CN103068508A - 组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具 - Google Patents

Abstract

一种组合式末端铣削/钻削/铰削切削刀具包括端铣削部分、钻削部分、以及铰削部分。该切削刀具还包括在该端铣削部分与该钻削部分之间的颈部分、以及在柄与该铰削部分之间的间隙颈部分。在此还披露了一种使用该组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具对工件进行机加工的方法。

Description

组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具

背景技术

纤维增强塑料（FRP）材料因其高比强度以及高比刚度而被广泛地用于航空工业中。FRP材料是由软树脂基体和高强度纤维增强物所组成的复合材料。典型的纤维增强物包括：碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）、芳纶（Kevlar）纤维、以及类似物。FRP材料通常被加工成叠层结构。FRP材料具有优异的面内强度，但是层间强度低。

传统的钻削还被称为“推进式钻削”，是与金属一起使用的的一种惯例。沿着该刀具的轴线向下按压该钻头以便造出一个孔。用这种方法钻削减少了这些金属层中一侧到另一侧的偏转。然而，推进式钻削CFRP材料典型地是有疑问的，并且纤维层离和其他损害也是个问题。

减少该纤维层离的一种途径是使用轨道式钻削工艺。轨道式钻削是通过铣削进行的造孔操作，其中一个端铣刀的中心围绕这个预期孔的中心进入轨道运行，同时在其自身的轴线上自旋并且在轴向方向上移动。轨道式钻削还被称作“圆铣”或“螺旋内插”。

通过轨道式钻削CFRP材料，螺旋式地内插这个孔。这用偏离中心的一个直径较小的刀具来切削该孔，由此铣削该孔至适当直径。这种方法产生了具有边缘干净和缺陷最小的孔。

然而，推进式钻削与使用了螺旋内插方法的轨道式钻削相比具有更短的周期时间。这些刀具的尺寸被确定为将要造出的孔的直径并且这些刀具对相同的最终孔大小来说是比直径更小的轨道式刀具更刚硬的。

在飞机用金属材料中，尤其是铝，已经发现当传统地经推进式钻出并且铰削多个孔时，这些孔与使用螺旋内插完全轨道式钻出的孔相比具有更长的疲劳寿命。这是因为残余应力留在了来自传统推进式钻削和铰削操作的孔中。换言之，轨道式钻削在工件中产生了较少的残余应力。

发明内容

多功能末端操纵装置和计算机数字控制的（CNC）机械用分开的刀具产生了经轨道式钻出的孔和经推进式钻出的孔。纤维层离CFRP材料以及金属材料中增加的疲劳寿命的问题通过如下方式被解决：将使用螺旋内插的端铣削、推进式钻削、以及铰削切削操作组合成组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具。该组合式切削刀具与分开地使用这三个切削操作相比，提供了更快的周期时间和易于操作的协同作用。

一方面，一种组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具包括一个端铣削部分、一个铰削部分、以及一个在该端铣削部分与该铰削部分之间的钻削部分。

另一方面，一种组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具包括一个端铣削部分、一个钻削部分、一个铰削部分、一个在该端铣削部分与该钻削部分之间的颈部分、一个柄、以及一个在该铰削部分与该柄之间的间隙颈部分。该端铣削部分具有一个第一直径。该颈部分具有一个小于该第一直径的第二直径。该钻削部分具有一个大于第一和第二直径两者的第三直径。该铰削部分具有一个大于该第一、第二以及第三直径的第四直径。该间隙颈部分具有一个小于该第三和第四直径并且大于该第一和第二直径的第五直径。

另一方面，一种使用组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具对工件进行机加工的方法，该切削刀具包括一个端铣削部分、一个钻削部分、以及一个铰削部分，该方法包括：将该切削刀具相对于该工件进行定位以便开始一个机加工周期；使用轨道式钻削操作通过该切削刀具的端铣削部分在一个第一材料层中钻出一个孔；将该切削刀具定位成使得该切削刀具的纵向轴线是与该孔的轴线基本上对齐的；使用推进式钻削操作通过该切削刀具的钻削部分在一个第二材料层中钻出该孔；并且使用推进式钻削操作通过该切削刀具的铰削部分来铰削该孔。

附图说明

虽然展示了本发明的不同实施方案，但是不应解释为所示的具体实施方案限制了权利要求。在此预期可以在不脱离本发明的范围的情况下进行各种变化和修改。

图1是本发明的组合式端铣削/钻削切削刀具的一个示例性实施方案的平面图；

图2是图1的切削刀具的一个放大的等角视图，显示了端铣削部分、该钻削部分、以及带有末端楔形体的该铰削部分的前部；

图3是图2的切削刀具旋转九十（90）度后的另一个放大的等角视图，显示了该切削刀具钻削部分的这些非切削的离隙槽；

图4是图1的切削刀具的放大的等角视图，显示了该铰削部分的带有后倒角的后部、以及一个间隙颈部分；并且

图5（a）-（f）是使用本发明的切削刀具来对工件进行机加工的一种方法的等角视图，该工件具有一个CFRP材料顶层以及一个金属材料底层。

具体实施方式

以下是关于一款组合式端铣削钻削/推进式钻削切削刀具以及用于机加工一个工件的一种方法的展示和解释。然而，注意的是这种组合式切削刀具及机加工方法可以被配置成适合于具体的应用并且不仅仅限于这些图示中的实例。

参见图1-4，其中类似的参考符号代表类似的要素，用于在工件上执行机加工操作的一种组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具总体上以10示出。在一个实施方案中，该工件60（图5）是一种具有一个CFRP材料顶层以及一个金属材料底层（例如钛，等等）的复合体。如在此使用的，“顶”是指有待被该切削刀具10机加工的第一材料，并且“底”是指在该机加工操作过程中有待被该切削刀具10机加工的第二材料。

总体上，该切削刀具10具有：在该切削刀具10的一端20处的一个端铣削部分12，以便使用螺旋内插对CFRP材料层钻削并且在该金属层（轨道式地或传统地）中钻出一个导向孔；一个钻削部分14以及一个铰削部分16。该切削刀具10还包括在端铣削部分12与该钻削部分14之间的一个颈部分18。该颈部分18的目的是为切屑移出创造空间并且其长度尺寸被确定为至少是该工件60（图5）的CFRP材料层62的厚度。

该切削刀具10包括在相反的另一端24处的一个柄22。该切削刀具10还包括在该钻削部分14与柄22之间的一个间隙颈部分26。间隙颈部分26的目的是在机加工操作过程中允许该切削刀具10的间隙。间隙颈部分26也是排出这些切屑的地方。该间隙颈部分26还为用该铰削部分16的后倒角56进行切削提供了间隙。该间隙颈部分26的长度尺寸被确定为大于工件60的总厚度（图5）。该切削刀具10还包括中央纵向轴线28，该中央纵向轴线延伸了该切削刀具10的整个长度。

总体上，该端铣削部分12具有的直径30大于该颈部分18的直径32。该钻削部分14具有的直径34略小于铰削部分16的直径36、但大于该端铣削部分12的直径30和该颈部分18的直径32。该切削刀具10的铰削部分16的直径36是基本上等于有待由该切削刀具10钻出的孔66的最终直径（图5）。另外，该间隙颈部分26具有的直径38是小于该钻削部分14和该铰削部分16二者的、但是大于该端铣削部分12和该颈部分18二者的。

在该切削刀具10的示例性实施方案的一个实例中，该端铣削部分12具有约0.197英寸（5.00mm）的直径30，该颈部分18具有约0.177英寸（4.50mm）的直径32，该钻削部分14具有约0.307英寸（7.80mm）的直径34，该铰削部分16具有约0.313英寸（7.84mm）的直径36，并且该间隙颈部分26具有约0.276英寸（7.00mm）的直径36。在这个实例中，该柄22具有约0.384英寸（10.00mm）的直径38。应了解的是本发明不受具体直径的限制，并且可以根据该切削刀具10的这些设计参数采用任何希望的直径来实践本发明。

如在图2-图4中所示，该端铣削部分12和该颈部分18包括形成了该切削刀具10的切削刃的多个螺旋切削槽40。这些切削槽40具有C形的轮廓以便使这些切屑朝着该切削刀具10的中心向内被捕获。然后切屑朝切削刀具10的后部前进（在柄22的方向上）并且从切削刀具10的后部处理出去。

在所展示的实施方案中，该端铣削部分12和该颈部分18包括四（4）个螺旋切削槽40，这些切削槽相对于该切削刀具10的纵向轴线28以一个角度42形成。然而，应了解的是本发明不受螺旋槽数目的限制，并且本发明可以使用任何所希望数目的槽来进行实践，如两（2）个、六（6）个、八（8）个等。在所展示的实施方案中，该角度42是约三十（30）度。

这四个槽40所形成的角42在该颈部分18的后部中在距该切削刀具10的末端一个预定距离处变成一个不同的角44。这种角度变化的目的是为了提供改进的切屑流动。在一个实施方案中，这四个槽40从约三十（30）度的角42变为在距该切削刀具10的末端20约0.335英寸（8.51mm）的一个距离43处约十七（17）度的角44。然而，将了解的是本发明不受这四个槽40的角42、44的限制，并且本发明可以使用任何所希望的角来进行实践，这取决于该切削刀具的尺寸、有待机加工的材料的类型以及其他设计因素。另外，将了解的是本发明不受这些槽40的角42、44发生变化时距该切削刀具末端的距离的限制，并且本发明可以使用距该切削刀具10的末端的任何所希望的距离来进行实践，这取决于该切削刀具10的尺寸、以及其他设计因素。

在该钻削部分14中，切削槽40的总数目从四（4）个槽变化为两（2）个切削槽40和两（2）个非切削的离隙槽（relief flute）41。减少在该钻削部分14中切削槽40的数目的目的是为了创造更厚的切屑以便用于更实际的钻削操作。在操作中，该端铣削部分12螺旋地内插该工件60（图3），并且于是将该切削刀具10居中以便进行该机加工操作的推进式钻削周期。由于该端铣削部分12的四个切削槽40是与该钻削部分14的两个切削槽40相比而言较小的，所以在该推进式钻削周期过程中每个切削槽的进料荷载是小的并且对具有四（4）个切削槽的钻削部分来说太小。通过将该钻削部分14的两个切削槽（切削刃）去除，增加了用于剩余的两个切削槽40的切屑荷载，由此产生了对该机加工操作的推进式钻削周期来说好得多的切屑荷载。

另外，这些切削槽40的角度在该切削刀具10的预定直径下在该切削刀具10的钻削部分14中发生改变。在所展示的实施方案中，这些切削槽40从约十七（17）度的角44变成在约0.307英寸（7.80mm）的直径34下约三十（30）度的不同的角46。注意的是，角46是约等于角42的，但是角46可以不同于角42。然而，将了解的是本发明不在这些切削槽40的角从一个角变成另一个不同的角时所处的具体直径方面受限，并且本发明可以使用这些角度发生改变时的其他直径来进行实践，这取决于该切削刀具10的尺寸、以及其他设计因素。

该铰削部分16具有与该切削刀具10的钻削部分14不同数目的切削槽40。在所展示的实施方案中，该铰削部分16具有总计为四（4）个的切削槽40，这与该切削刀具10的端铣削部分12和颈部分18的切削槽40的数目相同。然而，将认识到的是该切削刀具10在该铰削部分16中可以具有与该切削刀具10的端铣削部分12、钻削部分14和/或颈部分18不同数目的切削槽40。增加该铰削部分16中切削槽40的数目的目的是为了减少切屑荷载。

返回参照图1，该切削刀具10包括在该颈部分18与该钻削部分14之间的一个楔形表面48。该楔形表面48的目的是在利用该端铣削部分12在该金属层64中钻出一个导向孔之后，允许该切削刀具10的钻削部分14和该铰削部分16易于进入该工件60的金属层64中。此外，如果需要的话，在一个螺旋内插操作或一个圆形操作中，可以使用楔形表面48来去除工件60（图5）的孔66中的任何毛刺。在所展示的实施方案中，该楔形表面48是以约一百一十八（118）度的角50形成的。然而，将理解本发明不受形成该楔形表面48的角度的限制，并且可以采用任何希望的角度来实践本发明，这任何希望的角度允许该切削刀具易于在切削刀具10的端铣削部分12与钻削部分14之间过渡。

同样地，该切削刀具10包括在该钻削部分14与该铰削部分16之间的一个楔形表面52。该楔形表面52的目的是在该推进式钻削操作结束并且该铰削操作开始时，允许该切削刀具10的铰削部分16易于进入该工件60（图5）的孔66中。在所展示的实施方案中，该楔形表面52是以约二十（20）度的角54形成的。然而，将认识到的是本发明不受形成该楔形表面52的角的限制，并且可以采用任何希望的角度来实践本发明，这个任何希望的角度允许该切削刀具易于在切削刀具10的钻削部分14与该铰削部分16之间过渡。

另外，该切削刀具10包括在该铰削部分16与该间隙颈部分26之间的一个楔形表面56。在所展示的实施方案中，该楔形表面56是以约四十五（45）度的角58形成的。然而，将认识到的是本发明不受形成该楔形表面56的角的限制，并且可以采用任何希望的角度来实践本发明，这个任何希望的角度允许该切削刀具易于在切削刀具10的钻削部分14与该铰削部分16之间过渡。楔形表面56的目的是为防止在该铰削操作过程中该切削刀具10沿着该工件60（图5）中的孔66的内侧拖拽。此外，如果需要的话，在一个螺旋内插操作或一个圆形操作中，可以使用楔形表面56来去除工件60的孔66中的毛刺。应注意的是，该铰削部分16的长度是至少与有待机加工的工件60的厚度一样长。

现在参见图5（a）-图5（f），现在将描述一种对复合工件60进行机加工的方法，该复合工件具有一个CFRP材料顶层62和一个金属材料底层64。将认识到的是，由该切削刀具10机加工的复合工件60仅仅用于说明的目的，并且本发明的这些原理可以应用于对具有一个或多个材料层的工件进行机加工，这些材料层可能是或者可能不是不同的而具有不同的材料特性。

在图5（a）中，该切削刀具10被定位在所希望的位置处以便开始该机加工周期。在这个位置处，该切削刀具10的中央纵向轴线28是与有待钻开的孔的中央轴线68基本上对齐的。

在图5（b）中，该切削刀具10使用了轨道式钻削循环（螺旋内插或圆形）以便开始在该CFRP材料层62中钻出一个孔66。在机加工周期中在这个点处，该切削刀具10的中央纵向轴线28是围绕该孔66的中央轴线68在螺旋或环形方向上移动的。换言之，该切削刀具10的中央纵向轴线28是围绕孔66的中央轴线68按照一种螺旋状或环形运动而移动一个总的距离70。孔66可以仅在入口处是全直径、或者被完全精加工至全直径，或者可以在孔66的内径（ID）上具有某一精加工余量（finishing stock）。注意的是这个周期过程中，CFRP材料层62的去除是通过只使用该切削刀具10的端铣削部分12来完成的，而根本没有使用钻削部分14。因此，在这个周期过程中该切削刀具10的钻削部分14没有磨损。

在图5（c）中，一旦该切削刀具10已经移除了这个CFRP材料层62，则该切削刀具10被定位成使得该切削刀具10的中央纵向轴线28是与该孔66的中央轴线68基本上对齐的（即，该切削刀具10具有零偏移）。如所能看到的，该颈部分18在该切削刀具10与该工件60之间提供了间隙。在这点处，该轨道式钻削操作已经完成。

在图5（d）中，该推进式钻削操作开始。在这点处，该切削刀具10在箭头的方向上（朝该工件60）移动。注意的是，在该推进式钻削操作过程中，该切削刀具10的端铣削部分12现在起到一个导向钻头或“阶梯钻头”的作用，以便钻出一个用于该切削刀具10的钻削部分14和该铰削部分16的导向孔。这些槽40具有的轮廓使得切屑被截留并且朝该间隙颈部分26离开以便防止损坏该CFRP材料层62。

在图5（e）中，当在该箭头方向上（朝该工件60）进一步移动该切削刀具10时，该切削刀具10的钻削部分14已经几乎已经钻穿整个工件60（即，这两个层62、64），并且该铰削部分16同时铰削该孔66至最终直径。

在图5（f）中，该切削刀具10的铰削部分16已经完全钻穿了该工件60并且该推进式钻削操作完成。在这点处，在该铰削部分16与该间隙颈部分26之间的楔形表面56可以在一种轨道式或环形钻削操作中来使用以便除去任何可能存在于该孔60底部的毛刺。换言之，该切削刀具10的中央纵向轴线28是围绕孔66的中央轴线68在螺旋状或环形方向上移动到偏移了一个总距离72。典型地，距离72是小于距离70。应注意的是，该间隙颈部分26的尺寸被确定为在该轨道式钻削操作过程中在该切削刀具10与该工件60之间提供适当的间隙。

在图5（g）中，该切削刀具10被定位成使得该切削刀具10的中央纵向轴线28是与该孔66的中央轴线68基本上对齐的（即，该切削刀具10具有零偏移）。然后，该切削刀具10在该箭头方向上（远离该工件60）移动，直到该切削刀具10从该工件60中完全地缩回。在这点处，该机加工操作就完成了。

如上所述，当与常规的切削刀具相比较时，本发明的组合式端铣削/推进式钻削切削刀具10提供了许多独特的优点。利用该切削刀具10的端铣削部分12对CFRP材料层62的端铣削钻削在该工件60中创造了最好的孔，并且当切削金属材料时，该金属材料层64的推进式钻削是减少切削时间的最好方法。通过将端铣削和推进式钻削操作组合在一个切削刀具10中，与使用分开的端铣削钻削和推进式钻削周期而利用有两个不同的切削刀具相比，有在更快的操作周期时间内提高孔品质和精度的协同效果。另外，在推进式钻削周期前通过切削CFRP材料层62提供了意想不到的结果：增加了这些槽40的寿命，这些槽形成了该切削刀具10的钻削部分14的切削刃。另外，该端铣削部分12的磨损不影响该金属材料层64的最终孔尺寸。该端铣削部分12的磨损可以通过调整该端铣削偏移来补偿，以维持在CFRP材料层62中该孔的所希望的直径。最后，如果需要的话，在该切削刀具10从该工件60中离开时，在该工件60中的任何毛刺可以容易地去除。

在此提及的专利以及公开文献通过引用特此结合。

尽管已对当前的优选实施方案进行了说明，但是本发明可以在所附权利要求范围内以其他方式来实施。

Claims (15)

1.一种组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具，包括：

端铣削部分；

铰削部分；以及

在该端铣削部分与该铰削部分之间的钻削部分。

2.如权利要求1所述的组合式切削刀具，其中该端铣削部分具有第一直径，该钻削部分具有大于该第一直径的第二直径，并且该铰削部分具有大于该第二直径的第三直径。

3.如权利要求1所述的组合式切削刀具，进一步包括在该端铣削部分与该钻削部分之间的颈部分、以及在该铰削部分与柄之间的间隙颈部分。

4.如权利要求3所述的组合式切削刀具，其中该颈部分具有的直径小于该间隙颈部分的直径。

5.如权利要求3所述的组合式切削刀具，进一步包括在该颈部分与该钻削部分之间的楔形表面、以及在该铰削部分与该间隙颈部分之间的楔形表面。

6.如权利要求1所述的组合式切削刀具，进一步包括在该钻削部分与该铰削部分之间的楔形表面。

7.如权利要求1所述的组合式切削刀具，其中该端铣削部分、该钻削部分以及该铰削部分包括多个螺旋切削槽。

8.如权利要求7所述的组合式切削刀具，其中在该端铣削部分中的该多个切削槽是相对于该切削刀具的纵向轴线以第一角度形成的。

9.如权利要求8所述的组合式切削刀具，其中在该颈部分中的该多个切削槽是相对于该切削刀具的纵向轴线在距该切削刀具一端的一个距离处以第二角度形成的。

10.如权利要求9所述的组合式切削刀具，其中在该钻削部分中的该多个槽是相对于该切削刀具的纵向轴线在该钻削部分的预定直径下以第三角度形成的。

11.如权利要求10所述的组合式切削刀具，其中该第一角度是基本上等于该第三角度的。

12.一种组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具，包括：

端铣削部分；

钻削部分；

铰削部分；

在该端铣削部分与该钻削部分之间的颈部分；

柄；以及

在该铰削部分与该柄之间的间隙颈部分，

其中该端铣削部分具有第一直径，该颈部分具有小于该第一直径的第二直径，该钻削部分具有大于该第一和第二直径两者的第三直径，该铰削部分具有大于该第一、第二和第三直径的第四直径，并且该间隙颈部分具有小于该第三和第四直径并且大于该第一和第二直径的第五直径。

13.如权利要求12所述的组合式切削刀具，其中该端铣削部分、该钻削部分以及该铰削部分包括多个螺旋切削槽。

14.一种使用组合式端铣削/钻削/铰削切削刀具对工件进行机加工的方法，该切削刀具包括端铣削部分、钻削部分、以及铰削部分，该方法包括：

将该切削刀具相对于该工件进行定位以便开始一个机加工周期；

使用轨道式钻削操作通过该切削刀具的端铣削部分在第一材料层中钻出孔；

将该切削刀具定位成使得该切削刀具的纵向轴线是与该孔的轴线基本上对齐的；

使用推进式钻削操作通过该切削刀具的钻削部分在第二材料层中钻出该孔；并且

使用该推进式钻削操作通过该切削刀具的铰削部分来铰削该孔。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括以下步骤：使用楔形表面、采用一种螺旋内插钻削操作或一种圆形钻削操作将毛刺从该孔中去除。

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