日常钻头全解析：种类、结构、材质与使用要点

日常钻头全解析：种类、结构、材质与使用要点

在众多的工业加工、建筑施工以及手工制作等领域，钻头都是不可或缺的重要工具。它能够在实体材料上钻削出通孔或盲孔，并且可对已有孔进行扩孔等操作。以下将对日常使用的钻头进行全面且深入的介绍。

一、钻头的概念

钻头是用于在各种实体材料上进行钻削作业的刀具，其功能涵盖了从材料上直接钻出通孔或盲孔，以及对已存在的孔进行扩孔加工。常用的钻头种类丰富多样，主要包括麻花钻、扁钻、中心钻、深孔钻和套料钻等。此外，扩孔钻和锪钻虽然不能在实体材料上进行初始钻孔，但基于它们在孔加工过程中的关联性，习惯上也将它们归入钻头的范畴。

二、常见钻头介绍

（一）麻花钻

麻花钻是应用最为广泛的孔加工刀具之一，其直径范围通常在 0.25 毫米至 80 毫米之间。它主要由钻头工作部分和柄部构成。工作部分呈现出两条螺旋形的沟槽，形状恰似麻花，故而得名。为了减少钻孔时导向部分与孔壁之间的摩擦阻力，麻花钻从钻尖朝着柄部方向逐渐减小直径，形成倒锥状。麻花钻的螺旋角对切削刃上前角的大小、刃瓣强度以及排屑性能有着重要影响，一般取值在 25° 至 32° 之间。其螺旋形沟槽可以通过铣削、磨削、热轧或热挤压等多种方法进行加工制作，而钻头的前端经过刃磨后便形成了切削部分。标准麻花钻的切削部分顶角为 118°，横刃斜角处于 40° 至 60° 之间，后角范围则是 8° 至 20°。由于其结构特点，前角在外缘处较大，向中间逐渐减小，在横刃处呈现负前角（可达 - 55° 左右），这种结构使得钻削时横刃起到挤压作用。为了提升麻花钻的切削性能，可以依据被加工材料的性质差异，将切削部分修磨成各种不同的外形，例如群钻等。麻花钻的柄部形式主要有直柄和锥柄两种。在加工过程中，直柄麻花钻通常夹在钻夹头内，而锥柄麻花钻则插在机床主轴或尾座的锥孔中。一般情况下，麻花钻采用高速钢制造，这种材料具有良好的韧性和可加工性。对于镶焊硬质合金刀片或齿冠的麻花钻，其适用于加工铸铁、淬硬钢和非金属材料等硬度较高或特殊性质的材料；整体硬质合金小麻花钻则在仪表零件和印刷线路板等精细加工领域发挥着重要作用，能够满足高精度、小尺寸孔加工的要求。

（二）扁钻

扁钻的切削部分呈现铲形，其结构相对简单，这一特点使得它的制造成本较低。在钻孔过程中，切削液能够较为容易地导入孔内，有助于冷却和润滑切削区域。然而，扁钻也存在一些不足之处，其切削和排屑性能相对较差。扁钻的结构类型主要有整体式和装配式两种。整体式扁钻主要应用于钻削直径在 0.03 毫米至 0.5 毫米之间的微孔，由于微孔加工对钻头的精度和稳定性要求较高，整体式结构能够更好地满足这一需求。装配式扁钻则具有刀片可更换的优势，并且可以采用内冷却方式，这种结构主要适用于钻削直径在 25 毫米至 500 毫米之间的大孔。在大孔加工时，刀片的可更换性能够降低成本，提高钻头的使用寿命，而内冷却方式则可以有效地降低切削温度，提高加工效率和质量。

（三）深孔钻

深孔钻通常是指用于加工孔深与孔径之比大于 6 的孔的刀具。在深孔加工领域，常用的深孔钻类型有枪钻、BTA 深孔钻、喷射钻、DF 深孔钻等。此外，套料钻也常常被用于深孔加工。深孔钻的加工难度较大，因为在深孔加工过程中，切削液难以有效地到达切削区域，排屑也面临诸多困难，容易出现切屑堵塞、钻头折断等问题。不同类型的深孔钻在结构和工作原理上各有特点，例如枪钻采用单刃结构，具有较高的加工精度；BTA 深孔钻则通过特殊的排屑装置和切削液供给系统，能够实现高效的深孔加工；喷射钻利用高压切削液的喷射作用来辅助排屑和冷却；DF 深孔钻在结构上进行了优化，提高了钻头的刚性和切削稳定性。这些深孔钻在航空航天、机械制造、石油化工等行业中有着广泛的应用，能够满足对深孔加工的高精度、高效率要求。

（四）扩孔钻

扩孔钻与麻花钻相比，具有一些独特的结构特点。它通常拥有 3 至 4 个刀齿，这种多刀齿结构使得扩孔钻的刚性比麻花钻更好。扩孔钻的主要作用是对已有的孔进行扩大加工，并在这个过程中提高孔的加工精度和光洁度。在实际加工中，当需要将一个初步钻出的孔扩大到特定尺寸，或者对孔的精度和表面质量进行提升时，扩孔钻就发挥出了重要作用。例如在机械零件的加工中，经过钻孔后的孔可能需要进一步扩孔以满足装配要求，扩孔钻能够有效地去除钻孔留下的余量，使孔壁更加光滑，尺寸更加精确。

（五）锪钻

锪钻的显著特点是拥有较多的刀齿。它主要采用成形法将孔端加工成所需的外形，其应用场景主要是加工各种沉头螺钉的沉头孔，或者对孔的外端面进行削平处理。在机械装配过程中，为了使沉头螺钉能够与零件表面平齐，需要使用锪钻加工出相应的沉头孔。锪钻能够精确地按照设计要求加工出沉头孔的形状和尺寸，保证了装配的精度和美观性。同时，对于一些需要对孔端进行特殊处理的情况，如去除孔端的毛刺、使孔端具有特定的形状等，锪钻也能够胜任。

（六）中心钻

中心钻主要用于钻削轴类工件的中心孔。从结构上来看，它实质上是由螺旋角很小的麻花钻和锪钻复合而成，因此也被称为复合中心钻。在轴类零件的加工中，中心孔的质量对于后续的加工工序如车削、磨削等有着至关重要的影响。中心钻能够在轴类工件的端部加工出准确的中心孔，为后续加工提供精准的定位基准，确保轴类零件在加工过程中的同轴度和圆度等精度要求。例如在机床主轴的加工中，高质量的中心孔是保证主轴精度的关键因素之一，中心钻的使用能够有效地提高中心孔的加工质量，从而为整个主轴的加工奠定良好的基础。

（七）PDC 钻头

PDC 钻头是石油钻井行业常用的一种钻井工具。在过去的若干年里，PDC 切削齿经历了显著的发展与变革。与 20 世纪 80 年代的切削齿相比，当今的 PDC 切削齿在质量和类型上都有了巨大的进步。这主要得益于混合工艺与制造工艺的不断改进，使得当今的切削齿在质量性能方面表现更为出色，显著提高了钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力。工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化，进一步提升了切削齿的韧性。同时，层状金刚石工艺方面的革新也被应用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。除了材料和制造工艺的进步之外，PDC 产品在齿的设计技术和布齿方面同样实现了重大突破。如今，PDC 产品已经能够应用于以前无法涉足的领域，例如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。这种应用领域的拓展，对金刚石（固定切削齿）钻头和牙轮钻头之间的市场平衡产生了深远影响。最初，PDC 钻头仅适用于软页岩地层，因为硬的夹层容易损坏钻头。但随着新技术的出现以及结构的优化，目前 PDC 钻头已经能够在硬夹层和长段的硬岩地层中成功应用。PDC 钻头正日益受到广泛的选用，特别是随着 PDC 齿质量的持续提升，这种趋势愈发明显。由于钻头设计和齿的改进，PDC 钻头的可定向性也得到了提高，这在一定程度上削弱了过去在马达钻井中牙轮钻头的优势。目前，PDC 钻头在众多地层的钻井应用中逐渐取代牙轮钻头，占据了越来越大的市场份额。

（八）PCB 钻头

在 PCB（印制电路板）加工领域，控钻床所使用的钻头种类主要有直柄麻花钻头、定柄麻花钻头和定柄铲形（undercut）钻头。直柄麻花钻头在早期的单头钻床中应用较多，主要用于钻削较简单的印制板或单面板。然而，在现代大型线路板生产厂中，由于生产效率和精度要求的提高，直柄麻花钻头的使用已逐渐减少。其钻孔深度可达钻头直径的 10 倍。在基板叠层不高的情况下，使用钻套可以有效避免钻偏现象的发生。目前，大部分厂家采用数控钻床进行 PCB 钻孔加工，数控钻床通常使用硬质合金的定柄钻头。这种钻头具有诸多优势，例如能够实现自动更换钻头，大大提高了生产效率；定位精度高，无需使用钻套，减少了加工误差；大螺旋角设计使得排屑速度快，有利于高速切削；在排屑槽全长范围内，钻头直径呈现倒锥状，钻削时与孔壁的磨擦较小，从而能够保证较高的钻孔质量。常见的钻柄直径有 3.00mm 和 3.175mm，这些尺寸规格是根据 PCB 加工的实际需求和设备兼容性确定的。

三、钻头结构

一种典型的钻头结构包括一个刀杆，刀杆的尖端设有两个位于主平面上的切削刀片。这些切削刀片具有在共同第二平面上取向的短的中心切削刀刃，该刀刃形成一个点状中心切削刀刃用于进入工件，并且能够在钻孔初始阶段将钻头对中，确保钻孔的准确性。在刀杆上，还设有两个排屑槽，它们从尖端延伸到底端。在沿刀杆的任一截面上，排屑槽在管平面上都位于彼此径向相对的位置，管平面与在管的两侧的两个刃带的共同刃带平面成 90° 延伸，这样的结构设计使得刀杆在该平面具有最大的刚性，能够承受较大的切削力和扭矩。中心切削刀刃的第二平面的取向与刃带平面或刀杆的底端的主刚性方向大约成 90° 角，这种角度关系有利于切削力的合理分布和钻头的稳定工作。

此外，还有一种专门用于对混凝土等材料进行钻孔作业的钻头。其切刃部大致呈辐射状配置，具有至少 2 个主切刃部以及在圆周方向上配设于主切刃部与主切刃部之间的至少两个副切刃部。主切刃部具备作为其切刃的主切刃，主切刃内端位于旋转中心，外端则位于切刃部的旋转轨迹的外缘。副切刃部具有作为其切刃的副切刃，该副切刃内端位于向外径侧偏离旋转中心的部位，外端则位于向旋转中心侧偏离切刃部的旋转轨迹的外缘的位置上。这种结构设计使得钻头在对混凝土等坚硬且不均匀材料钻孔时，能够更好地应对不同位置的切削阻力，提高钻孔效率和稳定性。

另一种钻头具备配置于钻头前端的多个切刃部以及设于该切刃部基端一侧且于基端部上形成有柄部的轴状钻头主体。切刃部具有由切削面与后隙面的接合缘向前端侧突设而形成的切刃，切刃自钻头旋转中心侧向外径侧配置成大致辐射状。该钻头利用旋转动作与轴方向的动作的复合动作进行冲击切削，其特征在于，切刃部具有至少 2 个主切刃部以及配设于圆周方向的主切刃部与主切刃部之间的至少 2 个副切刃部。主切刃部具有作为其切刃的主切刃，主切刃内端位于旋转中心，外端则位于切刃部的旋转轨迹的外缘，副切刃部具有作为其切刃的副切刃，副切刃内端位于从旋转中心向外径侧偏离的部位，外端位于从切刃部的旋转轨迹的外缘向旋转中心侧偏离的位置。这种结构在一些特殊材料或特定加工工艺要求下，能够发挥出独特的切削性能，提高钻孔的质量和效率。

四、钻头的材质

印制板钻孔用钻头一般采用硬质合金材质。这是因为环氧玻璃布复铜箔板对刀具的磨损速度极快，而硬质合金具有优异的耐磨性。硬质合金是以碳化钨粉末为基体，以钴粉作粘结剂，经过加压、烧结等工艺制成。通常情况下，其含碳化钨 94％，含钴 6％。由于硬质合金硬度很高，非常耐磨，并且具有一定的强度，所以特别适合用于高速切削加工。然而，硬质合金也存在韧性差、脆性大的缺点。为了改善其性能，人们采用了多种方法。例如，在碳化基体上化学汽相沉积一层 5 - 7 微米的特硬碳化钛（TIC）或氮化钛（TIN），这样可以使其硬度进一步提高。还有的采用离子注入技术，将钛、氮、和碳注入其基体一定的深度，这种方法不仅能够提高硬度和强度，而且在钻头重磨时，这些注入成份还能内迁，保持钻头的性能。另外，也有通过物理方法在钻头顶部生成一层金刚石膜，极大地增强了钻头的硬度与耐磨性。硬质合金的硬度与强度，不仅与碳化钨与钴的配比有关，还与粉末的颗粒大小密切相关。超微细颗粒的硬质合金钻头，其碳化钨相晶粒的平均尺寸在 1 微米以下。这种钻头不仅硬度高，而且抗压和抗弯强度都有显著提高。为了降低成本，现在许多钻头采用焊接柄结构，即钻头的后部钻柄采用不锈钢材质，而前部的切削部分仍为硬质合金。这种结构虽然降低了成本，但由于采用了不同的材质，其动态的同心度不及整体硬质合金钻头，特别是在小直径钻头方面，同心度的差异可能会对钻孔精度产生一定的影响。

五、钻头的使用

（一）存放与取用

1、钻头应妥善存放在特制的包装盒里，这样可以避免因振动或相互碰撞而导致钻头损坏。在存放时，要确保每个钻头都有独立的存放位置，防止钻头之间的摩擦和碰撞。

2、使用时，应从包装盒里小心取出钻头，并立即安装到主轴的弹簧夹头里或自动更换钻头的刀具库里。使用完毕后，要及时将钻头放回到包装盒中，保持钻头的存放环境稳定，延长钻头的使用寿命。

（二）测量与安装

1、测量钻头直径时，必须使用工具显微镜等非接触式测量仪器。这是因为接触式测量仪可能会与钻头的切削刃接触，从而碰伤切削刃，影响钻头的切削性能和精度。

2、对于某些数控钻床，如果使用定位环，在安装钻头时，其深度定位一定要精确无误。若不使用定位环，则需要调整钻头装到主轴上的伸长度，使其保持一致。在多主轴钻床中，更要特别注意这一点，确保每个主轴的钻孔深度相同。如果钻孔深度不一致，可能会导致钻头钻到台面或无法钻穿线路板，从而造成工件报废。

（三）检查与维护

1、平时可以使用 40 倍立体显微镜定期检查钻头切削刃的磨损情况。通过显微镜观察，可以及时发现切削刃的磨损程度、是否有缺口、擦伤或裂纹等缺陷，以便采取相应的措施。

2、要经常检查主轴和弹簧夹头的同心度以及弹簧夹头的夹紧力。同心度不佳会引发一系列问题，如小直径钻头容易断钻，钻出的孔径会偏大等。夹紧力不足则会导致实际转速与设置的转速不匹配，夹头与钻头之间出现打滑现象，影响钻孔的正常进行。

3、定柄钻头在弹簧夹头上的夹持长度应为钻柄直径的 4 - 5 倍，这样才能确保夹牢钻头，防止在钻孔过程中钻头松动或脱落。

4、要经常检查主轴压脚。压脚接触面应保持水平且与主轴垂直，不能有晃动现象。否则，在钻孔过程中容易产生断钻和偏孔等问题，影响钻孔质量和加工效率。

5、钻床的吸尘效果要好。吸尘风不仅可以降低钻头温度，减少钻头因过热而磨损或损坏的风险，还能带走粉尘，减少摩擦产生的高温，同时保持工作环境的清洁，有利于操作人员的健康和设备的正常运行。

6、基板叠层（包括上、下垫板）要在钻床的工作台上的一孔一槽式定位系统中定位牢固、放平。如果使用胶粘带，要注意防止钻头钻在胶带上，因为这样会使钻头粘附切屑，造成排屑困难，甚至导致断钻。

（四）检验与重磨

1、订购厂商的钻头后，在入厂检验时要抽检 4％，检查其是否符合规定要求。并且要使用 10 - 15 倍的显微镜对所有钻头进行 100％检查，查看是否存在缺口、擦伤和裂纹等缺陷，确保钻头质量合格。

2、钻头适时重磨能够增加钻头的使用次数和重磨次数，有效延长钻头的寿命，从而降低生产成本和费用。通常使用工具显微镜测量，在两条主切削刃全长内，当磨损深度小于 0.2mm 时，可以进行重磨。重磨时要磨去 0.25mm。普通的定柄钻头可重磨 3 次，铲形头（undercut）的钻头可重磨 2 次。翻磨过多其钻孔质量及精度都会下降，会造成线路板成品的报废。过度的翻磨效果适得其反。

（五）报废判定

当由于磨损且其磨损直径与原来相比较减小 2％时，则钻头报废。此时钻头的切削性能和精度已无法满足加工要求，继续使用可能会导致加工质量严重下降，甚至损坏工件或设备。

（六）参数设置

钻头参数的设置在一般情况下，厂商都提供一份该厂生产钻头的钻孔的转速和下速的参数表，该参数仅仅是参考，实际还要工艺人员经过实际使用得出一个符合实际情况的钻头的转速和下速参数，通常实际参数与参考的参数有区别但是相差不会太多。工艺人员需要综合考虑被加工材料的硬度、钻头的材质与规格、加工设备的性能等多方面因素来确定最佳的转速和进给速度。例如，加工硬度较高的材料时，应适当降低转速并减小进给量，以避免钻头过度磨损或损坏；而对于较软的材料，则可以适当提高转速和进给量，以提高加工效率。同时，在加工过程中，还需要根据实际情况进行动态调整，如观察切屑的形状、颜色和排出情况，以及钻头的振动和发热程度等，确保钻头始终处于良好的工作状态，获得高质量的加工孔。

综上所述，钻头作为一种重要的加工工具，其种类繁多、结构复杂、材质多样，并且在使用过程中有诸多需要注意的要点。无论是从事工业制造、建筑施工还是电子线路板加工等行业的人员，深入了解钻头的相关知识，都有助于正确选择、使用和维护钻头，从而提高工作效率、降低成本，并保证加工质量的稳定性和可靠性。