CN104338977B - 用于对纤维复合材料进行孔加工的钻头 - Google Patents

Abstract

一种用于对纤维复合材料进行孔加工的钻头，包括一条纵向轴线，可安装到旋转机械上的柄部、一个切削主体和一个切削端头。切削端头至少含有2刃主切削部，切削主体上至少设置2条具有0°±45°螺旋角的螺旋槽。主切削部的后刀面为凹陷的弧面，其与切削端头的钻尖形成第一尖点，与切削端头的肩部形成第二尖点，第一尖点高出第二尖点0.1mm～2mm。本发明钻头，对普通麻花钻的切削部、螺旋槽和后刀面等处进行再加工，实现对复合材料加工中的分层，进、出口毛刺及碎裂现象的完全抑制，还比传统加工钻头的进给速度显著提高了30%以上。

Description

用于对纤维复合材料进行孔加工的钻头

技术领域

本发明涉及一种用于孔加工的刀具，尤其涉及一种钻头，适用于对纤维复合材料进行孔加工，以改善以往对此类材料进行加工的孔所存在的毛刺、破裂和分层等现象。

背景技术

钻头是一类用以在实体材料上钻削出通孔或盲孔，并能对已有的孔进行扩孔的刀具的总称。其常规种类如：麻花钻、扁钻、深孔钻、扩孔钻和中心钻等。

目前使用的普通麻花钻头，往往采用锋角值大于90度的先端。在切削过程中，尤其是对纤维复合材料进行切削时，随着钻头先端部分不断扎入被加工材料，被加工材料承受的轴向力不断增加。同时，纤维复合材料的材料特性，使过大的轴向力导致材料间发生分层和纤维断裂，以及切削过程失效的现象，以至于加工中经常性地出现孔壁分层、孔口毛刺和孔口碎裂等问题的发生，由此造成工件大量报废或不合格。

为了克服过大的轴向力对纤维复合材料造成的上述问题，现有技术大都采用减少了锋角的方式来解决。中国实用新型专利ZL200320125153.6在减小锋角角度（60°-80°）的同时，在钻头的钻杆和头部之间增加了有刀刃的锥形过渡区，使钻头在薄壁制件上钻孔的原理和过程发生很大的变化，而提出一种具有锥形过渡区的新型钻头。该技术方案在钻杆和头部之间有一倾斜角度为2°-8°的锥形过渡区，其上有切削材料的3-6个刀刃。该钻头具有铰孔作用，消除了普通钻头钻孔经常产生的孔出口边缘分层、拉毛和崩裂等问题，以及孔内壁不光滑和起毛等各种缺陷。

这些技术采用减小锋角角度的目的是为了减少加工中的轴向力，以克服孔口毛刺破裂和分层的现象。但并不能有效抑制孔口毛刺的形成，在实际加工中通常只能用于一部分复合材料的加工，并需要辅以后续工序清除毛刺。

为此，中国发明专利ZL200780024847.1在减少锋角角度钻头上涂覆了5μm的金刚石，而提出了一种用于加工纤维增强复合材料的钻头。该技术方案具有一个在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。其通过附着在刀体先端的金刚石颗粒对复合材料进行磨削的加工方法来加工纤维材料，从而抑制分层和孔口毛刺。但仍存在一些缺陷，如：需要用特殊的方法将金刚石颗粒附着到刀体先端上，不但这一工艺的质量控制复杂，而且对刀体所用材料和金刚石颗粒大小等都有严格要求，限制颇多；由于其上附着大量金刚石，单价往往数倍于普通刀具，且工作的转速大约在1万转以上，必须配套专用高转速机床，使用成本过高；往往只能用于12mm以上的大直径孔加工，而航空工业大量需要的是12mm以下的中小直径孔加工，两者并不能很好匹配，加工范围有限。

另有一些技术被相继提出，如：中国实用新型专利ZL200820175886.3对麻花钻的副刃结构和参数上进行了改进，而提出了一种微阶梯、窄刃带、大副后角、大倒锥、正偏差、刃带分段的多刃尖钻头。该技术方案以直线刃或折线刃为主刀刃，微阶梯的阶梯高度hv在0.1～0.3mm之间，阶梯长度f4在0.2d～0.8d之间，窄刃带宽度f1在0.1mm～0.4mm之间，副切削刃后角αf在5°～60°之间，钻头倒锥量在0.24mm～0.32mm/100mm，，正偏差d+0.03，窄刃带上对称或不对称凹槽使窄刃带分成若干段，凹槽宽度f2在0.5～2mm之间，槽中心距f3在2mm～6mm之间。该钻头能对收缩的孔壁进行切削或刮削，以保证精度，提高孔的质量并减少孔的正反面毛刺。

又如：中国实用新型专利ZL201220592135.8在钻头切削部采用了三顶角设计，以减小轴向力，而提出了一种加工碳纤维增强复合材料与钛合金叠层板的钻头，该技术方案中，三顶角分别为：105°-118°的第一顶角，60°-65°的第二顶角和8°-11°的第三顶角。该结构还通过径向大前角开槽，增强了刀具的锋利性能，使加工出的孔不会出现撕裂和毛边现象。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种钻头，适用于对纤维复合材料进行孔加工，以改善以往对此类材料进行加工的孔所存在的毛刺、破裂和分层等现象。

本发明的另一个目的在于提供一种钻头，能够同时克服在复合材料加工中孔进出口的毛刺、碎裂以及孔壁分层等不良现象，并兼顾广泛适用性和生产复杂性的刀具。

本发明提及的纤维复合材料，是一种由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成，其中以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等材料为增强体复合制成的材料。常有的基体材料如：但不仅限于合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳、铝、镁、铜、钛及其合金等。

本发明提供的这些钻头包括一个狭长体构件，具有一条纵向轴线，可安装到旋转机械上的柄部、一个切削主体和一个切削端头。切削端头至少含有2刃主切削部，切削主体至少含有2刃挤压切削部（也称之为副切削部）。本发明中，“主”、“副”的用词，是出于对不同部件表述进行区分的必要，而非一种限定，亦无涉各自在切削中的具体作用之主次。具体的，本发明提供的这些钻头属于一种麻花钻。

本发明提供的一种钻头的实施方案，在切削主体上设置若干条具有0°±45°螺旋角的螺旋槽，各个螺旋槽与切削端头相交处形成若干主切削部，各个螺旋槽的开口侧与切削主体外径相交处形成若干挤压切削部。优先选择的螺旋槽数量为2-4，如：2、3或4。优先选择的挤压切削部数量为2-4，如：2、3或4。

本发明所称的外径应当理解为包括切削主体外沿各处至轴线的垂直距离，以及切削端头外沿各处至轴线的垂直距离。

螺旋槽所具有的深度为切削主体直径的15%～60%，或选自于15%～25%、25%～35%、35%～45%和45%～60%的任一范围。具体的，如：但不仅限于15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%和60%。

各个主切削部还具有-35°～+35°径向前角，或选自于-35°～-25°、-25°～-15°、-15°～-5°、-5°～+5°、+5°～+15°、+15°～+25°和+25°～+35°的任一范围。

以及3°～66°后角，或选自于3°～23°、23°～36°、36°～46°、46°～56°和56°～66°的任一范围。

主切削部后刀面为凹陷的弧面，而在切削端头的钻尖形成第一尖点，在切削端头的肩部形成第二尖点，第一尖点高出第二尖点0.1mm～2mm，优先选择的0.1mm～1mm。主切削部后刀面的曲率为切削端头Φ径的20%～50%，或选自于20%～30%、30%～40%和40%～50%的任一范围。具体的，如：但不仅限于20%、25%、30%、35%、40%、45%和50%。

本发明提供的另一种钻头的实施方案，在切削主体上设置具有0°±45°螺旋角的，且深度为切削主体直径15%～60%的第一螺旋槽，和具有0°±45°螺旋角的，且深度为切削主体直径15%～60%的第二螺旋槽。第一螺旋槽与切削端头相交处形成具有-35°～+35°径向前角，以及3°～66°后角的第一主切削部，其开口侧与切削主体外径相交处形成第一挤压切削部；第二螺旋槽与切削端头相交处形成具有-35°～+35°径向前角，以及3°～66°后角的第二主切削部，其开口侧与切削主体外径相交处形成第二挤压切削部。

本发明提供的另一种钻头的实施方案，还包括

第一螺旋槽，设置于切削主体，深度为切削主体直径15%～60%，具有0°±45°螺旋角；

第二螺旋槽，设置于切削主体，深度为切削主体直径15%～60%，具有0°±45°螺旋角；

第三螺旋槽，设置于切削主体，深度为切削主体直径15%～60%，具有0°±45°螺旋角；

第一螺旋槽与切削端头相交处形成具有-35°～+35°径向前角，以及3°～66°后角的第一主切削部，其开口侧与切削主体外径相交处形成第一挤压切削部；

第二螺旋槽与切削端头相交处形成具有-35°～+35°径向前角，以及3°～66°后角的第二主切削部，其开口侧与切削主体外径相交处形成第二挤压切削部；

第三螺旋槽与切削端头相交处形成具有-35°～+35°径向前角，以及3°～66°后角的第三主切削部，其开口侧与切削主体外径相交处形成第三挤压切削部。

优先选择的，第一螺旋槽、第二螺旋槽和第三螺旋槽的结构相同，即均具有相同的深度和相同的螺旋角。

优先选择的，第一主切削部、第二主切削部和第三主切削部的结构相同，即均具有相同的径向前角和相同的后角。

本发明提供的另一种钻头的实施方案，还包括

第一螺旋槽，设置于切削主体，深度为切削主体直径15%～60%，具有0°±45°螺旋角；

第二螺旋槽，设置于切削主体，深度为切削主体直径15%～60%，具有0°±45°螺旋角；

第三螺旋槽，设置于切削主体，深度为切削主体直径15%～60%，具有0°±45°螺旋角；

第四螺旋槽，设置于切削主体，深度为切削主体直径15%～60%，具有0°±45°螺旋角；

第一螺旋槽与切削端头相交处形成具有-35°～+35°径向前角，以及3°～66°后角的第一主切削部，其开口侧与切削主体外径相交处形成第一挤压切削部；

第二螺旋槽与切削端头相交处形成具有-35°～+35°径向前角，以及3°～66°后角的第二主切削部，其开口侧与切削主体外径相交处形成第二挤压切削部；

第三螺旋槽与切削端头相交处形成具有-35°～+35°径向前角，以及3°～66°后角的第三主切削部，其开口侧与切削主体外径相交处形成第三挤压切削部。

第四螺旋槽与切削端头相交处形成具有-35°～+35°径向前角，以及3°～66°后角的第四主切削部，其开口侧与切削主体外径相交处形成第四挤压切削部。

优先选择的，第一螺旋槽、第二螺旋槽、第三螺旋槽和第四螺旋槽的结构相同，即均具有相同的深度和相同的螺旋角。

优先选择的，第一主切削部、第二主切削部、第三主切削部和第四主切削部的结构相同，即均具有相同的径向前角和相同的后角。

本发明提供的各种钻头，优先选择各处外径取值均相等的切削主体。

本发明提供的各种钻头，优先选择挤压切削部的宽度为切削主体外径周长5%～30%，或选自于5%～10%、10%～15%、15%～20%和25%～30%的任一范围。具体的，如：但不仅限于5%、10%、15%、20%、25%和30%。。

本发明提供的各种钻头，以主切削部、挤压切削部共同作用于纤维复合材料，避免了以往加工中孔进出口严重的毛刺、破裂和分层等现象的发生，尤其是在纤维复合材料被大量使用的航空产品制造业，显著降低了产品的不合格和报废现象。

本发明技术方案实现的有益效果：

本发明提供的各种钻头，主切削部的后刀面采用凹陷的弧面，而在切削端头的钻尖形成第一尖点，在切削端头的肩部形成第二尖点。在螺旋槽的开口侧与切削主体外径相交处形成的挤压切削部的配合下，完全抑制复合材料加工中的分层，进、出口毛刺及碎裂现象的发生。此外，还比传统加工钻头的进给速度显著提高了30%以上。

本发明提供的各种钻头，是在现有常见麻花钻的基础上，对其切削部、螺旋槽和后刀面等处的再加工，这些常用的麻花钻的生产者即可实现生产，而无需专门的工艺和设备，生产简易。由于，钻头的切削端头并未附加金刚石或涂层等物质及其加工工艺，大大降低了生产成本，价格适宜于工业生产中的大量使用。

附图说明

图1为本发明钻头一实施例的整体横向结构示意图；

图2为图1所示钻头一实施例的径向放大结构示意图；

图3为本发明钻头另一实施例的径向放大结构示意图；

图4为本发明钻头另一实施例的整体横向结构示意图；

图5为图4所示钻头的径向放大结构示意图；

图6A为本发明钻头在纤维复合材料上钻出第1孔的进口处形貌的示意图；

图6B为本发明钻头在纤维复合材料上钻出第1孔的出口处形貌的示意图；

图7A为本发明钻头在纤维复合材料上钻出第31孔的进口处形貌的示意图；

图7B为本发明钻头在纤维复合材料上钻出第31孔的出口处形貌的示意图；

图8A为普通麻花钻头在纤维复合材料上钻出第1孔的进口处形貌的示意图；

图8B为普通麻花钻头在纤维复合材料上钻出第1孔的出口处形貌的示意图；

图9A为普通麻花钻头在纤维复合材料上钻出第31孔的进口处形貌的示意图；

图9B为普通麻花钻头在纤维复合材料上钻出第31孔的出口处形貌的示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

图1为本发明钻头一实施例的整体横向结构示意图，图2为图1所示钻头的径向结构示意图，图3为本发明钻头另一实施例的径向结构示意图。参见图2和图3，如图1所示，该钻头具有一条纵向轴线400，可安装到旋转机械上的柄部300、一个切削主体200和一个切削端头100。切削主体200上设置第一螺旋槽210和第二螺旋槽220，其各自均具有0°±45°螺旋角C和切削主体直径15%～60%的槽深度F。本领域技术人员可以理解，螺旋槽是以螺旋方式设置于切削主体的连续槽体，而切削主体的任意径向截面均包括至少一个槽底部，相应具有一个槽深度。各条螺旋槽的深度应当理解为对切削轴部进行任意径向截面，而截面处的槽深度相对于该处的切削主体的直径为15%～60%。本实施例中，优先选择的第一螺旋槽210和第二螺旋槽220的螺旋角均为33°，槽深度均为切削主体直径的30%。

参见图1，如图2和图3所示，切削端头100含有第一主切削部110和第二主切削部120，第一主切削部的后刀面111曲率为切削端头Φ径的50%的凹陷弧面，在切削端头的钻尖形成一个第一尖点112，在切削端头的肩部形成一个第二尖点113。第二主切削部的后刀面121曲率为切削端头Φ径的50%凹陷的弧面，在切削端头的钻尖形成第二个第一尖点122，在切削端头的肩部形成第二个第二尖点123。

第一主切削部110和第二主切削部120均具有-35°～+35°径向前角E，以及3°～66°后角A。本实施例中，第一主切削部110和第二主切削部120具有的径向前角和后角取值相等。第一主切削部的后刀面111和第二主切削部的后刀面121曲率相等。第一尖点112,122和第二尖点113,123的高低差D为1mm。

第一螺旋槽210的开口侧与切削主体200外径相交处形成第一挤压切削部211。第二螺旋槽220的开口侧与切削主体200外径相交处形成第二挤压切削部221。优先选择各个挤压切削部的宽度B为切削主体外径周长的5%～30%。本实施例中，第一挤压切削部211和第二挤压切削部221的宽度取值均为切削端头外径周长的20%。

在切削中，主切削部靠近钻尖中心的第一尖点112,122首先接触被加工工件，起到了定心作用并主要施加轴向切削力，主切削部分靠近先端边缘部分的第二尖点113,123主要施加径向切削力并负责切断纤维，挤压切削部在切削的同时充分挤压并限制破碎纤维摆动方向，由此实现了对难以切削的纤维材料的顺利切削。

图4为本发明钻头另一实施例的整体横向结构示意图，图5为图4所示钻头的径向放大结构示意图。如图4和图5所示，切削主体200上设置第一螺旋槽210、第二螺旋槽220和第三螺旋槽230，其各自均具有0°±45°螺旋角C和切削主体直径15%～60%的槽深度F。本实施例中，优先选择的第一螺旋槽210、第二螺旋槽220和第三螺旋槽230均为40°，槽深度均为切削主体直径的25%。

参见图5，切削端头100含有第一主切削部110、第二主切削部120和第三主切削部130，第一主切削部的后刀面111曲率为切削端头Φ径的20%的凹陷弧面，在切削端头的钻尖形成一个第一尖点（未标识），在切削端头的肩部形成第二尖点113。第二主切削部的后刀面121曲率为切削端头Φ径的20%凹陷的弧面，在切削端头的钻尖形成第二个第一尖点122，在切削端头的肩部形成第二个第二尖点123。第三主切削部的后刀面131曲率为切削端头Φ径的20%凹陷的弧面，在切削端头的钻尖形成第三个第一尖点（未标识），在切削端头的肩部形成第三个第二尖点133。

第一主切削部110、第二主切削部120和第三主切削部130均具有-35°～+35°径向前角E，以及3°～66°后角A。本实施例中，第一主切削部110、第二主切削部120和第三主切削部130具有的径向前角和后角取值相等。第一主切削部的后刀面111、第二主切削部的后刀面121，以及第三主切削部的后刀面131的曲率相等。第二个第一尖点122与第二个第二尖点123高低差D为1.2mm，三个第一尖点和三个第二尖点均具有相同的高低差D。

第一螺旋槽210的开口侧与切削主体200外径相交处形成第一挤压切削部211。第二螺旋槽220的开口侧与切削主体200外径相交处形成第二挤压切削部221。第三螺旋槽230的开口侧与切削主体200外径相交处形成第三挤压切削部231。优先选择各个挤压切削部的宽度B为切削主体外径周长的5%～30%。本实施例中，第一挤压切削部211、第二挤压切削部221和第三挤压切削部231的宽度取值均为15%。

在切削中，主切削部靠近钻尖中心的三个第一尖点，以及主切削部分靠近先端边缘部分的三个第二尖点对难以切削的纤维材料进行切削。其切削效果与具有两个第一尖点和两个第二尖点的切削端头的钻头相比，在使用寿命、公差稳定性、加工速度方面均具有更好的切削效果。

可以想见的是，与上述描述的技术方案相类似。当螺旋槽数量为4件，以及后刀面数量为4面时，切削端头相应的具有四个第一尖点和四个第二尖点。将对纤维复合材料的切削更充分，并抑制复合材料加工中的分层，进、出口毛刺及碎裂现象的发生。

将本实施例提供各种钻头，主要采用硬质合金钨钢和高速工具钢进行制造，无需附加金刚石或涂层，普通的麻花钻生产者即可实现生产，而无需专门的工艺和设备，如：采用普通的数控机床进行修磨或/和加工，也可以在非数控机床加工。加工获得钻头经测试，其各项性能见表1。普通麻花钻加工100孔后，其主切削刃已钝化，相比之下，本实施例提供的钻头至少可加工400孔。

表1

Claims (3)

1.一种钻头，其特征在于用于对纤维复合材料进行孔加工，所述钻头包括一条纵向轴线，可安装到旋转机械上的柄部、一个切削主体和一个切削端头，所述的切削端头至少含有2刃主切削部，所述的切削主体上至少设置2条具有0°±45°螺旋角的螺旋槽；

各个所述螺旋槽的开口侧与所述切削主体外径相交处形成若干挤压切削部。

所述主切削部的后刀面为凹陷的弧面，其与所述切削端头的钻尖形成第一尖点，与所述切削端头的肩部形成第二尖点，所述的第一尖点高出所述的第二尖点0.1mm～2mm；

所述各个挤压切削部的宽度为切削主体外径周长5％～30％，数量为2～4；

所述螺旋槽具有的深度为所述切削主体直径的15％～60％；

所述各个后刀面的曲率为切削端头Φ径的20％～50％；

所述主切削部具有+25°～+35°径向前角；

所述主切削部具有56°～66°后角。

2.一种钻头，其特征在于用于对纤维复合材料进行孔加工的，所述的钻头包括：

一条纵向轴线，可安装到旋转机械上的柄部、一个切削主体和一个切削端头，其特征在于所述的切削端头至少含有2刃主切削部，所述的切削主体上至少设置2条具有0°±45°螺旋角的螺旋槽；

各个所述螺旋槽与所述切削端头相交处形成主切削部，各个所述螺旋槽的开口侧与所述切削主体外径相交处形成若干挤压切削部；

所述主切削部的后刀面为凹陷的弧面，其与所述切削端头的钻尖形成第一尖点，与所述切削端头的肩部形成第二尖点，所述的第一尖点高出所述的第二尖点0.1mm～2mm；

所述各个挤压切削部的宽度为切削主体外径周长5％～30％，数量为2～4；

所述螺旋槽具有的深度为所述切削主体直径的15％～60％；

所述各个后刀面的曲率为切削端头Φ径的20％～50％；

所述主切削部具有+25°～+35°径向前角；

所述主切削部具有56°～66°后角。

3.根据权利要求1或2所述的钻头，其特征在于所述螺旋槽数量为2～4。