钻孔

钻孔是一种切削（英语：cutting）加工方式，利用钻头在固态材料上切削或是加大圆形截面的孔。钻头是旋转型的切削刀具，多半有多个切削刀刃，在钻孔时钻头会受压接近工件，转速从数百RPM到上千RPM。压力及转速迫使钻头穿过工件，留下圆孔，而切屑（英语：Swarf）也会从圆孔中脱落。有时可以由特制的钻头钻不是圆形的孔，例如钻方形的孔。钻头钻的孔特点是在进入面有尖锐的边，在离开面（若没有特殊处理移除的话）会有不规则的毛边（英语：Burr (edge)），孔的内侧一般也会有螺旋状的进给纹路。钻头会影响工件的材料特性，在孔附近产生低残留应力（英语：Residual stress）的区域，在靠近钻孔附近很窄的区域会有一周高应力区域，新生成的表面会受到影响，因此工件在有应力的表面会更容易生锈腐蚀。可以用表面处理来避免腐蚀的情形，例如在表面镀14-20µm的锌可以避免腐蚀。钻头一般会有螺旋状的槽，切屑会经过槽离开工件。依材料及制程参数的不同，切屑可能是长的螺旋形或是小的碎片。切屑的形状是材料可加工性（英语：Machinability）的指标，形成长条式的切屑会减少可加工性。若是可能的话，钻孔最好垂直工件表面，以免钻头在加工时出现偏移，钻孔的中心点偏移理想的位置，钻孔的位置也就不对了，钻头长度和直径的比例越大，越容易出现钻孔偏移的情形，可以用以下的方式来避免：钻孔的表面光洁度（英语：Surface finish）约在32至500μm，精加工约可以到32μm，较粗糙的加工则为500μm。在钻孔时常会用切削液来冷却钻头，延长刀具寿命，增加切削速度和进给（英语：speeds and feeds）、提升表面光洁度，也帮助退出切屑。切削液一般是和冷却液及润滑剂一起以液体形式加在工件上，或是用喷雾的方式进行。在选择钻头时需考虑要加工的方式，评估用哪一种钻头最合适。有各因应不同加工条件的钻头。例如铲形钻（spade drill）可以钻较大的洞，可转位钻头（indexable drill）可以用在需控制切屑的应用。中心钻的目的是钻一个小孔，后续钻孔时可以引导钻头用，有些中心钻钻孔时可能只会钻一个盲孔，一般会配合特殊形状的钻头。深孔钻孔定义为孔的深度超过孔直径的十倍。这种孔需要设备来维持其直度及公差，而圆度和表面光洁度也是考量之一。深孔钻孔一般会用枪孔钻或BTA钻。有许多不同给冷却液的方式（从内部或是外部）以及切屑移除的方式（从内部或是外部）。常会利用刀具旋转，工件反向旋转的方式来达到需要的直度及公差。其他的加工方式包括套孔（trepanning）、硬滚及镜面加工（skiving and burnishing）、 拉式镗孔（pull boring）或瓶形镗孔（bottle boring）。后来提出的振动钻孔可以克服直度及公差问题，振动钻孔的钻头会控制其轴向的振动，因此在振动时，切屑也会和钻头分离。高科技的钻孔系统会控制力、转矩、振动及产生的音频噪音。振动是深孔钻孔主要的问题，常会造成钻头断裂，这类的钻孔会选用特殊的冷却剂。枪孔钻最早是用来钻枪管，也常用来钻小直径的深孔，其深度-直径比可以超过300:1。枪孔钻的关键是钻头会自动对心，因此可以钻准确的深孔，钻头的旋转运动类似麻花钻，但钻头有设计延着边缘滑动的轴承，因此钻头会维持在钻孔的中心。枪孔钻一般是高转速，低进给速度。套孔（Trepanning）一般会用来产生直径较大，不适合一般钻孔方式的孔，最大可到915 mm（36.0英寸）)。套孔用类似圆规画圆的方式去除工件中一块圆盘形状的区域。套孔一般会用在扁平的工件，像金属片、花岗岩（冰壶），平板或是像工字梁的结构件。套孔也可以制作槽，可以加入像O形环之类的密封件。微钻孔（Microdrilling）是指直径小于0.5 mm（0.020英寸）的孔。钻这类的孔相当困难，因为不能使用内部补给冷却液的钻头，而且转速要快。振动钻孔最早是在1950年代由鲍曼莫斯科国立技术大学的Pr. V.N. Poduraev开始研究，主要原理是在钻头进给之外，再加上轴向的振动，使切屑破裂，离开切削区域。振动钻孔有两种主要的技术：自维持的振动系统及受激的振动系统。大部分的振动钻孔技术都还在研究阶段。在自维持振动钻孔中，在切削时运作在系统的本征频率下，使其自然振荡，一般是在刀具夹持部分的质量-阻尼-弹簧系统达成。受激的振动系统则是用压电系统来产生及控制振动。振动系统一般会运作在高频（约2KHz），而其振幅很小（约数μm），特别应用在钻较小的孔。后来振动可以由机械系统产生。其频率是由旋转速度及一圈有几次振动决定，振幅约为0.1 mm。最后提到的技术是已商品化的技术（如MITIS的SineHoling® 技术）。在面对深孔钻孔、多材料堆叠钻孔（航太材料）或没有润滑剂的干钻孔时，振动钻孔是一种受欢迎的方案。一般而言可以提升可靠度，也可以控制钻孔系统。圆弧插补（Circle interpolating）也称为轨道钻孔（orbital drilling），是由切削机产生圆孔的方式。圆弧插补是将刀具（英语：Cutting tool (machining)）沿着本身的轴旋转，同时也沿一个本身轴平行但有一定横向偏移的轴旋转。刀具可以轴向前进或后退来钻孔，也可以配合任意的横向移动来加工开口或孔穴。利用调整偏移，一个固定尺寸的刀具可以切削任意直径的圆孔，只要大小比刀具大，因此切削刀具的数量可以大幅减少。轨道钻孔的名词是因为刀具是以圆孔中心为圆心的圆轨道上运动，故此得名。相较于传统的钻孔，机械施力，偏移量可变的轨道钻孔有多项优点，大幅提升了圆孔的精度圆弧插补。较小的推力也代表在金属钻孔时会有无毛边的圆孔。在钻复合材料时也不会有层离（英语：delamination）的问题。一般的工作条件下，切屑会由钻头的沟槽往上移动，最后离开钻头。当钻头往下进给时，切削边会产生更多的切屑。但有时切屑卡在沟槽或钻孔中无法出来，原因可能是要钻的孔比正常的孔要深，或是在钻孔时没有适时的偶尔将钻头往上移，因此使多余的切屑无法离开钻孔。有时在此情形会使用切削油，方便切屑排出，切削油也可以冷却及润滑刀具及切屑，延长刀具的寿命。在进给较大或是要钻的孔较深时，会使用有注油孔的钻头，利用油泵浦透过小孔将润滑油注入钻头中，再利用钻头的槽流到钻孔中。在数控（CNC）机床中，会使用一种为称深孔啄钻的加工方式，在钻深孔时避免形成有破坏性影响的切屑。啄钻的加工方式是在加工时，进给长度在超过五倍长直径之前，会先将钻头退出工件，再重新进给钻孔，直到钻孔完成为止。另一种类似的加工方式是高速啄钻，加工时只会定期略将钻头退后，再重新进给钻孔，此加工方式速度较快，但只能用在长度略长的孔中，以免造成钻头过热。若是加工纤维性的材料，也会利用类似的加工方式来将切屑切断。木头比大部分的金属都软，因此木头钻孔时比金属钻孔要简单，速度也比较快。木头钻孔不需要切削油。木头钻孔主要的问题是确保进入点及离去点的边缘完整，以及避免烧焦。为避免烧焦，需要选择尖锐的钻头，在适当的切削速度下运作。钻头可能会撕裂进入点及离去点边缘的木头，这在精致木工应用中是不希望出现的。金属钻孔中无所不在的麻花钻头也可以用在木头钻孔，但在进入点及离去点边缘的木头可能会剥落。有些情形下，木匠钻孔时孔的品质不是考虑的重点，此时有许多快速钻孔的方式，例如铲形钻斗或自进给的螺丝钻（英语：auger (drill)）。有许多专门技术可以钻出边缘整齐干浄的孔，包括三尖木工钻（brad-point bits）、平底钻头（Forstner bit）及孔锯，若在木头后面垫一块木头，可以防止在离去点时使木材剥落，若垫在木头前面垫一块木头，则可以防止在进入点的木材剥落。木头钻孔在开始时会比金属钻孔简单，因为钻头可以轻压入木头中，形成一个凹陷的记号，方便钻头准确的定位，因此钻孔滑移的可能性也比较低。像塑胶之类的材料及一些金属，若加热的话．工件会膨胀，孔可能会比预期的要小。以下是一些会和钻孔前后进行的加工方式：