CN106077768B - 一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头 - Google Patents

一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头 Download PDF

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Abstract

一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头，该多阶梯多微刃钻头包括阶梯切削区、微齿切削区、副切削区、倒锥区和夹持区；阶梯切削区由n级阶梯结构组成，每级阶梯结构由阶梯主切削区和阶梯副切削区组成；微齿切削区位于阶梯切削区，由n级微齿结构组成；从钻尖向夹持区方向依次分布n级微齿结构；倒锥区位于副切削区上。本发明的多阶梯多微刃钻头，具有阶梯结构，并在每级阶梯结构的副切削刃上分布微齿结构，实现了在制孔过程中产生的毛刺可以回弹入微齿结构并被微齿剪断，可有效去除出、入口毛刺，降低了形成终孔时的分层及撕裂损伤；采用倒锥结构，减小了钻削最终成型阶段，孔入口侧的振动，提高了孔径精度和入口质量。

Description

一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头
技术领域
本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRP)作为一种先进的复合材料，具有高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀和优异的可设计性等优良的综合性能，在航天航空、汽车等领域已有广泛的应用，如空客A350XWB，复合材料的大量使用大幅减轻了飞机结构重量，提高了飞机的燃油经济性。然而，为了实现复合材料零件的连接装配需要进行一系列的机械加工，制孔是其中工作量最繁重的机械加工方法之一。由于CFRP主要是由碳纤维增强相以及树脂基体相构成的混合形态，宏观上呈现明显的各向异性和层叠特征，其层间结合强度远低于其他方向。钻孔时由于入口和出口位置约束作用弱，钻尖极易产生较大的轴向力，顶开最外面几层材料，产生分层损伤，并因无法切断纤维导致纤维弯曲，引发撕裂和毛刺等损伤。同时，由于碳纤维增强相极硬，易加剧刀具磨损，导致刃口不锋利，难以切断纤维，极易造成严重的出口和入口毛刺。特别对于大尺寸零件之间的连接一般孔径大，厚度大，其制孔过程中，切削温度高，轴向力大，更易发生分层等损伤，已成为航空复合材料装备制造中的技术瓶颈之一。
国内外研究表明刀具的几何结构是影响CFRP制孔质量的重要因素，为克服上述问题，实现CFRP的大孔径、大厚度孔的高质量加工，国内外研究人员开发了多种不同结构几何形式的制孔刀具，这些刀具有各自的优缺点。蒋红宇、陈明等发明的“用于钻削复合材料构件的刀具的设计方法以及其刀具”专利申请号201310662112.9，它涉及一种用于在复合材料构件，尤其在碳纤维复合材料上加工大直径孔的刀具设计方法以及该方法设计的刀具，该刀具具有阶梯式结构，解决了钻削过程中复合材料易分层的技术问题，实现了一次性完成整个加工过程，同时达到较好的孔表面质量。然而，此刀具排屑能力较差，钻削温度较高，易出现加工缺陷。大连理工大学贾振元等人公开了“一种用于碳纤维复合材料高质量制孔的专用钻头”，专利申请号201610125675.8，它涉及用于钻削碳纤维复合材料大、厚孔的带有微刃结构的小顶角麻花钻，通过主切削刃的小顶角结构，副切削刃上的微齿结构，实现了钻扩铰一体化加工的功能，获得高尺寸精度的孔。然而，此刀具在加工较厚复合材料板的过程中，分层现象较为明显，严重影响最终孔的加工质量。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服大厚度纤维增强复合材料大尺寸孔的一次性制孔中出口易产生分层、毛刺、撕裂等损伤的问题，发明一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头。该钻头是一种具有多级阶梯和多级微齿结构右旋钻头，每级阶梯结构的副切削刃上都分布有微齿结构，可分段钻削，减小切削力，降低损伤，并通过每级微齿结构逐段去除已产生的钻削损伤，实现大厚度纤维增强复合材料大尺寸孔的一次性高质量、高效率加工。
本发明采用的技术方案是：
一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头，该多阶梯多微刃钻头包括阶梯切削区(A)、微齿切削区(E)、副切削区(B)、倒锥区(D)和夹持区；所述的阶梯切削区(A)由n级阶梯结构组成，n≥2；每级阶梯结构由阶梯主切削区和阶梯副切削区组成；
所述的微齿切削区(E)位于阶梯切削区(A)，微齿切削区(E)由n级微齿结构组成；从钻尖向夹持区方向依次分布n级微齿结构；第j级阶梯结构的阶梯副切削区上分布有第j级微齿结构，1≤j≤n；所述的倒锥区(D)位于副切削区(B)上。
n级阶梯结构中的第j级阶梯结构的公称直径与第j-1级阶梯结构的公称直径的差值为0.2至0.4倍的第j级阶梯结构的公称直径，2≤j≤n，其中，当j＞2时，差值为0.2倍的第j级阶梯结构的公称直径；每个阶梯结构的阶梯副切削区的轴向长度应保证各阶梯结构的副切削刃上至少分布有两个微齿；当j＝1时，第j级阶梯结构的顶角值为80°-100°，当j≥2时，第j级阶梯结构的顶角值为60°-80°，第j级阶梯结构的顶角小于第j-1级阶梯结构的顶角；每级阶梯结构的主切削刃的前角都修磨为定值；副切削刃的刃带宽度为0.5-1.5mm；每级阶梯结构的副切削刃上靠近钻尖的刃带修磨为倒L型结构。
微齿切削区E的每级阶梯结构的微齿数目相同，为2-4个；每级阶梯结构上离钻尖最近的微齿与该级阶梯结构的主切削刃结束位置的轴向距离为1-1.5mm；当j＝n时，第j级微齿结构的微齿间的距离为0.3-0.4mm，齿宽为0.7-0.8mm；当1<j≤n时，第j-1级微齿结构的微齿间的距离与第j级微齿结构的微齿间距离的比值为0.6-0.8，第j-1级微齿结构的齿宽与第j级微齿结构的齿宽的比值为0.5-0.7；微齿绕钻头轴线呈螺旋线分布，微齿的截面轮廓为椭圆的一部分，形成微齿的螺旋线与刀具轴线间夹角为95°-105°,微齿截面轮廓的轴线与刀具轴线的夹角为55°-65°。
本发明的一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头，具有阶梯结构，并在每级阶梯结构的副切削刃上分布微齿结构，实现了在制孔过程中产生的毛刺可以回弹入微齿结构并被微齿剪断，可有效去除出、入口毛刺，降低了形成终孔时的分层及撕裂损伤；采用倒锥结构，减小了钻削最终成型阶段，孔入口侧的振动，提高了孔径精度和入口质量。
附图说明
图1为一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头的主视图。
图2为图1中钻尖处的局部放大视图。
图3(a)为微齿结构i的局部放大视图。
图3(b)为微齿结构ii的局部放大视图。
图中：A阶梯切削区，B副切削区，C夹持区，D倒锥区，E微齿切削区，Ⅰ第一级阶梯结构，Ⅱ第二级阶梯结构，ⅰ第一级微齿结构，ⅱ第二级微齿结构，
1第一级阶梯结构的主切削刃，
2第二级阶梯结构的主切削刃，3副切削刃，4第一级阶梯结构的微齿，
5第二级阶梯结构的微齿，6倒L结构，7刀具轴向线，
8第一级阶梯结构的微齿4螺旋线，9第二级阶梯结构的微齿5螺旋线，
10第一级阶梯结构的微齿4截面轮廓中心线，
11第二级阶梯结构的微齿5截面轮廓中心线，α1第一级阶梯结构的顶角，
α2第二级阶梯结构的顶角，β1微齿4旋向角，β2微齿5旋向角，
δ1微齿4截面轮廓中心线与刀具轴线的夹角，
δ2微齿5截面轮廓中心线与刀具轴线的夹角，a第一级阶梯结构的轴向长度，
b第二级阶梯结构的轴向长度，c副切削刃3的刃带宽度，m1微齿4之间的距离，
n1微齿4的宽度，m2微齿5之间的距离，n2微齿5的宽度，
D1第一级阶梯结构的公称直径，D2第二级阶梯结构的公称直径。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。
如图1、图2、图3所示的一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头可分为阶梯切削区A、副切削区B和夹持区C，其中，阶梯切削区A由2级阶梯结构组成；从钻尖向夹持区方向依次分布2级阶梯结构；每级阶梯结构由阶梯主切削区和阶梯副切削区组成。
此钻头具有微齿切削区E，微齿切削区E位于阶梯切削区A，微齿切削区E由2级微齿结构组成；从钻尖向夹持区方向依次分布2级微齿结构；第j级阶梯结构的阶梯副切削区上分布有第j级微齿结构，1≤j≤2。此钻头还具有倒锥区D，倒锥区D位于副切削区B上。
钻头在钻削过程中可分为11个阶段，第一阶段为挤压，是横刃接触并挤压工件，由于横刃的挤压效应，轴向推力迅速增大；第二阶段为挤压和钻削，此时第一级阶梯结构Ⅰ的主切削刃1进入材料，开始去除材料，推力以较小幅度增大；第三阶段为挤压、钻削和第一级微齿结构ⅰ去毛刺，微齿四开始去除毛刺；第四阶段为挤压、钻削、第一级微齿结构ⅰ去毛刺和倒锥区D开始进去工件，倒锥区D开始进入工件，散热较好，钻头切削温度较低；第五阶段为挤压、钻削、第一级微齿结构ⅰ去毛刺扩孔，第二级阶梯结构Ⅱ的主切削刃2进入材料，开始去除材料，推力以较小幅度增大；第六阶段为钻削、第一级微齿结构ⅰ去毛刺和扩孔，此时横刃到达工件底部，在横刃钻离工件之后，轴向力突然降低；第七阶段为钻削、第一级微齿结构ⅰ去毛刺、扩孔和第二级微齿结构ⅱ去毛刺，第二级微齿结构ⅱ开始去除毛刺；第八阶段为第一级微齿结构ⅰ去毛刺、扩孔、第二级微齿结构ⅱ去毛刺和铰削，此时第一级阶梯结构Ⅰ的主切削刃1钻离工件，副切削刃3进行铰孔，轴向力进一步减小；第九阶段为扩孔、第二级微齿结构ⅱ去毛刺和铰削，此时第一级微齿结构ⅰ离开工件，副切削刃3继续进行铰孔；第十阶段为第二级微齿结构ⅱ去毛刺和铰削，此时第二级阶梯结构Ⅱ的主切削刃2钻离工件，轴向力进一步减小；第十一阶段为铰孔，第二级微齿结构ⅱ离开工件，副切削刃3铰孔。
此碳纤维增强复合材料制孔的钻头，采用双阶梯结构，有利于降低钻削轴向力，减少分层缺陷；第一级阶梯结构Ⅰ的副切削刃3以及第二级阶梯结构Ⅱ的副切削刃3上设计有微齿结构，实现了在制孔过程中产生的毛刺可以回弹入微齿结构并被微齿剪断，可有效去除出、入口毛刺，降低了形成终孔时的撕裂损伤；副切削刃3采用右旋结构，有利于去除毛刺；第二级阶梯结构Ⅱ的主切削刃2采用五个后刀面，减少刀具与工件间的摩擦，减少切削热，减少刀具磨损，进而提高了工件加工质量；采用倒锥结构，减小了钻削最终成型阶段，孔入口侧的振动，提高了孔径精度和入口质量。
本实施例中，第一级阶梯结构Ⅰ的公称直径D1为4.94mm，第二级阶梯结构Ⅱ的公称直径D2为7.94mm，第二级阶梯结构Ⅱ与第Ⅰ级阶梯结构的公称直径的差值为0.38倍的第Ⅱ个阶梯结构的公称直径；第一级阶梯结构Ⅰ的轴向长度a为5.5mm，第二级阶梯结构Ⅱ的轴向长度b为5.5mm；第一级阶梯结构Ⅰ的顶角α1为90°，第二级阶梯结构Ⅱ的顶角α2为70°；每级阶梯结构的主切削刃的前角都修磨为定值；副切削刃3的刃带宽度c为0.8mm；第二级阶梯结构Ⅱ的副切削刃上靠近钻尖的刃带修磨为倒L型结构6。
微齿切削区E的每级阶梯结构的微齿数目相同，为2个；每级阶梯结构上离钻尖最近的微齿与该级阶梯结构的主切削刃结束位置的轴向距离为1mm；；第ⅱ个微齿结构的微齿间的距离m2为0.36mm，齿宽n2为0.73mm，第ⅰ个微齿结构的微齿间的距离m1为0.24mm，齿宽n1为0.37mm，第ⅰ个微齿结构的微齿间的距离m1与第ⅱ个微齿结构的微齿间距离m2的比值为0.67，第ⅰ个微齿结构的齿宽n1与第ⅱ个微齿结构的齿宽n2的比值为0.5；微齿绕钻头轴线7呈螺旋线分布，微齿的截面轮廓为椭圆线的一部分，形成第ⅰ个微齿结构的螺旋线8与刀具轴线7间夹角β1为99°,第ⅰ个微齿结构截面轮廓的轴线10与刀具轴线7的夹角δ1为60°，形成第ⅱ个微齿结构的螺旋线9与刀具轴线7间夹角β2为99°,第ⅱ个微齿结构截面轮廓的轴线11与刀具轴线7的夹角δ2为60°。
平台采用虚拟五轴高精度加工中心。钻头材质为硬质合金，无涂层。干式加工，无冷却。机床主轴转速为3000r/min，轴向进给为100mm/min。测试工件为通过T800级碳纤维增强环氧树脂基单向预浸料铺设的9mm厚的准各项同性复合材料层合板，广泛应用于航空飞机的制造，其强度极高，但层间结合力弱，加工中极易产生分层，属于典型的难加工材料，具有很好的代表性和挑战性。
本发明的钻头称为钻具#1，可商购的钻具称为钻具#2。采用相同的工艺参数和装夹方式进行制孔，制孔结束后，观察入口面和出口面的孔质量，测试结果的具体说明如下：
(1)出口孔质量
钻具#2在加工第一个孔的时候出口有微小分层，随着孔数的增加，分层也开始加剧。钻具#1加工第1个孔时出口孔没有分层，质量很好，加工第5个孔时质量依旧很好。
(2)入口孔质量
钻具#2在加工第一个孔的时候有微小分层，随着孔数的增加，分层也开始加剧。钻具#1加工第1个孔时入口孔没有分层，质量很好，加工第5个孔时质量依旧很好。
(3)刀具寿命
钻具#2在加工第2个孔时分层已经开始增大，第4个孔时更加严重，此钻头的寿命较短。而钻具#1在加工5个孔后质量依旧很好，可见钻具#1具有良好的刀具寿命。

Claims (2)

1.一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头，其特征是，该多阶梯多微刃钻头包括阶梯切削区(A)、微齿切削区(E)、副切削区(B)、倒锥区(D)和夹持区；所述的阶梯切削区(A)由n级阶梯结构组成，n≥2；每级阶梯结构由阶梯主切削区和阶梯副切削区组成；
所述的微齿切削区(E)位于阶梯切削区(A)，微齿切削区(E)由n级微齿结构组成；从钻尖向夹持区方向依次分布n级微齿结构；第j级阶梯结构的阶梯副切削区上分布有第j级微齿结构，1≤j≤n；
所述的倒锥区(D)位于副切削区(B)上；
n级阶梯结构中的第j级阶梯结构的公称直径与第j-1级阶梯结构的公称直径的差值为0.2至0.4倍的第j级阶梯结构的公称直径，2≤j≤n；每个阶梯结构的阶梯副切削区的轴向长度应保证各阶梯结构的副切削刃上至少分布有两个微齿；当j＝1时，第j级阶梯结构的顶角值为80°-100°；当j≥2时，第j级阶梯结构的顶角值为60°-80°，第j级阶梯结构的顶角小于第j-1级阶梯结构的顶角；每级阶梯结构的主切削刃的前角都修磨为定值；副切削刃的刃带宽度为0.5-1.5mm；每级阶梯结构的副切削刃上靠近钻尖的刃带修磨为倒L型结构。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头，其特征是，微齿切削区E的每级阶梯结构的微齿数目相同，为2-4个；每级阶梯结构上离钻尖最近的微齿与该级阶梯结构的主切削刃结束位置的轴向距离为1-1.5mm；当j＝n时，第j级微齿结构的微齿间的距离为0.3-0.4mm，齿宽为0.7-0.8mm；当1<j≤n时，第j-1级微齿结构的微齿间的距离与第j级微齿结构的微齿间距离的比值为0.6-0.8，第j-1级微齿结构的齿宽与第j级微齿结构的齿宽的比值为0.5-0.7；微齿绕钻头轴线呈螺旋线分布，微齿的截面轮廓为椭圆的一部分，形成微齿的螺旋线与刀具轴线间夹角为95°-105°，微齿截面轮廓的轴线与刀具轴线的夹角为55°-65°。
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