近年來，由於鋼結構具有良好的加工性能和焊接性能，同時，強度高、質量輕、材質均勻且塑性韌性好、抗震性佳、綜合效益指標優良，在大跨結構、工業廠房、火電、核電、多層或高層建築、高聳建築以及壓力容器等方面得到了廣泛的應用。隨著我國國民經濟的不斷發展和科學技術的進步，鋼結構的應用範圍不斷擴大，鋼結構製造和安裝企業像雨後春筍般在全國各地湧現，鋼結構製造業得到了較大的發展。制孔在鋼結構製造中佔有很大比重，尤其是高強螺栓的採用使孔加工不僅在數量上，而且在精度要求上都有了很大提高。鋼結構工程制孔驗收和質量驗收規範[1]標準見表1和表2。
表1 A、B級螺栓孔徑的允許偏差 (mm)
表2 螺栓孔孔距允許偏差 (mm)
註：1.在節點中連接板與一根杆件相連的所有螺栓孔為一組；2.對接接頭在拼接板一側的螺栓孔為一組；3.在2相鄰節點或接頭間的螺栓孔為一組，但不包括上述2款所規定的螺栓孔；4.受彎構件冀緣上的連接螺栓孔，每米長度範圍內的螺栓孔為一組。
1條月產量在800 t左右的鋼結構生產線每天要完成2 000多個高強螺栓孔，傳統的鋼結構生產制孔工藝已經不能滿足生產需求。數控切割機切割所制的孔孔壁面粗糙，有火焰割痕和氧化層，不能滿足精度要求;用普通標準麻花鑽在搖臂鑽床上鑽孔能保證加工精度要求，但被加工件需要被定位和夾緊，效率不高；數控鑽床鑽孔有一定的局限性，只能加工鋼板件和角鋼等零件，不能加工較大構件；採用模板定位麻花鑽鑽孔，模板要裝夾或點焊在待加工工件上，因此需要裝拆夾具或打磨焊點，效率也不高。綜上所述，迫切需求一種新型工具，打破傳統工藝，從而解決上述問題。新型空心鑽頭(又稱取芯鑽頭)就可以較好地解決這個難題。
1 新型空心鑽頭的結構新型空心鑽是多刀刃環狀切削的高效鑽頭，鑽孔直徑為12～150 mm，主要用於對鋼構件的鑽孔加工，如鋼結構工程、軌道交通、橋梁、船舶、機械製造、航空航天等孔加工領域，其鑽孔性能明顯優於傳統的二刃麻花鑽，具有鑽孔效率高和鑽削輕快省力等特點。多刃鋼板鑽與磁座鑽機配套使用可以對大型鋼構件進行多方位鑽孔，操作方便靈活，有效縮短工程施工時間，已成為現代鋼構件鑽孔及環形槽加工的首選刀具。空心鑽頭又名取芯鑽頭或開孔器，一般空心鑽頭切削深度為25 mm、35 mm、50 mm、75 mm和100 mm等。空心鑽頭的轉速和進給量是普通標準麻花鑽的3～5倍，其鑽孔速度要比傳統的麻花鑽頭快8～10倍，空心鑽頭及其裝在內芯的頂針如圖1所示，空心鑽頭切削刃幾何參數如圖2所示。
圖1 空心鑽頭及其裝在內芯的頂針
圖2 空心鑽頭切削刃幾何參數
新型空心鑽頭刃部採用的3枚組合刃的結構、齒距不等分和特殊硬質合金刀刃等是其創新點。每枚組合刃由若干個外刃、中刃和內刃組成，每個刀刃在切削過程中只負擔1/3左右的工作量，加之每個刀刃的內側均有切削刀，所以可以使排屑非常順暢；另外，各刃分別負擔一部分切削工作的特性使得該孔鑽極不容易產生崩刃現象。因此，該空心鑽頭刃型鋒利，需要很小的動力便能實現快速切削。空心鑽頭刀刃的主要參數為：前角γ=10°～12°，后角a=7°～9°，副后角a1=2°～3°。新型空心鑽頭使用過程中前刀面不需要重磨，後刀面才是空心鑽頭最易重磨的面，因此空心鑽頭的刃磨是以刃磨後刀面來實現。新型空心鑽頭可對100 mm厚的鋼板進行高精度和高速度的穿孔，也可以鑽交叉重疊孔。新型空心鑽頭配合專門帶有快裝連接彈簧套的動力機器，具有效率快、成本低的特點，新型空心鑽頭刃部採用硬質合金製造，具有3層端齒幾何參數，切削輕快，使用壽命長，三削平柄接口，適用於各種微型磁力鑽機。硬質合金空心鑽頭通過採用轉換連接套，也可適用於各類立式鑽床、搖臂鑽床、銑床和車床等。
2 新型空心鑽頭的經濟效益作為切削工具，人們使用標準麻花鑽頭已經有100多年的歷史了，由於麻花鑽頭的鑽芯部分完全是負的切削角度，切削阻力很大，所以麻花鑽頭切削力的50%～60%是由於鑽頭的鑽芯產生的。綜合上述因素可知，麻花鑽頭不可能做得很大，加工更大、更深的孔就必須從鑽小孔開始一步一步地擴大，直到擴孔尺寸達到要求為止。新型空心鑽頭擴大了鑽頭的切削範圍，使用相對較小的動力就可以加工大直徑孔和高深度孔，也可以把空心鑽頭的尺寸做得很大，變成了現在工程上普遍使用的開孔器(見圖3)，可鑽透多種等級的鋼筋混凝土、大理石、砂巖、天然石和瓷磚。新型空心鑽頭不僅降低了加工成本，還把過去認為不可能實現的加工工藝變為現實。
圖3 開孔器
孔加工屬半封閉式切削，切削熱集中於刀尖處，使切削刃溫度急劇升高；此外，因刀具進給方向與切屑排出方向相反，普通標準麻花鑽是由實體材料加工而成，所以只能採用外注切削液冷卻，切削液不易進入切削區，從而加劇了切削刃溫度的升高，使刀具壽命降低。切削液注入方式可分為外注式切削液冷卻和內噴式切削液冷卻。降低切削刃溫度最有效的方法是採用噴切削液冷卻，以輔助排屑潤滑和帶走大量地熱量。試驗表明，內噴式切削液冷卻效果比外注式切削液冷卻好效果3～5倍，即新型空心鑽頭可比普通標準麻花鑽冷卻效果改善3～5倍。
由於空心鑽頭工作載荷小，只需要很小的動力就能順利實現孔的加工，所以將空心鑽頭安裝在微型磁力鑽機上便能順利工作。空心鑽頭配合微型磁力鑽，通過磁力鑽機本身底部的電磁鐵通電後產生磁性，可以直接吸附在大型鋼結構件上，實現了大工件、特大工件、異形件的孔加工，從而使不易轉移工位的大噸位件實現全方位的鑽孔加工，不需要任何夾具對工件進行定位和夾緊，不依賴於工具機便能高精度、高效率地完成鋼結構製造和安裝工程中的制孔任務。
普通標準麻花鑽鑽孔可產生長帶狀螺旋鐵屑，這種鐵屑常常纏繞在麻花鑽鑽頭周圍，很大程度上阻礙了外部切削液進入鑽頭尖部，嚴重影響切削液的冷卻效果，並且鐵屑會伴隨整個切削過程隨麻花鑽頭旋轉而飛出，給操作工人的人身安全帶來一定風險。新型空心鑽頭在整個切削過程中由於其結構和刃型的特殊性，只產生細末狀鐵屑和單個圓柱形鋼塊，危險係數小；並且，從經濟方面來講，使用新型空心鑽頭鑽孔產生的圓柱形鋼塊回收再利用的經濟價值遠遠比使用標準麻花產生的鐵屑高很多。
下述以空心鑽頭安裝在微型磁力鑽機上鑽孔為例來說明其使用方法。首先，用劃針在工件上劃出待加工孔的中心線，在孔中心線的交叉點(孔的中心)上砸出樣衝眼；然後，將微型磁力鑽放在待加工孔的工件表面上，將空心鑽頭上的頂針對準樣衝眼，打開電磁開關，將微型磁力鑽吸附在工件表面，打開主軸轉動開關，開始鑽孔，這時打開磁力鑽機上的冷卻系統對還在工作的空心鑽頭進行冷卻；最後，當孔徑鑽透時，空心鑽頭主軸內的彈簧自然對頂針產生一個壓力，頂針受壓將圓柱形塊狀鐵屑彈出、單個鑽孔工作完成。
3 結語新型空心鑽頭的誕生解決了鋼結構製造行業的鑽孔難題，在未來鋼結構行業的發展中，尤其是火電鋼構、核電鋼構和重型鋼構等方面，規範標準會越來越高，對高強螺絲孔的精度要求也會越來越高，新型空心鑽頭將成為鋼結構製造業鑽孔作業最理想的工具。
作者簡介：周傳國(1986-)，男，助理工程師，主要從事機械設計與製造及自動化等方面的研究。
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