CN107363312B - 用于碳纤维复合材料高速铣削的带端刃立铣刀 - Google Patents

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Abstract

本发明用于碳纤维复合材料高速铣削的带端刃立铣刀属于难加工材料切削加工领域，涉及一种碳纤维复合材料高速铣削盲槽、盲窗以及异形盲孔的专用刀具。该立铣刀在铣刀端部设计切削刃，并且开有端面容屑槽；立铣刀由端刃部分、变分屑槽螺旋角周刃部分、刀柄部分以及周刃与端刃的过渡圆弧刃组成。在端刃部分开有两条平行，具有一定深度的端面容屑槽；在端刃的刃间开有端刃容屑槽。变分屑槽螺旋角周刃部分是非对称螺旋交错结构，由m条右旋螺旋槽与n条左旋分屑槽交错形成若干等尺寸的微齿。该立铣刀采用变螺旋角分屑槽降低了铣削时刀具的颤振效应，提高了铣削时的容屑性能，降低了复材热损伤，从而实现碳纤维复合材料高速平稳有效的加工。

Description

用于碳纤维复合材料高速铣削的带端刃立铣刀
技术领域
本发明属于难加工材料的切削加工领域，涉及一种碳纤维复合材料高速铣削盲槽、盲窗以及异形盲孔的专用刀具。
背景技术
碳纤维复合材料(CFRP)具有比强度高、比刚度高、抗疲劳性和耐腐蚀性等特点，在航空航天领域得到广泛应用，且它的使用逐渐从非承力构件向次承力、主承力和全复合材料结构方向发展。随着碳纤维复合材料在航空航天中主承力构件上的广泛使用，基于大型复杂受力环境中高服役可靠性的要求，对其机械加工的质量要求也更加严格。碳纤维复合材料属于典型的难加工材料，其细观呈纤维和树脂构成的混合形态，宏观上呈现各向异性和叠层特征，导致其切削加工中呈间歇性，在刀具设计不当及参数选择不合理时，加工中极易出现分层、撕裂、毛刺等加工损伤以及刀具磨损情况；碳纤维复合材料成型后，为了满足其装配要求和应用需要，通常需要二次加工，特别是在发动机活塞、飞机机翼等构件上需要大量的开盲槽、开盲窗口以及开异形盲孔。高速铣削加工盲槽以及盲窗时形成封闭空间，切削区域温度较高，排泄不畅，存在刀具端刃磨损严重，槽的出入口处易发生刀尖崩碎，加工表面质量差等问题，严重制约飞机构件的高质高效加工。目前应用于加工复合材料盲槽、盲窗有“以磨代铣”的工艺方式，封闭空间内磨削温度极高，产生的切屑不容易排出，容易造成表面刮伤和树脂烧伤的问题。而刀具结构的优化设计对提高加工效率和质量、提高刀具寿命、降低加工成本具有重要意义。
目前，部分学者已针对复合材料铣削用的多刃刀具展开研究，例如,唐臣升等人发明的“整体硬质合金鱼鳞铣刀”，专利申请号 200910013142.0，它涉及一种用于碳纤维、玻璃纤维等复合材料的铣削加工的铣刀，该铣刀包括铣刀周刃和铣刀柄部，采用左、右旋对称交错的构成切削单元，螺旋槽深为刀具直径的7％～8％，切削刃数增至24条，在一定程度上相对于双刃、四刃等铣刀提高了切削效率，降低了铣削力。为了增加微齿切削的切削深度、提高加工效率，大连理工大学王福吉等人发明的“用于碳纤维复合材料高速铣切的多刃微齿铣刀”，申请专利号201610806761.5，该铣刀包括周刃部分、钻尖部分和刀柄部分，增大了微齿的长度，带钻尖结构可以有效加工窗口、通孔，但是这两种铣刀不能用于铣盲窗、铣盲槽以及加工异形盲孔，所以该铣刀在实际应用中存在一定的局限性。其次，碳纤维复合材料的铣削速度较高，一般在3000r/min到10000r/min之间，切削刃数的增多，相比于双刃、四刃铣刀虽提高了切削效率，但是大大降低了排屑和散热能力，加剧了复材热损伤问题。
发明内容
本发明要解决的难题是提高高性能碳纤维复合材料高速铣削盲槽、盲孔以及异形孔的加工时排屑、散热能力，降低刀刃在高速铣削加工中的破损几率和刀具颤振效应。为此，发明了一种用于CFRP高速铣削的带端刃立铣刀。通过在铣刀端部设计切削刃，并且开有端面容屑槽，使得高速铣削盲槽、盲窗时能快速有效排除端刃处的切屑，在端刃与周刃的过渡部分倒圆弧，有效避免高速切削时刀尖的崩刃现象，靠近端刃的周刃部分采用变螺旋角分屑槽的设计方法，从而实现碳纤维复合材料大切削用量下高速平稳有效的加工。
本发明采用的技术方案是一种用于碳纤维复合材料高速铣削的带端刃立铣刀，其特征是，该立铣刀在铣刀端部加工有切削刃，并且开有端面容屑槽；立铣刀由端刃部分I、变分屑槽螺旋角周刃部分III、刀柄部分IV以及周刃与端刃的过渡圆弧刃II组成；
所述带端刃铣刀的端刃部分I具有主切削刃前角为0°，第一后角αf1＝7°，第二后角αf2＝14°；在端刃的刃间开有两条平行且具有一定深度的端面容屑槽1；端面容屑槽1底宽度L7，端面容屑槽1两侧面倾斜角δ2＝δ3＝60°；还开有端刃容屑槽5，其深度L6，端刃容屑槽5的展角δ1＝45°，端刃容屑槽5的斜角η1＝η2＝28°；
所述变分屑槽螺旋角周刃部分III是非对称螺旋交错结构，由m条右旋螺旋槽8与n条左旋分屑槽7交错形成若干等尺寸的微齿6，为了降低铣槽时端刃与周刃过渡部分的振动，靠近端刃部分有一段变螺旋角的周刃，该段长度为L1，该区域指向端刃方向，左旋分屑槽7螺旋角变化范围为θ1～θ3；刀具直径设计范围为D＝8～10mm，周刃与端刃的过渡圆弧刃II的半径R＝0.2～0.5mm。
本发明的有益效果是发明了一种用于碳纤维复合材料大尺寸、大厚度板多铣削方式、高质、高效铣切的专用刀具，采用排屑和散热性能好的端刃铣刀进行铣槽或者盲窗加工，增加铣刀铣削方式，减少刀具更换时间，从而提高加工效率。因碳纤维复合材料具有较高的硬度，端刃处的圆弧刃有效抑制在高速铣削时产生刀尖崩刃现象。采用微齿结构可以减小切削宽度，将整体切削变成局部切削，采用这种以铣代磨的铣削方式可以大大降低开裂以及分层损伤。此外，在周刃以及端刃部分适当的增加排屑槽的深度，提高了排屑和散热能力，降低复合材料树脂基体热损伤几率；同时，碳纤维粉末切屑的顺利排除有利于减少后刀面的磨损。采用周刃到端刃过渡部分变螺旋角的分屑槽，是采用以扰动再生颤振效应实现抑制振动的被动方法，能够有效抑制高效铣削加工时的颤振。满足不同纤维级别、不同厚度、多种铺层方式碳纤维复材制件的高质、高效加工需求。
附图说明
图1是带端刃立铣刀的结构示意图；图2是带端刃立铣刀的左视图；图 3是图1的端刃放大视图；图4是图2的K-K剖视图；图5是图1的圆弧刃局部放大视图。
其中，I-端刃部分，II-圆弧刃部分，III-变分屑槽螺旋角周刃部分，IV-刀柄部分，1-端面容屑槽，2-端刃前刀面，3-端刃后刀面，4- 端刃第二后刀面，5-端刃容屑槽，6-微齿，7-左旋分屑槽，8-右旋螺旋槽；L1-变螺旋角周刃部分的长度，L5-端面容屑槽槽顶宽度的1/2， L6-端刃容屑槽深度，L7-端面容屑槽槽底宽度，αf1-端刃第一后角，αf2- 端刃第二后角，δ1-端刃容屑槽展角，δ2-端面容屑槽左侧面倾斜角，δ3- 端面容屑槽右侧面倾斜角，η1-上端刃容屑槽斜角，η2-下端刃容屑槽斜角，R-圆弧刃半径，λ-端刃倾角，D-刀具直径。
图6是变分屑槽螺旋角周刃部分，图中，L1-变螺旋角周刃部分的长度，L2-螺旋角为θ1时到端刃的长度，L3-螺旋角为θ2时到端刃的长度，L4-螺旋角为θ3时到端刃的长度，θ1、θ2、θ3-分别为左旋分屑槽螺旋角。
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。
本实施例的用于CFRP高速铣削的带端刃立铣刀如图1、图2所示，该带端刃立铣刀由端刃部分I、变分屑槽螺旋角周刃部分III、刀柄部分IV以及周刃与端刃过渡圆弧刃II组成。
端刃部分I具有主切削刃前角为0°，第一后角αf1＝7°，第二后角αf2＝14°。采用由端刃后刀面3向端刃第二后刀面4过渡的设计形式，端刃后刀面3的小角度设计和端刃主切削刃0°前角可保证切削刃有足够的强度，端刃第二后刀面4则利于切屑排出；端面容屑槽1槽底宽度 L7＝2.08～2.12mm，端面容屑槽1侧面倾斜角δ2＝δ3＝60°，端刃容屑槽1 深度L9＝2.3mm，端刃容屑槽1展角δ1＝45°，见图3。端刃容屑槽5斜角η1＝η2＝28°，见图4。靠近端刃部分有一段变螺旋角区域的周刃部分长度L1＝2.7mm，该区域指向端刃方向，左旋分屑槽螺旋角依次变化为θ1＝30°，θ2＝45°，θ3＝50°，对应到端刃长度依次为L2＝2mm，L3＝1.7mm，L4＝1.1mm，参见图6。设计端刃倾角λ＝3～5°，在端刃与周刃的过渡部分倒有半径R＝0.2～0.5mm的圆弧，参见图5，刀具直径设计范围为 D＝8～10mm。
具体实施例参数选取：刀具直径取D＝10mm，变分屑槽螺旋角周刃部分III的微齿6是由12条右旋螺旋槽8和11条左旋分屑槽7交错形成。
端刃部分I具有主切削刃前角为0°，第一后角αf1＝7°，第二后角αf2＝14°，端面容屑槽1槽底宽度L7＝2.12mm，端面容屑槽1侧面倾斜角δ2＝δ3＝60°，端面容屑槽1槽顶1/2宽度L5＝2.3mm，端刃容屑槽5深度L6＝2.3mm，端刃容屑槽5展角δ1＝45°，端刃容屑槽5斜角η1＝η2＝28°。靠近端刃部分有一段变螺旋角区域的周刃部分III的长度L1＝2.7mm，该区域指向端刃方向，左旋分屑槽7的螺旋角依次变化为θ1＝30°，θ2＝45°，θ3＝50°，对应到端刃的长度依次为L2＝2mm， L3＝1.7mm，L4＝1.1mm，端刃倾角λ＝3°，圆弧刃半径R＝0.5mm。
该刀具适用于T800级碳纤维复合材料5～20mm厚板材的高速铣削盲窗，铣削方式为逆铣，窗口直径为40*40mm，径向宽度为10mm，轴向切深15mm，每刀轴向切深5mm；推荐加工参数为：转速8000r/min，进给速度600mm/min。
该立铣刀采用变螺旋角分屑槽降低了铣削时刀具的颤振效应，提高了铣削时刀具的容屑性能，增强了排屑和散热性能，降低了复材热损伤，减少刀具更换时间。带端刃立铣刀增加了端刃容屑槽深度，提升了排屑能力，降低刀具后刀面磨损，提高刀具寿命。在端刃与周刃的过渡部分倒有圆弧，有效避免端刃切削时的崩刃现象。从而满足碳纤维复合材料大切削用量下高速平稳有效的加工需求。

Claims (1)

1.一种用于碳纤维复合材料高速铣削的带端刃立铣刀，其特征是，该立铣刀由端刃部分(I)、变分屑槽螺旋角周刃部分(III)、刀柄部分(IV)以及周刃与端刃的过渡圆弧刃(II)组成；
所述带端刃铣刀的端刃部分(I)具有主切削刃前角为0°，第一后角αf1＝7°，第二后角αf2＝14°；在端刃的刃间开有两条平行且具有一定深度的端面容屑槽(1)；端面容屑槽(1)底宽度L7，端面容屑槽(1)两侧面倾斜角δ2＝δ3＝60°；还开有端刃容屑槽(5)，其深度L6，端刃容屑槽(5)的展角δ1＝45°，端刃容屑槽(5)的斜角η1＝η2＝28°；
所述变分屑槽螺旋角周刃部分(III)是非对称螺旋交错结构，由m条右旋螺旋槽(8)与n条左旋分屑槽(7)交错形成若干等尺寸的微齿(6)，为了降低铣槽时端刃与周刃过渡部分的振动，靠近端刃部分有一段变螺旋角的周刃，该段长度为L1，该区域指向端刃方向，左旋分屑槽(7)螺旋角变化范围为θ1～θ3；刀具直径设计范围为D＝8～10mm，周刃与端刃的过渡圆弧刃II的半径R＝0.2～0.5mm。
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