CN104785826B - 复合材料用钻头及使用其的机械加工方法及机械加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料用钻头及使用其的机械加工方法及机械加工装置，钻头包括由下到上依次连接的钻头本体、扩孔部、精加工部、钻杆，钻头本体前端设置有切削刃和排屑槽，扩孔部与所述的钻头本体的连接处设置有设置有扩孔刃，在扩孔部上设置有钻唇和屑槽，精加工部包括外圆磨削斜边。本发明钻头本体、扩孔部、精加工部连为一体，能够利用钻头本体锥形部对下孔在将切削阻力抑制得较低的同时进行扩径而进行穿孔加工，不易在加工部分产生飞边，还能够降低对被加工件沿穿孔加工方向施加的推进阻力，对复合材料内的交界面处的剥离力也减少，因此不易产生层间剥离。

Description

复合材料用钻头及使用其的机械加工方法及机械加工装置

技术领域

本发明属于机加工领域，尤其涉及一种复合材料用钻头及使用其的机械加工方法及机械加工装置。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种复合材料用钻头及使用其的机械加工方法及机械加工装置，旨在降低加工碳纤维增强聚合物材料时的退刀缺陷。

本发明是这样实现的，一种复合材料用钻头包括由下到上依次连接的钻头本体、扩孔部、精加工部、钻杆；

所述钻头本体前端设置有切削刃，所述钻头本体上开有排屑槽，所述切削刃的刃部旋转轨迹之间形成排屑槽，所述的切削刃包括至少一个端面主切削刃和至少一个设置在所述钻头本体的外周面的区域中的副切削刃，和在外周侧连接在所述至少一个副切削刃上的外圆磨削斜边；所述的端面主切削刃围绕钻头的纵向交错螺线式延伸，所述的副切削刃自钻头本体延伸到扩孔部；所述的端面主切削刃，其具有至少一个限定几何形状的、带有切削面的第一切削刃，所述第一切削刃与所述钻头本体的中轴线径向间隔开地设置，其中，所述第一切削刃与所述中轴线围成埋头角，所述第一切削刃具有断屑槽，所述断屑槽由所述第一切削刃的切削面和与所述切削面相毗邻并与所述切削面围成肩角的肩面构成；

所述的扩孔部与所述的钻头本体的连接处设置有设置有扩孔刃，在扩孔部上设置有两个钻唇和两个屑槽，每个钻唇带有一个棱面，每个屑槽在棱面附近和扩孔刃交汇，所述的棱面通过曲线斜切面向钻头本体的旋转轴线方向延伸；在所述的扩孔部的钻唇上设置有不等直径的水眼；

所述的精加工部包括外圆磨削斜边，所述的外圆磨削斜边从所述精加工部的前部区域开始，包括具有第一宽度的第一纵向部分和连接在所述第一纵向部分上且具有第二宽度的第二纵向部分；

所述第一纵向部分的宽度小于所述第二纵向部分的宽度；所述的第一纵向部分和第二纵向部分设置至少两个主切削刃和至少两个副切削刃，其中，每个主切削刃对应于一个副切削刃；

所述外圆磨削斜边的第一纵向部分的宽度在0.01mm到0.1mm的范围内，所述外圆磨削斜边的第一纵向部分的区域内设有坚硬的金刚石覆层；

所述外圆磨削斜边的第二纵向部分的宽度在0.3mm至0.8mm范围内。

一种使用复合材料用钻头的机械加工装置，包括所述的复合材料用钻头、以所述的复合材料用钻头的中心轴为中心旋转的驱动机构、对复合材料的被加工件进行支承的支承机构、使所述驱动机构及/或所述支承机构相对地移动以利用所述钻头对所述被加工件进行穿孔加工的移动机构、钻孔夹紧机构；

所述的驱动机构包括夹头和变速器，所述变速器设有用于驱动夹头的动力输出轴，所述变速器至少动力输出轴设有与夹头的夹持中心同轴且贯通的输出轴轴向中心孔，所述变速器设有用于输入动力的动力输入轴，所述动力输入轴设有与动力输出轴同轴且与输出轴轴向中心孔连通的输入轴轴向中心孔；所述的支承机构包括支承台，所述的支承台的两端贯通的限位壳体，限位壳体的一端固定设置在一基座上，在基座上开设有处于限位壳体中的容置槽，在容置槽内设置有内支承块，基座上设置有驱动内支承块上升到限位壳体中的油缸，所述内支承块的高度低于限位壳体的高度，所述内支承块可拆卸的设置在油缸伸缩端；

所述的移动机构利用至少一个安装有钻头的刀具轴使钻头运动，在工件加工期间利用工件轴使工件运动，使得加工位置进入到靠近钻头的区域中，通过刀具轴执行的运动比通过工件轴执行的运动的动态性更高；

所述的钻孔夹紧机构包含一板状的固定主体，所述的固定主体上设有一方形的固定槽口和一V形的卡合槽口，所述的固定主体包含一第一引导侧条和一第二引导侧条，所述的第一引导侧条上设有由第一定位圆槽组成的第一定位圆槽阵列，所述的第二引导侧条上设有由第二引导圆槽组成的第二引导圆槽阵列，所述的第一引导侧条的设置方向与所述的第二引导侧条相互垂直，所述的第一定位圆槽和第二引导圆槽均为半圆槽。

进一步，所述的驱动机构的变速器为二级变速器，包括一级行星轮系和二级行星轮系，一级行星轮系的太阳轮与动力输入轴传动配合，一级行星轮系的行星架与二级行星轮系的太阳轮传动配合，二级行星轮系的行星架与动力输出轴传动配合，位于输出轴轴向中心孔和输入轴轴向中心孔之间设有两端分别对应穿入输出轴轴向中心孔和输入轴轴向中心孔的衬管，所述二级行星轮系的太阳轮位于动力输入轴和动力输出轴之间转动配合外套于衬管，所述动力输出轴与衬管之间在圆周方向传动配合，衬管与动力输入轴之间转动配合。

进一步，所述的移动机构的移动方法为：

将工件与刀具之间的相对运动分成一有待通过所述至少一个刀具轴执行的运动行程和一有待通过工件轴执行的运动行程，其中，与工件轴相比动态性更高的刀具轴执行较大的运动行程，根据工作空间位置或者加工任务改变相对运动的动态性在刀具轴和工件轴上的分配，并根据预先设定的比例将相对运动分配到刀具轴和工件轴上，通过刀具轴运动和工件轴运动的叠加实现插补的工作点调节。

进一步，所述的复合材料用钻头采用纳米复合配方制成，包含碳化钨粉、钴粉、三氧化二铝粉、稀土和碳化钒，其余为杂质，其中碳化钨粉含量为87.5％，钴粉含量为7.8％，三氧化二铝粉的含量为3.5％，稀土含量为0.7％，碳化钒含量为0.4％。

本发明的复合材料用钻头能够利用钻头本体锥形部对下孔在将切削阻力抑制得较低的同时进行扩径而进行穿孔加工，不易在加工部分产生飞边，还能够降低对被加工件沿穿孔加工方向施加的推进阻力，对复合材料内的交界面处的剥离力也减少，因此不易产生层间剥离，钻头本体、扩孔部、精加工部连为一体，因此能够进行高精度的穿孔加工，在几乎不产生飞边或层间剥离的情况下实现高精度的穿孔加工。

附图说明

图1是本发明实施例提供的复合材料用钻头的结构示意图；

图中：1、钻头本体；2、扩孔部；3、精加工部；4、钻杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明是这样实现的，一种复合材料用钻头包括由下到上依次连接的钻头本体1、扩孔部2、精加工部3、钻杆4；

所述钻头本体1前端设置有切削刃，所述钻头本体1上开有排屑槽，所述切削刃的刃部旋转轨迹之间形成排屑槽，所述的切削刃包括至少一个端面主切削刃和至少一个设置在所述钻头本体1的外周面的区域中的副切削刃，和在外周侧连接在所述至少一个副切削刃上的外圆磨削斜边；所述的端面主切削刃围绕钻头的纵向交错螺线式延伸，所述的副切削刃自钻头本体延伸到扩孔部；所述的端面主切削刃，其具有至少一个限定几何形状的、带有切削面的第一切削刃，所述第一切削刃与所述钻头本体1的中轴线径向间隔开地设置，其中，所述第一切削刃与所述中轴线围成埋头角，所述第一切削刃具有断屑槽，所述断屑槽由所述第一切削刃的切削面和与所述切削面相毗邻并与所述切削面围成肩角的肩面构成；

所述的扩孔部2与所述的钻头本体的连接处设置有设置有扩孔刃，在扩孔部2上设置有两个钻唇和两个屑槽，每个钻唇带有一个棱面，每个屑槽在棱面附近和扩孔刃交汇，所述的棱面通过曲线斜切面向钻头本体的旋转轴线方向延伸；在所述的扩孔部2的钻唇上设置有不等直径的水眼；

所述的精加工部3包括外圆磨削斜边，所述的外圆磨削斜边从所述精加工部的前部区域开始，包括具有第一宽度的第一纵向部分和连接在所述第一纵向部分上且具有第二宽度的第二纵向部分；

所述第一纵向部分的宽度小于所述第二纵向部分的宽度；所述的第一纵向部分和第二纵向部分设置至少两个主切削刃和至少两个副切削刃，其中，每个主切削刃对应于一个副切削刃；

所述外圆磨削斜边的第一纵向部分的宽度在0.01mm到0.1mm的范围内，所述外圆磨削斜边的第一纵向部分的区域内设有坚硬的金刚石覆层；

所述外圆磨削斜边的第二纵向部分的宽度在0.3mm至0.8mm范围内。

一种使用复合材料用钻头的机械加工装置，包括所述的复合材料用钻头、以所述的复合材料用钻头的中心轴为中心旋转的驱动机构、对复合材料的被加工件进行支承的支承机构、使所述驱动机构及/或所述支承机构相对地移动以利用所述钻头对所述被加工件进行穿孔加工的移动机构、钻孔夹紧机构；

所述的驱动机构包括夹头和变速器，所述变速器设有用于驱动夹头的动力输出轴，所述变速器至少动力输出轴设有与夹头的夹持中心同轴且贯通的输出轴轴向中心孔，所述变速器设有用于输入动力的动力输入轴，所述动力输入轴设有与动力输出轴同轴且与输出轴轴向中心孔连通的输入轴轴向中心孔；所述的支承机构包括支承台，所述的支承台的两端贯通的限位壳体，限位壳体的一端固定设置在一基座上，在基座上开设有处于限位壳体中的容置槽，在容置槽内设置有内支承块，基座上设置有驱动内支承块上升到限位壳体中的油缸，所述内支承块的高度低于限位壳体的高度，所述内支承块可拆卸的设置在油缸伸缩端；

所述的移动机构利用至少一个安装有钻头的刀具轴使钻头运动，在工件加工期间利用工件轴使工件运动，使得加工位置进入到靠近钻头的区域中，通过刀具轴执行的运动比通过工件轴执行的运动的动态性更高；

所述的钻孔夹紧机构包含一板状的固定主体，所述的固定主体上设有一方形的固定槽口和一V形的卡合槽口，所述的固定主体包含一第一引导侧条和一第二引导侧条，所述的第一引导侧条上设有由第一定位圆槽组成的第一定位圆槽阵列，所述的第二引导侧条上设有由第二引导圆槽组成的第二引导圆槽阵列，所述的第一引导侧条的设置方向与所述的第二引导侧条相互垂直，所述的第一定位圆槽和第二引导圆槽均为半圆槽。

进一步，所述的驱动机构的变速器为二级变速器，包括一级行星轮系和二级行星轮系，一级行星轮系的太阳轮与动力输入轴传动配合，一级行星轮系的行星架与二级行星轮系的太阳轮传动配合，二级行星轮系的行星架与动力输出轴传动配合，位于输出轴轴向中心孔和输入轴轴向中心孔之间设有两端分别对应穿入输出轴轴向中心孔和输入轴轴向中心孔的衬管，所述二级行星轮系的太阳轮位于动力输入轴和动力输出轴之间转动配合外套于衬管，所述动力输出轴与衬管之间在圆周方向传动配合，衬管与动力输入轴之间转动配合。

进一步，所述的移动机构的移动方法为：

将工件与刀具之间的相对运动分成一有待通过所述至少一个刀具轴执行的运动行程和一有待通过工件轴执行的运动行程，其中，与工件轴相比动态性更高的刀具轴执行较大的运动行程，根据工作空间位置或者加工任务改变相对运动的动态性在刀具轴和工件轴上的分配，并根据预先设定的比例将相对运动分配到刀具轴和工件轴上，通过刀具轴运动和工件轴运动的叠加实现插补的工作点调节。

进一步，所述的复合材料用钻头采用纳米复合配方制成，包含碳化钨粉、钴粉、三氧化二铝粉、稀土和碳化钒，其余为杂质，其中碳化钨粉含量为87.5％，钴粉含量为7.8％，三氧化二铝粉的含量为3.5％，稀土含量为0.7％，碳化钒含量为0.4％。

本发明的复合材料用钻头能够利用钻头本体1锥形部对下孔在将切削阻力抑制得较低的同时进行扩径而进行穿孔加工，不易在加工部分产生飞边，还能够降低对被加工件沿穿孔加工方向施加的推进阻力，对复合材料内的交界面处的剥离力也减少，因此不易产生层间剥离，钻头本体1、扩孔部2、精加工部3连为一体，因此能够进行高精度的穿孔加工，在几乎不产生飞边或层间剥离的情况下实现高精度的穿孔加工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种复合材料用钻头，其特征在于，所述的复合材料用钻头包括由下到上依次连接的钻头本体、扩孔部、精加工部、钻杆，所述的复合材料用钻头采用纳米复合配方制成，包含碳化钨粉、钴粉、三氧化二铝粉、稀土和碳化钒，其中碳化钨粉含量为87.5％，钴粉含量为7.8％，三氧化二铝粉的含量为3.5％，稀土含量为0.7％，碳化钒含量为0.4％；

所述钻头本体前端设置有切削刃，所述钻头本体上开有排屑槽，所述切削刃的刃部旋转轨迹之间形成排屑槽，所述的切削刃包括至少一个端面主切削刃和至少一个设置在所述钻头本体的外周面的区域中的副切削刃，和在外周侧连接在所述至少一个副切削刃上的外圆磨削斜边；

所述的端面主切削刃围绕钻头的纵向交错螺线式延伸，所述的副切削刃自钻头本体延伸到扩孔部；

所述的端面主切削刃，其具有至少一个限定几何形状的、带有切削面的第一切削刃，所述第一切削刃与所述钻头本体的中轴线径向间隔开地设置，其中，所述第一切削刃与所述中轴线围成埋头角，所述第一切削刃具有断屑槽，所述断屑槽由所述第一切削刃的切削面和与所述切削面相毗邻并与所述切削面围成肩角的肩面构成；

所述的扩孔部与所述的钻头本体的连接处设置有扩孔刃，在扩孔部上设置有两个钻唇和两个屑槽，每个钻唇带有一个棱面，每个屑槽在棱面附近和扩孔刃交汇，所述的棱面通过曲线斜切面向钻头本体的旋转轴线方向延伸；在所述的扩孔部的钻唇上设置有不等直径的水眼；

所述的精加工部包括外圆磨削斜边，所述的外圆磨削斜边从所述精加工部的前部区域开始，包括具有第一宽度的第一纵向部分和连接在所述第一纵向部分上且具有第二宽度的第二纵向部分；

所述第一纵向部分的宽度小于所述第二纵向部分的宽度；所述的第一纵向部分和第二纵向部分设置至少两个主切削刃和至少两个副切削刃，其中，每个主切削刃对应于一个副切削刃；

所述外圆磨削斜边的第一纵向部分的宽度在0.01mm到0.1mm的范围内，所述外圆磨削斜边的第一纵向部分的区域内设有坚硬的金刚石覆层；

所述外圆磨削斜边的第二纵向部分的宽度在0.3mm至0.8mm范围内。

2.一种使用如权利要求1所述复合材料用钻头的机械加工装置，其特征在于，所述的使用复合材料用钻头的机械加工装置包括所述的复合材料用钻头、以所述的复合材料用钻头的中心轴为中心旋转的驱动机构、对复合材料的被加工件进行支承的支承机构、使所述驱动机构及/或所述支承机构相对地移动以利用所述钻头对所述被加工件进行穿孔加工的移动机构、钻孔夹紧机构；

所述的驱动机构包括夹头和变速器，所述变速器设有用于驱动夹头的动力输出轴，所述变速器至少动力输出轴设有与夹头的夹持中心同轴且贯通的输出轴轴向中心孔，所述变速器设有用于输入动力的动力输入轴，所述动力输入轴设有与动力输出轴同轴且与输出轴轴向中心孔连通的输入轴轴向中心孔；所述的支承机构包括支承台，所述的支承台的两端贯通的限位壳体，限位壳体的一端固定设置在一基座上，在基座上开设有处于限位壳体中的容置槽，在容置槽内设置有内支承块，基座上设置有驱动内支承块上升到限位壳体中的油缸，所述内支承块的高度低于限位壳体的高度，所述内支承块可拆卸的设置在油缸伸缩端；

所述的移动机构利用至少一个安装有钻头的刀具轴使钻头运动，在工件加工期间利用工件轴使工件运动，使得加工位置进入到靠近钻头的区域中，通过刀具轴执行的运动比通过工件轴执行的运动的动态性更高；

所述的钻孔夹紧机构包含一板状的固定主体，所述的固定主体上设有一方形的固定槽口和一V形的卡合槽口，所述的固定主体包含一第一引导侧条和一第二引导侧条，所述的第一引导侧条上设有由第一定位圆槽组成的第一定位圆槽阵列，所述的第二引导侧条上设有由第二引导圆槽组成的第二引导圆槽阵列，所述的第一引导侧条的设置方向与所述的第二引导侧条相互垂直，所述的第一定位圆槽和第二引导圆槽均为半圆槽。

3.如权利要求2所述的使用复合材料用钻头的机械加工装置，其特征在于，所述的驱动机构的变速器为二级变速器，包括一级行星轮系和二级行星轮系，一级行星轮系的太阳轮与动力输入轴传动配合，一级行星轮系的行星架与二级行星轮系的太阳轮传动配合，二级行星轮系的行星架与动力输出轴传动配合，位于输出轴轴向中心孔和输入轴轴向中心孔之间设有两端分别对应穿入输出轴轴向中心孔和输入轴轴向中心孔的衬管，所述二级行星轮系的太阳轮位于动力输入轴和动力输出轴之间转动配合外套于衬管，所述动力输出轴与衬管之间在圆周方向传动配合，衬管与动力输入轴之间转动配合。

4.如权利要求3所述的使用复合材料用钻头的机械加工装置，其特征在于，所述的移动机构的移动方法为：

将工件与刀具之间的相对运动分成一有待通过所述至少一个刀具轴执行的运动行程和一有待通过工件轴执行的运动行程，其中，与工件轴相比动态性更高的刀具轴执行较大的运动行程，根据工作空间位置或者加工任务改变相对运动的动态性在刀具轴和工件轴上的分配，并根据预先设定的比例将相对运动分配到刀具轴和工件轴上，通过刀具轴运动和工件轴运动的叠加实现插补的工作点调节。