CN111250763A - 一种加工复材叠层板的小径复杂刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，包括一棒形体；所述棒形体的一端设有切削部，另一端设为柄部；所述切削部沿着长度方向分设为至少一段的主要工作区和至少一段的次要工作区，且主要工作区和次要工作区呈交替分布；所述主要工作区采用第一材料制成，所述次要工作区和柄部采用第二材料制成，且相邻的第一材料与第二材料之间是采用焊接相固定；其中，所述第一材料的硬度大于所述第二材料的硬度。本发明在提高刀具主要工作区硬度和耐磨性的同时，能够保证刀具主体的韧性和强度；而且可以降低刀具加工时长和加工难度，降低加工成本。

Description

一种加工复材叠层板的小径复杂刀具

技术领域

本发明涉及刀具技术领域，特别是涉及一种加工复材叠层板的小径复杂刀具。

背景技术

在对复合材料叠层板进行切削加工时会用到小规格的阶梯钻、锪钻、“人字形”铣刀及成型铣刀等结构较复杂的刀具，但是由于复合材料硬度较高，常见的高速钢材料或硬质合金材料的刀具在对其进行切削加工时，切削效率和刀具寿命均会出现极大下降，为保证加工效率和切削刀具的使用寿命，一般会使用PCD(金刚石)、CBN(立方氮化硼)或陶瓷材料进行切削加工。

阶梯型钻头和锪钻属于孔加工刀具，阶梯型钻头可以在钻孔过程中起到渐次扩大孔径的作用，一支钻头可以代替多支钻头使用，根据需要加工不同直径的孔，并可实现大孔一次性加工完成，不需要更换钻头和打定位孔等，同时使加工时孔加工刀具受力减小，从而增加使用寿命，是目前市场上使用较为广泛的孔加工刀具。锪钻则是一种用以锪锥形埋头孔的钻，可以在现有孔的基础上对孔口进行去毛刺、倒角、挖沉头窝等加工。然而，这些孔加工刀具在对复合材料进行孔加工时，却会存在如下问题：对于刀具前端切削部分全部使用硬度高的耐磨材料的孔加工刀具来说，虽然可以整体提高孔加工刀具的耐磨性，但是具有如下弊端：一是会降低刀具整体的韧性，使刀具极易发生断裂；二是加工难度大，加工效率低，加工成本高；而对于采用在刀具切削刃上焊镶耐磨片的孔加工刀具来说，虽然可以实现在保证切削刃耐磨性的同时，还保证刀具主体韧性的作用，但是具有如下弊端：一是复合材料加工的孔径一般较小，由于需要使用的孔加工刀具规格较小(刀具直径≤10mm)，因此无法对其实现焊接，也就限制了孔加工刀具的使用；二是焊镶耐磨片为平面，只能用于刃形结构单一的孔加工刀具，无法制造复杂刃形，加工工件表面容易起毛刺，刀具性能差。

“人字形”铣刀、成型铣刀和内R轮廓刀属于铣削刀具，“人字形”铣刀和成型铣刀一般使用刀具圆周切削刃进行复材叠层板的侧壁加工，切削部分结构复杂，可以在不损伤复合材料整体强度的同时，对其进行切削加工。内R轮廓刀主要通过内凹的圆弧切削刃对材料轮廓进行加工，可以实现材料轮廓的一次性成型加工。然而，这些铣削刀具在对复合材料进行铣削加工时，却会存在如下问题：对于刀具全部使用高速钢或硬质合金材料的铣削刀具，则存在着主要工作区磨损过快，刀具寿命低的弊端；对于刀具全部使用高硬度耐磨材料的铣削刀具，则存在着刀具加工难度大，加工工时长，加工成本高，结构刚性差的弊端；对于刀具在主要工作区焊接高硬度耐磨焊片的铣削刀具，由于焊片为平板结构，无法加工出所需复杂刀具结构，且切削效率和切削性能差；而且复材加工中所使用规格大部分为小规格(刀具直径≤10mm)，加工硬度较高的材料，无法用焊片焊接的方式进行生产制作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，通过结构改进，一方面，在提高刀具主要工作区硬度和耐磨性的同时，能够保证刀具主体的韧性和强度；另一方面，可以降低刀具加工时长和加工难度，降低加工成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，包括一棒形体；所述棒形体的一端设有切削部，另一端设为柄部；所述切削部沿着长度方向分设为至少一段的主要工作区和至少一段的次要工作区，且主要工作区和次要工作区呈交替分布；所述主要工作区采用第一材料制成，所述次要工作区和柄部采用第二材料制成，且相邻的第一材料与第二材料之间是采用焊接相固定；其中，所述第一材料的硬度大于所述第二材料的硬度。

所述第一材料与第二材料之间的焊接处还设有环绕所述棒形体周面的凹槽。

所述凹槽的截面形状为圆弧形或方形或异形，凹槽的槽宽为x，槽深为y，则：1％D≤x≤20％D，1％D≤y≤20％D，其中D为棒形体的直径。

所述第一材料为CBN，第二材料为硬质合金或高速钢；或者是，所述第一材料为PCD，第二材料为硬质合金或高速钢；或者是，所述第一材料为陶瓷，第二材料为硬质合金或高速钢；或者是，所述第一材料为硬质合金，第二材料为高速钢。

所述复杂刀具为阶梯钻，所述阶梯钻的切削部包括钻尖和由钻尖向柄部方向延伸的两个或两个以上的螺旋切削刃；所述螺旋切削刃至少包括两个从钻尖向柄部方向延伸的且直径呈渐次增加的阶梯；所述主要工作区为钻尖和螺旋切削刃的各级阶梯交接位置；所述钻尖与所述阶梯交接位置之间的螺旋切削刃，以及两个相邻阶梯交接位置之间的螺旋切削刃设为次要工作区。

所述各级阶梯交接位置的长度为S，则：0.015mm＜S≤G，其中G为为后一级阶梯的直径。

所述钻尖的底刃的第一后刀面的夹角为钻尖角α，则，40°≤α≤188°。

所述各级阶梯交接位置的台阶阶面的过渡角设为β，则，60°≤β≤180°。

所述各级阶梯交接位置中的与前一级阶梯连接部分处还设有环绕所述棒形体周面的凹槽，所述凹槽的截面形状为圆弧形或方形或异形，凹槽的槽宽为M，槽深为N，则：0.005mm≤M≤20％d，0.005mm≤N≤20％d，，其中d为前一级阶梯的直径。

所述各级阶梯中，向着与后一阶梯的阶梯交接位置方向延伸，设为渐次收缩的锥形形状，其锥度大小为γ，且0＜γ＜45°。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、本发明由于采用了将切削部沿着长度方向分设为至少一段的主要工作区和至少一段的次要工作区，且主要工作区和次要工作区呈交替分布；所述主要工作区采用第一材料制成，所述次要工作区和柄部采用第二材料制成，且相邻的第一材料与第二材料之间是采用焊接相固定；其中，所述第一材料的硬度大于所述第二材料的硬度。本发明的这种结构，通过多段式焊接的设计，提高了刀具主要工作区硬度和耐磨性的同时，保证刀具主体的韧性和强度；本发明由于只将主要工作区的材料焊接为高硬度材料，所以降低了刀具加工时长和加工难度，也降低加工成本；本发明通过加工基材多段焊接的方式，使加工复材叠层板的复杂结构切削刀具规格可以做得更小，对主要工作区的复杂结构设计也能够很好地加工实现，刀具性能更好。

2、本发明由于采用了在第一材料与第二材料之间的焊接处还设有环绕所述棒形体周面的凹槽。本发明的这种结构，通过在刀具过渡部位进行避让设计，避免焊接薄弱层加工过程中磨损过大，造成刀具损伤，防止造成加工零部件的损伤甚至报废。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种加工复材叠层板的小径复杂刀具不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的实施例一的结构示意图；

图2是本发明的实施例一的结构剖视图；

图3是图2中的A部放大示意图；

图4是图2中的B部放大示意图；

图5是本发明的实施例一(成型刀具)的结构示意图；

图6是图5中的C部放大示意图；

图7是图5中的E向视图；

图8是本发明的实施例二的结构示意图；

图9是本发明的实施例三的结构示意图；

图10是本发明的实施例四的结构示意图；

图11是本发明的实施例五的结构示意图。

图中：1、棒形体；2、切削部；21、主要工作区；22、次要工作区；231、第一级阶梯；232、第二级阶梯；233、第三级阶梯；24、切削刃；25、阶梯交接位置；26、凹槽；3、柄部；4、钻尖；51、排屑槽；52、底刃第一后刀面；53、底刃第二后刀面；54、周刃第一后刀面；55、周刃第二后刀面；56、凹槽；57、收缩锥形；581、右旋螺旋刃；582、左旋螺旋刃。

具体实施方式

实施例一

参见图1至图4所示，本发明的一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，包括一棒形体1；所述棒形体1的一端设有切削部2，另一端设为柄部3；所述切削部2沿着长度方向分设为至少一段的主要工作区21和至少一段的次要工作区22，且主要工作区21和次要工作区22呈交替分布；所述主要工作区21采用第一材料K1制成，所述次要工作区22和柄部3采用第二材料K2制成，且相邻的第一材料K1与第二材料K2之间是采用焊接相固定；其中，所述第一材料K1的硬度大于所述第二材料K2的硬度。

本实施例的刀具为阶梯钻(切削部未成型)，阶梯钻的切削部2包括多个阶梯，各级阶梯是从钻尖4向柄部方向延伸的且直径呈渐次增加，分别为第一级阶梯231，第二级阶梯232，第三级阶梯233……，对应各级切削刃的切削直径分别为D1，D2，D3……，0＜D1＜D2＜D3……，孔加工刀具全长为L，各级阶梯的切削刃长度为L1，L2，L3……，0＜L1＜L2＜L3……；第一级阶梯231包括钻尖4和螺旋切削刃，所述主要工作区21为钻尖4和螺旋切削刃的各级阶梯交接位置25；所述钻尖4与所述阶梯交接位置25之间的螺旋切削刃，以及两个相邻阶梯交接位置25之间的螺旋切削刃设为次要工作区22；这样的话，钻尖4采用第一材料K1制成，钻尖4的长度为S1，0.015mm＜S1≤D1，钻尖4后的第一个阶梯交接位置25采用第一材料K1制成，钻尖4后的第一个阶梯交接位置25的长度为S2，0.015mm＜S2≤D2，钻尖4后的第二个阶梯交接位置25采用第一材料K1制成，钻尖4后的第二个阶梯交接位置25的长度为S3，0.015mm＜S3≤D3，……，以此类推；各段次要工作区22则采和第二材料K2制成。

本实施例中，如图3、图4所示，所述第一材料K1与第二材料K2之间的焊接处还设有环绕所述棒形体周面的凹槽26。

本实施例中，所述凹槽26的截面形状为圆弧形，当然也可以是方形或异形或其他形状，凹槽26的槽宽为x，槽深为y，则：1％D≤x≤20％D，1％D≤y≤20％D，其中D为后一级阶梯的直径。

本实施例中，所述第一材料K1为CBN，第二材料K2为硬质合金或高速钢。

当然，也可以是，所述第一材料为PCD，第二材料为硬质合金或高速钢；或者是，所述第一材料为陶瓷，第二材料为硬质合金或高速钢；或者是，所述第一材料为硬质合金，第二材料为高速钢。

本实施例中，所述各级阶梯交接位置25的台阶阶面的过渡角设为β，则，60°≤β≤180°。

参见图5至图7所示，为具体的一个成型(切削部成型)的阶梯钻，这个阶梯钻的切削部2包括钻尖4和由钻尖向柄部方向延伸的两个的螺旋切削刃，在螺旋切削刃之间设有排屑槽51，螺旋切削刃包括底刃和周刃，底刃处设有底刃第一后刀面52和底刃第二后刀面53，周刃外设有周刃第一后刀面54和周刃第二后刀面55；所述螺旋切削刃包括两个从钻尖向柄部方向延伸的且直径呈渐次增加的阶梯，即含有第一级阶梯231和第二级阶梯232，第一级阶梯231包括钻尖4和切削刃24；所述主要工作区21为钻尖4和螺旋切削刃的阶梯交接位置25；所述钻尖4与所述阶梯交接位置25之间的螺旋切削刃，以及阶梯交接位置25之后的螺旋切削刃设为次要工作区；钻尖4采用第一材料K1制成，阶梯交接位置25也采用第一材料K1制成，其他位置则采用第二材料K2制成。

本实施例中，钻尖4的两个底刃的第一后刀面52的夹角为钻尖角α，且40°≤α≤188°。

本实施例中，阶梯交接位置25的长度为S，则：0.015mm＜S≤G，其中G为为第二级阶梯232的直径。

本实施例中，阶梯交接位置25的台阶阶面的过渡角设为β，则，60°≤β≤180°。

本实施例中，如图6所示，在阶梯交接位置25中的与第一级阶梯231连接部分处还设有环绕所述棒形体周面的凹槽56，所述凹槽56的截面形状为圆弧形，当然，也可以是方形或异形，凹槽56的槽宽为M，槽深为N，则：0.005mm≤M≤20％d，0.005mm≤N≤20％d，其中d为第一级阶梯231的直径。

本发明的一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，采用了将切削部2沿着长度方向分设为至少一段的主要工作区21和至少一段的次要工作区22，且主要工作区21和次要工作区22呈交替分布；所述主要工作区21采用第一材料K1制成，所述次要工作区22和柄部3采用第二材料K2制成，且相邻的第一材料K1与第二材料K2之间是采用焊接相固定；其中，所述第一材料K1的硬度大于所述第二材料K2的硬度。本发明的这种结构，通过多段式焊接的设计，提高了刀具主要工作区硬度和耐磨性的同时，保证刀具主体的韧性和强度；本发明由于只将主要工作区的材料焊接为高硬度材料，所以降低了刀具加工时长和加工难度，也降低加工成本；本发明通过加工基材多段焊接的方式，使加工复材叠层板的复杂结构切削刀具规格可以做得更小，对主要工作区的复杂结构设计也能够很好地加工实现，刀具性能更好。现有技术中切削刃焊镶耐磨材料(是先加工刀具结构，再焊镶)，由于耐磨焊片为简单的平板结构，因此焊接结构不能太复杂，同时，要实现在切削刃上的焊接，需要有足够的操作空间和焊接位置，因此钻削刀具的直径规格不能过小，本发明为不同材料多段焊接，以此为基础进行加工(是先焊接待加工棒料，再加工刀具结构)，使刀具可以加工成更小规格，甚至超细规格，同时也能够加工出更为复杂的刀具结构；本发明与单一材料刀具相比，可以加工硬度更高的材料，同时还可以保证钻削刀具整体的强度；本发明与焊镶耐磨片的切削刀具相比，可以将复杂刀具的切削刃直径加工地更小，使阶梯钻这种复杂刀具可以对硬度较高的难加工材料如复合材料进行切削加工；因为可以实现一体化加工，刀具的刃形可以做的更复杂，结构也可以根据加工需要进行调整，以适应不同加工环境、不同加工材料及不同加工参数等。

本发明的一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，采用了在第一材料K1与第二材料K2之间的焊接处还设有环绕所述棒形体周面的凹槽26。本发明的这种结构，通过在刀具过渡部位进行避让设计，避免焊接薄弱层加工过程中磨损过大，造成刀具损伤，防止造成加工零部件的损伤甚至报废。现有技术是直接将耐磨材料焊接于切削刃上，不需要在焊接处做避让设计，本发明是在耐磨材料焊接部位磨削复杂刀具的切削加工位置，比如阶梯钻各级阶梯交接处，将主要切削位置整体使用耐磨材料，如PCD、CBN、陶瓷材料等，为避免加工部分不同材料焊接过渡处在加工过程中受到冲击，因此在该处做避让设计；各级阶梯交接处前端的避让设计，使刀具可以面对更大的冲击而不受损坏，防止切削时对交接处的薄弱点的摩擦冲击造成刀具的损坏，因而可以使刀具性能更优。

实施例二

参见图8所示，本发明的一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，与实施例一的不同之处在于，在阶梯钻的各级阶梯中，向着与后一阶梯的阶梯交接位置方向延伸，设为渐次收缩的锥形形状67，其锥度大小为γ，且0＜γ＜45°；其锥形收缩部分的长度为z，其长度不超过所对应的次要工作区的长度。

实施例三

参见图9所示，本发明的一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，与实施例一的不同之处在于，刀具为锪钻，主要工作区21设在锥体切削部分，其他部分为次要工作区22；主要工作区21采用第一材料K1制成，次要工作区22采用采用第二材料K2制成。

实施例四

参见图10所示，本发明的一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，与实施例一的不同之处在于，刀具为“人字形”铣刀，“人字形”铣刀具有右旋螺旋刃581和左旋螺旋刃582，主要工作区21设在不同旋向切削刃交接处，其他部分为次要工作区22；主要工作区21采用第一材料K1制成，次要工作区22采用采用第二材料K2制成。

实施例五

参见图11所示，本发明的一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，与实施例一的不同之处在于，刀具为内R轮廓刀，主要工作区21设在内R轮廓处，其他部分为次要工作区22；主要工作区21采用第一材料K1制成，次要工作区22采用采用第二材料K2制成。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种加工复材叠层板的小径复杂刀具，包括一棒形体；所述棒形体的一端设有切削部，另一端设为柄部；其特征在于：所述切削部沿着长度方向分设为至少一段的主要工作区和至少一段的次要工作区，且主要工作区和次要工作区呈交替分布；所述主要工作区采用第一材料制成，所述次要工作区和柄部采用第二材料制成，且相邻的第一材料与第二材料之间是采用焊接相固定；其中，所述第一材料的硬度大于所述第二材料的硬度。

2.根据权利要求1所述的加工复材叠层板的小径复杂刀具，其特征在于：所述第一材料与第二材料之间的焊接处还设有环绕所述棒形体周面的凹槽。

3.根据权利要求2所述的加工复材叠层板的小径复杂刀具，其特征在于：所述凹槽的截面形状为圆弧形或方形或异形，凹槽的槽宽为x，槽深为y，则：1％D≤x≤20％D，1％D≤y≤20％D，其中D为棒形体的直径。

4.根据权利要求1所述的加工复材叠层板的小径复杂刀具，其特征在于：所述第一材料为CBN，第二材料为硬质合金或高速钢；或者是，所述第一材料为PCD，第二材料为硬质合金或高速钢；或者是，所述第一材料为陶瓷，第二材料为硬质合金或高速钢；或者是，所述第一材料为硬质合金，第二材料为高速钢。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的加工复材叠层板的小径复杂刀具，其特征在于：所述复杂刀具为阶梯钻，所述阶梯钻的切削部包括钻尖和由钻尖向柄部方向延伸的两个或两个以上的螺旋切削刃；所述螺旋切削刃至少包括两个从钻尖向柄部方向延伸的且直径呈渐次增加的阶梯；所述主要工作区为钻尖和螺旋切削刃的各级阶梯交接位置；所述钻尖与所述阶梯交接位置之间的螺旋切削刃，以及两个相邻阶梯交接位置之间的螺旋切削刃设为次要工作区。

6.根据权利要求5所述的加工复材叠层板的小径复杂刀具，其特征在于：所述各级阶梯交接位置的长度为S，则：0.015mm＜S≤G，其中G为为后一级阶梯的直径。

7.根据权利要求5所述的加工复材叠层板的小径复杂刀具，其特征在于：所述钻尖的底刃的第一后刀面的夹角为钻尖角α，则，40°≤α≤188°。

8.根据权利要求5所述的加工复材叠层板的小径复杂刀具，其特征在于：所述各级阶梯交接位置的台阶阶面的过渡角设为β，则，60°≤β≤180°。

9.根据权利要求5所述的加工复材叠层板的小径复杂刀具，其特征在于：所述各级阶梯交接位置中的与前一级阶梯连接部分处还设有环绕所述棒形体周面的凹槽，所述凹槽的截面形状为圆弧形或方形或异形，凹槽的槽宽为M，槽深为N，则：0.005mm≤M≤20％d，0.005mm≤N≤20％d，，其中d为前一级阶梯的直径。

10.根据权利要求5所述的加工复材叠层板的小径复杂刀具，其特征在于：所述各级阶梯中，向着与后一阶梯的阶梯交接位置方向延伸，设为渐次收缩的锥形形状，其锥度大小为γ，且0＜γ＜45°。

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