近年来，由于钢结构具有良好的加工性能和焊接性能，同时，强度高、质量轻、材质均匀且塑性韧性好、抗震性佳、综合效益指标优良，在大跨结构、工业厂房、火电、核电、多层或高层建筑、高耸建筑以及压力容器等方面得到了广泛的应用。随着我国国民经济的不断发展和科学技术的进步，钢结构的应用范围不断扩大，钢结构制造和安装企业像雨后春笋般在全国各地涌现，钢结构制造业得到了较大的发展。制孔在钢结构制造中占有很大比重，尤其是高强螺栓的采用使孔加工不仅在数量上，而且在精度要求上都有了很大提高。钢结构工程制孔验收和质量验收规范[1]标准见表1和表2。
表1A、B级螺栓孔径的允许偏差(mm)
表2螺栓孔孔距允许偏差(mm)
注：1.在节点中连接板与一根杆件相连的所有螺栓孔为一组；2.对接接头在拼接板一侧的螺栓孔为一组；3.在2相邻节点或接头间的螺栓孔为一组，但不包括上述2款所规定的螺栓孔；4.受弯构件冀缘上的连接螺栓孔，每米长度范围内的螺栓孔为一组。
1条月产量在t左右的钢结构生产线每天要完成多个高强螺栓孔，传统的钢结构生产制孔工艺已经不能满足生产需求。数控切割机切割所制的孔孔壁面粗糙，有火焰割痕和氧化层，不能满足精度要求;用普通标准麻花钻在摇臂钻床上钻孔能保证加工精度要求，但被加工件需要被定位和夹紧，效率不高；数控钻床钻孔有一定的局限性，只能加工钢板件和角钢等零件，不能加工较大构件；采用模板定位麻花钻钻孔，模板要装夹或点焊在待加工工件上，因此需要装拆夹具或打磨焊点，效率也不高。综上所述，迫切需求一种新型工具，打破传统工艺，从而解决上述问题。新型空心钻头(又称取芯钻头)就可以较好地解决这个难题。
1新型空心钻头的结构新型空心钻是多刀刃环状切削的高效钻头，钻孔直径为12～mm，主要用于对钢构件的钻孔加工，如钢结构工程、轨道交通、桥梁、船舶、机械制造、航空航天等孔加工领域，其钻孔性能明显优于传统的二刃麻花钻，具有钻孔效率高和钻削轻快省力等特点。多刃钢板钻与磁座钻机配套使用可以对大型钢构件进行多方位钻孔，操作方便灵活，有效缩短工程施工时间，已成为现代钢构件钻孔及环形槽加工的首选刀具。空心钻头又名取芯钻头或开孔器，一般空心钻头切削深度为25mm、35mm、50mm、75mm和mm等。空心钻头的转速和进给量是普通标准麻花钻的3～5倍，其钻孔速度要比传统的麻花钻头快8～10倍，空心钻头及其装在内芯的顶针如图1所示，空心钻头切削刃几何参数如图2所示。
图1空心钻头及其装在内芯的顶针
图2空心钻头切削刃几何参数
新型空心钻头刃部采用的3枚组合刃的结构、齿距不等分和特殊硬质合金刀刃等是其创新点。每枚组合刃由若干个外刃、中刃和内刃组成，每个刀刃在切削过程中只负担1/3左右的工作量，加之每个刀刃的内侧均有切削刀，所以可以使排屑非常顺畅；另外，各刃分别负担一部分切削工作的特性使得该孔钻极不容易产生崩刃现象。因此，该空心钻头刃型锋利，需要很小的动力便能实现快速切削。空心钻头刀刃的主要参数为：前角γ=10°～12°，后角a=7°～9°，副后角a1=2°～3°。新型空心钻头使用过程中前刀面不需要重磨，后刀面才是空心钻头最易重磨的面，因此空心钻头的刃磨是以刃磨后刀面来实现。新型空心钻头可对mm厚的钢板进行高精度和高速度的穿孔，也可以钻交叉重叠孔。新型空心钻头配合专门带有快装连接弹簧套的动力机器，具有效率快、成本低的特点，新型空心钻头刃部采用硬质合金制造，具有3层端齿几何参数，切削轻快，使用寿命长，三削平柄接口，适用于各种微型磁力钻机。硬质合金空心钻头通过采用转换连接套，也可适用于各类立式钻床、摇臂钻床、铣床和车床等。
2新型空心钻头的经济效益作为切削工具，人们使用标准麻花钻头已经有多年的历史了，由于麻花钻头的钻芯部分完全是负的切削角度，切削阻力很大，所以麻花钻头切削力的50%～60%是由于钻头的钻芯产生的。综合上述因素可知，麻花钻头不可能做得很大，加工更大、更深的孔就必须从钻小孔开始一步一步地扩大，直到扩孔尺寸达到要求为止。新型空心钻头扩大了钻头的切削范围，使用相对较小的动力就可以加工大直径孔和高深度孔，也可以把空心钻头的尺寸做得很大，变成了现在工程上普遍使用的开孔器(见图3)，可钻透多种等级的钢筋混凝土、大理石、砂岩、天然石和瓷砖。新型空心钻头不仅降低了加工成本，还把过去认为不可能实现的加工工艺变为现实。
图3开孔器
孔加工属半封闭式切削，切削热集中于刀尖处，使切削刃温度急剧升高；此外，因刀具进给方向与切屑排出方向相反，普通标准麻花钻是由实体材料加工而成，所以只能采用外注切削液冷却，切削液不易进入切削区，从而加剧了切削刃温度的升高，使刀具寿命降低。切削液注入方式可分为外注式切削液冷却和内喷式切削液冷却。降低切削刃温度最有效的方法是采用喷切削液冷却，以辅助排屑润滑和带走大量地热量。试验表明，内喷式切削液冷却效果比外注式切削液冷却好效果3～5倍，即新型空心钻头可比普通标准麻花钻冷却效果改善3～5倍。
由于空心钻头工作载荷小，只需要很小的动力就能顺利实现孔的加工，所以将空心钻头安装在微型磁力钻机上便能顺利工作。空心钻头配合微型磁力钻，通过磁力钻机本身底部的电磁铁通电后产生磁性，可以直接吸附在大型钢结构件上，实现了大工件、特大工件、异形件的孔加工，从而使不易转移工位的大吨位件实现全方位的钻孔加工，不需要任何夹具对工件进行定位和夹紧，不依赖于机床便能高精度、高效率地完成钢结构制造和安装工程中的制孔任务。
普通标准麻花钻钻孔可产生长带状螺旋铁屑，这种铁屑常常缠绕在麻花钻钻头周围，很大程度上阻碍了外部切削液进入钻头尖部，严重影响切削液的冷却效果，并且铁屑会伴随整个切削过程随麻花钻头旋转而飞出，给操作工人的人身安全带来一定风险。新型空心钻头在整个切削过程中由于其结构和刃型的特殊性，只产生细末状铁屑和单个圆柱形钢块，危险系数小；并且，从经济方面来讲，使用新型空心钻头钻孔产生的圆柱形钢块回收再利用的经济价值远远比使用标准麻花产生的铁屑高很多。
下述以空心钻头安装在微型磁力钻机上钻孔为例来说明其使用方法。首先，用划针在工件上划出待加工孔的中心线，在孔中心线的交叉点(孔的中心)上砸出样冲眼；然后，将微型磁力钻放在待加工孔的工件表面上，将空心钻头上的顶针对准样冲眼，打开电磁开关，将微型磁力钻吸附在工件表面，打开主轴转动开关，开始钻孔，这时打开磁力钻机上的冷却系统对还在工作的空心钻头进行冷却；最后，当孔径钻透时，空心钻头主轴内的弹簧自然对顶针产生一个压力，顶针受压将圆柱形块状铁屑弹出、单个钻孔工作完成。
3结语新型空心钻头的诞生解决了钢结构制造行业的钻孔难题，在未来钢结构行业的发展中，尤其是火电钢构、核电钢构和重型钢构等方面，规范标准会越来越高，对高强螺丝孔的精度要求也会越来越高，新型空心钻头将成为钢结构制造业钻孔作业最理想的工具。
作者简介：周传国(-)，男，助理工程师，主要从事机械设计与制造及自动化等方面的研究。
木工刀具论坛“zjwoodtools”[