CN108602137A - 复合机械加工刀具 - Google Patents

Abstract

一种复合机械加工刀具，包括：具有至少一个切削刃(102)和至少一个磨削区域(103)的刀具主体(101)，其中所述磨削区域位于所述切削刃附近，使得所述磨削区域和切削刃之间存在间隔(110)，并使得当所述刀具执行机械加工操作时，所述切削刃和磨削区域共同作用在材料表面上。

Description

复合机械加工刀具

技术领域

本发明涉及复合机械加工刀具领域。

背景技术

聚合物基复合(PMC)材料在许多高要求的工程领域中越来越重要。PMC通常由一种基体组分(一种聚合物基树脂)和一种增强组分(如碳、玻璃或芳香聚酰胺)组成。正是通过结合这两种组分的互补的力学性能，PMC才能被设计成适合广泛应用的产品。众所周知的PMC材料是碳纤维和玻璃纤维增强的聚合物复合材料，尽管还有许多目前被使用的其他类型。

PMC材料的结构意味着它们可以表现出很高的强度-重量比和弹性系数。这使得它们特别适合于将强度和重量作为关键考虑因素的行业，例如航空航天、汽车、体育设备和可再生能源。许多使用PMC的工业也要求零件能可靠地生产，并且表面光洁度高以及公差极小。

PMC材料的高强度、高弹性系数和物理结构，虽然对它们的应用具有重要意义，但这使得在零件制造过程中存在困难。在用现有刀具进行机械加工时，常发现PMC材料很难被切削、会磨损刀具并且易发生分层和分裂。这导致部分不整齐和较差的光洁度质量，这样的质量是在许多最苛刻的应用中是不能被接受的。

为了制造出高质量的部件，目前的机械加工技术必须依赖于单独的加工处理，这种加工处理是用不同的刀具进行的，而且通常是在完全不同的机器上进行的。这降低了PMC材料的制造速度和成本效益，也是阻碍PMC材料广泛使用的一个障碍。

众所周知，在现有刀具表面涂覆小颗粒，希望它们能起到研磨料的作用。这种方法是不能令人满意的，因为在刀具的切削区域存在研磨料会阻碍切削操作的正常进行，并可能导致刀具的高度磨损。本发明的目的是至少一定程度地减轻上述问题。

发明内容

一方面，本发明提供了一种复合机械加工刀具，包括：具有至少一个切削刃和至少一个磨削区域的刀具主体，其中磨削区域位于切削刃附近，从而在磨削区域和切削刃之间产生间隔，使得当刀具执行机械加工操作时，切削刃和磨削区域共同作用在材料表面上。

在本发明的某些方面上，本发明提供了一种刀具，可用于在单个操作中将复合材料加工成高光洁度质量。这与现有的需要单独加工的机械加工技术形成了鲜明的对比。使用根据本发明的多个特征的刀具可以提供具有较高尺寸精度的被加工材料，同时减少所需的单独刀具的数量。使用单个刀具可以提高被加工材料的尺寸精度，减少在定位以进行额外的机械加工处理时所产生的误差。使用单个刀具也可以减少刀具的更换和安装时间。

可选地，所述切削刃位于所述刀具主体的前部，所述磨削区域位于所述刀具主体的后部。

可选地，切削刃与磨削区域之间的间隔长度在0.5mm到2mm之间。

可选地，所述磨削区域定位在所述刀具主体上，使得所述磨削区域在远离所述切削刃的方向上增加了深度。

可选地，所述刀具包括一个或多个额外切削刃和/或一个或多个额外磨削区域。

可选地，磨削区域由多晶金刚石细研磨料或立方氮化硼细研磨料制成。

可选地，通过电镀将磨削区域沉积在刀具主体上。

可选地，所述电镀是单层电镀。

可选地，所述电镀是多层电镀。

可选地，所述刀具是一种适合于应用在车削、刨削、拉削、钻削或铣削加工的刀具。

另一方面，本发明提供了一种对复合材料进行机械加工的方法，包括：将根据本发明第一方面的刀具应用于复合材料上，使得当刀具对复合材料进行机械加工时，刀具的切削刃和磨削区域共同作用于复合材料的表面。

可选地，所述方法还包括使所述复合材料绕其轴旋转以进行机械加工操作的步骤。

可选地，对复合材料进行机械加工方法包括车削、刨削、拉削、钻削或铣削。

本发明的各个方面和特征在权利要求中被定义。

附图说明

现仅以示例的方式描述本发明的实施例，参考附图，其中：

图1示出了根据本发明的某些实施例在机械加工过程中的一段复合材料；

图2示出了根据本发明的某些实施例的机械加工刀具；

图3示出了根据本发明的某些实施例具有刻度的磨削区域的机械加工刀具；

图4示出了根据本发明的某些实施例的多刃机械加工刀具；

图5示出了根据本发明的某些实施例的图4所示多刃机械加工刀具的另一视图；

图6示出了根据本发明的某些实施例的端铣刀机械加工刀具；以及

图7示出了根据本发明的某些实施例的车削刀具。

在附图中，相似的附图标记指代相似的部分。

具体实施方式

图1提供了说明根据本发明某些实施例的机械加工过程中的一段复合材料的示意图。本发明可加工的材料类型包括：碳纤维和玻璃纤维增强聚合物复合材料等聚合物基复合(PMC)材料。在后面这些材料将称为复合材料。

刀具主体101包括切削刃102和磨削区域103。切削刃102形成在刀具主体101的第一表面111和第二表面112之间的相交处。磨削区域103位于刀具主体101的第二表面112上，并且与切削刃102相邻。第二表面112通常称为间隙表面。磨削区域103的特征在于它对复合材料有研磨作用。切削刃102和磨削区域103位于刀具主体101上，使得在切削刃102和磨削区域103之间形成间隔110。刀具表面的间隔110区域可能不是完全没有研磨材料。然而，在间隔区域中存在的研磨材料在刀具所执行的任何机械加工操作中可能没有实质性的研磨效果。相对于磨削区域的长度，间隔110的长度可能非常小。

如图1所示，现在将更详细地描述机械加工操作。刀具主体101沿箭头108所示的方向经过复合材料104的一部分。刀具主体101和复合材料104之间的相对运动可以通过移动刀具主体101本身、复合材料104或两者的组合而产生。刀具主体101和/或复合材料104的运动可以是旋转和/或平移的。

在机械加工过程中，切削刃102构成刀具主体101的前部，磨削区域103构成刀具主体101的后部。刀具主体101的取向使得在机械加工期间切削刃102和磨削区域103均可与复合材料104接触。刀具主体101是以这样的一种方式被定位的：由于切削刃102和磨削区域103之间存在间隔110，并且刀具表面与材料之间存在正间隙角，因此形成空间107。

由于刀具主体的形状和取向，移动切削刃102并经过复合材料104从而进行切削操作，在切削操作中复合材料104的一部分113被去除。这样，切削刃102对复合材料104的作用类似于常规刀具的作用。在切削过程中被去除的材料在刀具主体101之前形成一小片109，但是，与对金属等延展性材料进行机械加工时不同的是，在对复合材料进行机械加工时形成的小片109通常是不规则的，可能主要由灰尘和碎片组成。切削刃102从复合材料104中去除一部分材料113的操作形成了切削表面105。由于PMC材料的特性，切削表面105通常具有较低的表面质量，是不规则、不平坦的。

如上所述，在对刀具主体101的磨削区域103进行机械加工时，可与切削表面105接触。由于磨削区域103的研磨特性以及在复合材料104和磨削区域103之间存在相对运动，在切削表面105上进行磨削操作，在磨削操作中一部分材料114从切削表面105上被去除。通过研磨操作去除的材料部分114通常比通过切削操作去除的材料部分113少。

在磨削区域103之前(并在切削刃102之后)所存在的空间107(由间隔110和刀具的正间隙角形成)具有几个优点。它允许被磨削区域103(从切削表面105)去除的材料在空间107内不受限制地形成一小片的尘埃和碎片，这个过程类似于对切削刃102所描述的过程(虽然通常是更小的一片)。间隔110确保初始切削操作可以进行，同时避免对材料突然进行切削或磨削操作。间隔110的存在还可以使得更容易在刀具主体101上定位和/或沉积研磨料。在将由于刀具和材料之间的接触而被去除的材料清理掉之前，空间107允许将在机械加工过程中被去除的材料收集起来。

磨削操作形成了一个磨光面106，与切削表面105相比该磨光面106具有更好的光洁度和整齐度。

所述刀具的联合操作消除了执行单独的切削和磨削过程的需要，以实现在许多PMC应用中所需要的部件整齐度和表面光洁度。这可以减少刀具成本，因为只需要一个刀具。采用单个机械加工过程也可以提高零件制造的速度。

虽然图1示出了进行机械加工操作的刀具的一部分的剖视图，但是应当理解，本发明的实施例既适用于单点切削刀具，也适用于多点切削刀具(即具有一个或多个切削刃的刀具)。

应当理解，该复合刀具和方法的某些实施例适用于车削、刨削、拉削、钻削和铣削操作，以及适用于使用具有一定数量和几何形状的切削刃的加工刀具的其它机械加工操作。

图2提供了一个示出了根据本发明某些实施例的刀具示例的示意图。

该刀具可以固定在一台例如通常用于复合材料加工的机器上。刀具主体201可以是刀具的一部分，具有单个切削刃和磨削区域，也可以具有多个切削刃和磨削区域。

刀具主体201包括切削刃202和磨削区域203。切削刃202形成在刀具主体201的第一和第二表面205、206之间的相交处。刀具主体201可由诸如高速钢(HSS)等常规刀具材料制成。

磨削区域203位于刀具主体201的第二表面206上，并且与切削刃202相邻。磨削区域203的特征在于它对复合材料有研磨作用。磨削区域203可以由多晶金刚石细研磨料或立方氮化硼细研磨料或其他合适的研磨材料制成。磨削区域203可以通过电镀或根据研磨材料的另一合适过程沉积在刀具主体201的第二表面206上。切削刃202和磨削区域203位于刀具主体201上，使得在切削刃202和磨削区域203之间形成间隔204。刀具表面206的间隔204区域可能不是完全没有研磨料。然而，在间隔区域中存在的研磨材料在刀具所执行的任何机械加工操作中可能没有实质性的研磨效果。沉积过程的结果是在间隔区域204中存在研磨材料。相对于磨削区域203的长度，切削刃202和磨削区域203之间的间隔204的长度是非常小的。间隔204的长度可以根据刀具的类型和大小而变化，但通常在0.5mm到2mm之间。

在某些实例中，磨削区域可以沉积成一个(单个)层。在其他例子中，磨削区域可以沉积成多个层。因此，在使用电镀沉积磨削区域的一些例子中，电镀为单层电镀。在其他例子中，电镀是多层电镀。

图3提供了一个示出了根据本发明某些实施例的刀具示例的示意图。

该刀具可以固定在一台例如通常用于复合材料加工的机器上。刀具主体301可以是刀具的一部分，具有单个切削刃和磨削区域，也可以具有多个切削刃和磨削区域。

刀具主体301包括切削刃302和磨削区域303。切削刃302形成在刀具主体301的第一和第二表面305，306之间的相交处。刀具主体301可由诸如高速钢(HSS)等常规刀具材料制成。

应当理解，任何合适的刀具材料都可以使用。在某些实施例中，所述刀具主体可由诸如碳化钨等其他常规刀具材料制成。

磨削区域303位于刀具主体301的第二表面306上，并且与切削刃302相邻。磨削区域303的特征在于它对复合材料有研磨作用。磨削区域303可以由多晶金刚石细研磨料或立方氮化硼细研磨料或其他合适研磨料等材料制成。磨削区域303可以通过诸如电镀的处理在刀具主体301的第二表面306上沉积。切削刃302和磨削区域303位于刀具主体301上，使得在切削刃302和磨削区域303之间形成间隔304。刀具表面的间隔304区域可能不是完全没有研磨材料。然而，在间隔区域304中存在的研磨料在刀具所执行的任何加工操作中可能没有实质性的研磨效果。在间隔304区域中的研磨材料的存在可以是由于前面描述的沉积过程的结果。相对于磨削区域303的长度，切削刃302和磨削区域304之间的间隔304的长度是非常小的。间隔304的大小可根据刀具的类型和尺寸而定，但通常长度在0.5mm至2mm之间。

磨削区域303沉积在刀具主体301上，使得磨削区域303的深度在远离切削刃302的方向上增大了。这意味着，当刀具主体301被定位用于机械加工操作(例如图1所示的机械加工操作)时，磨削区域303与切削表面105的接触表面积更大。这提高了磨削区域的效率。

图4提供了根据本发明的某些实施例的加工刀具的部件示意图。具体而言，图4显示了可用于对复合材料进行机械加工的具有多切削刃的刀具主体部件。

所示的刀具主体401包括第一切削刃402、第一磨削区域403和第一切削刃402与第一磨削区域403之间的第一间隔404。这些特征构成了第一机械加工部件。刀具主体401还包括第二切削刃405、第二磨削区406和第二切削刃405与第二磨削区406之间的第二间隔407。这些特征构成第二机械加工部件。相对于磨削区域的长度，第一404和第二间隔407的长度是非常小的。

在机械加工过程中，刀具主体401绕它的中轴(未示出)旋转。这提供了刀具主体401相对于正在被机械加工的材料的运动408。刀具主体或材料的移动，使得切削刃402、405和磨削区域403、406与材料接触。这种运动和接触产生了类似于图1所描述的机械加工操作。

参考图4，应当理解，通常当刀具主体向运动408所指示的方向移动时，在第一切削刃402与要进行机械加工的材料接触之前第二切削刃405先与材料接触。

图5示出了图4所示的机械加工刀具的附加视图。刀具主体501包括第一切削刃502、第一磨削区503和第一刃口502与第一磨削区503之间的第一间隔504。这些特征将被称为第一个机械加工部件。刀具主体501还包括四个与第一机械加工部件类似的进一步的机械加工部件506、507、508、509。在机械加工过程中，刀具主体501绕它的中轴旋转505。

图6示出了根据本发明的某些实施例的刀具。图6所示的刀具的几何形状比之前的图中所示的刀具要复杂，通常被称为端铣刀具。该刀具有四条主切削刃和四条外部切削刃。由于这些端铣刀具的主切削刃和外部切削刃位于刀具主体的多个部件，并相互取向不同，该刀具可以在多个方向上对材料进行机械加工操作。

刀具主体601包括第一主切削刃602、第一主磨削区域603和第一主切削刃602与第一主磨削区域603之间的第一主间隔604。刀具主体的这一部件被称为第一主机械加工部件611。刀具主体还包括第一外部切削刃605、第一外部磨削区域606和第一外部刃口605与第一外部磨削区域606之间的第一外部间隔607。刀具主体的这一部件被称为第一外部机械加工部件612。刀具主体601还包括三个附加的主机械加工部件608、609、610和三个附加的外部机械加工部件613、614、615，所有这些部件都类似于第一机械加工部件611、612。与相应的磨削区的长度相比，主间隔和外部间隔的长度是非常小的。

在机械加工过程中，刀具主体601围绕它的中轴617旋转616，使刀具主体601与要进行机械加工的材料具有相对运动。刀具主体或材料被移动，使得刀具主体和/或外部加工部件与材料接触并形成机制加工操作，如图1所详细描述的那样。

图7提供了根据本发明的某些实施例的刀具的示意图。图7所示的刀具是一个用于车削过程的刀具。

要进行机械加工的工件701绕它的轴旋转，且单点刀具主体702沿与工件701的轴平行的方向移动，从而形成机械加工操作。单点刀具主体包括通过间隔705与磨削区域704分隔开的切削刃703。

应当理解，工件是任何合适的形状，例如一条管或实心圆柱体。

附图示出了工件701的初始直径D1，以及切割直径D2(即在使用切削刃703加工之后的工件701直径)和最终直径d3(即使用磨削区域704对工件701进行加工之后)。工件701由复合材料组成。

应当理解，图7中所示的车削过程可能与本领域已知的车削过程相似。例如，在某些实施例中，工件701可以保持在一个固定位置，刀具主体702相对于工件701移动。在其他实施例中，刀具主体702可以保持在一个固定位置，工件701相对于刀具主体702移动。在车削过程中，刀具主体702和工件701彼此相对移动，以便从工件中去除材料以形成所需的工件形状。这种相对运动可以包括在一个或多个方向(例如平行和/或垂直于工件旋转轴)上的平移。

应当理解的是，上述附图中所示的机械加工刀具的类型和配置是用于说明性的目的，并且本发明适用于具有至少一个切削刃的任何复合机械加工刀具。此外，应当理解，根据本发明的加工刀具可以有所不同，包括在整个应用中的以及图1至图6中任何一个中讨论的可选方案。如果刀具是孤立地加以说明的，就会明白它们不一定是面向其加工位置的。

应当理解，在某些实施例中，根据本发明示例的机械加工刀具可用于切削过程。在某些实施例中，根据本发明示例的机械加工刀具可用于刨削和镗削操作。

应当理解，根据本发明实施例的机械加工刀具可以使用任何合适的刀具材料制造。例如，在某些实施例中，刀具主体可以由诸如碳化钨等常规刀具材料制成。

还公开了本发明的各种变形。本发明的实施例已经根据一个切削刃和一个磨削区域的组合使用进行了描述，但是应该认识到，多个切削刃可以与单个磨削区域组合使用，反之亦然。还应当理解，尽管刀具主体和研磨区域已经被描述为由单一材料制成，但这不是必须的，并且可以使用多种材料的组合。

在本说明书的描述和声明中，“包括”和“包含”这两个词，其变体意思是“包括但不限于”，它们并不计划(也不)排除其他部件、附加件、组件、整体或步骤。在本说明书的描述和声明中，除非上下文另有要求，否则单数表达包含复数。特别是，在使用无明确条款的情况下，除非上下文另有要求，否则本说明书应理解为考虑多元性和奇异性。

与本发明的特定方面、实施例或示例一起描述的特征、整数、特性或组合，除非不兼容，否则应理解为适用于在这里所描述的任何其他方面、实施例或示例。本说明书中公开的所有特征(包括任何附带的权利要求、摘要和附图)和/或所公开的任何方法或过程的所有步骤都可以组合成任何组合，但至少某些特征和/或步骤相互排斥的组合除外。本发明不限于任何前述实施例的任何细节。本发明可以根据本说明书中公开的特征扩展成任何一个新的特征或新的组合(包括任何附带的权利要求、摘要和附图)，或根据这里公开的方法或过程的步骤扩展成任何一个新的方法或步骤或任何新的组合。

读者的注意力应集中在与本申请同时或之前提交的所有与本申请有关的证件和文件，并且这些证件和文件与本说明书一起公开以进行公开检验，并且所有这些证件和文件的内容在这里被引用。

Claims (15)

1.一种复合机械加工刀具，包括：

具有至少一个切削刃和至少一个磨削区域的刀具主体，其中所述磨削区域毗邻切削刃布置，使得所述磨削区域和切削刃之间存在间隔，并使得当所述刀具执行机械加工操作时，所述切削刃和磨削区域共同作用在材料表面上。

2.根据权利要求1所述的复合机械加工刀具，其中所述切削刃位于所述刀具主体的前部，所述磨削区域位于所述刀具主体的后部。

3.根据权利要求1或2所述的复合机械加工刀具，其中所述切削刃与磨削区域之间的间隔长度在0.5mm到2mm之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的复合机械加工刀具，其中所述磨削区域定位在所述刀具主体上，使得所述磨削区域在远离所述切削刃的方向上深度增加。

5.根据前述权利要求中任一项所述的复合机械加工刀具，其中所述刀具包括一个或多个额外切削刃和/或一个或多个额外的磨削区域。

6.根据前述权利要求中任一项所述的复合机械加工刀具，其中所述磨削区域由多晶金刚石细研磨料或立方氮化硼细研磨料制成。

7.根据前述权利要求中任一项所述的复合机械加工刀具，其中通过电镀将所述磨削区域沉积在所述刀具主体上。

8.根据权利要求7所述的复合机械加工刀具，其中所述电镀为单层电镀。

9.根据权利要求7所述的复合机械加工刀具，其中所述电镀为多层电镀。

10.根据前述权利要求中任一项所述的复合机械加工刀具，其中所述复合机械加工刀具是一种适合于应用在车削、刨削、拉削、钻削或铣削加工的刀具。

11.一种对复合材料进行机械加工的方法，包括：

将根据权利要求1-10所述刀具应用于复合材料上，使得当所述刀具对复合材料进行机械加工时，所述刀具的切削刃和磨削区域共同作用于所述复合材料的表面。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤：使所述复合材料绕其轴旋转以进行机械加工操作。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述对复合材料进行机械加工的方法包括车削、刨削、拉削、钻削或铣削。

14.大体上如本文中参照附图所描述的进行构造和布置的装置。

15.一种大体上如本文中参照附图所描述的方法。