CN111185964A - 具有左手沟槽和右手沟槽的轨道式钻头 - Google Patents

Abstract

一种轨道式钻头，包括钻孔部分、柄部部分以及在所述钻孔部分与所述柄部部分之间的颈部部分。所述钻孔部分包括具有切削刃的一个或多个右旋螺旋沟槽，所述切削刃具有用于在绕入材料时进行正切削动作的正轴向前角。所述右旋螺旋沟槽具有正径向前角和正轴向前角。所述钻孔部分还包括位于所述一个或多个右旋螺旋沟槽的后方的一个或多个左旋螺旋沟槽，所述一个或多个左旋螺旋沟槽具有切削刃，所述切削刃具有在从所述材料中绕回并移除所述孔中留下的任何材料时用于正切削动作的正轴向前角和正径向前角，从而消除了单独的扩孔操作。还公开了一种使用所述轨道式钻头对工件进行机加工的方法。

Description

具有左手沟槽和右手沟槽的轨道式钻头

技术领域

本发明涉及用于在材料中形成孔的切削工具、轨道式钻头和使用轨道式钻头机加工工件的方法。

背景技术

纤维增强塑料(FRP)材料因其高比强度和高比刚度而广泛用于航空航天工业中。FRP材料是由软树脂基体和高强度纤维增强物组成的复合材料。典型的纤维增强物包括碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、凯芙拉(Kevlar)纤维等。FRP材料通常被加工成层压结构。FRP材料具有优异的面内强度，但层间强度低。

常规钻孔也被称为“推进式钻孔”，是与金属一起使用的一种惯例。沿工具的轴线向下按压钻头以形成一个孔。用这种方法进行钻孔可减少金属层中一侧到另一侧的偏转。但是，推进式钻孔CFRP材料通常会出现问题，并且会导致纤维分层和其他损坏。

减少纤维分层的一种方法是使用轨道式钻孔工艺。轨道式钻孔是通过铣削进行的造孔操作，其中在绕其自身的轴线旋转并沿轴向方向移动时端铣轨道的中心围绕目标孔的中心。轨道式钻孔也被称为“圆形铣削”或“螺旋内插”。

轨道式钻头用于机加工多种类型材料的堆叠，诸如钛和碳纤维增强塑料(CFRP)。由于所有这些材料具有不同的机加工性能，因此在机加工时它们的反应不同，从而难以在整个孔深度上保持孔公差。因此，在钻孔之后必须将孔扩大，从而增加了制造成本。

发明内容

通过提供轨道式钻头解决了钻孔穿过多种类型材料的堆叠而无需扩孔的问题，所述轨道式钻头具有右旋螺旋沟槽和位于所述右旋螺旋沟槽的后方的左旋螺旋沟槽，所述右旋螺旋沟槽具有正轴向前脚以在入口处自由地切削所述材料(即，绕入所述材料)，所述左旋螺旋沟槽具有正轴向前脚以在出口处自由地切削所述材料(即，从所述材料中绕回)，从而消除进行单独的扩孔操作的需要。

在一方面，切削工具包括钻孔部分和柄部部分。所述钻孔部分包括第一沟槽和位于所述第一沟槽的后方的第二沟槽，所述第一沟槽具有右旋盘旋构型并具有第一切削刃，所述第一切削刃具有在绕入材料中以在所述材料中形成孔时用于正切削动作的正轴向前角，所述第二沟槽具有左旋盘旋构型并具有第二切削刃，所述第二切削刃具有在从所述材料中绕回并移除所述孔中由于在绕入所述材料中时所述切削工具的偏转而留下的任何残留材料时用于正切削动作的正轴向前角，从而消除了单独的扩孔操作。

在另一方面，轨道式钻头包括钻孔部分、柄部部分以及在所述钻孔部分与所述柄部部分之间的颈部部分。所述钻孔部分包括第一沟槽和位于所述第一沟槽的后方的第二沟槽，所述第一沟槽具有右旋盘旋构型并具有第一切削刃，所述第一切削刃具有在使用第一轨道式钻孔操作绕入材料中以在所述材料中形成孔时用于正切削动作的正轴向前角，所述第二沟槽具有左旋盘旋构型并具有第二切削刃，所述第二切削刃具有在使用第二轨道式钻孔操作从所述材料中绕回从而移除所述孔中由于在使用所述第一轨道式钻孔操作绕入所述材料中时所述切削工具的偏转而留下的任何残留材料时用于正切削动作的正轴向前角，从而消除了单独的扩孔操作。

在又一方面，一种使用轨道式钻头机加工工件的方法，所述轨道式钻头包括钻孔部分和柄部部分，其中所述钻孔部分包括第一沟槽和位于所述第一沟槽的后方的第二沟槽，所述第一沟槽具有右旋盘旋构型并具有第一切削刃，所述第一切削刃具有正轴向前角，所述第二沟槽具有左旋盘旋构型并具有第二切削刃，所述第二切削刃具有正轴向前角，所述方法包括：

相对于工件对所述轨道式钻头进行定位以开始机加工循环；以及

使用第一轨道式钻孔操作用具有所述右旋螺旋构型的所述第一沟槽的所述切削刃在所述工件中形成孔；以及

使用第二轨道式钻孔操作将所述轨道式钻头从所述工件的所述孔中移出，

其中在使用所述第二轨道式钻孔操作将所述轨道式钻头从所述工件移出时使用所述左旋螺旋沟槽的所述切削刃，移除在使用所述第一轨道式钻孔操作在所述工件中形成所述孔时由于所述轨道式钻头的偏转留下的残留材料。

附图说明

虽然示出了本发明的各种实施方案，但是所示出的特定实施方案不应被解释为限制权利要求。预期在不脱离本发明范围的情况下可以进行各种改变和修改。

图1是根据本发明的示例性实施方案的用于机加工多种类型材料的堆叠的轨道式钻头的刀具轮廓的侧视图；

图2是根据本发明的示例性实施方案的用于机加工多种类型材料的堆叠的轨道式钻头的侧视图；

图3是图2的轨道式钻头的钻孔部分的放大侧视图，示出了右旋螺旋沟槽和位于右旋螺旋沟槽后方的左旋螺旋沟槽；

图4是图2的轨道式钻头的放大端视图，示出了右旋螺旋沟槽和位于右旋螺旋沟槽后方的左旋螺旋沟槽；

图5是沿图2的穿过右旋螺旋沟槽的线5-5截取的剖视图；并且

图6是沿图2的穿过右旋螺旋沟槽的线6-6截取的剖视图。

具体实施方式

下面是对带有右旋盘旋或螺旋沟槽和左旋盘旋或螺旋槽两者的切削工具型式诸如轨道式钻头等的图示和说明，这些切削工具用于机加工由多种材料制成的工件(未示出)。但是，应当注意，切削工具可被构造为适合任何特定的应用，诸如括孔、端铣等，并且不仅限于图示中的实例。

本文中对特定应用的描述不应限制使用切削工具的范围和程度。

如本文在整个说明书和权利要求中所使用的，近似语言可以被用来修改可以允许变化的任何定量表示，而不引起它所涉及的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语诸如“约”、“大约”和“基本上”修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。在此以及整个说明书和权利要求中，范围限制可以组合和/或互换，除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。

在整个文本和权利要求中，相对于值的范围(例如，“约22重量％至35重量％”)使用词“约”旨在修饰所列举的高值和低值两者，并反映与测量值、有效数字和互换性相关联的变化的模糊程度，这些全是如本发明所属领域的普通技术人员应当理解的。

出于本说明书的目的(除在操作实例中之外)，除非另有说明，否则表示成分的数量和范围、工艺条件等的所有数值在所有情况下均应理解为由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则本说明书和所附权利要求中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可以根据本发明寻求获得的期望结果而变化。最低限度，并且不试图将等同原则的应用限制在权利要求的范围，每个数值参数应至少根据所报告的有效数字的数值并通过采用一般的舍入技术进行解释。此外，如本说明书和所附权利要求中所用，除非明确且不含糊地限于一个指代，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在包括复数指代。

尽管列出本发明的广泛范围的数值范围和参数均为近似值，但是在具体实例中列出的数值被尽可能精确地报告。然而，任何数值都固有地包含某些误差，这些误差必定是由它们各自的测试测量中发现的标准偏差(包括测量仪器中发现的标准偏差)引起的。同样，应当理解，本文列举的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围。例如，范围“1至10”旨在包括在所列举的最小值1与所列举的最大值10之间的所有子范围，即，具有等于或大于1的最小值以及等于或小于10的最大值的范围。因为公开的数值范围是连续的，所以它们包括最小值和最大值之间的每个值。除非另有明确说明，否则本申请中指定的多种数值范围均为近似值。

在以下说明书和权利要求中，引用了具有以下含义的多个术语。

除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代。

“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。

如本文中所使用的，左旋切具(即，左旋切削刀具)被定义为当从工具的切削端观察时必须顺时针旋转以进行切削的切削工具，诸如轨道是钻头等。

如本文中所使用的，右旋切具(即，右旋切削工具)被定义为当从工具的切削端观察时必须逆时针旋转以进行切削的切削工具，诸如轨道是钻头等。

如本文所使用的，当从切削工具的任一端观察时，当沟槽以逆时针方向背离观察者扭转时，沟槽具有左旋螺旋或盘旋构型。具有左旋螺旋或盘旋构型的沟槽将切屑推向切削工具的前方，并从工件中的待机加工的孔的另一侧推出。

如本文所使用的，当从切削工具的任一端观察时，当沟槽以顺时针方向背离观察者扭转时，沟槽具有右旋螺旋或盘旋构型。具有右旋螺旋或螺旋构型的沟槽将切屑拉向切削工具的后部，并从工件中的待机加工的孔中拉出。

如本文中所使用的，盘旋、多盘旋是一种类型的平滑的空间曲线，即三维空间曲线。它具有这样的特性，即在任意点处的切线与被称为轴线(即纵向轴线)的固定线成恒定角度。

参考图1，其中相同的附图标记表示相同的元件，用于轨道式钻孔的示例性切削工具通常在10处示出。本发明的切削工具10对于对工件(未示出)进行机加工特别有用。工件可以由单一材料或具有不同材料特性的多种材料制成。例如，工件可以是单层碳纤维增强塑料(CFRP)材料或金属材料。在另一个实例中，工件可包括顶层的CFRP材料和底层的金属材料，诸如钛等。

一般来讲，切削工具10包括固体，该固体包括在一端14(即，前切削端)处的钻孔部分12和在相对的另一端18(即，后非切削端)处的柄部部分16。如图1所示，钻孔部分12和柄部部分16沿着纵向延伸的旋转轴线22顺序地布置，其中钻孔部分12靠近轨道式钻头10的前切削端14，柄部部分16靠近轨道式钻头10的后非切削端18。前切削端14可包括凹角23，该凹角的范围可介于约两(2)度和约六(6)度之间。轨道式钻头10还可包括在钻孔部分12与柄部部分16之间的颈部部分20。颈部部分20的一个目的是在机加工操作期间允许轨道式钻头10存在空隙。颈部部分20的另一个目的是在机加工操作期间允许排出切屑。通常，颈部部分20的长度尺寸被设计成大于待机加工的工件(未示出)的整个厚度。

钻孔部分12具有切削直径24，颈部部分20具有颈部直径26，并且柄部部分16具有柄部直径28。一般来讲，颈部直径26小于切削直径24，并且切削直径24可以小于、等于或大于柄部直径28。例如，颈部直径26可以为约切削直径24的65％至95％，并且切削直径24可以比柄部直径28大50％。轨道式钻头10还可包括在颈部部分20与柄部部分16之间的周向锥形表面29。但是，应当理解，锥形表面29可以省略，并且颈部部分20和柄部部分16可以具有近似相同的直径。

如图2至图4所示，轨道式钻头10的钻孔部分12包括具有第一螺旋构型的至少一个沟槽30，以及位于至少一个沟槽30的后方(即，朝向柄部部分16)且具有不同的第二螺旋构型的至少一个沟槽32。在一个实施方案中，至少一个沟槽30具有右旋螺旋构型，并且至少一个沟槽32具有左旋螺旋构型。如前所述，具有右旋螺旋构型的沟槽30将切屑拉向轨道式钻头10的后部并从工件(未示出)中待机加工的孔中拉出，并且具有左旋螺旋构型的沟槽32将切屑推向轨道式钻头10的前部并从工件中待机加工的孔的另一侧推出。因此，轨道式钻头10具有在待机加工的机加工操作期间绕入材料中并绕回(即回缩)时的正切削作用。

在所示的实施方案中，轨道式钻头10具有总共四(4)个具有右旋螺旋构型的沟槽30，以及总共四个(4)具有左旋螺旋构型的沟槽32。然而，应当理解，本发明不受右旋螺旋沟槽30和左旋螺旋沟槽32的总数的限制，并且本发明可以分别使用任意期望数量的右旋螺旋沟槽30和左旋螺旋沟槽32实施，例如两(2)个、六(6)个、八(8)个等，只要轨道式钻头10具有至少一个右旋螺旋沟槽30和位于至少一个右旋螺旋沟槽30的后方的至少一个左旋螺旋沟槽32。

如图3所示，每个右旋螺旋沟槽30的切削刃相对于轨道式钻头10的纵向轴线22以正轴向前角42形成。在所示的实施方案中，轴向前角42为大约三十(30)度。类似地，每个左旋螺旋沟槽32的切削刃相对于轨道式钻头10的纵向轴线22以正轴向前角44形成。在所示的实施方案中，轴向前角44为大约三十(30)度。应当理解，本发明可以在右旋螺旋沟槽30的轴向前角42不同于左旋螺旋沟槽32的轴向前角44的情况下实施。

现在参考图5和图6，具有右旋螺旋构型的四个沟槽30中的每一个在轨道式钻头10进入工件中时均限定切削工件(未示出)的切削刃34。类似地，具有左旋螺旋构型的四个沟槽32中的每一个在轨道式钻头10退出工件时均限定切削工件(未示出)的切削刃36。

本发明的一方面在于，每个切削刃34限定正径向前角38和正轴向前角42，并且每个切削刃36限定正径向前角40和正轴向前角44。具体地讲，具有正径向前角38和正轴向前角42的右旋螺旋沟槽30在入口处自由地切削材料(即，绕入材料)，而位于右旋螺旋沟槽30的后方具有正径向前角40和正轴向前角44的左旋螺旋沟槽32在出口处自由地切削材料(即，从材料中绕回)，从而消除进行单独的扩孔操作的需要。

如图5和图6所示，所有沟槽30、32是相同旋向的切具。特别地，示例性轨道式钻头10的所有沟槽30、32是右旋切具(即，右旋切削工具)。因此，当从轨道式钻头10的切削端14观察时，轨道式钻头10围绕纵向轴线22以逆时针方向R旋转以进行切削，如图4所示。然而，应当理解，本发明可以用具有左旋切具(即，左旋切削工具)的沟槽30、32来实施，使得当从切削端14观察时，轨道式钻头10将顺时针旋转以进行切削。

在操作中，将轨道式钻头10定位在期望的位置以开始机加工循环。在该位置处，轨道式钻头10的中心纵向轴线22与在工件中待机加工的孔(未示出)基本对齐。工件可包括，例如，单一材料或具有具有不同材料性质的两层或更多层材料的复合材料。例如，工件可包括顶层的碳纤维增强塑料(CFRP)材料和底层的金属材料，诸如钛等。

一旦基本对齐，就使用轨道式钻孔削操作(盘旋内插或圆形铣削)用轨道式钻头10的钻孔部分12上在工件(未示出)中对孔进行机加工。在轨道式钻孔操作中，轨道式钻头10的中心纵向轴线22围绕孔的中心轴线在盘旋或圆形方向上移动。孔可以仅在入口处为全直径，或者可以被完全精加工至全直径，或者可以在孔的内径(ID)上具有某一精加工余量。注意，在轨道式钻孔操作期间，通过使用轨道式钻头10的钻孔部分12的右旋螺旋沟槽30的切削刃34来实现材料的移除，该切削刃将切屑拉向轨道式钻头10的后部并从孔中拉出，从而防止对材料造成损坏。

然后，将轨道式钻头10从工件中的孔移出(即，使用轨道式钻孔操作进行再次回缩)，使得左旋螺旋沟槽32的切削刃36将孔中的任何残留材料移除至最终直径，从而消除了使用常规轨道式钻头时所需的扩孔操作。应当注意，具有左旋螺旋构型的沟槽32将切屑推向轨道式钻头10的前部并从工件中待机加工的孔的另一侧推出，从而防止对工件造成任何损坏。至此，机加工操作完成。

如上所述，工件可包括具有两层或更多层具有不同材料特性的材料的复合材料。在这种情况下，使用轨道式钻孔操作将轨道式钻头10进一步移动到工件中，直到钻孔部分12已经完全钻穿工件的所有层材料。注意，当轨道式钻头10移动到工件中时，使用轨道式钻头10的钻孔部分12的右旋螺旋沟槽30的切削刃34，该切削刃将切屑拉向轨道式钻头10的后部并从孔中拉出，从而防止对工件造成损坏。

接下来，使用轨道式钻孔操作使轨道式钻头10围绕孔的中心轴线沿盘旋或圆形方向背离工件移动。当轨道式钻头10背离工件移动时，左旋螺旋沟槽32的切削刃36将任何残留材料移除至最终直径，从而消除了使用常规轨道式钻头时所需的扩孔操作。应当注意，具有左旋螺旋构型的沟槽32将切屑推向轨道式钻头10的前部并从工件中待机加工的孔的另一侧推出，从而防止对工件造成任何损坏。至此，机加工操作完成。

如上所述，具有正径向前角38和正轴向前角42的一个或多个右旋螺旋沟槽30在轨道式钻头10插入工件中时提供了正切削动作，并且位于右旋螺旋沟槽30的后方的具有正径向前角40和正轴向前角44的一个或多个左旋螺旋沟槽32在回缩轨道式钻头10退出工件时提供正切削动作。

本文提及的专利和公开文件据此通过引用并入。

尽管已经描述了当前的优选实施方案，但是本发明可以在所附权利要求的范围内以其他方式实施。

Claims (19)

1.一种用于在材料中形成孔的切削工具，包括：

钻孔部分；以及

柄部部分，

其中所述钻孔部分包括第一沟槽和位于所述第一沟槽的后方的第二沟槽，所述第一沟槽具有右旋盘旋构型并具有第一切削刃，所述第一切削刃具有在绕入材料中以在所述材料中形成孔时用于正切削动作的正轴向前角，所述第二沟槽具有左旋盘旋构型并具有第二切削刃，所述第二切削刃具有在从所述材料中绕回并移除所述孔中由于在绕入所述材料中时所述切削工具的偏转而留下的任何残留材料时用于正切削动作的正轴向前角，从而消除了单独的扩孔操作。

2.如权利要求1所述的切削工具，其中所述第一沟槽和所述第二沟槽均为右旋切具。

3.如权利要求1所述的切削工具，其中所述第一沟槽的所述第一切削刃和所述第二沟槽的所述第二切削刃均具有正径向前角。

4.如权利要求1所述的切削工具，其中所述钻孔部分的直径小于所述柄部部分的直径。

5.如权利要求1所述的切削工具，进一步包括在所述钻孔部分与所述柄部部分之间的颈部部分。

6.如权利要求5所述的切削工具，其中所述颈部部分的直径小于所述钻孔部分的直径。

7.如权利要求4所述的切削工具，进一步包括在所述颈部部分与所述柄部部分之间的锥形表面。

8.如权利要求1所述的切削工具，进一步包括在所述颈部部分与所述柄部部分之间的周向锥形表面。

9.如权利要求1所述的切削工具，其中所述切削工具包括轨道式钻头。

10.如权利要求1所述的切削工具，其中所述材料包括碳纤维增强塑料(CFRP)和金属材料的复合材料。

11.一种轨道式钻头，包括：

钻孔部分；以及

柄部部分；以及

在所述钻孔部分与所述柄部部分之间的颈部部分，

其中所述钻孔部分包括第一沟槽和位于所述第一沟槽的后方的第二沟槽，所述第一沟槽具有右旋盘旋构型并具有第一切削刃，所述第一切削刃具有在使用第一轨道式钻孔操作绕入材料中以在所述材料中形成孔时用于正切削动作的正轴向前角，所述第二沟槽具有左旋盘旋构型并具有第二切削刃，所述第二切削刃具有在使用第二轨道式钻孔操作从所述材料中绕回从而移除所述孔中由于在使用所述第一轨道式钻孔操作绕入所述材料中时所述切削工具的偏转而留下的任何残留材料时用于正切削动作的正轴向前角，从而消除了单独的扩孔操作。

12.如权利要求11所述的轨道式钻头，其中所述第一沟槽和所述第二沟槽均为右旋切具。

13.如权利要求11所述的轨道式钻头，其中所述第一沟槽的所述第一切削刃和所述第二沟槽的所述第二切削刃均具有正径向前角。

14.如权利要求11所述的轨道式钻头，其中所述钻孔部分的直径小于所述柄部部分的直径。

15.如权利要求11所述的轨道式钻头，其中所述颈部部分的直径小于所述钻孔部分的直径。

16.如权利要求11所述的轨道式钻头，进一步包括在所述颈部部分与所述柄部部分之间的锥形表面。

17.如权利要求11所述的轨道式钻头，进一步包括在所述颈部部分与所述柄部部分之间的周向锥形表面。

18.如权利要求11所述的轨道式钻头，其中所述材料包括碳纤维增强塑料(CFRP)和金属材料的复合材料。

19.一种使用轨道式钻头机加工工件的方法，所述轨道式钻头包括钻孔部分和柄部部分，其中所述钻孔部分包括第一沟槽和位于所述第一沟槽的后方的第二沟槽，所述第一沟槽具有右旋盘旋构型并具有第一切削刃，所述第一切削刃具有正轴向前角，所述第二沟槽具有左旋盘旋构型并具有第二切削刃，所述第二切削刃具有正轴向前角，所述方法包括：

相对于工件对所述轨道式钻头进行定位以开始机加工循环；以及

使用第一轨道式钻孔操作用具有所述右旋螺旋构型的所述第一沟槽的所述切削刃在所述工件中形成孔；以及

使用第二轨道式钻孔操作将所述轨道式钻头从所述工件的所述孔中移出，

其中在使用所述第二轨道式钻孔操作将所述轨道式钻头从所述工件移出时使用所述左旋螺旋沟槽的所述切削刃，移除在使用所述第一轨道式钻孔操作在所述工件中形成所述孔时由于所述轨道式钻头的偏转留下的残留材料。

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