CN103071833B - 钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用金刚石钻头，我国目前还没有钻削碳纤维增强复合材料的专用刀具。复合材料应用部门目前主要采用YG类硬质合金麻花钻，如YG6X、YG8和Y330。这种刀具制造简单，成本低，易于刃磨，对机床设备要求低。但使用寿命低，一般钻削30~40个孔后，就需要进行刃磨。本发明组成包括：刀柄（1）、连接所述的刀柄的刀体（2），在所述的刀体侧壁上开有清屑孔（3），在所述的刀体的头部连接钻头（4），所述的钻头带有一组槽口（5）。本发明用于航天、竞技机车等碳纤维符合材料的钻孔加工。

Description

钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用金刚石钻头

技术领域：

本发明涉及一种机械加工刀具，特别是一种加工碳纤维复合材料的钻孔刀具。

背景技术：

20世纪80年代后服役的战机均大量采用碳纤维增强复合材料，复合材料的用量已成为衡量飞机性能的重要指标之一。例如，法国阵风战机的复合材料用量占40%，瑞典JAS39战机占30%，欧洲“台风”战机大于40%，美国的杀手锏武器B-2战略轰炸机占到50%，美国空军最新的F-22“猛禽”战斗机复合材料用量达到了35%。1984年，日本东丽公司成功研制出高强度、大伸长量的碳纤维T800H，1986年，又研发成功T1000。随后，日本东邦、三菱人造丝公司和美国Hexcel公司相继研制出同类高性能碳纤维，为制造大飞机提供了新型复合材料。从此，碳纤维增强复合材料在大飞机上的用量直线上升碳纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、减振性好等优点，在航空航天领域得到了广泛应用，在汽车、医疗器械、体育器械等行业的应用也日益增多。随着碳纤维增强复合材料用领域的扩大，解决碳纤维增强复合材料的高精度、高效加工问题也日益迫切。碳纤维增强复合材料上钻孔加工时，容易产生分层、劈裂、烧伤等缺陷，其中尤以分层、劈裂对加工质量影响最大。据介绍，在AV-8B飞机的制造中，由于碳纤维增强复合材料钻孔分层、劈裂导致的零件不合格率占全机碳纤维增强复合材料零件不合格率的60％以上。出现分层、劈裂现象的主要原因为：（1）碳纤维增强复合材料叠层板由碳纤维层铺叠而成，层与层之间用树脂粘结。由于碳纤维增强复合材料是一种各向异性材料，其机械性能在不同方向各不相同，材料沿纤维铺层方向强度较高，而垂直于纤维铺层方向的强度则取决于树脂粘结强度，一般情况下，层间结合强度仅为纤维方向强度的2．2％。（2）钻孔加工时，存在垂直于纤维铺层方向的轴向力Fz，从而在叠层板内产生正应力，当切削力产生的正应力超过树脂结合强度，则会出现树脂断裂、纤维层分层或劈裂等现象，轴向力越大，分层、劈裂现象越严重。因此，解决分层、劈裂问题的一个有效途径是减小钻削轴向力。在钻削加工中，轴向力主要受钻削参数、刀具材料和钻型等因素影响。我国目前还没有钻削碳纤维增强复合材料的专用刀具。复合材料应用部门目前主要采用YG类硬质合金麻花钻，如YG6X、YG8和Y330。这种刀具制造简单，成本低，易于刃磨，对机床设备要求低。但使用寿命低，一般钻削30~40个孔后，就需要进行刃磨。为了提高刀具的使用寿命，一些刀具厂商对刀具进行表面涂层处理，如氮铝化钛涂层和金刚石涂层。

发明内容：

本发明提供一种钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用金刚石钻头，有效解决碳纤维增强复合材料分层、劈裂问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，其组成包括：刀柄、连接所述的刀柄的刀体，在所述的刀体侧壁上开有清屑孔，在所述的刀体的头部连接钻头，所述的钻头带有一组槽口。

所述的钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，所述的刀体的头部通过高温钎焊连接所述的钻头，所述的槽口为4个，金刚石粒度为40-45目，均布在切削刃的位置,锥顶角45-48°

所述的钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，所述的清屑孔为长圆孔。

所述的钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，所述的钻头外径为3-14mm，壁厚1.1mm导孔钻直径为钻头外径的25%-32%。

所述的钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，所述的钻头外径为6mm或者8mm或者10mm或者12mm或者14mm，壁厚1.1mm导孔钻直径为钻头外径的30%，并且所述的导孔钻的每一级之间的直径差以及所述的导孔钻与所述的钻头之间的直径差不大于6mm，最终钻头外径大于9mm时采用阶梯导孔钻,。

有益效果：

本发明的锥体部分开有两条对称螺旋状的分屑槽，起容屑、排屑作用，可避免切屑堵塞、烧伤工件。

导孔钻起预钻孔作用，以避免钻芯处因切削速度为零而导致切削条件恶化。小直径导孔钻也会产生微小切削缺陷，但由于其直径范围小于最终孔径，可在金刚石钻头钻削过程中被切除。

本发明的金刚石刀具具有刀尖锋利、多刃切削、耐磨性优异等优点，因此十分适宜于难加工材料的切削加工。由于金刚石钻头钻削时为多刃切削，轴向力被分散，加工表面所受正应力也显著下降。此外，由于钻尖锋利，钻削时碳纤维增强复合材料纤维断裂变形小，从而减轻了分层、劈裂程度。实际使用中如顶角太小，钻削时间将延长，工件易烧伤；如顶角过大，则钻削轴向力增大，工件易分层、劈裂。本发明的基体锥顶角选用45°-48，具有最佳效果。

本发明的采用阶梯钻的方式导钻部分取工件孔径的1／3，实验证明直径太大将加重分层和劈裂。钻削轴向力随着刀具的直径增大而增大。这是因为随着刀具直径的增大，钻头切削刃切削面积增大，从而导致切削力增大。

碳纤维增强复合材料与钛合金都是的典型难加工材料，碳纤维增强复合材料钻削要求高转速和小进给量，钻削过程中一般采用干切削。钛合金导热系数小，弹性恢复大，冷硬、粘结、扩散现象严重，易于氧化，钻削中有回弹，尺寸不稳定。采用本发明的电镀金刚石复合钻头钻削时，轴向力和扭矩均较小，分别约为普通硬质合金钻头的30％和70％，因此孔加工质量明显提高。钻削试验结果表明，在高速、低进给的切削条件下，用本发明的电镀金刚石复合钻头可获得非常理想的加工表面。

本发明制造工艺简单，刀具成本低；由于具有刀尖锋利、多刃切削等优点，该钻头在高速、低进给条件下钻削碳纤维增强复合材料板材时，基本无分层、劈裂现象，可明显提高生产率。

本发明采用涂层技术，随着钻孔数的增加，钻头的轴向力逐渐增大。这是因为随着钻孔数的增加，钻头磨损量增大，从而导致轴向力增大。涂层之后，刀具切削刃变钝。但在钻过一定孔数量（20孔）之后，涂层材质很好的提高了刀具的耐磨性。涂层钻头磨损最小。

本发明的钎焊金刚石套料钻加工孔的入口质量明显比硬质合金麻花钻好，但出口质量不如后者。入口处，由于钎焊金刚石套料钻的金刚石磨粒切削刃很短，在磨粒同时切入材料的时候，产生的面外剪切应力较小，不易使纤维层被掀起而产生撕裂缺陷；而硬质合金麻花钻切削刃较长，当钻头切入材料时，主切削刃外侧正前角部分对表层材料有一较大的面外剪切应力，导致表层材料被掀起从而产生撕裂现象；但在出口处，由于钎焊金刚石套料钻从钻入层合板到钻出层合板，其钻削力是从零急速增加到最大，保持稳定后，急速降为零。因此在钻削底层纤维时，材料抵抗拉应力变形的能力很弱，而钻削力并未减小，大于此时材料的层间强度，故容易产生撕裂缺陷。这种表现与传统技术中的情况恰恰相反，对于传统的硬质合金麻花钻，其切削刃较长，在出口处参与切削的切削刃长度逐渐减小，钻削力也逐渐变小，因此会产生相反的效果。

碳纤维复合材料加工特性之一就是刀具磨损严重，刀具耐用度低。利用普通的硬质合金麻花钻加工后前刀面出现严重的崩刃和磨损。另外，主切削刃和副切削刃及横刃都出现不同程度的磨损和崩刃。采用本发明的金刚石套料钻加工同样数量的孔之后，刀具上的金刚石磨粒均未出现脱落现象，只是钻头断面内侧倒角处的钎料被磨掉很多。这是因为试验所用钎焊金刚石套料钻是利用高温钎焊工艺使金刚石与基体材料实现结合的，由于此高温钎焊技术实现了金刚石、钎料和金属基体界面上的化学冶金结合，可以认定本发明采用的金刚石磨粒具有高结合强度和耐磨性。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明钎焊套料钻端面结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，其组成包括：刀柄1、连接所述的刀柄的刀体2，在所述的刀体侧壁上开有清屑孔3，在所述的刀体的头部连接钻头4，所述的钻头带有一组槽口5。

实施例2：

实施例1所述的钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，所述的刀体的头部通过高温钎焊连接所述的钻头，所述的槽口为4个，金刚石粒度为40-45目，均布在切削刃的位置,锥顶角45-48°之间。

实施例3：

实施例1或2所述的钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，所述的清屑孔为长圆孔。

实施例4：

实施例1或2或3所述的钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，所述的钻头外径为3-14mm，壁厚1.1mm，所述的钻头前部为导孔钻，导孔钻直径为钻头外径的25%-32%。

实施例5：

实施例1或2或3或4所述的钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，所述的钻头外径为6mm或者8mm或者10mm或者12mm或者14mm，壁厚1.1mm导孔钻直径为钻头外径的30%，并且所述的导孔钻的每一级之间的直径差以及所述的导孔钻与所述的钻头之间的直径差不大于6mm，最终钻头外径大于9mm时采用多阶梯的阶梯导孔钻。

Claims (1)

1.一种钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用套料金刚石钻头，其组成包括：刀柄、连接所述的刀柄的刀体，其特征是：在所述的刀体侧壁上开有清屑孔，在所述的刀体的头部连接钻头，所述的钻头带有一组槽口；

所述的刀体的头部通过高温钎焊连接所述的钻头，所述的槽口为4个，金刚石粒度为40-45目，均布在切削刃的位置,锥顶角45-48°，所述的清屑孔为长圆孔；

所述的钻头外径为6mm或者8mm或者10mm或者12mm或者14mm，壁厚1.1mm，导孔钻直径为钻头外径的30%，并且所述的导孔钻的每一级之间的直径差以及所述的导孔钻与所述的钻头之间的直径差不大于6mm，最终钻头外径大于9mm时采用阶梯导孔钻，采用阶梯钻的方式，导钻部分取工件孔径的1／3。