CN110653397A - 钻磨加工刀具及钻磨加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻磨加工刀具及钻磨加工方法，包括刀具本体、顶部钻削刃型和侧边磨削用磨粒群。该刀具本体顶部按照周向设置椭圆轨迹刃型，并在其上电镀金刚石磨粒，用于底孔加工钻入阶段。在底孔加工钻出阶段，刀具停止单向旋转，而改为小转角振荡往复磨削进给，避免了钻出阶段轴向力过大导致分层、撕裂等缺陷。在底孔完成后，刀具沿轴线进给至侧边磨粒群区域，同时刀具轴线沿孔中心偏转，并绕其旋转。通过五轴螺旋方式将底孔铣出成双面埋头孔结构，埋头孔顶部直径达到目标孔径，进一步避免了分层、撕裂等缺陷的产生。最终刀具轴线摆正，通过侧切方式将双面埋头孔底部磨削至目标直径。

Description

钻磨加工刀具及钻磨加工方法

技术领域

本发明涉及一种钻磨加工刀具及钻磨加工方法。

背景技术

作为复合材料中应用时间较早、应用范围最广的复合材料之一，纤维增强复合材料目前在国防、航空航天领域正逐步推广应用，其具有比强度高、比模量大，抗疲劳、耐腐蚀等优异性能。但是纤维增强复合材料本身具有低剪切强度、高缺陷敏感性、不耐高温等特性，因此纤维增强复合材料往往与轻质的航空材料Al或者Ti通过螺接或者铆接连接使用，以获得更好的综合性能。

作为典型的各向异性和非均匀性材料，纤维增强复合材料在机械加工过程中极易产生分层、表层撕裂、毛刺、崩边、烧伤等缺陷。尤其在制孔工序，刀具切入过程的挤出力、切出过程的轴向力均会导致孔口出现不可控的撕裂、分层等缺陷。目前对于纤维增强复合材料制孔加工研究主要从刀具技术、工艺方法、加工方式、材料结构等方面着手。刀具技术层面，目前涌现的包括改型麻花钻、套料钻、烛心钻、铣磨头等各类型刀具均有一定程度提高加工质量；工艺方法层面，目前有控制切削进给、底部预留底板、高速切削、螺旋分层切削、先钻后铣等解决方案，同样效果不一；加工方式方面，目前出现了包括冷挤压、预成型等非传统减材加工方式，但是其实现成本较高，适应性较窄；材料结构方面目前出现了包括双面铺层结构、牺牲层等为工艺方法预设的铺层结构，但是其需提前介入结构设计环节。总而言之，各类解决方式各有其优缺点。

鉴于以上各加工方式存在的一些列问题，开发一种能够严格控制维增强复合材料制孔加工过程中产生的分层、撕裂等缺陷的加工工具及其应用方法已经迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻磨加工刀具及钻磨加工方法。

为解决上述问题，本发明提供一种钻磨加工刀具，包括：

刀具本体；

于所述刀具本体顶部的按照周向设置的椭圆轨迹的顶部钻削刃型，所述顶部钻削刃型的端面电镀有140#-170#粒度金刚石磨粒；

设置于所述刀具本体的中间的侧壁上的侧边磨削用磨粒群。

进一步的，在上述钻磨加工刀具中，所述刀具本体由30CrMnSiA合金钢调制后经过光磨而成。

进一步的，在上述钻磨加工刀具中，所述顶部钻削刃型由加工中心经过线切割形成，所述顶部钻削刃型沿周向展开为正弦函数方程曲线。

进一步的，在上述钻磨加工刀具中，所述顶部钻削刃型在加工完成后，所述顶部钻削刃型的端面电镀有所述金刚石磨粒，所述金刚石磨粒包络所述顶部钻削刃型的端面和侧面，用于预钻底孔加工。

进一步的，在上述钻磨加工刀具中，所述侧边磨削用磨粒群为电镀于所述刀具本体的中间的侧壁上的140#-170#粒度金刚石磨粒，所述侧边磨削用磨粒群形成长度为l_g、直径为d_t的磨削区，用于最终底孔的无缺陷加工。

根据本发明的另一面，还提供一种采用上述任一项所述的钻磨加工刀具的钻磨加工方法，包括：

钻磨加工刀具单向旋转，以在工件上预转底孔，预钻的底孔的深度Dy为所述工件的材料厚度L的50％～70％所述钻磨加工刀具的工作区域为所述刀具顶部钻削刃型和刀具顶部钻削刃型上电镀的金刚石磨粒；

在达到预转深度时钻磨加工刀具停止单向旋转，改为钻磨加工刀具正反方向的小转角振荡往复磨削；

在钻磨加工刀具整体钻出时，钻磨加工刀具继续沿着轴向进给，直到侧边磨削用磨粒群位于底孔的中心时停止轴向进给，同时所述钻磨加工刀具不再为正反方向的小转角振荡往复磨削，而改为单向恒定转速旋转；

钻磨加工刀具以底孔的中心为旋转中心，钻磨加工刀具的轴线不断发生倾斜，定义钻磨加工刀具的轴线与底孔之间的轴线为螺旋倾角γ，在螺旋倾角γ不断增大的过程中，原本为圆柱体截面的底孔形貌转为双侧埋头孔，当螺旋倾角γ增大至双侧埋头孔的大径最终达到底孔的的直径D_k后，钻磨加工刀具停止旋转；

钻磨加工刀具的轴线摆正与底孔的轴线平齐，采用侧切方式将双侧埋头孔的底部的工件的材料去除，最终完成该底孔加工。

进一步的，在上述方法中，钻磨加工刀具改为正反方向的小转角振荡往复磨削，包括：

每一周期下钻磨加工刀具正转θ＝180°的同时，沿轴向进给量为工件的2倍纤维直径；

然后钻磨加工刀具反转θ＝90°，同时钻磨加工刀具在轴向不进给。

进一步的，在上述方法中，钻磨加工刀具改为正反方向的小转角振荡往复磨削，包括：

钻磨加工刀具改为正反方向的小转角振荡往复磨削，包括：

在每一周期下，每个顶部钻削刃型的磨削刃口的加工区域可以划分为三个区域，分别为第一磨削区域、第二磨削区域和磨削断屑区域，其中，

第一磨削区域发生在正转角度0°<θ<90°的过程中，单颗金刚石磨粒切削模型截面为三角形，切厚不断增大；

第二磨削区域发生在正转角度90°<θ<180°的过程中，单颗金刚石磨粒切削模型截面为平行四边形，切厚恒定；

磨削断屑区域发生在钻磨加工刀具反转过程，用于及时将工件的纤维增强体断裂。

与现有技术相比，包括刀具本体、顶部钻削刃型和侧边磨削用磨粒群。该刀具本体顶部按照周向设置椭圆轨迹刃型，并在其上电镀金刚石磨粒，用于底孔加工钻入阶段。在底孔加工钻出阶段，刀具停止单向旋转，而改为小转角振荡往复磨削进给，避免了钻出阶段轴向力过大导致分层、撕裂等缺陷。在底孔完成后，刀具沿轴线进给至侧边磨粒群区域，同时刀具轴线沿孔中心偏转，并绕其旋转。通过五轴螺旋方式将底孔铣出成双面埋头孔结构，埋头孔顶部直径达到目标孔径，在此过程中对于纤维增强复合材料无论顶层铺层、还是底层铺层其磨削受力均指向材料内部，进一步避免了分层、撕裂等缺陷的产生。最终刀具轴线摆正，通过侧切方式将双面埋头孔底部磨削至目标直径。通过纤维增强复合材料钻磨加工刀具及其应用的纤维复合材料钻磨加工方法能够极大程度降低纤维增强复合材料制孔加工过程中产生的分层、撕裂等缺陷，大幅提高产品质量。

附图说明

图1是本发明一实施例的一种纤维增强复合材料钻磨加工刀具示意图，其中1-刀具本体；2-顶部钻削刃型；3-侧边磨削用磨粒群；

图2是本发明一实施例的纤维复合材料底孔预钻示意图；

图3是本发明一实施例的纤维增强复合材料钻磨加工刀具小转角振荡往复磨削图；

图4是本发明一实施例的纤维增强复合材料钻磨加工刀具小转角振荡往复磨削每齿切削示意图；

图5为本发明一实施例的纤维增强复合材料钻磨加工刀具五轴螺旋磨孔示意图；

图6为本发明一实施例的纤维增强复合材料钻磨加工刀具完成最终孔加工。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种钻磨加工刀具，包括：

刀具本体1；

于所述刀具本体1顶部的按照周向设置椭圆轨迹的顶部钻削刃型2，所述顶部钻削刃型2的端面电镀有140#-170#粒度金刚石磨粒；

设置于所述刀具本体1的中间的侧壁上的侧边磨削用磨粒群3。

本发明的钻磨加工刀具一实施例中，所述刀具本体1由30CrMnSiA合金钢调制后经过光磨而成。

本发明的钻磨加工刀具一实施例中，所述顶部钻削刃型2由加工中心经过线切割形成，所述顶部钻削刃型2沿周向展开为正弦函数方程曲线。

本发明的钻磨加工刀具一实施例中，所述顶部钻削刃型2在加工完成后，所述顶部钻削刃型2的端面电镀有所述金刚石磨粒，所述金刚石磨粒包络所述顶部钻削刃型2的端面和侧面，用于预钻底孔加工。

本发明的钻磨加工刀具一实施例中，所述侧边磨削用磨粒群3为电镀于所述刀具本体1的中间的侧壁上的140#-170#粒度金刚石磨粒，所述侧边磨削用磨粒群3形成长度为l_g、直径为d_t的磨削区，用于最终底孔的无缺陷加工。

本发明还提供一种采用上述钻磨加工刀具的钻磨加工方法，所述方法包括：

步骤S1，如图2所示，钻磨加工刀具单向旋转，以在工件上预转底孔，预钻的底孔的深度Dy为所述工件的材料厚度L的50％～70％所述钻磨加工刀具的工作区域为所述刀具顶部钻削刃型2和刀具顶部钻削刃型2上电镀的金刚石磨粒；

步骤S2，按照图3所示，在达到预转深度时钻磨加工刀具停止单向旋转，改为钻磨加工刀具正反方向的小转角振荡往复磨削；

步骤S3，按照图5所示，在钻磨加工刀具整体钻出时，钻磨加工刀具继续沿着轴向进给，直到侧边磨削用磨粒群3位于底孔的中心时停止轴向进给，同时所述钻磨加工刀具不再为正反方向的小转角振荡往复磨削，而改为单向恒定转速旋转；

步骤S4，按照图5所示，此时钻磨加工刀具以底孔的中心为旋转中心，钻磨加工刀具的轴线不断发生倾斜，定义钻磨加工刀具的轴线与底孔之间的轴线为螺旋倾角γ，在螺旋倾角γ不断增大的过程中，原本为圆柱体截面的底孔形貌转为双侧埋头孔，

在这一过程中，无论对于最上层的纤维铺层、还是最下层的纤维铺层，其受力方向均指向工件的材料内部，不可能存在指向材料外部的切削分力。这意味着在磨削全过程，均不可能发生任何纤维由于受力产生撕裂、分层等缺陷，从根源上严格控制了缺陷的产生，

当螺旋倾角γ增大至双侧埋头孔的大径最终达到底孔的的直径D_k后，钻磨加工刀具停止旋转；

步骤S5，按照图6所示，在最终阶段，钻磨加工刀具的轴线摆正与底孔的轴线平齐，采用侧切方式将双侧埋头孔的底部的工件的材料去除，最终完成该底孔加工。

在这一过程中，对于已经加工完成的上下铺层表面，均已经完成加工，不可能再进行二次加工。因此此状态下上下铺层表面绝对安全，不可能产生任何缺陷。

在此，本发明提出了一种用于纤维增强复合材料钻磨加工刀具和纤维复合材料钻磨加工方法，其能够严格控制维增强复合材料制孔加工过程中产生的分层、撕裂等缺陷。

本发明的钻磨加工方法一实施例中，步骤S2，钻磨加工刀具改为正反方向的小转角振荡往复磨削，包括：

每一周期下钻磨加工刀具正转θ＝180°的同时，沿轴向进给量为工件的2倍纤维直径；

然后钻磨加工刀具反转θ＝90°，同时钻磨加工刀具在轴向不进给。

在此环节下，轴向进给与往复振荡角关系如图4所示，每一周期下，钻磨加工刀具正转θ＝180°的同时，沿轴向进给量为工件的2倍纤维直径；然后钻磨加工刀具反转θ＝90°，同时钻磨加工刀具在轴向不进给。

本发明的钻磨加工方法一实施例中，步骤S2，钻磨加工刀具改为正反方向的小转角振荡往复磨削，包括：

在每一周期下，每个顶部钻削刃型2的磨削刃口的加工区域可以划分为三个区域，分别为第一磨削区域、第二磨削区域和磨削断屑区域，其中，

第一磨削区域发生在正转角度0°<θ<90°的过程中，单颗金刚石磨粒切削模型截面为三角形，切厚不断增大；

第二磨削区域发生在正转角度90°<θ<180°的过程中，单颗金刚石磨粒切削模型截面为平行四边形，切厚恒定；

磨削断屑区域发生在钻磨加工刀具反转过程，用于及时将工件的纤维增强体断裂，防止分层缺陷的发生。

一具体实施例中，工件的材料为碳纤维增强树脂基复合材料CFRP，孔直径D_k＝30mm，CFRP厚度L＝10mm，干涉检查下最大允许螺旋倾角γ＝45°。

钻磨加工刀具的直径d_t＝18mm，侧边磨削用磨粒群3长度l_g＝45mm，磨粒粒度为140-170#金刚石通过电镀至刀具本体1上。

步骤1：计算实际最大螺旋倾角γ是否造成干涉。按照式1进行计算实际最大螺旋倾角γ，其中刀具直径d_t＝18mm；CFRP厚度L＝10mm，孔直径D_k＝30mm。

计算得实际最大螺旋倾角γ＝36.9°＜45°，因此采用此纤维增强复合材料钻磨加工刀具及其加工方法是安全可行的。

步骤2：预钻底孔。采用该纤维增强复合材料钻磨加工刀具进行钻削加工，刀具转速N＝12000rpm，进给量f_r＝0.08mm/rev，预钻削距离D_y＝6mm。

步骤3：小转角振荡往复磨削。在此环节下，轴向进给与往复振荡角关系如图4所示，每一周期下刀具正转θ＝180°的同时，沿轴向进给量为2倍纤维直径。然后刀具反转θ＝90°，同时刀具在轴向不进给。在每一周期下，任意磨削刃口加工区域可以划分为三个区域，分别为第一磨削区域、第二磨削区域和磨削断屑区域。其中第一磨削区域发生在正转角度0°<θ<90°的过程中，单颗磨粒切削模型截面为三角形，切厚不断增大；第二磨削区域发生在正转角度90°<θ<180°的过程中，单颗磨粒切削模型截面为平行四边形，切厚恒定；磨削断屑区域发生在刀具反转过程，主要用于及时将纤维增强体断裂，防止分层缺陷的发生。此工步下刀具转速N＝4000rpm，进给量f_r＝0.04mm/rev，加工直至底孔全部钻穿。

步骤4：五轴螺旋磨削制孔。此时刀具以孔中心为旋转中心，刀具轴线不断发生倾斜，定义刀具轴线与加工孔之间的轴线为螺旋倾角γ。螺旋倾角γ由0°不断增大至36.9°，其中刀具转速N＝12000rpm，螺旋倾角γ增大角速度ω_γ＝30°/min，磨孔至双侧埋头孔最大直径为30mm。

步骤5：最终磨孔加工。最终阶段，刀具轴线摆正与孔轴线平齐，采用侧切方式将两侧埋头孔底部材料去除。此时刀具转速N＝12000rpm，给量f_r＝0.08mm/rev，切削宽度为0.35mm。

综上所述，本发明的钻磨加工刀具包括刀具本体、顶部钻削刃型和侧边磨削用磨粒群。该刀具本体顶部按照周向设置椭圆轨迹刃型，并在其上电镀金刚石磨粒，用于底孔加工钻入阶段。在底孔加工钻出阶段，刀具停止单向旋转，而改为小转角振荡往复磨削进给，避免了钻出阶段轴向力过大导致分层、撕裂等缺陷。在底孔完成后，刀具沿轴线进给至侧边磨粒群区域，同时刀具轴线沿孔中心偏转，并绕其旋转。通过五轴螺旋方式将底孔铣出成双面埋头孔结构，埋头孔顶部直径达到目标孔径，在此过程中对于纤维增强复合材料无论顶层铺层、还是底层铺层其磨削受力均指向材料内部，进一步避免了分层、撕裂等缺陷的产生。最终刀具轴线摆正，通过侧切方式将双面埋头孔底部磨削至目标直径。通过纤维增强复合材料钻磨加工刀具及其应用的纤维复合材料钻磨加工方法能够极大程度降低纤维增强复合材料制孔加工过程中产生的分层、撕裂等缺陷，大幅提高产品质量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种钻磨加工刀具，其特征在于，包括：

刀具本体；

于所述刀具本体顶部的按照周向设置的椭圆轨迹的顶部钻削刃型，所述顶部钻削刃型的端面电镀有140#-170#粒度金刚石磨粒；

设置于所述刀具本体的中间的侧壁上的侧边磨削用磨粒群。

2.如权利要求1所述的钻磨加工刀具，其特征在于，所述刀具本体由30CrMnSiA合金钢调制后经过光磨而成。

3.如权利要求1所述的钻磨加工刀具，其特征在于，所述顶部钻削刃型由加工中心经过线切割形成，所述顶部钻削刃型沿周向展开为正弦函数方程曲线。

4.如权利要求1所述的钻磨加工刀具，其特征在于，所述顶部钻削刃型在加工完成后，所述顶部钻削刃型的端面电镀有所述金刚石磨粒，所述金刚石磨粒包络所述顶部钻削刃型的端面和侧面，用于预钻底孔加工。

5.如权利要求1所述的钻磨加工刀具，其特征在于，所述侧边磨削用磨粒群为电镀于所述刀具本体的中间的侧壁上的140#-170#粒度金刚石磨粒，所述侧边磨削用磨粒群形成长度为l_g、直径为d_t的磨削区，用于最终底孔的无缺陷加工。

6.一种采用如权利要求1～5任一项所述的钻磨加工刀具的钻磨加工方法，其特征在于，包括：

钻磨加工刀具单向旋转，以在工件上预转底孔，预钻的底孔的深度Dy为所述工件的材料厚度L的50％～70％所述钻磨加工刀具的工作区域为所述刀具顶部钻削刃型和刀具顶部钻削刃型上电镀的金刚石磨粒；

在达到预转深度时钻磨加工刀具停止单向旋转，改为钻磨加工刀具正反方向的小转角振荡往复磨削；

在钻磨加工刀具整体钻出时，钻磨加工刀具继续沿着轴向进给，直到侧边磨削用磨粒群位于底孔的中心时停止轴向进给，同时所述钻磨加工刀具不再为正反方向的小转角振荡往复磨削，而改为单向恒定转速旋转；

钻磨加工刀具以底孔的中心为旋转中心，钻磨加工刀具的轴线不断发生倾斜，定义钻磨加工刀具的轴线与底孔之间的轴线为螺旋倾角γ，在螺旋倾角γ不断增大的过程中，原本为圆柱体截面的底孔形貌转为双侧埋头孔，当螺旋倾角γ增大至双侧埋头孔的大径最终达到底孔的的直径D_k后，钻磨加工刀具停止旋转；

钻磨加工刀具的轴线摆正与底孔的轴线平齐，采用侧切方式将双侧埋头孔的底部的工件的材料去除，最终完成该底孔加工。

7.如权利要求6所述的钻磨加工方法，其特征在于，钻磨加工刀具改为正反方向的小转角振荡往复磨削，包括：

每一周期下钻磨加工刀具正转θ＝180°的同时，沿轴向进给量为工件的2倍纤维直径；

然后钻磨加工刀具反转θ＝90°，同时钻磨加工刀具在轴向不进给。

8.如权利要求6所述的钻磨加工方法，其特征在于，钻磨加工刀具改为正反方向的小转角振荡往复磨削，包括：

钻磨加工刀具改为正反方向的小转角振荡往复磨削，包括：

在每一周期下，每个顶部钻削刃型的磨削刃口的加工区域可以划分为三个区域，分别为第一磨削区域、第二磨削区域和磨削断屑区域，其中，

第一磨削区域发生在正转角度0°<θ<90°的过程中，单颗金刚石磨粒切削模型截面为三角形，切厚不断增大；

第二磨削区域发生在正转角度90°<θ<180°的过程中，单颗金刚石磨粒切削模型截面为平行四边形，切厚恒定；

磨削断屑区域发生在钻磨加工刀具反转过程，用于及时将工件的纤维增强体断裂。

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