屑空间也远大于现有技术产品，更有利于切屑排出。

对比图11和图12，本发明所述钻头与现有钻头在轴向切屑成形方面的优势。如图所示，可以直观的看出由于本发明所述钻头在切屑成形区域21中具有内凹的结构，因此更利于切屑100成形为更加扁平的圆锥形状，并且切屑成形方向向沟槽内部的趋势越显著，进一步利于形成紧凑的螺旋状切屑。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种钻头，其特征在于，包括柄部和刃部，所述刃部包括依次连接的切屑成形区域、切屑排出区域和砂轮退出区域，所述砂轮退出区域与柄部连接，所述钻芯直径自切屑成形区域靠近柄部的一端向远离柄部的一端逐渐增大，所述钻芯直径自切屑排出区域靠近柄部的一端向远离柄部的一端逐渐减小，所述钻芯直径自砂轮退出区域靠近柄部的一端向远离柄部的一端逐渐减小。

2.根据权利要求1所述钻头，其特征在于，所述切屑成形区中钻芯直径的最大值为钻头刃部直径的25%～32%。

3.根据权利要求1或2所述钻头，其特征在于，所述切屑成形区中钻芯直径的最小值为钻头刃部直径的18%～22%。

4.根据权利要求1所述钻头，其特征在于，所述切屑排出区域中钻芯直径的最大值为钻头刃部直径的20%～25%。

5.根据权利要求1所述钻头，其特征在于，所述切屑成形区域长度为0.4～1.1倍的钻头直径。

6.根据权利要求1所述钻头，其特征在于，所述钻头刃部的沟槽为两个以上。

7.根据权利要求1所述钻头，其特征在于，所述钻头采用高速钢或硬质合金一体成型。

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