CN102470452B - 钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在具有纤维强化复合材料的工件中产生钻孔的钻头(1)，其具有至少一个端面主切削刃(3)，至少一个设置在钻头(1)的外周面(9)的区域中的副切削刃(11)，和在外周侧连接在至少一个副切削刃(11，11′)上的外圆磨削斜边(21)。该钻头的特征在于，优选为连续的外圆磨削斜边(21)从钻头(1)的前部开始，包括具有第一宽度(B1)的第一纵向部分(22)和连接在第一纵向部分上且具有第二宽度(B2)的第二纵向部分(24)，其中，第一纵向部分(22)的宽度(B1)小于第二纵向部分(24)的宽度(B2)，优选为第二纵向部分宽度的数分之一。

Description

钻头

技术领域

本发明涉及一种钻头，用于在具有纤维强化的复合材料的工件中产生钻孔。

背景技术

在加工具有纤维强化的复合材料的材料时，例如玻璃纤维强化的复合材料或碳纤维强化的复合材料，除其他外，需要在切边上干净地切割纤维，而不能从材料连接中撕断。如果不干净，即磨损的边缘具有突起的纤维，则会需要较高的费用，并因此产生较高的再加工成本，甚或造成加工的工件报废。在对这种材料钻孔时，特别是在钻孔出口处，也就是钻头穿透工件的位置，会出现受到磨损的边，即所谓的分层（Delamination），这例如在飞机制造中在结构部件中钻铆钉孔时是很成问题的。

专利文献DE20209768U1提出了一种在此所述类型的钻头。这种钻头在其端面上具有两个主切削刃，主切削刃逐渐过渡为设置在钻头外周区域上的副切削刃。主切削刃由彼此毗邻的切削面和自由面形成。由主切削刃切下的削屑在切削面上滑走。在钻头的中轴线区域中设置横刃，端面上的两个主切削刃在该横刃上相邻。在钻头的周面区域中设置具有正切削角的副切削刃，在此，每个主切削刃都配设一个副切削刃。为了防止出现分层，在加工较硬的工件层时，钻头在其顶点区域中也具有直径较小的预钻孔部（Vorbohrabschnitt）和在与钻头的进给方向相反的方向上紧随其后且直径较大的精加工部（Feinbearbeitungsabschnitt）。设置于精加工部上的副切削刃与外围侧的外圆磨削斜边相连接，该外圆磨削斜边用于在钻孔过程中在孔壁上居中地支持钻头。外圆磨削斜边的宽度随着相对于主切削刃的间隔的不断增大而线性增加。其缺点在于：钻孔效果不是在所有情况下都满足关于孔壁表面质量和钻孔形状精度的要求，因而需要进行相应的改善。此外，制造这种钻头的费用相对较高，因而使成本增加。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种上述类型的钻头，其不会在纤维强化的复合材料中，特别是在钻孔出口处造成分层，也就是没有纤维被抽出，并且由此得到精确的钻孔和良好的孔壁表面质量。

为了实现此目的，提出一种根据本发明的钻头。该钻头包括至少一个端面主切削刃，在钻头的外周面的区域中，副切削刃连接在主切削刃上。外圆磨削斜边在外周侧连接在副切削刃上，外圆磨削斜边的宽度随着相对于主切削刃的间隔的增大而在特定的长度上增加。该钻头的特征在于：外圆磨削斜边从钻头的前部开始包括具有第一宽度的第一纵向部分和连接在该第一纵向部分上且具有第二宽度的第二纵向部分，其中，第一纵向部分的宽度小于第二纵向部分的宽度，优选为第二纵向部分宽度的数分之一。在此优选将外圆磨削斜边构造为连续的，这意味着，外圆磨削斜边从位于钻头尖部上的边棱（主切削刃在该边棱上过渡为副切削刃，或者与副切削刃相接）开始，沿着朝向固定部分（例如钻头的杆）的方向，沿着副切削刃，优选在副切削刃的整个长度上延伸，但特别是至少在钻头的长度上延伸，钻头的长度与钻头的设定工作深度相同。

因此，外圆磨削斜边在钻头的前部区域，也就是在其第一纵向部分的区域中非常狭窄，并优选具有恒定或基本恒定的宽度。这种几何结构几乎如同副切削刃不具有外圆磨削斜边，而是具有间隙角（Freiwinkel）。由于在外圆磨削斜边的第一纵向部分的区域中外圆磨削斜边和孔壁之间的贴靠接触面非常小，因此对钻头的磨损也非常小，因此很容易实现较长的钻头寿命。但是尽管如此，这种非常窄的外圆磨削斜边能够实现足够大的支承和导引，并由此稳定钻头的刃边，从而可以精确地形成具有高表面质量的钻孔。此外，由于在其第一纵向部分中非常窄的外圆磨削斜边，因此钻头可以非常可靠地切断强化纤维的复合材料中的纤维，从而可以避免具有这种纤维的复合材料的边缘产生分层或散边，特别是在工件的钻头出口区域中。

沿朝向钻头的固定杆或固定部分等的方向看，外圆磨削斜边在其连接在第一纵向部分的第二纵向部分中同样优选具有恒定或基本恒定的宽度，该宽度明显大于外圆磨削斜边在其第一纵向部分上的宽度，从而能够在钻孔中最优地支承钻头。

相对于已知的拥有直径较小的预钻孔部和具有预制直径的精加工部的钻头，根据本发明的钻头优选仅具有唯一、不变的加工直径，这使得能够以较低的成本制造钻头。

在下文中，外圆磨削斜边的具有较小宽度的第一纵向部分也被简称为“可视边（Sichtfase）”，而连接在该可视边上并具有较大宽度的外圆磨削斜边的第二纵向部分则被简称为“外圆磨削斜边”。

根据本发明的钻头的一种特别优选的实施例，外圆磨削斜边的第一纵向部分，也就是可视边的宽度范围为0.01mm到0.1mm。已经证实：当可视边的宽度为0.05mm时，通过该钻头可以实现特别良好的加工效果。

在根据本发明的钻头的一个实施例中，特别优选可视边的宽度范围为1mm到3mm。该可视边与外圆磨削斜边的总的轴向延伸长度相比是极短的。

根据本发明的一种扩展方案，钻头至少在其可视边的范围内具有坚硬的覆层（Beschichtung），并且在此该基本上只用于限定钻头直径的可视边是最小的，并优选具有技术上可制造的最小值。已经证实：可视边越窄，对位于钻孔区域中的纤维的切割就越可靠。这种覆层例如可以是金刚石覆层，其在磨削锋利的条件下也可以相对于磨蚀/磨损和剥离而充分地保护刃边。

根据本发明的钻头的一个优选的实施例，外圆磨削斜边的第二纵向部分的宽度范围为0.3mm至0.8mm。已经证实：特别推荐0.4mm至0.7mm的宽度值。紧挨着可视边的外圆磨削斜边的纵向部分的宽度明显大于该可视边的宽度。

在根据本发明的钻头的另一个优选的实施例中，将位于外圆磨削斜边的第一和第二纵向部分之间的过渡区构造为梯级形的。这种梯级可以这样构造：使从可视边去往沿钻头杆的方向轴向紧挨着的第二纵向部分的过渡区位于钻头的特定轴向位置上，从而使外圆磨削斜边具有基本上呈Z形的边缘轮廓。在另一个实施例中，将构成该过渡区的梯级构造为弓形的。在此，在外圆磨削斜边的俯视图中具有弓形走向的梯级由优选自由磨销的（freigeschliffene）自由面形成。

在根据本发明的钻头的另一个优选的实施例中，每个副切削刃都设有至少一个开放的凹槽。在该凹槽中可以近乎捕获工件中的纤维，并紧接着通过副切削刃进行安全切割。这些凹槽例如可以被构造为凹口（Kerben），它们优选在副切削刃中通过磨削、激光照射或侵蚀而成。

根据一种扩展方案，每个副切削刃都配备有多个彼此间隔开设置的开放凹槽。由此可以确保：如果工件中的纤维没有被捕获到沿钻头的进给方向所看到的第一凹槽中，并且没有在位于相邻设置的凹槽之间的副切削刃部分中被切割，那么这些纤维将被下一个或再下一个凹槽捕获并随后被切割。由此可以使钻头的加工结果进一步优化。

在根据本发明钻头的一个优选的实施例中，在凹槽的区域中，凹槽的纵向延伸小于外圆磨削斜边的宽度。由此可以可靠地避免纤维被拉入钻头和孔壁之间，而这有可能造成纤维被扯断。

在优选的实施方式中，分别将至少一个凹槽在外圆磨削斜边的第二纵向部分的区域中设置在副切削刃上，也就是不设置在非常窄的可视边的区域中。

此外，在根据本发明的钻头的一个实施例中，在横刃上或在主切削刃之间的顶尖角（Spitzenwinkel）优选小于90°。通过钻头端部的这种设计方案，可以避免通常发生在钻头顶点上的分层。

该钻头例如可以构造为螺纹钻头，或者构造为具有平行于纵向中轴线延伸的副切削刃和直线开槽的刃沟的钻头。

该钻头优选具有两个主切削刃和两个对应的、必要时呈螺旋状伸展的副切削刃，其中，副切削刃分别具有如上所述的外圆磨削斜边。但是，正如上文所描述的那样，该钻头也可以仅有一个主切削刃和一个配属的、连接的、具有上述外圆磨削斜边的副切削刃。当然，还可以设置两个以上的、具有各自配属的副切削刃的主切削刃，例如三个或四个主切削刃，其中，副切削刃具有与其相连接的外圆磨削斜边。

根据本发明钻头的其他优选的设计方案由说明书和附图给出。

附图说明

下面参照附图对本发明做进一步的说明。

图1示出了第一实施例中钻头沿朝向顶点方向倾斜向前所看到的部分的透视图；

图2以朝向副切削刃的俯视图示出了如图1所示钻头的另一个透视图；

图3示出了沿朝向副切削刃的观察方向，如图1和图2所示钻头在其顶点区域中的放大部分的透视图；

图4示出了第二实施例中的钻头沿朝向顶点方向倾斜向前所看到的部分的透视图。

具体实施方式

在图1中以透视图示出了第一实施例中的钻头1的一部分。其观察方向是在钻头1顶点的上方斜向前的方向。

在这里所示出的实施例中，将钻头1设计为螺旋钻头，其具有基体2，在基体上设置有第一主切削刃3和相对于钻头1的中轴线点对称设置的第二主切削刃3′。在该实施例中，这两个主切削刃3、3′优选通过穿过中轴线延伸的横刃5彼此连接。沿朝向钻头1的端面方向俯看，这两个主切削刃3、3′优选与穿过中轴线延伸的直径线平行设置。这些主切削刃彼此之间具有通常称为顶尖角的角度，该角度小于90°。因此，具有主切削刃的钻头端部是较尖的。

主切削刃3、3′各自具有一个切削面，在如图1所示的视图中，仅可以看到配属于第二主切削刃3′的切削面7′。切削面具有正切削角，也就是说，切削面沿钻头的转动方向后退，从而产生拉出的切口（Schnitt）。当钻头1转动时（沿朝向钻头1的端面方向俯看，为逆时针转动），主切削刃3′从图1的图面向外移出，而另一个主切削刃3则移入图面。

主切削刃3、3′逐渐过渡到设置在钻头1的外周面9的区域中的副切削刃11、11′。在直线开槽的钻头中，副切削刃11和11′基本上平行于钻头的中轴线取向，并在所述实施例中沿想象的螺旋线伸展。

在横刃5的区域内，钻头1的切割特性不好，因此横刃应该尽可能地短。这可以通过刃磨13来实现，刃磨13优选通过特殊的精磨技术制成。由于由此使横刃变小/缩短，因此可以使进给力降低，并进而降低钻动扭矩。

在钻头的端面的端部的区域内设置其他的自由面15、17和19，但在此不对它们做进一步的论述。

在副切削刃11和11′上，分别在外周侧连接有外圆磨削斜边，在如图1所示的视图中仅可以看到其中配属于副切削刃11的外圆磨削斜边21。副切削刃11和11′的外圆磨削斜边的构造相同，因此在下文中仅对外圆磨削斜边21做详细说明。

在本实施例中，将外圆磨削斜边21构造为连续的，并从副切削刃11的前端沿未示出的钻头1的钻杆的方向延伸。外圆磨削斜边21具有从钻头的前面区域开始的、具有第一宽度B1的第一纵向部分22和与该第一纵向部分相连接并具有第二宽度B2的第二纵向部分24。显然，外圆磨削斜边21的第一纵向部分22的宽度B1明显小于第二纵向部分24的宽度B2，即为宽度B2的数分之一。

在下文中，外圆磨削斜边21的具有宽度B1的第一纵向部分22由于其仅有极小的宽度也被称为缩短的外圆磨削斜边或可视边23。可视边23的半径等于所形成的钻孔的半径，也就是钻头1的加工直径。在如图所示的实施例中，外圆磨削斜边21在上述纵向部分中的不同宽度是由优选通过自由磨削（Freischliff）制成的、位于第一纵向部分22的区域中的自由面25形成的。在这里，自由面25延伸至钻头1的外周面9，并与自由面17和19相接。将自由面25的延伸选择为，使其在钻孔过程中不接触孔壁。

图2示出了如图1所示钻头1的端部区域的另一个透视图，如图2所示，将位于外圆磨削斜边21的可视边23和第二纵向部分24之间的过渡区构造为梯级形的的，其中，可视边23以弓形路线逐渐过渡到第二纵向部分24。在此该过渡区是特别平缓的，并且没有折痕（Knick）。在研磨自由面25时，基于与钻头1的大小、轮廓和几何形状相关的磨削，可以容易地获得过渡区的这种形状。

下面根据图3，对外圆磨削斜边21的尺寸进行详细说明，图3示出了如图1和图2所示钻头的一部分的放大视图。

第一纵向部分22的宽度B1优选在0.01mm到0.1mm的范围内，并特别是为大约0.05mm。在此，外圆磨削斜边21的第一纵向部分22的长度L1是非常短的，并优选在1mm至3mm范围内。相比之下，第二纵向部分24具有明显更大的宽度B2，其范围为0.3mm至0.8mm。第二纵向部分24优选经过与可视边23连接的副切削刃的其他区域延伸。

图4以透视图示出了钻头1的另一个实施例。该视图基本上与如图1所示的透视图相同。相同部分和功能相同的部分以相同的附图标记表示，从而可以参照对上述图1到图3的描述。

在特别优选的如图4所示的钻头1的实施例中，副切削刃11和11′分别设有至少一个开放的凹槽27。根据如图4所示的实施例，副切削刃11和11′每个都具有多个彼此间隔开设置的开放的凹槽27，在这里总共有三个。

将凹槽27构造为凹口，其在该实施例中纯示例性地具有矩形轮廓。它们通过磨削、激光照射和/或侵蚀产生。也可以很容易地为凹槽27设计其他的轮廓。例如，可以将它们构造为V形或其他的形状。重要的是，凹槽27的纵向延伸l小于外圆磨削斜边21的宽度；也就是，凹槽27不会延伸超过外圆磨削斜边21的总宽度B2。在此所示出的钻头1的实施例中，将凹槽27设置在外圆磨削斜边21的第二纵向部分24的区域内，这意味着，凹槽27的纵向延伸小于0.3mm，在此约为0.15mm。凹槽27最终必须至少这样长：使得从工件突出的加工工件的纤维被捕获在凹槽27中，并接着由在轴向上紧跟凹槽27的、可能位于两个凹槽之间的部分区域中的副切削刃21切割。

总而言之：在对包含纤维强化的复合材料的工件钻孔时，也包括由复合材料制成的工件和完全由纤维强化的复合材料制成的以及至少包括纤维强化的复合材料涂层和例如由铝构成的金属层的工件，借助于如图所示的钻头，可以避免出现分层和受磨损的加工边缘，特别是在钻穿孔中。如果所加工的是由纤维强化的复合材料和技术构成的复合材料，也就是三明治结构的工件，当在这种工件中的钻孔出口侧上存在纤维强化的复合材料时，可以直接获得在此所描述的好处。另一个优点在于，可以产生具有良好表面的非常精确的钻孔。这特别可以通过非常窄并且仅延伸经过较小的轴向长度（优选约为1.0mm到3.0mm）的可视边23来实现。由于可视边是非常窄的，因此钻头能够非常可靠地切割纤维强化的复合材料中的纤维，其中，沿着孔壁滑动并由此使钻头切割稳定的可视边仅受到极小的磨损。当特别设计的钻头的外圆磨削斜边在此具有小于90°的锐角时，将会获得特别良好的效果。通过主切削刃之间的这种较小的顶尖角，将确保使作用于钻头上的合力的轴向分力尽可能的小。

Claims (16)

1.一种用于在具有纤维强化的复合材料的工件中产生钻孔的钻头，其具有：

至少一个端面主切削刃(3)，

至少一个设置在所述钻头(1)的外周面(9)的区域中的副切削刃(11)，和

在外周侧连接在所述至少一个副切削刃(11，11′)上的外圆磨削斜边(21)，

连续的所述外圆磨削斜边(21)从所述钻头(1)的前部区域开始，包括具有第一宽度(B1)的第一纵向部分(22)和连接在所述第一纵向部分上且具有第二宽度(B2)的第二纵向部分(24)，其中，所述第一纵向部分(22)的宽度(B1)小于所述第二纵向部分(24)的宽度(B2)，为所述第二纵向部分宽度的数分之一，

其特征在于，所述外圆磨削斜边(21)的第一纵向部分(22)的宽度(B1)在0.01mm到0.1mm的范围内，并且所述外圆磨削斜边(21)的第一纵向部分(22)的宽度(B1)是最小的，为技术上可制造的最小值，以及所述外圆磨削斜边(21)的第一纵向部分(22)的宽度(B1)沿其纵向是恒定的。

2.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，设置至少两个主切削刃(3，3′)和至少两个副切削刃(11，11′)，其中，每个主切削刃对应于一个副切削刃。

3.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述外圆磨削斜边(21)的第一纵向部分(22)的宽度(B1)为0.05mm。

4.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述钻头(1)至少在所述外圆磨削斜边(21)的第一纵向部分(22)的区域内设有坚硬的覆层。

5.如权利要求4所述的钻头，其特征在于，所述坚硬的覆层为金刚石覆层。

6.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述外圆磨削斜边(21)的第二纵向部分(24)的宽度(B2)在0.3mm至0.8mm范围内。

7.如权利要求6所述的钻头，其特征在于，所述外圆磨削斜边(21)的第二纵向部分(24)的宽度(B2)在0.4mm至0.7mm范围内。

8.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述外圆磨削斜边(21)的第一纵向部分(22)的长度(L1)在1mm至3mm范围内。

9.如权利要求1至8中任一项所述的钻头，其特征在于，所述第二纵向部分(24)的宽度沿其纵向是恒定的。

10.如权利要求9所述的钻头，其特征在于，将所述外圆磨削斜边(21)的第一纵向部分(22)和第二纵向部分(24)之间的过渡区构造为梯级形的。

11.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述副切削刃(11，11′)分别设有至少一个开放的凹槽(27)。

12.如权利要求9所述的钻头，其特征在于，所述副切削刃(11，11′)分别设有多个彼此间隔设置的边缘开放的凹槽(27)。

13.如权利要求11或12所述的钻头，其特征在于，在所述凹槽(27)的区域中，所述凹槽(27)的纵向延伸小于所述外圆磨削斜边(21)的宽度(B2)。

14.如权利要求13所述的钻头，其特征在于，将至少一个所述副切削刃(11，11′)上的凹槽(27)设置在所述外圆磨削斜边(21)的第二纵向部分(24)的区域中。

15.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，横刃(5)上的顶尖角的角度小于90°。

16.如权利要求11所述的钻头，其特征在于，所述至少一个开放的凹槽(27)是凹口。