CN108620641A - 一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具，包括依次连接的切削部、颈部和柄部；切削部包括依次连接的前端切削区、圆周切削区和后端切削区；前端切削区呈圆锥形且为钻头结构，包括中心对称分布且可沿刀具的轴线正向进给钻孔的两个前切削刃；圆周切削区呈圆柱形且为周铣刀结构，其圆柱面上设有延伸至前切削刃且可沿刀具的径向进给切削的螺旋形切削刃；后端切削区呈圆台形，后端切削区的侧壁上设有延伸至螺旋形切削刃且可沿刀具的轴线反向进给切削的倾斜切削刃。本发明可用于复合材料、金属及叠层结构的制孔加工，避免形成分层、撕裂等缺陷，提高加工质量，节约成本，简化加工过程，提高生产效率并且提高了刀具寿命。

Description

一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具

技术领域

本发明涉及复合材料、金属及复合材料与金属叠层结构的制孔加工领域，具体涉及一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具。

背景技术

航空航天飞行器设计中大量使用复合材料，在飞行器装配过程中经常遇到复合材料与金属叠层结构的制孔问题。由于飞行器结构复杂，装配制孔时作业空间有限或设计上的特殊要求等原因，某些复合材料与金属叠层结构的制孔，刀具必须从金属侧切入，从复合材料侧切出。常用的制孔方法为使用钻头钻孔，使用这种加工方法时，会产生较大的轴向切削力。还有一种新的制孔方法为使用特制立铣刀进行螺旋铣孔，其轴向切削力虽然较钻孔小，但仍然存在。复合材料通常是由多层纤维组合而成的，不同纤维层之间通常为强度较弱的树脂基体材料，加工中的轴向力是引起复合材料加工损伤的主要原因，在刀具从复合材料一侧切出时，在刀具轴向切削力的作用下，靠近出口侧纤维层产生变形，将不同纤维层之间的树脂基体拉断，形成分层、撕裂等加工缺陷，影响制孔质量，如图3所示为钻孔出口侧形成加工缺陷的情况，如图5所示为螺旋铣孔出口侧形成加工缺陷的情况。如果在复合材料后部增加一层垫板，当刀具切削到靠近复合材料出口一侧时，靠近出口侧的纤维层会受到垫板的支撑而不发生大的变形，纤维层间的树脂基体不会被破坏，从而避免分层、撕裂等加工缺陷的出现，如图4所示为钻孔有垫板的情况，如图6所示为螺旋铣孔有垫板的情况。但是实际生产中，有些情况下复合材料背面无法在制孔时加装垫板；有些情况下虽然能在制孔时加装垫板，但垫板的安装拆卸将大幅增加生产成本，降低生产效率。

对于孔出口在复合材料一侧的复合材料与金属的叠层结构的制孔，为实现无垫板情况下的无缺陷高质量制孔，一种可行的方法是采用钻孔和螺旋铣孔组合的制孔方法，首先通过钻孔加工一个小口，然后沿与正常钻孔或螺旋铣孔加工进给方向相反的方向进给，以螺旋铣孔方式加工复合材料的出口端。具体操作方式是先用专用刀具沿着从金属侧切入、复合材料侧切出的方向正向进给钻出一个预加工孔，然后将切削部直径大、颈部直径小的阶梯型刀具的切削部穿过该预加工孔，并使刀具相对加工孔具有一定的偏心量，然后以螺旋铣孔的方式，即沿从复合材料层至金属层反向进给，利用切削部后端与颈部过渡区域阶梯面上的切削刃，对预加工孔进行一次或多次扩孔，直至达到最终要求尺寸。采用这种加工方法可以利用复合材料与金属叠层的金属层作为垫板，避免复合材料出现分层、撕裂等加工缺陷。

但上述加工方法需要特殊的加工刀具，刀具前端为钻头，切削部直径大于颈部，切削部后端还需有专门设计的切削刃，目前缺少这样的专用刀具。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，研究设计一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具，首先从入口侧正向进给钻出一个贯通且较小的预加工孔，然后从出口侧反向进给螺旋铣出最终孔径，用于复合材料与金属叠层结构的制孔，解决复合材料出口易出现分层、撕裂的等缺陷和垫板安装费时费力的缺点。本发明采用技术手段如下：

一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具，其特征在于：包括依次连接的切削部、颈部和柄部；

所述切削部包括依次连接的前端切削区、圆周切削区和后端切削区；

所述前端切削区呈圆锥形且为钻头结构，包括中心对称分布且可沿所述刀具的轴线正向进给钻孔的两个前切削刃；

所述圆周切削区呈圆柱形且为周铣刀结构，其圆柱面上设有延伸至所述前切削刃且可沿所述刀具的径向进给切削的螺旋形切削刃；

所述后端切削区呈圆台形，其大端的外沿直径与所述圆周切削区的直径相匹配，其小端的外沿直径与所述颈部的直径相匹配，所述后端切削区的侧壁上设有延伸至所述螺旋形切削刃且可沿所述刀具的轴线反向进给切削的倾斜切削刃，所述倾斜切削刃的另一端延伸至所述颈部；

所述颈部的长度大于待加工通孔的孔深，所述柄部直径为便于装夹的数值，且长度应满足常用加工设备的装夹要求。

相邻所述前切削刃之间、相邻所述螺旋形切削刃之间和相邻所述倾斜切削刃之间均设有便于切屑排出的螺旋槽。

所述切削部上设有实现加工中切削区域的冷区与润滑的冷却孔，所述冷却孔与所述柄部后端贯通。

在不影响所述刀具整体刚度的前提下，所述切削部的直径(即所述圆周切削区的直径)与所述颈部的直径的差值尽量大，以实现反向螺旋铣孔时的材料快速去除。

所述螺旋形切削刃的螺旋角小于30°，以保证所述刀具在反向螺旋铣孔时，切屑也能够顺畅排出。

所述圆周切削区的轴向长度尽量小且大于反向螺旋铣孔时进给轨迹的导程。

所述前端切削区、所述圆周切削区、所述后端切削区和所述颈部彼此之间具有圆角过渡，所述圆角的曲率半径为0.2mm～1mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.可避免复合材料出现超出加工要求的分层、撕裂等缺陷，提高加工质量。在使用本发明进行钻预加工孔过程中，由于复合材料背面无垫板，可能产生较大的加工缺陷，但有缺陷的材料会在后续的反向进给螺旋铣孔过程中被切削掉，且反向进给螺旋铣孔过程不会再产生新的加工缺陷。这是因在反向进给螺旋铣孔过程中复合材料受到的轴向力方向发生了改变，不会使出口侧纤维层产生可能导致分层、撕裂的变形。当刀具反向进给螺旋铣孔接近复合材料与金属层的界面时，金属层可充当垫板，使复合材料在此处的纤维层也不出现分层、撕裂等缺陷。

2.复合材料出口侧无需使用额外垫板，节约成本，简化加工过程，提高生产效率。

3.提高刀具寿命。本发明使用的刀具前端切削区进行钻预加工孔时，允许产生一定尺度内的加工缺陷，因此刀具前端切削区的前切削刃产生一定磨损后，即使加工质量下降，也能继续使用，直至产生的加工缺陷超过本发明的允许值。本发明使用后端切削区反向进给螺旋铣孔时，由于金属层可以充当垫板，因此即使产生一定程度的磨损，也不会在复合材料靠近金属一侧产生加工缺陷。

基于上述理由本发明可在制孔加工等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具的轴测图。

图2是本发明的具体实施方式中一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具的主视图。

图3是本发明背景技术中现有钻孔加工方法下复合材料出口侧时加工损伤形成原理示意图。

图4是本发明背景技术中现有钻孔加工方法下复合材料出口侧有垫板时对加工损伤抑制原理示意图。

图5是本发明背景技术中现有螺旋铣孔加工方法下复合材料出口侧时加工损伤形成原理示意图。

图6是本发明背景技术中现有螺旋铣孔加工方法下复合材料出口侧有垫板时对加工损伤抑制原理示意图。

图7正向进给钻预加工孔，反向进给螺旋铣孔加工出最终孔径过程示意图。

图8是本发明的具体实施方式中刀具实物图。

图9是本发明的具体实施方式中刀具的切削部实物放大图。

图10是本发明的具体实施方式中刀具的切削部后端切削区实物放大图。

图11是利用本发明刀具采用钻孔和螺旋铣孔组合的制孔方法加工获得的最终孔出口质量和第一次从入口侧正向进给钻孔得到的预加工孔的出口质量加工效果对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具，包括依次连接的切削部1、颈部2和柄部3；

所述切削部1包括依次连接的前端切削区4、圆周切削区5和后端切削区6；

所述前端切削区4呈圆锥形且为钻头结构，包括中心对称分布且可沿所述刀具的轴线正向进给钻孔的两个前切削刃；

所述圆周切削区5呈圆柱形且为周铣刀结构，其圆柱面上设有延伸至所述前切削刃且可沿所述刀具的径向进给切削的螺旋形切削刃；

所述后端切削区6呈圆台形，其大端的外沿直径与所述圆周切削区5的直径相匹配，其小端的外沿直径与所述颈部2的直径相匹配，所述后端切削区6的侧壁上设有延伸至所述螺旋形切削刃且可沿所述刀具的轴线反向进给切削的倾斜切削刃，所述倾斜切削刃的另一端延伸至所述颈部2；

所述颈部2的长度大于待加工的通孔的孔深，所述柄部3直径为便于装夹的数值，且长度应满足常用加工设备的装夹要求。

相邻所述前切削刃之间、相邻所述螺旋形切削刃之间和相邻所述倾斜切削刃之间均设有便于切屑排出的螺旋槽。

所述切削部1上设有实现加工中切削区域的冷区与润滑的冷却孔7，所述冷却孔7与所述柄部3后端贯通，所述冷却孔7位于所述前端切削区4内。

在不影响所述刀具整体刚度的前提下，所述切削部1的直径与所述颈部2的直径的差值尽量大。

所述螺旋形切削刃的螺旋角小于30°。

所述圆周切削区5的轴向长度尽量小且大于反向螺旋铣孔时进给轨迹的导程。

所述前端切削区4、所述圆周切削区5、所述后端切削区6和所述颈部2彼此之间具有圆角过渡，所述圆角的曲率半径为0.2mm～1mm。

如图7所示，为本发明刀具正向进给钻预加工孔，反向进给螺旋铣孔加工出最终孔径过程示意图，一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具，用于复合材料与金属叠层制孔时，首先通过所述前端切削区4从入口侧正向进给钻出一个贯通且较小的预加工孔，然后从出口侧反向螺旋铣出最终孔径，用于复合材料与金属叠层结构的制孔，解决复合材料出口易出现分层、撕裂的等缺陷和垫板安装费时费力的缺点。

本发明也可用于复合材料、金属及叠层结构的制孔，通过反向螺旋铣孔消除材料出口侧的飞边和毛刺。

如图8-图11，为该刀具实物以及利用本发明刀具采用钻孔和螺旋铣孔组合的制孔方法加工获得的最终孔出口质量和第一次从入口侧正向进给钻孔得到的预加工孔的出口质量加工效果对比图。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

本发明适用于复合材料与金属叠层结构的制孔，同时也适用于复合材料单层、复合材料叠层、金属单层与金属叠层的制孔，通过反向进给螺旋铣孔的方式避免出口侧产生毛刺、飞边等加工缺陷。

Claims (8)

1.一种钻孔与螺旋铣孔组合的刀具，其特征在于：包括依次连接的切削部、颈部和柄部；

所述切削部包括依次连接的前端切削区、圆周切削区和后端切削区；

所述前端切削区呈圆锥形且为钻头结构，包括中心对称分布且可沿所述刀具的轴线正向进给钻孔的两个前切削刃；

所述圆周切削区呈圆柱形且为周铣刀结构，其圆柱面上设有延伸至所述前切削刃且可沿所述刀具的径向进给切削的螺旋形切削刃；

所述后端切削区呈圆台形，其大端的外沿直径与所述圆周切削区的直径相匹配，其小端的外沿直径与所述颈部的直径相匹配，所述后端切削区的侧壁上设有延伸至所述螺旋形切削刃且可沿所述刀具的轴线反向进给切削的倾斜切削刃，所述倾斜切削刃的另一端延伸至所述颈部。

2.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：所述颈部的长度大于待加工的通孔的孔深，所述柄部直径为便于装夹的数值，且长度应满足常用加工设备的装夹要求。

3.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：相邻所述前切削刃之间、相邻所述螺旋形切削刃之间和相邻所述倾斜切削刃之间均设有便于切屑排出的螺旋槽。

4.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：所述切削部上设有实现加工中切削区域的冷区与润滑的冷却孔，所述冷却孔与所述柄部后端贯通。

5.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：在不影响所述刀具整体刚度的前提下，所述切削部的直径与所述颈部的直径的差值尽量大。

6.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：所述螺旋形切削刃的螺旋角小于30°。

7.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：所述圆周切削区的轴向长度尽量小且大于反向螺旋铣孔时进给轨迹的导程。

8.根据权利要求1所述的刀具，其特征在于：所述前端切削区、所述圆周切削区、所述后端切削区和所述颈部彼此之间具有圆角过渡，所述圆角的曲率半径为0.2mm～1mm。