什么是U型钻？

什么是U型钻？

U型钻是一种在机械工业中广泛应用的孔加工用可转位刀具，以其高效、高精度和长寿命等特点，在现代制造业中占据重要地位。本文将详细介绍U型钻的结构特点、工作原理、优势及使用技巧，帮助读者全面了解这一先进的加工工具。

什么是U型钻？

U型钻是机械工业中广泛使用的孔加工用可转位刀具，其钻孔的深径比（L/D）一般在1.5-3.0范围内，又称浅孔钻。这种钻头最初是由瑞典Sanvik蛰伏公司于1970世纪1年代开发的一种新型U型钻，其特点是切削速度快、进给量大、生产率高。与麻花钻相比，在数控机床上使用时，切削时间可减少80%，切削效率高5-10倍。不仅可以钻孔，还可以回程钻孔，不仅在车床、铣床、加工中心等机床上得到广泛应用，而且在机床与自动化流水线的结合上，都得到了极好的应用。它可用于钻孔、成型或铰孔，是孔加工的理想选择。

结构特点

U型钻的基本结构如图1所示由可转位刀片、夹紧元件（螺钉）、刀片和支承部件（冷却液供给系统、各种设备的连接装置）组成。采用压孔结构，将具有合理断屑机构几何参数的可转位刀片，通过夹紧件、螺钉紧固在刀体前端，构成钻头的切削部分。刀体具有两条排屑槽和一个孔，用于将冷却液输送到切削区域。刀体的末端可以制成直柄或锥形柄，以便与不同的设备连接。

1. 可转位刀片及夹持方法

目前U型钻常用的硬质合金可转位刀片有三角形、四边形、菱形不等六边形等，均带有螺孔，后角约为7°，其中以不等六边形（也称凸三角形）刀片使用最多。可转位刀片大部分采用锥形螺钉夹紧，因为刀片与螺钉孔的中心有一定偏移（一般为0.150.2mm）；旋入螺钉后，对定位面产生一个向下的压缩和紧固的作用力，把刀片牢牢地压住。可转位钻头所用刀片的数量主要与刀具直径有关，一般直径17.5856mm采用两刀片。

2. 句子结构

U型钻制造的关键是刀体结构，刀体结构是否合理直接影响U型钻的制造质量。因此，无论是设计还是加工，我们都非常重视U钻的钻体结构。一般来说，U钻的钻体结构主要指排屑器、刀片槽、冷却液孔、定位肩、夹紧面等。

2.1 U型钻排屑器

U型钻的排屑槽有直槽和螺旋槽两种形式，一般钻头不旋转时采用直槽，旋转时采用直槽或螺旋槽，U型钻的排屑槽直接影响钻体的强度。因此必须满足下列条件。

①抗扭转、弯曲变形能力强。

(ii) 优化切割流动空间；以及

优化切削流动空间；③最佳冷却液喷射位置及流动空间。

2.2 U 型钻刀片横截面

U钻的刀片槽位于刀体的前端，是刀片固定的地方，其位置和角度直接影响U钻的切削性能。一般来说，U钻的刀片槽必须满足以下条件。

①内、外两个刀片的中心、高度控制要严格，特别是内刀片不得高于中心，一般低于中心0.15～0.2mm；

②采用内外两种切削刀片，合理分担切削量一般内齿切削量占整个切削量的1/3左右，外齿切削量占2/3左右；

③两块刀片的位置应使切削力的径向分力互相平衡；

④刀片槽的定位面、支撑面应耐磨，有一定的硬度HRC45～50，粗糙度较小，一般在0.8以下。

2.3 冷却系统

U型钻使用冷却液的目的是为了使U型钻起到冷却、润滑、发挥切削作用，因此U型钻在使用过程中必须保证一定的压力和冷却液流量。冷却液孔必须满足下列条件。

①中心冷却液孔应尽量大；为满足较多的冷却液输入和压力，中心冷却液孔应较小。

②出料孔应有合理的喷射位置，以保证最佳的冷却效果。

理论分析

1. 力学分析

U型钻所用的刀片形状有四边形、三边形、六边形等，18U钻上通常安装两片直径为50mm的刀片，内外刀片重叠，将加工孔径分成四部分、两个台阶（见图3）。图2

图3 内外前沿区域

但当内刀片不是钻头旋转中心时，若采用三边刀片（T形），钻孔时只产生切削力Fq和进给力Fj（见图4），不存在背向力。进给力影响机床进给机构的设计和刀体弯曲强度的选择；两刀片的不对称分布导致在刀体中产生径向合成力FH和周向合成力矩TH（见图5）。

图4 切削力示意图

图5 力的复合图

径向合成力容易使实际钻削轴线偏离理论加工路线，影响加工孔的尺寸公差和形位公差；周向合成力矩可通过匹配机床旋转扭矩来平衡，防止钻体断裂。因此，最小化加工过程中的径向力FH成为浅孔钻设计和制造的关键问题。

2.数学分析

为方便U型钻的受力分析，将外刃位置与内刃位置移至同一侧考虑（先不考虑重叠量）（见图6）。T型刀片钻孔受力与毛坯端面切槽受力相近。

图6 数学分析图

根据金属切削机理，U 型钻刀片的切削力与 ap（反冲量）、f（进给量）、v（切削速度）成正比。根据微积分原理建立钻削力的数学模型如下（见图7）。

图7 仿真图

为什么选择

（1）U型钻可以在倾斜角小于30°的表面上钻孔，而不用降低切削参数。

（2）U型钻的切削用量降低30%后，可实现加工相交孔等断续切削。

（3）U型钻可实现多台阶孔的钻削及镗孔、倒角、偏心钻孔等。

（4）U钻可加工精度达到0.05Hm，表面粗糙度值B=1.64n的孔，并可实现大进给、高速、高效切削。

（5）U型钻钻孔切屑基本较短，刀具可以利用其内部冷却系统安全排屑，无需清理刀具上的切屑。有利于产品加工的连续性，缩短加工时间，提高效率。

（6）在标准长径比下，用U型钻钻孔时无须退屑。

（7）U型钻为可转位刀具，因此刀片磨损后无需刃磨，更换方便，成本较低。

(8)U型钻加工的孔的表面粗糙度较小，公差范围较小，可以代替一些镗孔刀具的工作。

（9）当使用U型钻时，不需预冲中心孔，加工盲孔的底面比较平直，不需要使用平底钻。

（10）U型钻技术减少了钻孔刀具的数量。由于U型钻采用头戴式硬质合金刀片，其切削寿命是普通钻头的十倍以上。同时刀片有四个切削刃，刀片磨损、切削完毕后，只要更换刀片即可，新型切削方式节省了大量的磨削、更换刀具的时间，使工作效率平均提高6~7倍。

常见问题

（1）叶片损坏过快，容易断裂，增加加工成本。

（2）加工时发出刺耳的啸叫声，切削状态不正常。

（3）机床产生振动，影响机床的加工精度。

在数控机床上使用U型钻的技巧

（1）使用U型钻时机床刚性要求高，刀具与工件的对中性要求高，所以U型钻适合在大功率、高刚性、高转速的数控机床上使用。

（2）使用U型钻时，中心刀片应选用韧性较好的，周边刀片应选用刀片锋利的。

（3）加工不同的材料应选用不同的槽形刀片，一般来说，进给量小、公差小、U钻头的长径比大时，选用切削力较小的槽形刀片，反之，粗加工时，公差大、U钻头的长径比小时，选用切削力较大的槽形刀片。

（4）U钻的使用必须考虑机床主轴功率、U钻夹紧稳定性、切削液压力和流量，同时控制U钻排屑的效果，否则将很大程度上影响孔的表面粗糙度和尺寸精度。

（5）装夹U钻时，务必使U钻的中心与工件中心重合，误差不超过2%，并垂直于工件表面。

（6）调整U钻的中心高低，每次旋转90°（调整好中心所钻的U钻底面会有0.5mm的凸起）。

（7）使用U型钻时，要根据零件材料的不同，选择合适的切削用量。

（8）U 钻试切时，不要因谨慎或恐惧而随意降低进给或速度，因为这可能会折断 U 钻刀片或损坏 U 钻。

（9）U型钻在加工过程中，刀片磨损或折断时，应认真分析原因，更换韧性更大或更耐磨的刀片。

（10）用U型钻加工阶梯孔时，应先从大孔开始，然后再加工小孔。

（11）使用U型钻时要注意切削液，切削液需要有足够的压力才能将切屑冲出。

（12）U型钻中心与边缘所用的刀片不一样，切勿误用，否则会损坏U型钻柄。

（13）用U型钻钻孔时，可以旋转工件，旋转刀具，也可以同时旋转刀具和工件。 但当刀具以直线进给方式移动时，最常用的方法是旋转工件。

表1 U钻与普通钻头切削参数对比

结语

U 型钻广泛应用于材料加工，尤其是加工硬度较高或形状复杂的工件。它通常由优质钢或碳化物制成，具有很强的耐磨性和耐热性。U 型钻的设计特点是其独特的切削刃形状，可提供高切削效率和长刀具寿命。它们适用于各种工业制造应用，例如航空航天、汽车制造和电子。随着工业制造对精度、效率要求的不断提高，U型钻将向着更高的切削精度、更长的刀具寿命发展。通过改进材料和涂层技术，U型钻可以在更高的切削速度和更苛刻的加工条件下保持优异的性能。纳米涂层和陶瓷复合材料等新型高性能材料可以增强其硬度、耐磨性和耐腐蚀性。这些材料将使U型钻在加工难加工材料（例如钛合金、复合材料等）时表现更佳。