一种纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具

摘要

本发明一种纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种纤维复合材料高效制孔的专用刀具。专用刀具具有交叉旋向的微齿结构和抑振结构的多刃双顶角，此刀具划分为由第一主切削刃包络线形成的第一主切削区、第二主切削刃包络线形成的第二主切削区、包络线为终孔尺寸的左旋螺角的副切削区、变径区、夹持区和微齿切削区六个区域。本发明采用多刃双顶角结构，实现钻、扩、铰一体化加工，降低钻削轴向力，减少分层缺陷。通过相邻切削刃上交叉旋向的微齿结构，可有效去除出、入口毛刺，降低了形成终孔时的撕裂损伤，提高了入口孔壁的质量，最终实现纤维增强复合材料的一次性低损伤制孔。

权利要求

1.一种纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具，其特征是，专用刀具具有交叉旋向的微齿结构和抑振结构的多刃双顶角;此刀具划分为由第一主切削刃(I)包络线形成的第一主切削区(A)、第二主切削刃(2)包络线形成的第二主切削区(B)、包络线为终孔尺寸的左旋螺角的副切削区(C)、变径区(D)、夹持区(E)和微齿切削区(G)六个区域;其中，第一主切削区(A)有2条第一主切削刃(I)，其形成的顶角(α)为钝角;第二主切削区(B)有4条第二主切削刃(2)，其形成的顶角(β)为锐角，第一、第二主切削刃构成多刃双顶角结构;副切削区(C)的副切削刃(3)采用较小的左旋螺旋角；在第二主切削区(B)后部分的过渡区(F)中的第二主切削刃(2)后段采用圆弧曲线与副切削刃(3)连接;变径区(D)在副切削区(C)的尾端设计为变径结构，变径区(D)的轴向长度为副切削区(C)轴向长度的1/2，变径区(D)的直径为(D2);副切削刃(3)的直径为(D1),其末端(4)不超过变径区(D); 第二主切削区(B)的4条第二主切削刃(2)上分布有微齿切削区(G)，微齿切削区(G)由若干个微齿(5)组成;微齿(5)在同一条第二主切削刃(2)上轮廓结构相同；微齿(5)沿每条第二主切削刃(2)上分布有3-5个，在每条第二主切削刃(2)上分布数量相同，且轴向位置相同；在相邻的第二主切削刃(2)上的微齿(5)的微齿轴向线(7)与刀具轴向线(6)所呈的旋向角不同，在相对的两条第二主切削刃(2)的微齿(5)的旋向角相同；其中，一对第二主切削刃(2)上的微齿(5)的旋向角为右旋向角(yR)是钝角，另一对第二主切削刃(2)上的微齿(5)的旋向角为左旋向角(Tl)是锐角;共同构成相邻切削刃上交叉旋向的微齿结构;微齿(5)的投影轮廓为椭圆形或圆形;微齿右旋向角(YR)的上齿边与第二主切削刃(2)的右上倾角(δκ)和下齿边与第二主切削刃(2)的右下倾角(eR)为钝角;微齿左旋向角γ L为锐角的上齿边与第二主切削刃(2)的左上倾角(Sl)和下齿边与第二主切削刃(2)的左下倾角(εϋ为锐角;微齿(5)中距离钻尖最远处的微齿位于第二主切削区(B)中过渡区(F)以下，同一条第二主切削刃(2)上分布的微齿(5)中各微齿之间的距离不小于1.5mm，齿宽是齿间距的0.8-1.5倍。

说明书

一种纤维増强复合材料高效制孔的专用刀具

技术领域

[0001]本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种用于纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具，该刀具是具有交叉旋向的微齿结构和抑振结构的双顶角刀具，特别适合于碳纤维增强复合材料的一次性高质量、高效率制孔加工。

背景技术

[0002]纤维增强复合材料一般都具备优异的机械性能，它的整体性能可设计，且易于整体形状同步成型制造，被广泛应用于航空航天等领域的构件，进而可以减轻结构重量，减少制造周期，提高可靠性。特别是碳纤维增强复合材料，其高比强度、高比刚度等特性，常用来制造飞行器的核心承力构件，然而为实现零件之间的连接装配，必须对此类材料进行相应的机械加工，其中加工连接孔是机械加工中最繁重的工作之一，例如一架波音747飞机有三百多万个连接孔。但由于碳纤维增强复合材料主要是由碳纤维增强相以及树脂基体相构成的混合形态，宏观上呈现明显的各向异性和层叠特征，其层间结合强度远低于其他方向。钻孔时由于入口和出口位置约束作用弱，钻尖极易产生较大的轴向力，顶开最外面几层材料，产生分层损伤，并因无法切断纤维导致纤维弯曲，，引发撕裂和毛刺等损伤。同时，由于碳纤维增强相极硬，易加剧刀具磨损，导致刃口不锋利，难以切断纤维，极易造成严重的出口和入口毛刺。为克服上述问题，实现碳纤维增强复合材料上高质量的孔加工，企业一般使用昂贵的金刚石涂层刀具，采用“钻孔-扩孔-粗铰孔-精铰孔”多道工序加工，才能保证孔的质量。

[0003]国内外研究表明刀具的几何结构是影响纤维增强复合材料制孔质量的重要因素，因此，国内外开发了多种不同结构几何形式的碳纤维增强复合材料的制孔刀具，这些刀具有各自的优缺点。山特维克知识产权股份有限公司公开了一种“用于高级材料的麻花钻”，专利申请号201180020931.2，它涉及用于诸如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料的钻孔的麻花钻，提出设有可变螺旋具有限定的起始螺旋角度和终点螺旋角度，以与主离隙角度和副离隙角度结合，使得麻花钻适合于推力最小化。此种钻头相比麻花钻可以在一定程度上减少分层缺陷，但是毛刺缺陷会随着刀具的磨损很快出现，钻头的使用寿命较短。大连理工大学贾振元等人公开了 “一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头”，专利申请号201510408743.7，它涉及用于碳纤维复合材料的制孔的带有齿状微刃的双顶角结构钻头，通过主切削刃的双顶角结构，主切削刃和副切削刃连接部位的微齿结构，实现了钻-扩-铰一体化加工的功能，获得高尺寸精度的孔。然而，由于微齿结构处于最终切削成型的切削刃部位，容易在出口和入口引发微小的撕裂损伤，并降低内壁的光洁度，同时由于刀具末端结构尺寸与刀径一致，极易在制孔过程中发生振动，导致入口处外层纤维发生凸起，孔壁产生严重刮损等。

发明内容

[0004]本发明要解决的技术难题是克服碳纤维复合材料在制孔中容易出口易产生分层、毛刺、撕裂等损伤，孔壁质量差的问题，发明一种纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具，特别适合于对高性能碳纤维复合材料的制孔加工。该刀具是一种具有交叉旋向的微齿结构的多刃双顶角钻头，在主切削刃形成的双顶角结构的基础上，在第二主切削刃的不同切削刃上设计有交叉旋向的微齿结构，第二主切削刃与副切削刃过渡位置设计为圆弧过渡，副切削刃的尾端设计为变径结构，可实现一次性低损伤制孔，并可提高钻头的使用寿命，降低使用成本。

[0005]本发明采用的技术方案是一种纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具，其特征是，专用刀具具有交叉旋向的微齿结构和抑振结构的多刃双顶角;此刀具划分为由第一主切削刃I包络线形成的第一主切削区A、第二主切削刃2包络线形成的第二主切削区B、包络线为终孔尺寸的左旋螺角的副切削区C、变径区D、夹持区E和微齿切削区G六个区域;其中，第一主切削区A有2条第一主切削刃I，其形成的顶角α为钝角；第二主切削区B有4条第二主切削刃2，其形成的顶角β为锐角，第一、第二主切削刃构成多刃双顶角结构;副切削区C的副切削刃3采用较小的左旋螺旋角；在第二主切削区B后部分的过渡区F中，第二主切削刃2后段采用圆弧曲线与副切削刃3连接;变径区D在副切削区C的尾端设计为变径结构，变径区D的轴向长度为副切削区C轴向长度的1/2，变径区D的直径为D2 ；副切削刃3的直径SD1，其末端4不超过变径区D;

[0006]第二主切削区B的4条第二主切削刃2上分布有微齿切削区G，微齿切削区G由若干个微齿5组成;微齿5在同一条第二主切削刃2上轮廓结构相同；微齿5沿每条第二主切削刃2分布有3-5个，在每条第二主切削刃2上分布数量相同，且轴向位置相同；在相邻的第二主切削刃2上的微齿5的微齿轴向线7与刀具轴向线6所呈的旋向角不同，在相对的两条第二主切削刃2的微齿5的旋向角相同；其中，一对第二主切削刃2上的微齿5的旋向角为右旋向角Yr是钝角，另一对第二主切削刃2上的微齿5的旋向角为左旋向角丫^是锐角;共同构成相邻切削刃上交叉旋向的微齿结构;微齿5的投影轮廓为椭圆形或圆形;微齿右旋向角yR为钝角的上齿边与第二主切削刃(2)的右上倾角δκ和下齿边与第二主切削刃(2)的右下倾角eR为钝角；微齿左旋向角Tl为锐角的上齿边与第二主切削刃(2)的左上倾角&和下齿边与第二主切削刃(2)的左下倾角^为锐角;微齿5中距离钻尖最远处的微齿位于第二主切削区B中过渡区F以下，同一条第二主切削刃2上分布的微齿5中各微齿之间的距离不小于1.5mm，齿宽是齿间距的0.8-1.5倍。

[0007]本发明的效果和益处是一种纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具，采用双顶角结构，实现钻、扩、铰一体化加工，降低钻削轴向力，减少分层缺陷的基础上。通过相邻切削刃上交叉旋向的微齿结构，实现了在制孔过程中产生的毛刺可以回弹入微齿结构并被微齿剪断，可有效去除出、入口毛刺，降低了形成终孔时的撕裂损伤;第二主切削刃与副切削刃过渡位置设计为圆弧过渡，可有效降低副切削刃切入的振动，并通过副切削刃的尾端变径结构，有效控制钻削至尾端的振动，提高了入口孔壁的质量;最终实现纤维增强复合材料的一次性低损伤制孔。

附图说明

[0008]图1为一种纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具的主视图，图2(a)为右旋微齿的局部放大视图，图2(b)为图2(a)沿微齿轴向线方向斜视图，图3(a)为左旋微齿的局部放大视图，图3(b)为图3(a)沿微齿轴向线方向斜视图，图4(a)为左旋微齿的上齿边剪断入口毛刺的示意图；图4(b)为右旋微齿的下齿边剪断出口毛刺的示意图。其中，A-第一主切削区，B-第二主切削区，C-副切削区，D-变径区，E-夹持区，F-过渡区，G-微齿切削区，1-第一主切削刃，2-第二主切削刃，3-副切削刃，4-副切削刃末端，5-微齿，6-刀具轴向线，7-微齿轴向线，8-毛刺，9-工件入口侧，10-工件出口侧，α-第一顶角，β-第二顶角，γ R-微齿右旋向角，γ L-微齿左旋向角，知-右上倾角，&-左上倾角，εκ-右下倾角，左下倾角，D1-副切削区C的轴径，D2-变径区D的轴径。

具体实施方式

[0009]下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。一种纤维增强复合材料高效制孔刀具，其具体实施例刀具如图1所示，此刀具分为由第一主切削刃I包络线形成的第一主切削区A、第二主切削刃2包络线形成的第二主切削区B、包络线为终孔尺寸的左旋螺角的副切削区C，变径区D，夹持区E和微齿切削区G六个区域。其中，第一主切削区A有2条第一主切削刃I，其形成的顶角α为钝角，使得第一主切削刃I的刚度高，可以较好的起到钻入后的定心作用，保证钻削后续钻削过程的平稳进行，此实施例采用α = 118°;第二主切削区B有4条第二主切削刃2，其形成的顶角β为锐角，使得第二主切削刃2锋利，轴向分力小，不易引发分层损伤。副切削刃3采用较小的左旋螺旋角有利于降低轴向力，实现大前角铰孔加工，

[0010]如图1所示，第二主切削区A的4条第二主切削刃2上分布有微齿切削区G;微齿切削区G由若干个微齿5组成。如图2a)，图3a)所示，微齿5在同一条第二主切削刃2上轮廓结构相同；微齿5沿每条第二主切削刃2方向分布3个，且在每条第二主切削刃2上分布数量相同和轴向位置相同。在相邻的第二主切削刃2上的微齿5的微齿轴向线7与刀具轴向线6所呈的旋向角不同，在对称的两条第二主切削刃2切削区G内的微齿5的旋向角相同；其中一对第二主切削刃2上的微齿5的微齿右旋向角γ R呈钝角120°，为右旋向，另一对第二主切削刃2上的微齿5的微齿左旋向角呈锐角70°，为左旋向；微齿5的投影轮廓为椭圆型;其微齿右旋向角YR为钝角的上齿边与第二主切削刃2的倾角δκ*120°，下齿边与第二主切削刃2的倾角eR为130°;微齿左旋向角为锐角的上齿边与第二主切削刃2的倾角&为75°，下齿边与第二主切削刃2的倾角eL为锐角85°，见图2b)和图3b)。

[0011]在钻削过程中，第二主切削刃处的微齿切入材料时，出口和入口的毛刺8会回弹至微齿5中，由于钻削加工中转速远高于进给速度，如图4a)、4b)所示;入口时，左旋向微齿5的上齿边相对工件入口侧9运动，形成剪刀结构，剪断毛刺8;出口时；右旋向微齿5的下齿边相对工件出口侧10运动，形成剪刀结构，剪断毛刺8。不同旋向的微齿5的按照相同方式沿切削刃排布，可保证切削过程中在出口和入口毛刺的分阶段的有效剪切去除；同一条第二主切削刃2上分布的微齿5之间的距离为1.5mm，齿宽是齿间距的1.5倍。在钻入过程中，能够较好的保证微齿的刚度，避免微齿破坏。

[0012]如图1所示，第二主切削区B和副切削区C的过渡区F为一段圆弧，形成的圆弧刃可以有效减小副切削刃3切入初期振动严重，给孔入口处的孔壁造成划伤。同时，副切削区C的轴向长度为20mm，直径Di = 8mm，变径区D的轴向长度1mm，直径变小为D2 = 7.2mm，这样可保证当刀具加工较厚的孔时，不会因较长副切削刃3与孔壁摩擦，甚至振动降低孔入口孔壁质里寺ο

[0013]本发明的一种纤维增强复合材料高效制孔刀具针对纤维增强复合材料的制孔加工进行特殊结构设计，此刀具不但可有效降低出入口分层，更可以逐步去除出、入口毛刺，并避免出、入口的撕裂；同时可降低刀具振动，提高孔壁质量，一次性加工成形高质量的终孔。