第十节 钻无氧铜
一、问题的提出
在电气工业生产中，常遇到另一种很纯的铜，即无氧铜(TU1、TU2)。如上节所述，纯铜有较高的塑性与韧性，但钻纯铜时断屑还不是很严重的问题，采用一般的断屑方法和适当的切削用量，就能实现断屑。但是，在无氧铜钻孔时，除了钻纯铜所遇到的一般性问题外，不断屑的问题则非常突出，采用一般的断屑方法很难达到断屑的目的，切屑常缠绕在钻头上，严重影响安全和生产效率。
二、无氧铜的特点
普通纯铜除含铜99.9～99.95%外，还含氧0.02～0.06%，这些含氧量相当于0.27～0.45%氧化亚铜(Cu2O)的含氧量，存在于晶界，影响到它的机械性能。而无氧铜含氧仅0.003%，它与普通纯铜的不同之处是不含氧化铜，两者的抗拉强度与伸长率都差不多，但就断面收缩率来说，普通纯铜为73%；而无氧铜则为90%，显然要高得多。无氧铜在冷作加工时，当加工率为90%时，其断面收缩率仍高达87%。由此可见，无氧铜的断屑是相当困难的。
从实践中也看到，当用同一支钻头，并采用相同的切削用量，分别钻纯铜与无氧铜工件，得到的切屑收缩系数就不同，无氧铜的切屑要比纯铜厚1/3左右。如用γO＝20°的刨刀，吃刀深度aP＝1.5毫米，进给量f＝0.664毫米/次时，无氧铜的横收缩系数Ka＝4.2；而纯铜的横收缩系数Ka＝3.2。这说明无氧铜不但断面收缩率高，能承受很大的塑性变形，而且也容易产生塑性变形。例如用直径Φ19.7毫米的钻纯铜群钻，采用相同的切削用量，钻纯铜和无氧铜，虽然得到的切屑厚度不同，但钻削力却相差不多，功率消耗也相近。如表5-12所示。
三、钴无氧铜群钻的特点和使用
钻无氧铜除断屑较难外，其他特点与钻纯铜时相近。因此，钻无氧铜断屑群钻实质上是在钻纯铜群钻钻型的基础上稍加改动，采取了新的断屑措施，以达到断屑的目的。这种钻型如图5-11所示。其特点是：
(1)在外刃处由负的端面刃倾角修磨成正刃倾角λｔ。由于正刃倾角的作用，当切屑离开刃口向上流动时，即向加工表面(即孔底)方向流去，待碰到孔底后折向孔壁再向外排出，大大增加了切屑的附加变形。经观察，切屑堆挤得比正常情况下的切屑要厚得多，这表明在形成过程中切屑的变形加大了。切屑在排出过程中，还与孔壁及钻头的螺旋槽不断摩擦和受到它们的阻挡变形增大；而且厚薄不一，出现不均匀的现象，在切屑较薄的部位产生薄弱环节，加上主轴有很高的转速，致使切屑在离心作用的甩动下，得到断屑。
(2)在达到断屑的过程中，钻削力有所增加，容易引起切削振动(打抖)。为了保证切削平稳，不出多边形，钻芯部位的几何参数要起到保证定心可靠的作用，即应使横刃斜角尽可能大些(ψ＝90°)，以减小内刃的侧后角；钻尖高由h＝0.06d增加到0.08d；内刃锋角略减小(2Φτ≈110°)；圆弧半径也要适当减小，由R≈(0.15～0.2)d减到0.1d。
(3)外刃部分的几何参数基本上与钻纯铜群钻相同，但也要稍加改变，即不再磨出单边分屑槽，以有利于断屑，因此外刃长可稍减小，由l＝0.3d改为0．25d；后角也稍减小，由αfc≈12～15°减小到10～12°，以有利于消除切削中的振动；外刃锋角在一般情况下可以不变(2Φ＝120°)，但若钻较深孔时，2Φ也可略为加大，以有利于排屑。若要求孔的光洁度较高时，外刃的外缘转角处也可按精孔的要求采取适当的措施。
关键在于外刃应修磨出适当的正的端面刃倾角，λt≈12～22°，直径小的钻头可采用较大值；外刃前角也应略为减小，γnc＝15～25°。
(4)当修磨正的端面刃倾角时，半径Rλ应与圆弧刃半径R配合恰当，使Rλ与R的最低点相接近，过渡圆滑。通常选用Rλ≈0.04d比较合适，这是断屑与否的关键。Rλ小些有利于断屑，但若过小，则切削力增大，易引起振动，并会降低加工光洁度。
由于外刃处修磨出正刃倾角，也会影响到圆弧刃，使其前角有所减小，因此可将圆弧后角适当加大，即由αR≈10～12°增加到12～15°。钻无氧铜断屑群钻切削部分的几何参数见表5-13。
(5)必须注意，在修磨正刃倾角时，将会引起外刃和圆弧刃几何参数的变化。例如直径ψ18.5毫米的钻头，会使外刃锋角2ψ增大10°左右，尖高h增高约0.25毫米，外刃长l增长约0.5毫米。因此在修磨正刃倾角之前，应使上述几种参数适当减小。
(6)钻无氧铜要想得到良好的断屑，正确选用切削用量也很重要。通常在不产生振动和不发生闷车的情况下，由于加工材料的强度低，导热率高，钻头刃口上的热负荷还不十分严重，允许选用较高的切削速度v=40～80米/分。而进给量一般应选用较小值，f=0.03～0.19毫米/转，若进给量选得过大，则不利于无氧铜的断屑效果以及加工精度和光洁度。
为了尽可能减轻钻头切削刃上的热负荷，改善孔的加工质量，应尽量采用乳化液冷却。
四、钻无氧铜群钻的特点口诀
无氧铜料塑性高， 外刃磨出正倾角，
钻心定稳不发颤， 慢进快转促断屑。
第十一节 钻黄铜
一、问题的提出
铜(Cu)与锌(Zn)的合金称为黄铜，铜与锡(Sn)或铝(Al)、铅(Pb)、镍(Ni)、锰(Mn)、铍(Bo)等元素的合金称为青铜。黄铜有一定的强度、硬度、耐蚀性和耐磨性，以及较好的导电性。所以，它在机械工业中常用来作耐磨衬套和抗腐蚀零件，在电气工业中常用来制造各种机件。青铜比黄铜在机械性能和耐蚀性上都好，因此在机械工业中也常用。两者加工性能类似，所以我们着重对黄铜加以分析。
钻黄铜最突出的问题是：容易产生“扎刀”现象。产生“扎刀”，轻则使孔出口处划坏和有毛刺或使钻头崩刃，重则钻头切削部分扭坏，钻头折断，出事故。
二、黄铜的特点
钻孔中常遇到的是铸造黄铜，如ZHPb59-1和H62、HPb59-1。它的特点是：
(1)强度和硬度低，切削负荷小。
(2)铸造黄铜塑性较小，切屑较碎，与铸造青铜、铸铁相类似。而压力加工软黄铜的塑性较大，切屑也不易断。
(3)黄铜、青铜、铸铁、夹布胶木等强度低、硬度低、塑性小、组织粗松的材料，在切削中，当切削刃锋利时都容易产生不同程度的“扎刀”问题，其中以黄铜和胶木最为突出。用钻头扩孔，当切削刃很锋利(前、后角较大)时，也会产生“扎刀”。
所谓“扎刀”就是一种“自动切入”的现象，例如用手进刀钻黄铜孔，手可以感觉到用来转动进刀手轮的力很小，而当刚钻透工件时，由于轴向力突然降低，主轴弹性系统迅速回弹，使进给量瞬时加大，则明显地看到钻头自动扎下去，很不安全。如图5-12所示，钻头扎下，孔形划坏。从切削力示波图，如图5-13a所示，也可以看出，当钻尖刚出孔口时，轴向力下降，甚至瞬时出现负值，而此时由于进给量瞬时增大，则扭矩迅速增大，超出正常切削扭矩很多倍。当将钻头外缘部分前刀面适当修磨，减小前角使γ0=8°，则扎刀现象基本上能得到消除，如图5-13b所示。
产生“扎刀”的原因，据初步分析，可以认为：由于材料塑性小，因此切屑对切削刃前面的摩擦力Ff很小，切屑对刀刃的作用力主要是弹性压力，作用于刃口附近。刀具越锋利，即前角越大，则此弹性压力的作用方向越是将刀刃压向工件体内，如图5-14所示。如果这时工件材料软、强度低、组织粗松，则越促进刀刃的扎入。即以黄铜HPb59-1为例，当金相组织为粗叶状α相时，组织松软，扎刀现象最显著；而组织为细密粒状α相时，则扎刀不明显，如图5-15所示。
三、钻黄铜群钻的特点与使用
(1)钻黄铜首先要解决的问题是避免“扎刀”。它的外刃前角较大(≈30°)，因此，为了克服“扎刀”，不使切削刃过分锋利，即应适当修磨前刀面，以减小前角。64式黄铜群钻把整个前面都修磨了，能可靠地避免“扎刀”现象。后来，通过多次试验表明，关键在于外缘处的前角，因此，67式钻黄铜群钻只修磨切削刃外缘处，使成三角形小平面，同样可以克服“扎刀”，而它的切削力则比64式有所降低(见表4-5)。
(2)横刃长bψ进一步缩短，减小了轴向抗力。只要刃磨对称，即可钻出很精确的孔形。
(3)如对孔的光洁度要求不高，外刃前角减小值不宜过多，只要不“扎刀”，即可。一般外刃轴向结构前角γc≈6～10°，钻压力加工黄铜取上限值。当钻压力加工软黄铜时，要求光洁度较高，可将外刃轴向结构前角修磨成负前角（γc≈－5～－8°)，把棱边磨窄，并将外缘刃尖磨成圆弧(r＝0.5～1毫米)，选用适当的切削用量，例如直径18.5毫米的钻头：进给量f＝0.03～0.09毫米/转，转速n＝530～850转/分，光洁度可达▽6～▽7。
钻黄铜群钻切削部分的几何参数见图5-16和表5-14。
四、钻黄铜群钻的特点口诀
黄铜钻孔易“扎刀”，外缘前角要减小。
刃带膳窄、修圆弧， 孔圆、光整质量高。
第十二节 钻铝合金
一、问题的提出
铝(A1)及其合金，出于它的比重小，有一定的机械性能和良好的导电性、导热性和耐蚀性，因此在各种工业部门都得到广泛的应用。
机械工业中应用纯铝多为L5，如铝板。铝合金是在铝中加入少量其他元素，可以提高它的机械性能和工艺性。铝合金按制造方法不同，分为铸造的和形变(可压延)的两大类。
形变铝合金又可分为热处理(淬火和时效)可强化与热处理不可强化的两种。后一种强度较低，塑性高，主要用来制作拉伸的零件和铆钉等。前面一种强度高，常以板材、型材、管材的毛坯形式制造锻压、管形的机件，这类材料有LYl2―M，LYl2―CZ，LC4―M等。这类材料零件的孔加工量较少，所以我们不着重去考虑它。
铸造铝合金的种类也很多，最基本的是铝硅合金ZL102，俗称硅铝明。常用的牌号有ZL102、ZLl01和ZL202，铸造性能都较好。ZL102不能进行热处理(淬火和时效)，而且切削加工性很差；后两种能进行热处理，切削加工性稍好。
在铝合金(主要是铸造铝合金)上钻孔，遇到的主要问题是：
(1)产生积屑瘤严重。
(2)孔光洁度低。
(3)孔较深时切屑难排出，轻则使孔壁划伤；重则切屑挤住刃沟，使钻头折断。
二、铝合金的特点
根据表5-2可钻削性分级表可以看出，铝和铝合金的主要关键是第Ⅱ、Ⅳ项，即切屑变形大，积屑瘤严重和孔易收缩。具体有：
(1)铝合金强度、硬度低，切削负荷小，可以加大切削用量，与铜合金类似。(2)除纯铝外，一般铝合金的塑性都小，伸长率低，因此断屑较顺利。
(3)导热性能好，比铜合金还高出一倍，对降低切削温度有利。
(4)铝合金工件散热比较快，但在刃口上仍存在局部的高温、高压区，而铝和铝合金的熔点低(铝的熔点为659℃)，因此切屑上铝合金的分子很容易地粘滞在钻头的前面上，形成积屑瘤。锌合金的熔点更低，约400℃左右，因此这个问题更加严重，常常使切屑完全熔粘在螺旋槽上，挤死刃沟。
(5)由于产生积屑瘤，并且铸造铝合金常有针眼、气孔等缺陷，使孔的光洁度降低。
(6)由于积屑瘤的残痕粘附在钻头前刀面(螺旋槽)上，使切屑流出受到阻碍，导致切屑变形大，收缩系数也大，切屑断面变得很厚，占去钻头刃沟容屑空间较大的比例，因此使排屑情况变坏。
(7)铝合金的弹性系数仅为碳钢的1/3，而其线膨胀系数却为碳钢的两倍，因此钻孔中要防止孔径的收缩，并应加大后角。
(8)铸造铝合金中含有硅(Si)，硅的化合物是很硬的质点，加剧刀具的磨损。
(9)加工铝合金若用水剂切削液，由于铝容易和氢起化合作用，使孔壁产生很细的针孔。粗加工时可用较浓的乳化液，而精加工则最好用润滑性较好的非水剂切削液，以防止产生针孔，同时有利于减小切屑的变形，以及切屑与钻头前面之间的摩擦，避免产生严重的积屑瘤。我们推荐用煤油或煤油与机油的混合液。
(10)轻合金中还有一种常用的合金是镁合金。镁合金比铝合金更轻，但切削加工性很好，不产生积屑瘤，加工光洁度也好。但是应该注意的是镁(Mg)末容易引起火灾，因此加工时最好使用切削液，并且适当地加大进给量f，使得到较厚的切屑，可以避免火灾的危险性。
三、钻铝合金群钻的特点和使用
(1)钻铝合金群钻的几何参数，与基本型群钻基本相近，只是将横刃修磨得更窄，bψ≈0.02d，以进一步降低切削负荷。同时加大外刃锋角2Φ，以利于排屑。
(2)为了减轻产生积屑瘤的情况，特别是避免积屑瘤在消失时的残痕粘附在前面上，应将钻头切削刃的前刀面(螺旋槽)和后刀面用油石鐾光到▽8以上；最好选用刃沟经过抛光的钻头。
(3)采用较大的后角和修磨刃带，尖高h较低，钻芯稍为磨偏一些，以避免孔径收缩和减小摩擦，降低切削温度。
(4)钻较深的孔时，排屑的顺利与否成为关键。在对待容屑与排屑的关系问题上，应该排、容并举，以排为主。具体的措施是：第一，要保证分屑良好，应适当减小内刃锋角，2Φτ≈90～110°，并减小圆弧半径，R≈0.08d，使圆弧刃加深，改善B点的分屑作用。同时将两外刃磨得高低不同，以得到完全分屑；第二，加大外刃锋角，2Φ≈140～170°，并将外刃前刀面鐾出小平面，宽度C稍大于进给量f，外缘处结构法前角γnc减小到8～10°，这样，会使切屑在流出时减轻与螺旋槽的摩擦；第三，尽量减轻前刀面上积屑瘤残痕对排屑的阻碍作用；第四，在修磨横刃时，将刃瓣沿沟背棱多磨去一些，以加大容屑空间；第五，采用较高的转速，以利用甩屑的作用促使切屑排出。钻铝合金ZL101时，钻头直径d＝15毫米，推荐几何参数如图5-17所示，切削用量参考表5-15。当孔深为170毫米时，采用转速n＝1200～1700转/分，进给量f＝0.32～0.4毫米/转，排屑很顺利，效率也很高。
四、钻铝合金群钻的特点口诀
料粘、孔糙、积屑瘤，孔深排屑很棘手；
鐾出平面、 大锋角，精孔最好加煤油。
