CN109551015A - 一种用于加工复合材料的高效硬质组合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于碳纤维‑钛层间混杂复合材料的高效钻头属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种用于碳纤维‑钛层间混杂复合材料材料钻孔的高效钻头，该刀具是具有大顶角和金刚石刀刃的组合成型刀具，非常适合高性能碳纤维‑钛层间混杂复合材料的一次性高质量、高效率加工。钻头由主切削区，副切削区和刀柄组成，在主切削区与副切削区连接处有金刚石刀片；主切削区由合金刃为主副切削区中，副切削刃为到R角的金刚石刀粒；复合齿结构，实现了钻‑铰一体化加工的功能，降低钻削轴向力，减少分层缺陷，获得高尺寸精度的孔，毛刺小，提高了钻头的使用寿命，避免了频繁换刀，提高了加工效率。

Description

一种用于加工复合材料的高效硬质组合钻头

技术领域

本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种用于碳纤维-钛层间混杂复合材料钻孔的高效钻头，该刀具是具有大顶角和微齿结构的PCD刀片成型刀具，特别适合于高性能碳纤维增强复合材料的一次性高质量、高效率加工。

背景技术

碳纤维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，广泛应用于航空航天结构设计中。碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。而钻孔是碳纤维复合材料零件制造过程中工作量最繁重的机械加工之一，然而由于材料的层间强度低，钻孔时极易在出口处产生分层、撕裂等缺陷，且基体相导热性不好，碳纤维硬度高，使得刀具磨损快，采用普通麻花钻很难加工无分层、无毛刺缺陷的孔。国内外针对碳纤维复合材料切削加工刀具的研究表明，刀具材料中高速钢不适合碳纤维复合材料的加工，聚晶金刚石刀具可提高钻削刀具的寿命，但是其价格昂贵，且只能用于平稳钻削的过程。硬质合金具有较好的强度和韧性，可以满足碳纤维复合材料的加工需求，但是硬质合金普通麻花钻仍难以满足高质高效的制孔需求。

刀具的几何结构是影响复合材料制孔质量和刀具寿命的重用因素，国内外针对碳纤维复合材料设计了各种几何形状的钻头，这些钻头有各自的优缺点。如西安飞机工业有限公司的公开了一种《具有锥形过渡区的新型钻头》，专利申请号200320125153.6，与普通麻花钻相比，在钻头的钻杆和头部之间增加了刀刃的锥形过渡区，使得钻头在薄壁制件上钻孔的原理和过程发生很大的变化，一定程度上消除了普通钻头钻孔经常产生的孔出口边缘分层、拉毛，但这种钻头钻尖处刚度较低，容易产生振动，导致孔的粗糙度和精度难以保证。又如苏州阿诺精密切削技术股份有限公司的专利《低横刃钻头》，中国专利申请号为201310104178.6，这种钻头的头部开有两个排屑槽，其与刀背在轴向方向上的交线分别形成两个主切削刃，主要特点是三个顶尖，中间的顶尖比两边的低，这样的设计可以兼顾刀具强度和定心能力，两个外顶尖可有效的刮断孔周边的纤维，较少毛刺，但是在加工高强度纤维和低层间强度的复合材料时，容易产生撕裂的损伤，且两边的刀尖切削速度最快，很容易磨损，一旦刀具磨损，制孔质量开始明显下降。山特维克知识产权股份有限公司公开了一种《用于高级材料的麻花钻》，中国专利申请号201180020931.2，涉及用于诸如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料的钻孔的麻花钻，提出设有可变螺旋具有限定的起始螺旋角度和终点螺旋角度，以与主离隙角度和副离隙角度结合，使得麻花钻适合于使得推力最小化，尤其在用于对含纤维的复合材料进行钻孔时，并且尤其是在用于手动钻孔时。该发明还提议采用大的副横刃角度有利于复合材料的加工。此种钻头相比麻花钻可以在一定程度上减少分层缺陷，但是毛刺缺陷会随着刀具的磨损很快出现，钻头的使用寿命较短。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服碳纤维-钛层间混杂复合材料在制孔中容易产生分层和毛刺缺陷的问题，发明一种针对碳纤维-钛层间混杂复合材料，尤其是应对高性能碳纤维-钛层间混杂材料的制孔刀具。该刀具是一种带有大顶角加PCD刀片结构钻头，通过主切削刃的大顶角和圆弧刃结构，主切削刃和副切削刃连接部位焊接PCD刀片结构，实现了钻-扩-铰一体化加工的功能，获得高尺寸精度的孔，可实现一次性无分层、无毛刺制孔，并可提高钻头的使用寿命，降低使用成本。

本发明采用的技术方案是一种用于加工复合材料的高效硬质组合钻头，钻头由主切削区，副切削区和刀柄组成，在主切削区为合金与副切削区为带微齿的金刚石，所述的主切削区为S型切削刃，主切削区为140°的大顶角；其中，S主刃有R圆弧过渡。

进一步的，所述副切削刃为PCD刀片，PCD刀片焊接合金刀具上，PCD刀片的尖点为R0.3～R0.5处理，用于防止刀尖崩刃。

进一步的，主切削区的S型钻尖容屑槽为带R的弧型，主切削刃刃口为K刃，K刃宽0.2mm且刃口钝圆半径R0.01～0.03mm，PCD刀片的切削刃刃口钝圆半径R0.005～0.01mm。

本发明的效果和益处是：高效专用钻头通过采用大顶角和焊接PCD刀片结构，PCD刀片有微齿结构，减小毛刺。实现了钻-扩-铰一体化加工的功能，获得高尺寸精度的孔，减少了工序，降低钻削轴向力，减少分层缺陷，减小了毛刺。副切削刃为PCD刀片提高了钻头的使用寿命。避免了频繁换刀，降低了使用成本，提高了加工效率。

附图说明

图1为本发明实施例是钻头结构示意图。

图2为本发明实施例的主切削区结构示意图。

图3为本发明实施例的主切削刃刃口结构示意图。

图4中的图4a、4b分别是本发明实施例的横刃结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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1-3所示,用于加工碳纤维-钛层间混杂复合材料专用钻头分为主切削区A，副切削区B和刀柄C三部分，在主切削区A与副切削区B连接处还有由PCD刀片链接的削区P。钻头在钻削过程中可分为5个阶段，第一阶段为挤压，是横刃c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；第三阶段为钻削，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。第四阶段为钻削和铰削，此时板厚材料全部由第二主切削刃3加工，轴向推力波动不大。第五阶段为去毛刺和铰孔，此时第二主切削刃2开始离开工件，PCD刀片开始去除毛刺。

副切削刃3采用右螺纹和较小的螺旋角f，采用较小的螺旋角有利于切屑排出，且可以实现铰孔作用，减小孔壁粗糙度；制孔过程中，刀柄端俯视，钻头顺时针旋转，在刀具向右的方向实现切削，高硬度的复合材料的切削。

本实施例中，取钻头直径为9mm，第一主切削刃1为S型齿隙前段，齿隙前角5°，副切削刃4为带刀尖保护PCD刀片。主切削区为140°的大顶角e，S型齿隙结构。

如图4a、4b所示，是高效专用钻头的左侧视图，通过磨削第一主切削刃，形成横刃c，横刃长度要控制0.5mm左右，比一般钻削金属材料时要短，越小的横刃越有利于减少分层，但是横刃过小容易导致刀具寿命的降低。本实施例中，横刃a的尺寸为0.55mm。第二主切削刃4上有4个微齿结构，齿距为1.0mm。

钻削实验是在德国生产制造的DMU 60T高速加工中心上进行的。此加工中心主轴最高转速能达到24000rpm，工作台三轴X、Y、Z的行程分别为780mm，560mm，560mm，空走刀时最大的进给速度为26m/min，能实现高精度轮廓加工；可实现各种误差补偿，包括线性和非线性轴误差、圆周运动、反向间隙。测试工件为Ti/CFRP层板材料,根据飞机制造公司实际使用的碳纤维增强复合材料厚度7.54mm，钛合金厚度6.73mm的层合板为实验材料，其中碳纤维复合材料叠板为T300/HD03，单层厚度为0.1141mm。

普通的钻具称为钻头为1#，本发明的钻头称为钻头为2#，采用相同的工艺参数和装夹方式进行制孔，制孔结束后，使用超景深显微镜测量出口面的孔质量，使用粗糙度量仪测量孔壁的粗糙度。本发明的钻头的性能与市售用于碳纤维复合材料的可商购的钻具比较结果，具体说明如下表1、表2所示：

表1：普通钻头钻孔质量表

普通钻头钻孔质量

表2：本发明实施例的钻头钻孔质量

高效钻头钻孔质量

从以下几个指标进行说明：

(1)出口孔质量

钻头1#在加工第一个孔的时候毛刺很小，且有微小分层，随着孔数的增加，毛刺很快变大，分层也开始加剧。钻头2#加工第1个孔时没有分层和毛刺，质量很好，加工第5个孔时质量依旧很好。

(2)孔壁粗糙度

前5个孔粗糙度测量值，钻头1#的粗糙度值Ra平均在3.0，钻头2#的平均值在0.9左右。因此，本发明钻头2#的制孔粗糙度质量较好。

(3)刀具寿命

钻头1#在加工第2个孔时毛刺已经开始增大，第4个孔时更加严重，此钻头的寿命较短。而钻头2#在加工第5个孔后质量依旧很好，继续进行制孔实验，最终发现钻头2#至少能加工45个孔，无分层、无毛刺，具有良好的刀具寿命。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种用于加工复合材料的高效硬质组合钻头，其特征在于，钻头由主切削区，副切削区和刀柄组成，在主切削区为合金与副切削区为带微齿的金刚石，所述的主切削区包括多个S型切削刃，主切削区为140°的大顶角；其中，S主刃有R圆弧过渡。

2.根据权利要求1所述的高效硬质组合钻头，其特征在于，所述副切削刃为PCD刀片，PCD刀片焊接合金刀具上，PCD刀片的尖点为R0.3～R0.5处理，用于防止刀尖崩刃。

3.根据权利要求1所述的高效硬质组合钻头，其特征在于，主切削区的S型钻尖容屑槽为带R的弧型，主切削刃刃口为K刃，K刃宽0.2mm且刃口钝圆半径R0.01～0.03mm，PCD刀片的切削刃刃口钝圆半径R0.005～0.01mm。