CN101484263A - 用于加工纤维增强复合材料的钻头 - Google Patents

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Abstract

一种能够在纤维增强复合材料中钻孔的金刚石涂敷的钻头。钻头(10)是由一种碳化钨(WC)基体制成，该基体具有范围在大约3wt.％到10wt.％之间的粘合的钴(Co)以及厚度在3μm到20μm之间的范围内的一个金刚石涂层。该钻头(10)包括一个杆(11)，一个纵向轴线(12)并包括两个槽(14和16)，它们的螺旋角(18)相对于该轴线(12)是在25度到35度之间的一个范围内。一个刃带宽度(24)维持在钻头直径(22)的约5％到10％之间。一个钻体空隙直径(26)维持在该钻头直径(22)的约92％到96％之间。劈裂之前的一个钻心厚度(28)是该钻头直径(22)的约20％到30％。一个间隙角或钻缘后隙角(36)是在约10度到20度之间。一个凿尖角(42)是在约105度到120度之间。一个凿尖长度(43)是高达约0.035mm。一个劈裂角(44)是在约130度到150度之间。一个槽口角(46)相对于该钻头轴线(12)是在约30度到40度之间。一个槽口前角(48)处于约－5度到10度之间。一个顶点角(34)是在约70度到100度之间，并优选为90度。

Description

用于加工纤维增强复合材料的钻头
背景技术
[0001]碳纤维增强聚合物(CFRP)包括带有不同纤维类型、纤维取向、纤维含量、以及基质材料的范围广泛的复合材料。近年来，纤维增强材料的使用在许多行业一直在稳定地增长。例如，CFRP复合材料由于它们的高比强度和高比刚度已经在航空和汽车行业找到越来越多的应用。随着这种材料使用的增加，将会有对于一种有成本效益的方法的增加的需要，该方法能在此类材料中产生高质量的孔而其尺寸是在狭窄的公差范围内。
[0002]然而，CFRP复合材料在加工方面构成巨大的问题。目前，市场是由聚晶金刚钻(PCD)钻头所占据。使用常规的PCD钻头进行钻孔后的典型缺陷包括剥落、纤维拔出、燃烧及其相似的情况，如图8所示。
[0003]人们已经认识到剥落和纤维拔出是由刀具推力引起的。钻头的几何形状被认为是影响刀具性能的最重要因素之一。此外，由于纤维增强的高强度，CFRP极具磨损作用，它要求工具具有优异的硬度。
[0004]因此，存在一种需要来提供一种钻头，该钻头在加工CFRP复合材料时能够使退刀孔缺陷最小化。
发明内容
[0005]简要来说，根据本发明，提供了一种用于加工纤维增强复合材料的劈裂点式、双槽的麻花钻头。该钻头具有一个约10度到20度之间的钻缘后隙角；一个约-5度到10度之间的槽口前角；一个高达约0.035mm的凿尖长度；一个约105度到120度之间的凿尖角；一个约130度到150度之间的劈裂角；以及一个约70度到100度之间的顶点角。
[0006]在另一个实施例中，一种用于加工纤维增强复合材料的劈裂点(split-point)式金刚石涂覆的麻花钻头是由一种包括粘合有范围在大约3wt.％到10wt.％之间的钴(Co)的碳化钨(WC)的基体制成，其中所述钻头具有一个约90度的顶点角。
[0007]在另一个实施例中，一种用于加工纤维增强复合材料的劈裂式、双槽、金刚石涂覆的麻花钻头具有一个约10度到20度之间的钻缘后隙角；一个约-5度到10度之间的槽口前角；一个小于0.035mm的凿尖长度；一个约70度到100度之间的顶点角；一个约25度到35度之间的螺旋角；位于劈裂点之前的约为钻头直径的20％到30％之间的一个钻心厚度；相对于所述钻头的一个纵向轴线的一个约30度到40度之间槽口角；一个约105度到120度之间的凿尖角；一个约130度到150度之间的劈裂角；约为该钻头直径的92％到96％之间的一个钻体空隙直径；以及约为该钻头直径的5％到10％之间的一个刃带宽度。
附图说明
[0008]从以下参见附图做出的详细说明中，本发明的其他特征连同从中衍生的优点将变得清楚，在附图中：
[0009]图1是根据本发明的一个实施例用于加工纤维加强复合材料的一种钻头的部分透视图；
[0010]图2是图1钻头的局部侧视图，示出一个顶点角；
[0011]图3是图1钻头的另一个部分侧视图，示出一个后隙角；
[0012]图4是图1钻头的放大的侧视图，示出槽口前角；
[0013]图5是图1钻头的末端视图，示出劈裂角、钻心厚度和刃带厚度；
[0014]图6(a)和6(b)比较分别使用本发明的一个5μm的金刚石涂覆的钻头与一个常规的PCD钻头对A型CFRP复合材料钻孔时所产生的孔的质量；
[0015]图7比较由一个常规的PCD钻头与本发明的一个5μm金刚石涂覆的钻头对B型CFRP复合材料钻孔时所产生的孔的质量；以及
[0016]图8显示了在使用常规的PCD钻头钻孔后的典型缺陷。
具体实施方式
[0017]参见图1-5，其中同样的参考符号代表同样要素，根据本发明的一个实施例的一个双槽、金刚石涂覆的麻花钻头在劈裂之前总体上表示为10。优选地，钻头10是由一种碳化钨(WC)基体制成，该基体具有范围在大约3wt.％到10wt.％之间的粘合的钴(Co)以及厚度在3μm到20μm之间的范围内的一个金刚石涂层，该涂层是利用化学气相沉淀(CVD)的方法沉积而成。在涂层后的磨刃半径(或切削刃半径)是在约5微米到30微米之间。
[0018]钻头10具有一个杆11，一个纵向的轴线12并且包括两个槽14和16，它们的相对于纵向轴线12的螺旋角18是在约25度到35度之间。一个刃带宽度24维持在该钻头直径22的约5％到10％之间。一个钻体空隙直径26维持在该钻头直径22的约92％到96％之间。在该点30处(劈裂之前)的钻心厚度28(在切削钻缘38和40之间的距离)是在该钻头直径22的约20％到30％之间。顶点角34是在约70度到100度之间，而且优选约90度。一个间隙角或钻缘后隙角36是在约10度到20度之间。一个凿尖角42是在约105度到120度之间。一个凿尖长度43是小于约0.035mm。一个劈裂角44(第二切削刃角)是在约130度到150度之间。一个槽口角46相对于钻头的纵向轴线12是在约30度到40度之间。一个槽口前角48位于约-5度到10度之间。
[0019]钻头几何形状
[0020]本发明的钻头10的几何形状经过测验并与表I中列出的几种不同的几何形状进行比较。比较的结果表明尖刺顶点(brad andspur point)的几何形状与90度劈裂点钻头的几何形状展示了具有最小退刀孔缺损尺寸的结果。然而，尖刺顶点钻头具有碎片问题，因此有减少的工具寿命。此外，尖刺顶点钻头更难研磨，并且它的锐利的刃使它不适合涂层。因而，90度劈裂点式钻头的几何形状展示最好的整体性能和结果。
表I.不同几何形状的钻头以及相应的孔缺损的大小
 
钻头几何形状 孔缺损的大小(英寸)
尖刺顶点 0.05
HP点 0.12
TX点(直槽) 0.13
90度劈裂点 0.09
135度劈裂点 0.15
185/90/70度劈裂点 0.10
[0021]CVD金刚石涂层
[0022]对本发明的钻头10在用于航天器外壳上的两种碳纤维增强塑料(CFRP)复合材料(即，A型和B型)上的性能进行了评价。特别地，在这一评估中使用了90度劈裂式钻头的几何形状。通过使用化学气相沉积(CVD)法将两种不同厚度的金刚石涂层沉积在由带有6wt.％的钴(Co)的碳化钨(WC)制成的钻头基体上。应该意识到本发明不限于钴的特定重量百分比，并且本发明可用带有在3wt.％至10wt.％之间的范围内的粘合的钴的碳化钨为基体来实施。常规的聚晶金刚石(PCD)钻头是目前市场上用于碳纤维复合材料钻孔的主要产品。表II列出了在钻第一孔时该切削刃的半径和推力。如表II所示，如诸位发明人观察到，90度劈裂式钻头的几何形状产生了较小的推力和更锐利的切削刃，这有利于孔的质量。
表II.钻头几何形状，切削刃半径和推力
 
钻头类型 几何形状 刃半径(μm)  A型CFRP钻孔时的推力(磅) B型CFRP钻孔时的推力(磅)
聚晶金刚石(PCD)      PCD纹理的多面式顶点，螺旋槽       15至25 13.0 12.6
磨光的-90°劈裂式钻头          90°劈裂式 10至20 11.4 N/A
5μm金刚石涂覆的90°劈裂式钻头 90°劈裂式 10至20 12.4 12.2
12μm金刚石涂覆的90°劈裂式钻头 90°劈裂式 10至20 10.1 10.3
[0023]图6(a)和(b)比较了由本发明的一个5μm金刚石涂覆的钻头与一个常规的聚晶金刚石(PCD)钻头分别对A型碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料钻孔时所产生的孔质量。如表所示，本发明的5μm金刚石涂覆的钻头产生了远优于常规金刚石钻头的孔质量的意外结果。此外，本发明的5μm金刚石涂覆的钻头通过在刀具寿命上超越常规PCD钻头的表现(97孔对比50孔)产生了意外结果。作为比较，未涂层的碳化钨(WC)-6wt.％的钻头由于被碳纤维严重磨损只能钻10个合格的孔。
[0024]应该意识到，本发明的钻头不受限于金刚石涂层的厚度。例如，可以用带有厚度在3μm到20μm之间的金刚石涂层的碳化钨基体制成本发明的钻头。此外，应该意识到，本发明的钻头可以实施为带有在约5至30μm之间的范围内的一个切削刃半径。
[0025]图7比较了使用聚晶金刚石钻头和金刚石涂层钻头对B型碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料钻孔时所产生的孔的质量。5μm和12μm的金刚石涂层钻头均通过在孔的质量以及刀具寿命上超越常规PCD钻头的表现产生了意外的结果。
[0026]如上所述，本发明的以碳化钨-6wt.％钴为基体带有5μm或12μm的金刚石涂层的劈裂点式、双槽麻花钻头10在加工纤维增强复合材料时(如A型和B型碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料)，通过超越常规聚晶金刚石(PCD)钻头的表现产生了意想不到的结果。进一步地，本发明不限于加工碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料的钻头。例如，本发明的钻头可用于加工玻璃纤维增强材料，以及类似材料。此外，本发明的钻头可用在干燥或潮湿环境中。
[0027]所提及的文件，专利和专利申请特此通过引用结合在此。
[0028]虽然本发明已经联系某特定的实施例进行了具体描述，应该理解这是作为解说而不是作为限制，并且应当在现有技术所允许的条件下尽可能宽地解释所附权利要求的范围。

Claims (27)

1.一种用于加工纤维增强复合材料的劈裂点式、双槽、金刚石涂覆的麻花钻头，具有一个在约10度到20度之间的钻缘后隙角，一个约-5度到10度之间的槽口前角，一个小于0.035mm的凿尖长度，以及一个约70度到100度之间的顶点角。
2.如权利要求1所述的钻头，其中该顶点角是大约90度。
3.如权利要求1所述的钻头，进一步包括所述槽的一个约25度到35度之间的螺旋角。
4.如权利要求1所述的钻头，进一步包括在劈裂点之前的约为钻头直径的20％到30％的一个钻心厚度。
5.如权利要求1所述的钻头，进一步包括相对于所述钻头的一个纵向轴线在约30度到40度之间的一个槽口角。
6.如权利要求1所述的钻头，进一步包括一个约105度到120度之间的凿尖角。
7.如权利要求1所述的钻头，进一步包括一个约130度到150度之间的劈裂角。
8.如权利要求1所述的钻头，进一步包括约为钻头直径的92％到96％之间的一个钻体空隙直径。
9.如权利要求1所述的钻头，进一步包括一个约为钻头直径的5％到10％的刃带宽度。
10.一种用于加工纤维增强复合材料的劈裂点式、金刚石涂覆的麻花钻头，该钻头由包括碳化钨的一个基体制成，该基体粘合有在约3wt.％到10wt.％之间的范围内的钴，其中所述钻头具有约90度的一个顶点角。
11.如权利要求10所述的钻头，其中该金刚石涂层具有在约3μm到20μm之间的范围内的一个厚度。
12.如权利要求11所述的钻头，其中该金刚石涂层的厚度是约5μm。
13.如权利要求11所述的钻头，其中该金刚石涂层的厚度是约12μm。
14.如权利要求10所述的钻头，进一步包括一个约5微米到30微米之间的磨刃半径。
15.如权利要求10所述的钻头，其中钴是约6wt.％。
16.如权利要求10所述的钻头，进一步包括一个约10度到20度之间的钻缘后隙角；一个约-5度到10度之间的槽口前角；以及一个小于0.035mm的凿尖长度。
17.如权利要求16所述的钻头，进一步包括两个槽，这些槽具有一个约25度到35度之间的螺旋角。
18.如权利要求16所述的钻头，进一步包括在劈裂点之前的约钻头直径的20％到30％之间的一个钻心厚度。
19.如权利要求16所述的钻头，进一步包括相对于所述钻头的纵向轴线的一个约30度到40度之间的槽口角。
20.如权利要求16所述的钻头，进一步包括一个约105度到120度之间的凿尖角。
21.如权利要求16所述的钻头，进一步包括约130度到150度之间的劈裂角。
22.如权利要求16所述的钻头，进一步包括约为钻头直径的92％到96％之间的一个钻体空隙直径。
23.如权利要求16所述的钻头，进一步包括约为钻头直径的5％到10％之间的一个刃带宽度。
24.一种用于加工纤维增强复合材料的劈裂点式、双槽、金刚石涂覆的麻花钻头，具有一个在约10度到20度之间的钻缘后隙角；一个约-5度到10度之间的槽口前角；一个小于0.035mm的凿尖长度；一个约70度到100度之间的顶点角；一个约25度到35度之间的螺旋角；位于劈裂点之前约为钻头直径20％到30％之间的一个钻心厚度；相对于所述钻头的一个纵向轴线约30度到40度之间的一个槽口角；一个约105度到120度之间的凿尖角；一个约130度到150度之间的劈裂角；约为该钻头直径的92％到96％之间的一个钻体空隙直径；以及约为该钻头直径的5％到10％之间的一个刃带宽度。
25.如权利要求24所述的钻头，其中该金刚石涂层具有一个约3μm到20μm之间的范围内的厚度。
26.如权利要求25所述的钻头，其中该金刚石涂层的厚度是约5μm。
27.如权利要求25所述的钻头，其中该金刚石涂层的厚度是约12μm。
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