CN101352766A - 一种高速钻削复合材料的陶瓷钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速钻削复合材料的陶瓷钻头，所述陶瓷钻头带有一种特定几何形状，非常适合应用于超高速钻削复合材料制成的部件，特别是环氧树脂基体的碳纤维复合材料。本发明还涉及到一种高速钻削复合材料的方法。

Description

一种高速钻削复合材料的陶瓷钻头
技术领域
本发明涉及一种陶瓷钻头，特别适用于超高速钻削复合材料制成的部件，尤其是环氧树脂基体的碳纤维复合材料。这种复合材料由于具有机械特性高和密度低的特点而广泛应用于许多领域，诸如航空领域。
背景技术
目前，陶瓷材料由于具有硬度高和耐高温特性，正在研制用于制造切削工具。已知陶瓷刀具，诸如EP 0 477 093号专利文件中所描述的刀具，一般都是铣刀或车削刀具，可以在非常坚硬的材料上进行高速加工作业。然而，在钻削作业中，作用在钻头上的可能的限制因素(钻削深度、切屑排出、强度和切削力方向)都要大于在铣削作业期间作用在铣刀上的限制因素。这些限制因素使得陶瓷钻头很难用于进行高速钻削非常坚硬的材料，诸如金属超合金。
FR 2 861 001号专利提出了一种解决这个问题的方案，即提供一种陶瓷钻头，该钻头带有一个特别的几何形状，适合在非常坚硬的金属材料上进行超高速切屑。与钢钻头相比，这种几何形状可以克服陶瓷钻头低扭力强度所造成的问题，并能达到超过400米/分钟的圆周切削速度。与此同时，仍能确保满足钻头的使用寿命。
当前的趋势是-特别是在航空航天领域-复合材料的使用在不断增加，这种材料因其具有良好的机械特性，同时又比金属材料的密度低，所以非常方便使用。
复合材料-特别是环氧树脂基体的碳纤维复合材料-的钻削目前都是使用整体式碳化钨钻头或在切削刃上使用PCD(聚晶金刚石)刀片的钻头。采用这种刀具后，可以达到20到80米/分钟的圆周切削速度，例如碳化钨刀具。一般来讲，超过这个速度后，刀具的主切削部分-由碳化钨或PCD组成-的磨损就会加快。这是因为这些钻头作用在被切削部件上的各种切削力和钻头的径向外表面和钻孔内部圆柱形表面之间的摩擦力会产生热应力，这些热应力出现在钻头上，也会出现在被钻削的部件上，另外也因为磨蚀现象，这同样也会加快钻头性能的下降，随之出现部件变形。
此外，随着钻孔深度的增加，钻头上的应用扭力也会越来越大，这不仅是因为会增加钻头外表面与钻孔内圆柱表面的摩擦，而且也因为对于高钻削速度来讲，钻头必须能够有效排出大量切屑，这些切屑会拥塞在钻头部分，从而增加了钻头上的应用扭力，造成钻头断裂的风险。
此外，在钻孔方面，钻头的切削刃必须能够承受一个很大的切削速度梯度，因为在钻头的中心位置，切削速度为0，而后逐渐增加，在钻头的周缘上达到最大。这种附加的限制因素会引起刀具过早磨损，并会增加其断裂风险。
复合材料加工作业时的另一个限制因素是，而且特别是钻削时，在加工作业进行的同时，还必须保持被钻孔材料的整体性。在钻削作业期间，传统的钻头在被钻孔的内圆柱表面上会作用力，而这些力一般会从钻头处被引到被加工的材料上。这就会造成材料出现分层现象，这种情况是绝对必须避免的。
所以，尽管刀具-特别是钻头-的陶瓷切削部分能够高速加工非常坚硬的材料，诸如金属超合金，尽管其在市场上可以获得，但已有技术的已知钻头都不能对复合材料-特别是环氧树脂基体的碳纤维复合材料-进行一定的高速加工。例如，专利FR 2 861 001号专利中所介绍的钻头确实适宜高速钻削非常坚硬的金属材料，但却不适合复合材料，因为在这种情况下，会引起被加工材料的分层。
发明专利内容
本发明的目的是避免上述缺陷，提供一种技术上简单且成本低廉的解决方案，以改善陶瓷钻头的性能，能超高速钻削复合材料，诸如环氧树脂基体的碳纤维复合材料，且又不会出现材料的分层，或者也不需要将加工温度升高到200℃以上，因为大于该温度时，复合材料的机械性能会下降。在不会出现分层情况下超高速钻削这类材料可以提高产量，同时缩短加工时间。为此，本发明提供了一种新颖的钻头，能够达到30到50W/cm3/分钟的特别切削能力，这种钻头带有一个采用陶瓷制成的切削部分，其几何形状得到优化，适合高速钻削复合材料。这种新颖的钻头能够承受以这些速度加工的材料所产生的各种机械力。
为此，本发明的一个目的是提供一种钻头，其包括一个钻头钻柄、形状为斜截锥形的沿钻头钻柄整个长度延伸的本体，以及位于钻头自由轴向端的本体底部，所述端部带有至少两个主要切削刃，由两个中心刃连接在一起，所述本体带有两个钻唇和两个屑槽，围绕钻头的纵向旋转轴线交错螺线式延伸，所述钻唇和屑槽从自由轴向端延伸至钻头钻柄，每个钻唇带有一个棱面，而每个屑槽在棱面附近和主切削刃附近带有一个主切削面，所述主切削刃在钻头的自由轴向端与后刀面形成交汇，每个后刀面都在带有钻唇的一侧通过前刀面延伸，两个凹槽自中心刃向钻头的周缘延伸，并形成两个副切削面，钻头本体的至少一端用陶瓷制成，所述钻头的特征在于，每个棱面通过曲线斜切面以及后刀面向钻头的旋转轴线方向径向延伸，这样，刃口-其径向外端比其径向内端沿钻头旋转轴线在轴向上更远离钻头钻柄-就在每个曲线斜切面和临近屑槽之间形成交汇，而且其特征还在于，每个曲线锥形面在带有前刀面的一侧通过斜切面而延伸。
为此，钻头的后刀面和前刀面都会分别通过形成后刀面的第一曲线斜切面和形成前刀面的第二斜切面向外侧方向径向延伸。第一和第二斜切面的向内曲线部分防止了钻头钻削的复合材料的分层。
本发明还涉及到一种通过上述类型陶瓷钻头来钻削复合材料的方法，按照这种方法，钻头的圆周切削速度在600到1000米/分钟之间。
特别是，钻头的进给速度可以为0.05到0.20毫米/转。
钻削操作可以干进行，不需要提前定中心操作。仅一次操作就足以形成最终钻孔。
钻孔的深度可以大于钻头本体的直径。
被钻削的材料优选为环氧树脂基体的碳纤维复合材料。
按照最佳实施例和各种实施方式的说明，通过示例并结合附图，可以更好地理解本发明，而且本发明的其它优点也会更清楚地显现出来，但本发明并不仅限于所示示例
附图说明
图1为根据本发明的钻头的侧面示意图；
图2为图1所示钻头的本体部分的详图；
图3为图1所示钻头的仰视图；
图4为根据本发明的钻头的本体部分的侧视图，沿图2所示钻头的E方向。
图5为类似图2的示意图，示出了根据本发明的钻头的实施例详图。
具体实施方式
图1到图5给出了一种整体式陶瓷钻头的示例，用于高速钻削复合材料，特别是环氧树脂基体的碳纤维复合材料。
这种陶瓷钻头1包括(见图1)一个圆柱形或锥形钻柄2和一个沿钻头轴线4自钻柄向下延伸至自由轴向端13b的本体3。钻柄可以是平整光滑的，如此图所示，也可以带有环形槽(图中未示)，用来将钻头夹持在钻床(图中未示)的钻卡上。钻柄的自由轴向端6在斜切面7处终止，从而可以很容易地将其插入机床的钻卡内。钻头1的钻柄2和本体3可以通过一个斜切面5而连接在一起，当钻柄的外径与本体的外径不同时，这个斜切面是必需的。
钻头1的本体3包括了两个钻唇8和两个屑槽9，沿轴线4自钻头1的钻柄2向下交替延伸至自由轴向端13b。钻唇8和屑槽9围绕轴线4以螺线方式蜿蜒，其螺线角度11大约在25°至40°之间。
每个钻唇8都带有一个棱面12，沿钻孔内壁滑行，另外，还带有一个间隙面13。棱面12和间隙面13都呈螺线形。根据本发明，每个棱面的厚度14等于或小于钻头本体3直径d的十分之一。每个屑槽9在棱面12附近有一个主切削面16。棱面12和主切削面16的交汇点形成了棱面12的刃口，称之为主刃口17。
在钻头1的自由轴向端13b处，每个棱面12通过曲线斜切面25以及后刀面21自钻头1外部径向地向其轴线4方向延伸。每个后刀面21和相应屑槽9之间的交汇部分形成了一个主切削刃18。两个主切削刃18通过两个中心刃19在钻头的中心部分延伸。后刀面21则通过一个前刀面30在带有钻唇8的一侧上延伸。
前刀面30本身还带有一个斜切面31，位于曲线斜切面25的延伸段内。
钻头的切削方向和进给方向分别用DirC和DirA表示。
设A是其中一个主钻削刃18的距离钻头轴线最远的一端。为了能够尽可能清楚地说明本发明的钻头的几何形状，如下平面的定义是：
Pr：钻头1的基准平面，对应于穿过点A的平面，与切削方向DC互相垂直，且包含了钻头1的轴线4；
Pf：钻头1的正常工作面，对应于穿过点A的平面，对应于基准平面Pr，与进给方向DA和钻头1轴线平行；
Pp：至钻头1背部的平面，对应于穿过点A的平面，与基准平面Pr和正常工作面Pf相互垂直；
Ps：钻头1的刃口平面，对应于在点A处与主切削刃18相切的平面，垂直于基准面Pr；
Pn：与主切削刃18相垂直的面，对应于与穿过点A的主切削刃18相垂直的平面；
Po：钻头1的正交平面，对应于穿过点A的面，与基准面Pr和刃口面Ps相垂直。
本发明的钻头的几何形状是这样的，即钻头的正交平面Po在主切削刃18处与法向面Pn相重合。
在基准面Pr上，如图2所示，每个刃口面Ps与工作面Pf一起形成了一个夹角αr，该夹角称之为主切削刃18的方向角，其范围大概在55°到65°之间。此外，每个刃口面Ps与相应的至背部平面Pp形成一个夹角Ψr，该角度称之为钻头1的方向补充角，其范围大概在27°到37°之间。两个中心刃口19之间形成了一个夹角αc，该角度大概在142°到162°之间。在基准平面Pr上，曲线斜切面25和相应屑槽9之间交汇而形成的刃口以一个角度25b向平面Pp倾斜，这样，对应于该刃口径向外端的点B就比点A更远离钻头的钻柄3。角度25b的范围大概在3°到9°之间。最后，沿每个主切削刃18上的各点A之间的径向方向的距离18a范围就在本体3直径d减去2毫米和直径d加上2毫米之间。
在至钻头1背部平面Pp上，如图3所示，每个主切削刃18与基准平面Pr形成一个夹角γp。该角度γp称之为至钻头1背部的切削角，其范围大概在13°到23°之间。在这个平面上，后刀面21的宽度21b大概在1到4毫米之间。每个中心刃19与基准面Pr形成了一个夹角γc，其范围大概在32°到42°之间。每个曲线斜切面25和相应前刀面30上产生的斜切面31之间的交汇形成了一个直线段，该直线段的两端用C和D表示，C表示的是距离钻头轴线4最远的一端。曲线斜切面25的直线段AB与基准平面Pr形成一个夹角γi，其范围大概在2°到4°之间，其中B对应于曲线斜切面的第四顶点。直线段AD则与基准平面Pr形成了一个夹角γj，其范围大概在69°到79°之间。此外，每个前刀面30和对应斜切面31之间的交汇部分与基准平面Pr形成了一个夹角γk，其范围大概在50°到60°之间。最后，在平面Pp上，穿过钻头轴线4和屑槽9与对应间隙面13之间交汇点的直线就与基准平面Pr形成了一个夹角γg，其范围大概在60°到90°之间。
在钻头1的工作平面Pf上，如图4所示，每个主切削面16与基准面Pr形成了一个夹角γf，称之为钻头1的侧向切削角。该切削角的正与负是由主切削面16相对于切削方向DirC的方向来确定的：当切削面自切削刃向切削方向DirC倾斜时，则切削角被视为负；相反，当切削面16自切削刃与切削方向DirC相反方向倾斜时，则切削角γf被视为正。根据本发明，该钻头1的切削角γf为正。在平面Pf上，每个曲线斜切面25与至钻头1背部平面Pp形成一个夹角γe，其范围大概在6°到10°之间。
钻头的本体3呈现一般外部形状，即截头锥形状。截头锥的底部位于钻头的自由轴向端13b，本体3的锥角26最大可以为大约3度。
由两个凹槽27结构(图5)形成的两个副切削面28自中心刃19向钻头1的周缘延伸。凹槽27以两个直线段为边界，即自主切削刃18和相应中心刃19之间交汇处开始的第一直线段27a和在凹槽27和邻近前刀面30之间形成的第二直线段27b。两个直线段27a和27b通过一个曲线部分27c连接在一起。在基准平面Pr上，直线段27b形成一个对应于钻头轴线的夹角，该角度大概在1°到15°之间。在所述同一平面上，两个直线段27a和27b之间形成了一个夹角27e，其范围大概在25°到35°之间。
主切削刃18和每个棱面12的主刃口17均成圆形，半径至少在2微米，可能会达到5个微米。该半径最好在大约2个微米左右。
在制造本发明所述钻头时，并不是必须要了解上述所有几何特性。从某些特性角度上，所属领域的技术人员-例如刀具制造商-将会清楚如何推导出其它特性，尤其是通过使用将这些角度连在一起的标准化公式。
本发明的钻头的几何形状可以直接减少与切削相关的各种力，与此同时，仍能防止材料分层现象。另外，也可以减少钻头棱面12和钻孔内壁之间摩擦产生的各种力。为此，本发明的钻头可以超高速切削复合材料，因为它可以承受在所述切削作业条件下所产生的各种较大的力，同时仍能防止被钻材料的分层。采用这种钻头，还可以预期切削深度大于刀具的直径，且后者也不会过早地出现磨损。由于曲线斜切面25的作用，可防止复合材料的分层。这是因为，曲线斜切面25的径向外端是在其径向内端之前对复合材料进行加工，所以，通过曲线斜切面作用在复合材料上的力一般都被引向钻头的轴线4方向。这样，复合材料就被钻头所限制，从而不能被推向外侧，因此，复合材料的各个构成部分就不会经受一个趋于使其彼此分开的力，从而避免了复合材料的分层现象。螺线角11所规定的范围使得可以在钻头1的周缘上设置屑槽9，该槽的宽度之大，足以在高速加工期间排出大量钻屑，而且减少了钻头的扭力强度。此外，当螺线角在所述范围内时，屑槽9的使用可以使得本发明的钻头切削的钻孔深度大于钻头的直径。最后，这种布置，与中心刃19之间的夹角αc一起，可以使得钻头1得以自动定中心，从而加工成钻孔，无需进行初步定点操作。
如图1到图5所示，所述钻头可以是一个整体式钻头，也就是说，钻柄2和本体3可以用相同陶瓷制成，即一体式。所述钻头也可以由两部分组成，即由不同材料制成，钻柄为一种材料，而切削部分-也就是说本体部分-是另一种材料。而钻头的本体也可以由两种不同材料制成：靠近钻头自由轴向端的部分采用陶瓷制成，而其余部分可以与钻柄材料相同。
构成本体切削部分的材料优选为氧化铝基的陶瓷制成，采用碳化硅(SiC)纤维增强，或者氧化锆基或氮化硅(又称SiALON)基陶瓷制成，或者是一种“混合”陶瓷，不论增强与否，这种混合陶瓷可以由锆和氮化硅组成。
如果钻头是采用两部分制成时，这两部分可以通过-例如-钎焊连接到一起。然后，本体可以是一种陶瓷，而钻柄则是采用比陶瓷韧性更大的材料制成，目的是更好地承受作用在钻头1上的力。钻头钻柄的材料可以是-例如-碳化钨。
为了介绍本发明，所示为一个陶瓷钻头的例示性实施例，是采用碳增强的环氧树脂制成，切削本体部分采用Al2O3，而且其几何特性如下，不包括工艺公差：
主切削刃18的方向角αr为60°；
钻头1的补充方向角Ψr为30°；
两个中心刃19之间的夹角αc为152°；
连接点A和点B以及平面Pp的线段所形成的角度25b为6°；
沿每个主切削刃18的点A之间的径向方向上的距离18a为12.7mm；
至钻头背部的切削角γp为17.9°；
后刀面21的宽度21b为2.1mm；
中心刃19和基准平面Pr之间的夹角γc为37.1°；
直线段AD和基准平面Pr之间的夹角γj为74°；
前刀面30和斜切面31以及基准平面Pr的交汇部位形成的夹角γk为55°；
一方面，穿过钻头轴线4和屑槽9与对应间隙面13交会部位的直线和，另一方面，穿过平面Pp的直线之间的夹角γg为80°；
每个曲线斜切面25和平面Pp之间的夹角γe为8°；
每个斜切面31和平面Pp之间的夹角γi为2.1°；
凹槽27的直线段27b和钻头轴线4之间的夹角27d为5°；
直线段27a和27b之间的夹角27e为30°；
圆锥角26为1°；
主切削刃18和每个棱面12的主刃口17成圆形，半径为2μm。
这样制成的钻头可以对这种新型几何形状进行测试，及其所具有的优点也会得到确认。
本发明的陶瓷钻头1特别适合切削复合材料，诸如环氧树脂基体的碳纤维复合材料。与切削部分采用碳化钨的钻头相比，该钻头的使用机床没有特别的适配要求。机床只要能够容许刀具超高速旋转即可，因为这样才适合高速加工。就切削速度和进给速度而言，钻头的工作范围可以使用CTM(切削刀具材料)型的方式来确定。在切削复合材料时，本发明的钻头可以根据钻头的直径，以0.05至0.20mm/转的进给速度，达到600到1000米/分钟的圆周切削速度，不会出现过早磨损钻头或切削材料分层现象。在这些速度下工作时，本发明的钻头可以使得作用在钻头上的各种应力大大降低，不论这些应力是机械应力(扭转和压缩应力)还是热应力。通过钻屑进行热耗散，降低热应力，钻屑可以迅速将这种热能从钻孔中带走。所述钻头的使用范围也可超过所建议的切削和进给速度，但是，这可能会加快刀具性能的降低，因此而降低其使用寿命。本发明的钻头在切削复合材料时可以使得钻削时间降低10倍。所述钻头的几何形状对其使用寿命的影响是显而易见的，因为同一刀具所钻削的孔的数量在刀具必须更换前可扩大5倍。
根据本发明的另一个特性，可以进行干钻削操作，即不需要使用润滑剂，这种钻削操作相当于一种空操作，不需要预先定向操作以确定钻头中心。
根据所要求的表面光洁度和钻孔的邻近周缘内所要求的金相特性，仅一次钻削操作就足以形成最终孔，不需要预先定向操作和随后的表面处理。
由于采用本发明钻头可以实现高切削和进给速度，就钻削质量和刀具的寿命来讲，只有适合高速加工和相当精密的专用机器才能够给出完全令人满意的效果。

Claims (18)

1.一种钻头，所述钻头包括一个钻柄、一个一直延伸到钻柄的形状为斜截锥形的本体和位于钻头自由轴向端的本体底部，所述自由轴向端带有至少两个由两个中心刃连接在一起的主切削刃，所述本体带有两个钻唇和两个屑槽，围绕钻头的纵向旋转轴线交错螺线式延伸，所述钻唇和屑槽自钻头自由轴向端延伸到钻柄，每个钻唇带有一个棱面，而每个屑槽在棱面附近和主切削刃附近带有一个主切削面，所述主切削刃在钻头的自由轴向端处与后刀面形成交汇，每个后刀面在带有钻唇的一侧通过前刀面延伸，两个凹槽自中心刃向钻头的周缘延伸并形成两个副切削面，钻头本体至少一端是用陶瓷制成的，其特征在于，每个棱面通过曲线斜切面以及后刀面向钻头的旋转轴线方向径向延伸，这样，刃口-其径向外端比其径向内端沿钻头旋转轴线在轴向上更远离钻头钻柄-就在每个曲线斜切面和临近屑槽之间形成交汇，而且其特征还在于，每个曲线锥形面在带有前刀面的一侧通过斜切面而延伸。
2.一种根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，钻唇和屑槽螺线蜿蜒在钻头旋转轴线的周围，相对于钻头旋转轴线的螺线角在25°到40°之间。
3.一种根据权利要求1或权利要求2所述的钻头，其特征在于，本体的圆锥角在1°到3°之间。
4.根据权利要求1到权利要求3中任何一项权利要求所述的一种钻头，其特征在于，每个棱面的厚度等于或小于本体底部直径的十分之一。
5.根据权利要求1到权利要求4中任何一项权利要求所述的一种钻头，其特征在于，每个主切削面自邻近主切削刃向钻头切削方向倾斜。
6.根据权利要求1到权利要求5中任何一项权利要求所述的一种钻头，其特征在于，沿径向方向将两个主切削刃的径向外端部隔开的距离等于-加上或减去2mm-本体底部直径。
7.根据权利要求1到权利要求6中任何一项权利要求所述的一种钻头，其特征在于，两个中心刃之间形成一个142°到162°的夹角。
8.根据权利要求1到权利要求7中任何一项权利要求所述的一种钻头，其特征在于，曲线斜切面和邻近屑槽之间形成交汇的刃口以3°到9°的角度向垂直于钻头旋转轴线的平面倾斜。
9.根据权利要求1到权利要求8中任何一项权利要求所述的一种钻头，其特征在于：每个主切削刃的径向外端部称之为A；
穿过点A，与钻头的切削方向成正交并包括了钻头旋转轴线的基准平面称之为Pr；
穿过点A，与基准平面Pr成正交，与钻头进给方向平行，并与钻头旋转轴线平行的平面称之为Pf；
穿过点A，与基准平面Pr和平面Pf成正交的平面称之为Pp，
其特征在于，在点A处与主切削刃相切，并与基准平面Pr相垂直的平面与平面Pf形成了一个55°到65°的夹角。
10.根据权利要求9所述的一种钻头，其特征在于，对于每个钻唇来讲，在Pp平面上，穿过钻头轴线和穿过屑槽与对应间隙表面之间交汇部位的直线与基准平面Pr形成了一个60°到90°的夹角。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的一种钻头，其特征在于，对于每个钻唇来讲，在基准平面Pr上，每个屑槽的边界为自主切削刃口和邻近中心刃之间交汇开始的第一直线段和在屑槽和邻近前刀口之间交汇的第二直线段，所述第一和第二直线段通过一个曲线部分连接到一起，第二直线段以1°到15°的角度向钻头旋转轴线倾斜，第一和第二直线段之间形成了25°到35°之间的夹角。
12.根据权利要求1到权利要求11中任何一项权利要求所述的一种陶瓷钻头钻削复合材料的方法，其特征在于，所述钻头的圆周切削速度在600到1000米/分钟之间。
13.根据权利要求12所述的一种方法，其特征在于，所述钻头的推进速度在0.05到0.20毫米/转之间。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的一种方法，其特征在于，钻削操作可以干进行。
15.根据权利要求12到权利要求14中任何一项权利要求所述的一种方法，其特征在于，所述钻削操作可以在不预先定中心操作情况下进行。
16.根据权利要求12到权利要求15中任何一项权利要求所述的一种方法，其特征在于，仅一次钻削操作就足以制成最终钻孔。
17.根据权利要求12到权利要求16中任何一项权利要求所述的一种方法，其特征在于，钻孔的深度大于钻头的本体的直径。
18.根据权利要求12到权利要求17中任何一项权利要求所述的一种方法，其特征在于，被钻削的材料为环氧树脂基体的碳纤维复合材料。
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