王詩(shī)凱，何佳，祝新發(fā)

上海工具廠有限公司 上海 200093

王詩(shī)凱

1 序言

U鉆在國(guó)外早已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)廠及能源工程，而國(guó)內(nèi)的應(yīng)用早期也僅限于大型發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)廠及一些實(shí)力雄厚的工程企業(yè)，究其原因是U鉆市場(chǎng)早期被國(guó)外高端刀具制造商獨(dú)占，價(jià)格昂貴、貨期較長(zhǎng)且國(guó)內(nèi)中小機(jī)加工廠數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用還不完善。相比之下，錐柄鉆品牌繁多、現(xiàn)買現(xiàn)用且價(jià)格實(shí)惠，在工廠具備搖臂鉆床的情況下，能便捷完成鉆孔加工。而近幾年隨著國(guó)內(nèi)各類中小刀具制造商逐漸具備完成U鉆設(shè)計(jì)、制造的能力，其價(jià)格逐漸降低，規(guī)格及附件越發(fā)齊全，供貨周期幾乎達(dá)到現(xiàn)買現(xiàn)用。同時(shí)中小機(jī)加工廠也批量應(yīng)用了數(shù)控機(jī)床，與錐柄鉆比較，U鉆的高效切削性能非常明顯，逐步占據(jù)更多的市場(chǎng)份額。

2 U鉆與錐柄鉆簡(jiǎn)介

2.1 U鉆與錐柄鉆發(fā)展史

U鉆（見(jiàn)圖1）自20世紀(jì)70年代首次亮相，又名淺孔鉆、可轉(zhuǎn)位鉆或暴力鉆。U鉆以合金鋼為鉆身，結(jié)合硬質(zhì)合金刀片完成鉆削，利用高壓內(nèi)冷實(shí)現(xiàn)降溫與排屑。目前其外徑規(guī)格涵蓋14～80mm，在鉆孔深度上常規(guī)已達(dá)2D～5D，定制則可達(dá)7D。另外還針對(duì)不同的工況及加工材料發(fā)展出了專用刀片、外冷轉(zhuǎn)內(nèi)冷刀柄及轉(zhuǎn)換套類附件，極大地方便了在不具備主軸內(nèi)冷機(jī)床上的使用。

圖1 U鉆

錐柄鉆（見(jiàn)圖2）全名錐柄麻花鉆，作為孔加工常用切削刀具被廣泛用于孔的成品與半成品加工中。由于普通麻花鉆柄部為直柄，隨外徑增大其切削力也同步增大，因此導(dǎo)致鉆夾頭或ER彈簧夾頭無(wú)法緊固夾持，容易發(fā)生打滑縮柄現(xiàn)象（柄部從原始夾持位置縮入刀柄內(nèi)，導(dǎo)致鉆孔深度誤差）。當(dāng)外徑＞14mm時(shí)，采用莫氏錐柄定位并通過(guò)扁尾插入刀柄槽中剛性驅(qū)動(dòng)，使之能承受巨大的切削力及軸向力，可有效完成大直徑鉆孔加工。

圖2 錐柄鉆

2.2 外形及結(jié)構(gòu)差異

U鉆采用直槽或螺旋槽形式，工作部分留有刀槽，使用高強(qiáng)度螺栓定位安裝硬質(zhì)合金刀片完成鉆削，刀片截型及涂層配置根據(jù)不同加工材料各有區(qū)別。在后刀面具備內(nèi)冷孔，用于高壓噴射切削液，冷卻另一片刀片前刃面并將切屑沖出鉆削區(qū)域。柄部夾持方式常規(guī)為削平型直柄，尾部中心留有內(nèi)冷孔，用于與機(jī)床主軸內(nèi)冷連接。

錐柄鉆由工作部分和柄部構(gòu)成。工作部分有兩條30°螺旋槽，形似麻花，因而得名。鉆尖與直柄麻花鉆相同，角度采用118°。不同于直柄麻花鉆，錐柄麻花鉆柄部是有錐度的，不同規(guī)格對(duì)應(yīng)不同的莫氏錐度。

2.3 制造材料及工藝差異

U鉆鉆身采用合金鋼制造，主要工藝流程：割料→數(shù)控車坯→銑柄部削平面→數(shù)控銑槽及刀片安裝槽→真空熱處理→精磨柄部→表面涂層處理。硬質(zhì)合金刀片主要工藝流程：粉末配比→壓模成形→高溫?zé)Y(jié)→鈍化處理→選配涂層。

錐柄鉆工作部分采用高速工具鋼，柄部采用合金鋼，主要工藝流程：割料→接柄→車坯→軋/銑槽→熱處理→精磨柄刃外圓→鏟磨開口。

其工藝主要區(qū)別在于排屑槽的加工，U鉆采用數(shù)控機(jī)床逐層銑制，加工精度高、一致性好，但效率低。而錐柄鉆除了非標(biāo)及較大規(guī)格產(chǎn)品外，一般均采用成形扇形板熱軋成直槽后熱扭成螺旋槽。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，充分利用原材料，加工出的鉆頭坯體內(nèi)部組織具有纖維連續(xù)性，且晶粒細(xì)化，碳化物分布均勻，紅硬性高。

3 U鉆與錐柄鉆應(yīng)用場(chǎng)合及現(xiàn)狀

U鉆目前已在中小機(jī)加工廠中廣泛應(yīng)用，尤其是新冠疫情爆發(fā)后，對(duì)中小型工業(yè)機(jī)械手急劇增加的需求及國(guó)家對(duì)智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的扶持政策，都大幅增加了對(duì)機(jī)械手關(guān)節(jié)部位中小型回轉(zhuǎn)支承的需求。該產(chǎn)品主要由50Mn、65Mn合金鋼制造，根據(jù)規(guī)格每圈需鉆10～30個(gè)不等數(shù)量的通盲孔，用于攻螺紋底孔或滾珠安裝孔等。U鉆發(fā)揮其高速切削的優(yōu)勢(shì)，能在數(shù)控機(jī)床上快速穩(wěn)定鉆孔，U鉆與錐柄鉆有效孔距對(duì)比如圖3所示。由圖3可看出，U鉆鉆尖更接近平底鉆，使有效孔距加長(zhǎng)。另外，U鉆刀片更換便捷、無(wú)需額外修磨，安裝即用，完成校車后，任意更換磨損刀片后都無(wú)需二次校車，在計(jì)件制生產(chǎn)進(jìn)度下十分誘人，這也是U鉆能大量應(yīng)用的原因之一。

圖3 U鉆與錐柄鉆有效孔距對(duì)比

但U鉆也有其不足，雖然國(guó)內(nèi)中小刀具制造商都能制造U鉆，但核心硬質(zhì)合金刀片的品質(zhì)卻參差不齊。U鉆的性價(jià)比在于其刀片的可換性，條件是鉆身不能受損。筆者在內(nèi)部試驗(yàn)及對(duì)外服務(wù)時(shí)，常遇到數(shù)控機(jī)床由1人操作多機(jī)，硬質(zhì)合金刀片如遇品質(zhì)問(wèn)題或未強(qiáng)制換刀時(shí)瞬間崩碎的情況。由于其切削速度極快，又無(wú)人值守，即使發(fā)現(xiàn)后緊急停止機(jī)床，也會(huì)輕則造成鉆身報(bào)廢，重則鉆身與工件直接冷焊在一起難以取出（鉆身為合金鋼制造，硬度較軟）。在這個(gè)方面，錐柄鉆切削速度相對(duì)較低，且一般在折斷或崩齒前有提示過(guò)程：偶爾鉆削嘯叫聲→間斷鉆削嘯叫聲→連續(xù)鉆削嘯叫聲→鉆孔發(fā)生振動(dòng)→折斷或崩齒，在過(guò)程演變中還伴隨主軸負(fù)載的增加，可以從視覺(jué)、聽覺(jué)兩方面簡(jiǎn)單判斷鉆頭壽命以便提前換刀。即使發(fā)生折斷，由于其工作部分為高速鋼，耐熱性較好，因此不易發(fā)生與工件冷焊的現(xiàn)象，且錐柄鉆單價(jià)也遠(yuǎn)低于U鉆。另外，U鉆由于采用內(nèi)冷作為冷卻和潤(rùn)滑手段，對(duì)內(nèi)冷的壓力及切削液濃度都有較高要求，兩者中任意一條未達(dá)標(biāo)，都會(huì)直接影響其刀片壽命；而錐柄鉆切削速度相對(duì)較低，可采用外冷連續(xù)噴液，也可手刷液，甚至淺孔軟材料可以直接干切，靈活性較大。

錐柄鉆雖然在數(shù)控機(jī)床上用量有所減少，但在大型龍門銑、搖臂鉆床和普通車床上使用較為集中，特別是大型工件吊裝孔鉆孔，時(shí)常在車間里利用行車將搖臂鉆床或磁力鉆孔機(jī)直接吊至鉆孔位置，手刷切削液完成鉆孔，靈活方便且無(wú)需額外的整套冷卻系統(tǒng)。同時(shí)錐柄鉆還能作為悶頭孔、攻螺紋底孔這些精度要求不高、不是最終工序的鉆孔加工刀具。從用刀成本來(lái)看，一般都以單孔成本來(lái)測(cè)算，立足中小機(jī)加工廠的生產(chǎn)成本考慮，訂單多但數(shù)量不大，也就意味著需要鉆孔的工序多，但都不是同一規(guī)格，錐柄鉆的單價(jià)優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。同樣備齊刀具，在不具備大批量和穩(wěn)定訂單加工的情況下，U鉆用刀成本要成倍高于錐柄鉆。

錐柄鉆也有一些不足，如118°鉆尖不是適合所有材料鉆孔，而U鉆既有通用型刀片，也有專用型刀片。在加工不銹鋼時(shí)，需要將鉆尖頂角調(diào)整為130°并配以XR橫刃；加工鑄鐵時(shí)，將鉆尖頂角調(diào)整為118°+75°雙頂角等。經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工，能根據(jù)產(chǎn)品的材料類型、硬度范圍及機(jī)床功率，將標(biāo)準(zhǔn)鉆頭修磨成專用鉆頭，同樣也能做到高效高精度鉆孔。近兩年，U鉆附件中外冷轉(zhuǎn)內(nèi)冷刀柄及冷卻套筒的模塊化，使其能在普通車床和搖臂鉆床上使用，有替代錐柄鉆的趨勢(shì)。

4 未來(lái)錐柄鉆的轉(zhuǎn)型方向

4.1 刀具本身性能的優(yōu)化

目前錐柄鉆基本以M2、W9等高速鋼制造，材料廉價(jià)，熱處理工藝成熟穩(wěn)定。但隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展對(duì)新材料應(yīng)用的促進(jìn)，以及市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品的升級(jí)和多樣化需求，工件材料已從以往的單一鋼材如45鋼、Q235鋼轉(zhuǎn)向合金鋼、金屬粉末壓制件等。M2高速鋼所制的錐柄鉆，在耐磨性、紅硬性方面有所欠缺。未來(lái)為應(yīng)對(duì)工件材料的普遍升級(jí)，鉆頭基體材料也應(yīng)升級(jí)換代，例如使用高鈷類高速鋼。這類高速鋼中鈷元素含量的增加能高性價(jià)比地提升其耐磨性、紅硬性，使其使用壽命及性能大幅提升。另外在工藝上，以往螺旋槽采用軋/銑后手工拋光槽的加工方式，每批槽型及前角的一致性不穩(wěn)定，未來(lái)有望利用銑磨工藝，粗銑槽后通過(guò)數(shù)控磨槽機(jī)快速成形磨，其批次一致性將能得到有效改善。

4.2 針對(duì)專業(yè)領(lǐng)域上的結(jié)構(gòu)細(xì)分

U鉆工作部分為硬質(zhì)合金刀片，除通用鋼件類刀片外，還針對(duì)不同專業(yè)領(lǐng)域配套鋁合金用刀片、鑄鐵用刀片和淬硬鋼用刀片等，分別運(yùn)用在汽車、航空、模具及能源等領(lǐng)域。而錐柄鉆只有118°鉆尖，由于鉆頭切削功能主要集中在鉆尖，因此未來(lái)可根據(jù)各細(xì)分領(lǐng)域用戶的材料性能，演變組合出不同類型的鉆尖形式（見(jiàn)圖4），如118°鉆尖+XR橫刃+分屑槽（強(qiáng)力型）、130°鉆尖+XR橫刃（不銹鋼型）、118°+75°雙頂角鉆尖（灰鑄鐵型）、前刃修0°（脆硬材料型）等，并選配涂層或表面處理。正如U鉆鉆身不變、刀片百變，錐柄鉆同樣也能做到鉆身不變、鉆尖百變，這樣才能在工業(yè)4.0的新業(yè)態(tài)下，滿足用戶對(duì)刀具的專用化、定制化需求。

圖4 各種類型鉆尖形式

4.3 用戶數(shù)據(jù)鏈及培訓(xùn)平臺(tái)的建立

國(guó)外高端刀具制造商十分注重為經(jīng)銷商和用戶提供刀具業(yè)務(wù)及加工方案的培訓(xùn)，指導(dǎo)經(jīng)銷商和用戶如何選刀、用刀和養(yǎng)刀。在此次新冠疫情爆發(fā)后，線上培訓(xùn)業(yè)務(wù)能力更是大幅增強(qiáng)，還利用智能手機(jī)+5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，建立專用APP軟件形成用戶刀具數(shù)據(jù)鏈，這些趨勢(shì)在U鉆這類硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具上體現(xiàn)得尤為突出。而經(jīng)銷商和用戶對(duì)錐柄鉆的使用和認(rèn)識(shí)，還建立在師傅口口相傳的經(jīng)驗(yàn)中。

未來(lái)在提升錐柄鉆自身性能的同時(shí)，刀具制造商還可編寫圖示化的各類鉆尖樣式參數(shù)及用途，以便條紙的形式隨鉆頭一起包裝，便于用戶改制；并利用抖音、微信和網(wǎng)店等網(wǎng)絡(luò)直播平臺(tái)的力量，開設(shè)系列化關(guān)于鉆頭修磨及常見(jiàn)故障解決方案的刀具知識(shí)講堂，維護(hù)和壯大用戶群。匯總用戶咨詢及留言信息，建立用戶畫像機(jī)制和刀具數(shù)據(jù)鏈，定制化地為用戶提供整套鉆孔加工方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者作為刀具研發(fā)技術(shù)人員，雖然錐柄鉆不是本職工作內(nèi)容，但在對(duì)外服務(wù)中，時(shí)常遇到用戶使用錐柄鉆鉆孔和修磨不合理，導(dǎo)致加工效率低下的情況。本文是結(jié)合在用戶服務(wù)中的所看、所感和所想而提出的部分理念與設(shè)想，衷心希望錐柄鉆這類經(jīng)典老產(chǎn)品能繼續(xù)在工業(yè)4.0中發(fā)揮作用。