直槽钻头：特性、应用与优势全解析

直槽钻头：特性、应用与优势全解析

在金属加工领域，钻头的选择对于加工效率和质量有着至关重要的影响。传统观念中，螺旋槽钻头一直占据主导地位，但如今直槽钻头正凭借其独特的性能逐渐崭露头角，在特定的加工场合展现出超越螺旋槽钻头的潜力。

一、直槽钻头的发展历程与先驱

现代直槽钻的发展有着其特定的脉络，其 “先驱” 为模具钻头（die drills）。模具钻头具有尺寸短、刚性好以及钻尖结实等显著特点。由于这些特性，它在钻削加工硬钢材料时表现出色，通常适用于较低的主轴转速和较小的进给率的加工工况。其高强度和高刚性赋予了它加工出直线度和圆度俱佳的孔的能力。模具钻头之所以能够取得如此良好的加工效果，关键在于其设计之初所针对的加工材料多为产生短切屑的金属。这一特性为后续直槽钻头的发展和应用奠定了基础，也为研究直槽钻头在不同材料加工中的表现提供了重要的参考依据。

二、直槽钻头的特点

（一）切屑控制与适用材料

1、在直槽钻头的加工应用中，切屑控制始终是一个核心问题。直槽钻只有在加工那些不会产生长卷须状切屑的材料时，才能发挥出其最佳性能。这类材料主要包括铸铁、粉末合金（P/M）、中 - 高硅含量（6％或更高）硅铝合金等。这是因为直槽钻头的结构特点决定了其在处理短切屑材料时，能够更有效地引导切屑排出，避免切屑堆积和缠绕，从而保障加工过程的顺畅进行。

2、随着机床技术、冷却液输送技术以及刀具几何形状设计的不断进步，直槽钻的加工应用范围得到了显著的扩展。传统观念认为，钻头的螺旋槽对于排屑是不可或缺的，直槽钻只能用于在铝和铸铁上钻削孔深为 2D - 3D（D 为孔径）的浅孔。然而，如今开发的高压冷却系统和更高的机床主轴转速，使得采用内冷却的直槽钻的断屑和排屑性能得到了极大的提升。例如，在一些加工案例中，通过合理配置高压冷却液，直槽钻能够有效地处理以往被认为难以加工的材料，并且在较深孔的加工中也能表现出良好的稳定性。

（二）加工精度与稳定性

1、直槽钻的钻尖结构独具特色，可在每条直槽的外缘处刃磨出 2 条刃带。这种结构使得钻头在加工过程中与工件有 4 个接触点，相比传统钻头，其在加工中更为稳定。这种稳定性直接转化为加工精度的提高，能够有效减少钻孔过程中的偏差和振动，从而加工出圆度和直线度更高的孔。例如，在对一些对孔的形状精度要求较高的零件加工中，直槽钻能够满足精密加工的需求，确保产品的质量和性能。

2、直槽钻头采用的大顶角设计也对其加工性能有着积极的影响。以 H.A.M.Precision 公司的标准直槽钻头为例，其采用 140° 顶角，类似于一个分离式钻顶。这种结构使得钻头能够以非常小的推挤力钻入孔中，减少了对工件的冲击力和切削力波动。此外，大顶角还可确保钻头的整个直径与工件材料快速接合，有效降低了钻头 “跑偏” 的可能性，进一步提高了加工的准确性和稳定性。

（三）切削速度与效率

1、在条件适宜的加工场合，直槽钻头可展现出远远优于螺旋槽钻头的加工性能。其优势之一便是能够实现更高的切削速度。例如，在铝件加工中，用直径 0.394″（φ10mm）的 Guhring RT150GG 直槽钻替代麻花钻时，麻花钻的切削速度仅为 50sfm（15m/min），进给量为 0.005ipr（0.127mm/r）；而直槽钻的切削速度可达 800sfm（245m/min），进给量达 0.007ipr（0.178mm/r）。直槽钻所用切削时间仅为麻花钻的 1/10。这表明直槽钻在特定材料加工中能够极大地提高加工效率，缩短加工周期，为企业提高生产效率和降低成本提供了有力的支持。

2、直槽钻能显著提高加工效率的部分原因基于其基本设计。直槽为切屑排出孔外提供了一个直接通道，使得切屑能够更快速地离开加工区域，减少了切屑对钻头切削刃的干扰和对加工过程的阻碍。然而，由于直槽钻头的切削刃缺少一个正前角，其卷屑和断屑能力相对较差，尤其是在加工延展性较好的材料时，这一问题更为突出。但通过合理调整切削参数，如提高切削速度，能够在一定程度上弥补这一不足。因为切削速度越快，形成的切屑就越小，更易于排出，从而维持高效的加工过程。

（四）积屑瘤与钻头表面处理

1、对于直槽钻，除了切屑控制以外，积屑瘤也可能成为一个影响加工质量的关键问题。这是因为被切除的工件材料从直槽钻中心排出时要经过切削刃，并被推向钻头的钻尖。积屑瘤的形成会破坏加工表面的质量，影响孔的尺寸精度和表面粗糙度。

2、为了避免产生积屑瘤，可采用多种方法。使用表面平滑、光洁度高的钻头是一种有效的途径，因为光滑的钻头表面能够减少材料的粘附和堆积。此外，使用涂层钻头也有助于防止产生积屑瘤。例如，广泛用于铝加工的二硫化钼（MoS2）涂层就具有与特氟龙（Teflon）类似的特性，不易与其它物质发生粘结，在需要防止产生积屑瘤的加工场合使用这种涂层钻头效果极佳。涂层不仅能够抑制积屑瘤的产生，还能提高钻头的耐磨性和切削性能，延长钻头的使用寿命。

三、直槽钻头的应用

（一）在不同材料中的应用实例

1、在铝加工中，直槽钻已被证明具有显著的优势。如前文所述，在特定的铝件加工对比试验中，直槽钻的切削速度和进给量相比麻花钻有了大幅提升，加工时间大幅缩短，同时能够保证较高的加工精度。这使得直槽钻在航空航天、汽车制造等大量使用铝合金材料的行业中具有广阔的应用前景，能够有效提高生产效率，降低生产成本，满足大规模生产的需求。

2、在铸铁加工方面，直槽钻头同样表现出色。以汽车制造商 Saturn 公司的钻削加工为例，该公司在对铸铁材料进行钻削加工时，通过提高直槽钻的转速，发现刀具寿命延长，加工周期缩短，排屑效率提高。使用未涂层整体硬质合金钻头加工时，切削速度能够达到 1000sfm（300m/min），同时刀具寿命和孔的质量均有显著提高。这表明直槽钻在铸铁加工中，只要合理调整切削参数，就能充分发挥其优势，实现高效、高质量的加工。

3、直槽钻在一些特殊材料的加工中也有良好的表现。例如，用直槽钻加工 1144 耐应力钢时，断屑顺利且切屑细小，未形成积屑瘤。加工所用钻头为 H.A.M.Precision 公司的 294 - 0500 非涂层内冷却直槽钻头（直径 φ5mm），钻孔深度为 48mm，切削速度为 185sfm（63m/min），进给量为 0.003ipr（0.076mm/r），冷却液压力为 1500psi。1144 合金中硫化锰的含量较高，有利于断屑。但要成功加工这种材料，需要采用较高的冷却液压力（经验表明，冷却液压力应在 600psi 以上，最好采用 1000psi、1200psi 或更高的压力）。这说明直槽钻在特定成分材料的加工中，结合合适的加工参数和冷却液压力，能够克服材料本身的加工难点，实现优质加工。

（二）与其他刀具的配合使用及加工策略

1、在许多加工情况下，为了确保直槽钻头的加工效果，可采用一些特殊的加工策略。例如，先用一个顶角大于硬质合金直槽钻头顶角的导向钻头（中心钻）加工出一个起始孔（预孔）。这样做的目的是保证正式加工时直槽钻头的钻尖中心（横刃）首先进入预孔，避免因脆性较大的硬质合金切削刃首先与工件接触而引起崩刃。这一策略在加工一些硬度较高或材质较为特殊的工件时尤为重要，能够有效保护直槽钻头，提高加工的成功率和质量。

2、另一种加工策略是在开始钻削前先简单地确定孔位。即使是已经过加工的工件表面也可能存在缺陷，操作者只需用钻头接触一下预孔以确定其位置。只要由钻头横刃首先接触工件，钻头就不会 “跑偏”，定位孔可以起到类似钻套的作用。这种方法能够提高钻孔的位置精度，减少因定位不准确而导致的废品率，对于一些对孔位精度要求较高的零件加工具有重要意义。

（三）直槽钻头在复合刀具中的应用

1、.A.M.Precision 公司生产的一种整体硬质合金直槽阶梯钻 “Muilt - Drill” 采用了 TiAlN 涂层和内冷却通道设计，适用于在短切屑铝合金材料上进行钻孔、阶梯孔和倒角加工。这种复合功能的直槽钻头进一步拓展了直槽钻头的应用范围，能够在一次装夹中完成多个加工工序，减少了换刀次数和加工时间，提高了加工效率和加工精度。例如，在一些铝合金零件的加工中，需要同时进行钻孔和倒角等操作，“Muilt - Drill” 能够一次性完成这些工序，避免了多次装夹和换刀带来的误差和时间浪费，提高了产品的加工质量和生产效率。

2、Competitive Carbide Int. 公司生产的 “Insatiable G - Spot” 专用复合刀具将该公司的 G - Spot 直槽钻与内腔铣刀结合为一体，用一把刀具即可完成对工件几何结构的多种加工。该刀具一共可以完成 9 种加工操作，包括钻孔、外径（OD）倒角和锪孔、内径（ID）倒角和锪孔、外径车削（螺纹工件的预加工）等。由于刀具与工件之间的接触面积大，加上钻头外径与工件为 4 点接触，因此这种两件套的刀具有助于保持工件位置稳定，即可对工件起到额外夹紧作用。由于直槽钻头有 2 条刃带，该刀具不仅可以钻孔，还可以对孔起到挤光作用。这就意味着加工出的孔光洁度更高，直线度更好，与切削刃仅有 1 条刃带的传统钻头相比，可以更好地满足对孔的特定尺寸要求。使用 “Insatiable G - Spot” 复合刀具至少可以取代 3 - 4 种刀具，即如果用原来的刀具加工，需要 3 次换刀，完成 4 种加工操作。因此，这种多功能复合刀具的使用，对于提高加工效率、缩短加工时间大有裨益，在一些复杂零件的加工中能够发挥重要作用，简化加工工艺，提高生产效率和加工质量。

四、直槽钻头的加工精度与孔壁光洁度

1、用三种不同钻头在铸铁材料上加工 φ10mm 孔时所测得的孔的直线度表明：高速钢螺旋槽钻头采用的切削速度为 98sfm（30m/min），进给量为 7.66ipm（195mm/min），采用外部冷却方式，孔的加工质量达到 IT12 级；整体硬质合金螺旋槽钻头采用的切削速度为 295sfm（90m/min），进给量为 34.5ipm（876mm/min），采用冷却液压力为 440psi/2.4 - gpm 的内冷却方式，孔的加工质量达到 IT9 级；直槽钻头采用的切削速度为 425sfm（130m/min），进给量为 33.3ipm（845mm/min），采用冷却液压力为 735psi/3.2 - gpm 的内冷却方式，孔的加工质量达到 IT8 级。这清晰地显示出直槽钻头在铸铁加工中能够获得更高的加工精度，其加工出的孔的直线度优于传统的螺旋槽钻头，无论是高速钢螺旋槽钻头还是整体硬质合金螺旋槽钻头。

2、比较各种孔加工刀具可达到的孔壁光洁度，一般来说，高速钢钻头约为 125 - rms，硬质合金螺旋槽高效钻头约在 63 - rms 以内，三槽铰刀约为 32 - rms 以内，而 G 钻（Accuromm USA Int. 公司生产的某一类直槽钻）则可达到 16 - rms 或更小，已达到精加工的光洁度水平。Accuromm 公司为了加工不同质量水平的孔，设计了不同的钻头，该公司的 G 钻一般可以满足 H9 级公差标准的孔加工要求，而该公司的 G - 7 钻头则集钻削与铰削功能于一身，可以满足 H7 级公差的加工要求。例如，Accuromm 公司列举了一个用直槽 G 钻取代麻花钻在铝材料上钻孔的加工实例，G 钻的直径为 0.394″（φ10mm），采用的切削速度为 330ft./min（100m/min），进给量为 0.008ipr（0.20mm/r），结果表明，孔加工精度显著提高，孔径误差由原来的 ±0.0032″（0.08mm）减小到 ±0.0012″（0.03mm）。在相同的切削参数下，如用 G - 7 钻头加工，孔径误差还可减小至 ±0.0008″（0.02mm）。这充分说明直槽钻头在孔壁光洁度和孔径精度方面具有独特的优势，能够满足一些对孔加工质量要求较高的场合，如精密机械制造、航空航天零部件加工等。

五、直槽钻头对其他孔加工工序的影响

由于直槽钻的钻孔质量较高，对于其它孔加工工序也大有裨益。Accuromm 公司指出，如果需对直槽钻头加工的孔进行攻丝，其优良的尺寸精度可使丝锥寿命提高约 50％。这是因为直槽钻加工出的孔具有较高的尺寸精度和较好的表面质量，为丝锥提供了更理想的加工基础，减少了丝锥在加工过程中的磨损和受力不均的情况，从而延长了丝锥的使用寿命。这一特性进一步体现了直槽钻头在整个孔加工工艺链中的重要性，它不仅能够提高自身的加工效率和质量，还能对后续的孔加工工序产生积极的影响，优化整个加工流程，提高生产效率和产品质量。

六、直槽钻头的应用范围拓展与未来发展趋势

虽然直槽钻目前还不能被视为一种通用刀具，但其使用范围却在不断扩大。随着机床技术、冷却液技术以及刀具设计技术的持续进步，直槽钻头在更多材料和更复杂加工场景中的应用潜力正在被逐步挖掘。例如，在一些新材料的加工中，通过优化钻头的几何形状、涂层技术以及加工参数，直槽钻头有望突破现有的材料限制，实现更广泛的应用。同时，直槽钻头在复合刀具中的应用也将成为未来的一个发展重点。通过与其他刀具功能的集成，开发出更多多功能、高效率的复合刀具，满足现代制造业对高效、精密加工的需求。此外，随着智能制造技术的发展，直槽钻头的智能化应用也可能成为未来的一个研究方向，例如通过传感器技术实现对钻头切削状态的实时监测和调整，进一步提高加工的稳定性和可靠性。总之，直槽钻头在提高加工效率和改善工件质量两方面已经展现出十分显著的效益，其未来的发展前景值得期待。