CN106903350A - 纤维增强复合材料制孔的尖刃双级可换套料钻 - Google Patents

Abstract

本发明纤维增强复合材料制孔的尖刃双级可换套料钻属于机械加工工具领域，涉及一种纤维增强复合材料制孔的尖刃双级可换套料钻,适合于单工序高质量加工较大孔径复材孔。该钻头包括尖刃切削机构、尖刃连接环、扩孔切削区、变径区、夹持区五部分。该钻头具有双级结构，第一级是具有尖刃结构的套料钻；它通过定位锁紧快和L形定位槽固定在刀体上，可进行快速更换。第二级是修磨出镶片区的麻花式结构，在第二级与第一级的过渡区，安装有可换过渡刀片，沿螺旋槽方向安装若干可换扩孔刀片。该钻头通过尖刃能更有效切断纤维，双级结构减小加工损伤，提升加工质量，可换机构和可换刀片提升了刀具耐用度，适合加工大尺寸纤维增强复合材料的孔。

Description

纤维增强复合材料制孔的尖刃双级可换套料钻

技术领域

本发明属于机械加工制造工具领域，涉及一种纤维增强复合材料制孔的尖刃双级可换套料钻,特别适合于单工序高质量加工孔径较大的复材孔。

背景技术

纤维增强复合材料由于其本身质轻高强、耐腐蚀、抗疲劳等诸多优良特性，近年来越来越广泛应用在汽车制造及航空航天等领域中，例如在空客A350WXB中就应用了50％的复合材料，而在复材构件的连接装配中，制孔加工是必不可少的环节，仅在空客A350单侧复材机翼上的连接装配孔数量就达到了55000个之多。目前，由于复材层间结合力弱和磨蚀性强等特性，其制孔加工往往易发撕裂、分层、毛刺等损伤，且刀具磨损严重，特别是在某些承力连接位置或功能位置，其复材孔的孔径往往较大，若采用普通实心钻削刀具(如麻花钻)，每一转刀具的切削量与刀径尺寸成正比，加工大孔径时切削量大，导致轴向力大，更易引发复材的分层，且整体刀具制造成本极高，而刀具直径大的边缘位置，其切削线速度也大，磨损极快，加工精度和质量都难以保证。因此，学者们参照金属加工中适用于大孔加工和深孔加工的套料钻，进行了结构改进和优化，提出了一些新思想和新方法，例如李建福等人的专利“一种异形刀齿薄壁金刚石钻头”，专利申请号CN03261379.2，发明了一种适合在干切削条件下加工各种硬脆材料的制孔刀具。鲍永杰等人在“C/E复合材料以磨代钻制孔工艺”[J].宇航材料工艺,2010,(04):47-49)中提出以磨代钻的切削想法，上述的实用新型和论文中的刀具可有效减少单孔加工时出入口处的毛刺，然而此类刀具存在排屑不畅，切屑易堵塞金刚石颗粒，影响制孔质量，同时切削区域均为一体化制造，在加工复合材料的时候，磨损后无法继续使用，导致加工成本很高。贺虎等人在“钎焊金刚石套料钻钻削CFRP的孔质量研究”[J].金刚石与磨料磨具工程,2011,(02):13-16.)中提出将钎焊方法将金刚石磨粒固结在金属基体上，这样制造出的套料钻刀具耐磨性更高，且金刚石磨粒磨掉后仍可以再次钎焊，刀具再用性更高，减少了加工成本，然而由于其钎焊金刚石切削面积较大，单级结构钻头，在一次性加工出大直径孔，轴向力大，易产生分层等损伤，且其磨粒难以均匀焊接，制孔中易引发振动，导致制孔质量差。此外，以上刀具均为单级结构，在加工大尺寸孔时产生的损伤区域大且无法通过后续工序去除，终孔质量不高。

发明内容

本发明主要解决的技术难题是在加工纤维增强复合材料大尺寸孔时，在保证加工效率的前提下，尽量提升切削能力，减少一次性制孔过程中，孔入口和出口处的毛刺、分层和撕裂等损伤，并基于分段切削和刀刃可换的刀具设计思想，发明的一种纤维增强复合材料制孔的尖刃双级可换套料钻，以提升终孔质量，降低制孔成本。该钻头是一种双级可换结构的钻头，其第一级是具有尖刃结构的套料钻，通过分布在刀具刀体尖刃机构上的尖刃，沿刀具轴线高速旋转，快速切断复合材料纤维；第一级结构通过锁紧螺钉固定在刀体上，可以在报废后进行快速更换，其后一级是修磨出镶片区的麻花式结构，在该级与第一级的过渡区，安装有可换过渡刀片，同时沿螺旋槽方向分布若干可换扩孔刀片，通过第一级结构实现被加工孔大部分的材料的高效率切削去除，通过后一级结构实现终孔的加工。该刀具具有尖刃机构、可换刀头和可换扩孔刀片，特别适合于单工序高质量加工孔径较大的复材孔。

本发明采用的技术方案是一种纤维增强复合材料制孔的尖刃双级可换套料钻，该钻头具有双级结构；第一级是具有尖刃结构的套料钻；第一级结构通过定位锁紧快和L形定位槽固定在刀体上，进行快速更换；第二级是修磨出镶片区的麻花式结构；在第二级与第一级的过渡区，安装有可换过渡刀片；沿螺旋槽方向安装若干可换扩孔刀片；该钻头包括尖刃切削机构A、尖刃连接环B、扩孔切削区C、变径区D、夹持区E五部分。

所述的尖刃切削机构A位于刀具最前端，分布着n个尖刃1，3≤n≤6，每个尖刃1的尺寸形状均相同，如图2中尖刃局部放大三视图M所示，对每个尖刃主切削刃9进行修磨，获得宽度为a4的尖刃刃带10并保证多个尖刃的刃尖高度基本一致，在尖刃切削机构A上焊接一个定位锁紧块7，将该部分穿过尖刃连接环B上的L形定位槽6并通过锁紧螺钉8拧紧，完成整个尖刃切削机构A在尖刃连接环B上的固定，在钻头向前运动的过程中，尖刃先行切入工件，多个尖刃共同作用完成一个环切的动作，在工件材料上切下一个圆形板材，并被尖刃连接环B顶出，尖刃长度a1需利于刀具切入，尖刃高度a2要大于所切工件的板厚，尖刃最大宽度a3应与尖刃连接环B的环宽相同，为提高刀具锋锐度，尖刃前角n1大小应在10°-15°之间取值，尖刃后角n2应在5°-10°之间取值，尖刃刃倾角n4应取10°-15°，尖刃切削机构直径d1根据实际加工需求选取。

所述尖刃连接环B位于尖刃切削机构A和扩孔切削区C之间，采用焊接方式安装在扩孔切削区C上；

所述扩孔切削区C外形为麻花式结构，沿着其切削刃部分修磨出一个镶片区2，在此镶片区2上沿切削刃方向顺次安装若干片可换扩孔刀片3，使所有可换扩孔刀片3切削刃与原切削刃方向平行，在镶片区2最靠近刀具尖端的位置安装一对可换过渡刀片4，可换扩孔刀片3与可换过渡刀片4构成双级刀刃，且使钻尖方向第一组可换扩孔刀片3与可换过渡刀片4之间形成一个细小缝隙，构成微齿结构；扩孔切削区直径d2比尖刃切削机构直径d1增加3-5mm，在扩孔切削区C上修磨出螺旋槽5，螺旋槽槽宽m1尺寸为扩孔切削区直径d2的0.65-0.75倍；

所述变径区D为一过渡区域，其直径d3为夹持区E的直径d4和扩孔切削区直径d2的平均值，即d3＝0.5(d2+d4)。

所述夹持区E通过连接主轴夹头与机床主轴进行连接，夹持区直径d4根据主轴夹头进行匹配。

本发明的效果和益处是采用尖刃双级可换套料钻刀具加工纤维增强复合材料时，由于该刀具具有尖刃机构、可换刀头和可换扩孔刀片，特别适合于单工序高质量加工孔径较大的复材孔。尖刃结构较于传统的磨削方法能更有效地切断纤维，减少切削区宽度，且加工效率更高，采用双级结构可以通过第一级去除主要部分，第二级完成最终孔的修正并去除第一级加工时产生的损伤，提升加工质量，减少切屑产生，减少分层、毛刺等常见损伤的产生，实现一次加工高质量复材孔的要求，采用多个可换部位能够在尖刃及可换刀片磨损后快速更换且加工成本更低，避免了整体式实心刀具磨损后报废造成的资源浪费，提升了刀具重复利用率，同时也降低了制孔周期。

附图说明

图1是一种纤维增强复合材料制孔的尖刃双级套料钻的主视图，图2是图1中尖刃局部放大的三视图。其中，A尖刃切削机构，B尖刃连接环，C扩孔切削区，D变径区，E夹持区；1.尖刃，2.镶片区，3,可换扩孔刀片，4.可换过渡刀片，5.扩孔区螺旋槽，6.L形定位槽，7.定位锁紧块，8.锁紧螺钉,9.尖刃主切削刃，10.尖刃刃带；d1.尖刃切削机构直径，d2.扩孔切削区直径，d3.变径区直径，d4.夹持区直径，m1.螺旋槽槽宽，m2.镶片区宽度，a1.尖刃长度，a2.尖刃高度，a3.尖刃最大宽度，a4.尖刃刃带宽度；n1.尖刃前角，n2.尖刃后角，n3.尖刃内弧角，n4.尖刃刃倾角。

具体实施方式：

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1为一种纤维增强复合材料制孔的尖刃双级套料钻的主视图，图2是图1中尖刃局部放大的三视图。如图1、2所示，该钻头主要包括尖刃切削机构(A)、尖刃连接环(B)、扩孔切削区(C)、变径区(D)、夹持区(E)五部分。

所述的尖刃切削机构A位于刀具最前端，分布着n个尖刃1，本实施例中n选取为6，每个尖刃1的尺寸形状均相同，如图2中尖刃局部放大三视图M所示，对每个尖刃1的主切削刃9进行修磨，获得宽度为a4的尖刃刃带10并保证多个尖刃的刃尖高度基本一致，在尖刃切削机构A上焊接一个定位锁紧块7，将该部分穿过尖刃连接环B上的L形定位槽6并通过锁紧螺钉8拧紧，完成整个尖刃切削机构A在尖刃连接环B上的固定，这样固定后能够使尖刃切削区A和尖刃连接环B保持同转速旋转，可以完成切割材料的动作，在钻头向前运动的过程中，尖刃先行切入工件，多个尖刃共同作用完成一个环切的动作，在工件材料上切下一个圆形板材，并被尖刃连接环B顶出，从而加工出一个大尺寸的预钻孔，尖刃长度a1要满足既能顺利切入工件，又要满足尽量使多个尖刃排布较为紧密的要求，选取a1为7mm，尖刃高度a2要大于所切工件的板厚，防止材料未切掉时尖刃连接环B顶入，发生危险，选取a2为5mm，尖刃最大宽度a3与尖刃连接环B的环宽相同，选取a3为1.5mm，保证切下的圆形板材尺寸和设计尺寸相同，选取尖刃前角n1大小为15°，能够在保证刚度的前提下提升切削能力，提高刀具锋锐度，选取尖刃后角n2为10°，为方便尖刃结构1切入，选取尖刃刃倾角n4为15°。

所述尖刃连接环B位于尖刃切削机构A和扩孔切削区C之间，属于过渡区域，选取其直径d1为35mm，采用焊接方式安装在扩孔切削区C上，这样即可将三部分连接在一起，通过该过渡区域将整个分体式多级刀具组装成为一个整体刀具；

沿着其切削刃部分修磨出一个镶片区2，在此镶片区2上沿切削刃方向顺次安装3对可换扩孔刀片3，使所有可换扩孔刀片3切削刃与原切削刃方向平行，在镶片区2最靠近刀具尖端的位置安装一对可换过渡刀片4，这对过渡刀片能够引导刀具平缓地沿着尖刃切削区A加工出的预钻孔继续进行扩孔动作，同时还能使钻尖方向第一组可换扩孔刀片3与可换过渡刀片4之间形成一个细小缝隙，构成微齿结构，更好地切断纤维，扩孔切削区直径d2实例中选取扩孔切削区直径d2为40mm，在扩孔切削区C上修磨出螺旋槽5，槽宽尺寸m1选取为26mm；

所述变径区D为一过渡区域，通过该其区域能够将直径较小的夹持区E和直径较大的扩孔切削区C连接起来，避免过大的变径造成的加工危险，实例中变径区直径d3选取为25mm。

所述夹持区E通过连接主轴夹头与机床主轴进行连接，选取夹持区直径d4为10mm。

该刀具具有尖刃机构、可换刀头和可换扩孔刀片，特别适合于单工序高质量加工孔径较大的复材孔。

Claims (1)

1.一种纤维增强复合材料制孔的尖刃双级可换套料钻，其特征是，该钻头具有双级结构；其第一级是具有尖刃结构的套料钻；第一级结构通过定位锁紧快和L形定位槽固定在刀体上，进行快速更换；第二级是修磨出镶片区的麻花式结构；在第二级与第一级的过渡区，安装有可换过渡刀片；沿螺旋槽方向安装若干可换扩孔刀片；该钻头包括尖刃切削机构(A)、尖刃连接环(B)、扩孔切削区(C)、变径区(D)、夹持区(E)五部分；

所述的尖刃切削机构(A)位于刀具最前端，分布着n个尖刃(1)，3≤n≤6，每个尖刃(1)的尺寸形状均相同，对每个尖刃主切削刃(9)进行修磨，获得尖刃刃带(10)并保证多个尖刃的刃尖高度基本一致，在尖刃切削机构(A)上焊接一个定位锁紧块(7)，将该部分穿过尖刃连接环(B)上的L形定位槽(6)并通过锁紧螺钉(8)拧紧，尖刃长度a1取尖刃切削机构(A)周长的1/(n+3)，尖刃高度a2要大于所切工件的板厚，尖刃最大宽度a3应与尖刃连接环(B)的环宽相同，尖刃(1)的前角n1大小在10°-15°之间，尖刃(1)的后角n2在5°-10°之间取值，尖刃(1)的刃倾角n4取10°-15°，尖刃切削机构直径d1根据实际加工需求选取；

所述尖刃连接环(B)位于尖刃切削机构(A)和扩孔切削区(C)之间，采用焊接方式安装在扩孔切削区(C)上；

所述扩孔切削区(C)外形为麻花式结构，沿着其切削刃部分修磨出一个镶片区(2)，在此镶片区(2)上沿切削刃方向顺次安装若干片可换扩孔刀片(3)，使所有可换扩孔刀片(3)切削刃与原切削刃方向平行，在镶片区(2)最靠近刀具尖端的位置安装一对可换过渡刀片(4)，可换扩孔刀片(3)与可换过渡刀片(4)构成双级刀刃，且使钻尖方向第一组可换扩孔刀片(3)与可换过渡刀片(4)之间形成一个细小缝隙，构成微齿结构；扩孔切削区直径d2比尖刃切削机构直径d1增加3-5mm，在扩孔切削区(C)上修磨出螺旋槽(5)，螺旋槽槽宽m1尺寸为扩孔切削区直径d2的0.65-0.75倍；

所述变径区(D)为一过渡区域，其直径d3为夹持区(E)的直径d4和扩孔切削区直径d2的平均值，即d3＝0.5(d2+d4)；

所述夹持区(E)通过连接主轴夹头与机床主轴进行连接，夹持区直径d4根据主轴夹头进行匹配。