CN111361020B - 一种用于高速加工的分体钻削刀具连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明一种用于高速加工的分体钻削刀具连接结构属于机械加工技术领域,涉及一种用于高速加工的分体钻削刀具连接结构。该结构具有两部分,起切削作用的钻尖和起排屑及夹持作用的钻柄。在钻尖上分为钻削部分和钻尖连接部分;钻柄上分为钻柄连接部分和夹持区,钻尖连接部分和钻柄连接部分组成快换连接区。该结构可以在不破坏排屑槽和切削刃的前提下实现钻尖和钻柄的连接,且钻尖与钻体利用等锥面保证高度同心、连接结构保持两侧镜像高度对称,保证了该分体刀具在高转速下钻削加工的稳定性。连接结构具有通用性,可实现一个钻柄搭配多种类型的钻尖的主体,更换简单方便,适用多种加工环境,具有良好的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明属于机械加工技术领域,涉及一种用于高速加工的分体钻削刀具连接结构。
背景技术
为实现航空航天等高端装备的经济性和服役性能的进一步提高,在装备制造过程中发展低损伤、低成本的加工技术是一种有效途径。制孔作为主要的加工形式,在航空装备中数目巨大,例如在一架B747客机上为实现构件之间的装配连接,须加工300多万个装配孔,并且制孔时多涉及CFRP这种难加工材料。这会报废掉相当多的钻削刀具,而在报废的钻削刀具中,大多的磨损都产生在钻尖位置,钻柄处则没有多大磨损,因此这也就造成了约90%以上的刀具材料并未得到有效利用,致使资源大量浪费。当然,现在机械加工中刃磨刀具是目前延续刀具寿命,降低加工成本的常见手段,但是频繁换刀刃磨,也会耗费大量时间进行拆装、补偿和对刀,导致加工效率大幅降低。此外,涂层技术也可提升刀具寿命,然而大量研究表明,材料的切削需要锋锐的切削刃,但对刀具进行涂层,将大幅降低刀具的锋锐度,导致刀具切削能力下降;更为重要的是涂层技术并没有提高硬质合金的利用率、降低刀具成本。由此可见,刃磨刀具以及对刀具涂层只会小幅度减少刀具材料的浪费,因此引出了分体式钻削刀具的想法,可以节省大量的刀具材料。
针对上述提出分体式钻削刀具设计思想,将整体刀具设计为具有切削作用的钻尖部分,和具有排屑及夹持作用的钻柄部分,以特定方式进行连接。采用此技术可直接更换磨损钻尖,无需拆卸和更换整支刀具,因而不必重新对刀、调试,提高了加工效率,且钻柄可重复利用,提高了硬质合金的利用率,大幅降低了刀具成本。此类型专利如王福吉等人提出的“纤维增强复合材料制孔的尖刃双级可换套料钻”,专利号ZL201710267828.7,该钻头具有双级结构,第一级是具有尖刃结构的套料钻对大部分材料进行去除,第二级是修磨出镶片区的麻花式结构进行扩孔,两级之间通过定位锁紧块和定位槽连接固定实现快速更换。但是此刀具仅适用于复合材料大孔径加工,无法应对复合材料小孔及复合材料和金属叠层的加工,且快换位置的连接结构难以保证同轴度,在高速加工中将对制孔精度产生极大影响。钴碳化钨硬质合金公司的K.A.克赖格提出了“具有可更换切削刃尖的切削刀具、可更换切削刃尖以及可更换切削刃尖的紧固方法”,专利号ZL201310651689.X,该切削钻尖与钻柄内有相反旋向的螺纹,中间通过螺柱连接,旋转侧向的控制螺栓经过齿轮带动螺柱旋转,实现配合和拆卸。但此结构对加工精度要求极高,附加的垫圈、齿轮等同样大幅提高了制造成本,且控制螺栓置于一侧,导致整体结构非对称,严重影响钻头动平衡,限制了钻削速度,难以适用于被加工材料的高速钻削加工。同时,还有伊斯卡公司提出的可换式钻头,该钻头是通过切削钻尖部分的凸槽与钻柄部分的凹槽过盈配合进行连接,在切削钻尖的排屑槽处设计凹槽进行周向定位,但是在加工中由于切削热的影响,会造成该连接结构反复热胀冷缩,降低连接结构的强度。可见,现有分体式钻削刀具的连接结构尚无法满足加工材料尤其是CFRP及CFRP和金属叠层等加工要求的高速钻削制孔。
发明内容
本发明克服现有技术难题,提出了一种用于高速加工的分体钻削刀具连接结构。该结构的钻尖部分设有圆锥台,钻柄部分设计有凹锥台,两者之间通过等锥度锥面进行配合,保证了分体刀具的同轴度,提升了分体刀具的整体动平衡,使其能够在更高的转速条件下稳定钻削。同时,钻尖和钻柄之间的轴向预紧通过两侧对称分布的锥度螺栓旋进、旋出调节,避免了连接结构不对称带来的刀具偏心以及由于热胀冷缩产生的强度降低等问题。利用钻尖与钻柄之间设有凸台和凹槽实现了钻尖的周向定位,保证了钻尖安放位置的准确性和周向强度。可以看出,该刀具可以在不破坏排屑槽和切削刃的前提下实现钻尖和钻柄的连接,且钻尖与钻体利用等锥面保证高度同心、连接结构保持两侧镜像高度对称,保证了该分体刀具在高转速钻削加工的稳定性,同时克服了刀具受到加工热影响降低强度的问题,既可以满足金属等常规材料的切削,又符合CFRP及CFRP和金属叠层等特殊材料专用刀具对制孔的要求。
本发明的技术方案是一种用于高速加工的分体钻削刀具连接结构,该结构具有两部分:起切削作用的钻尖X和起排屑及夹持作用的钻柄Y;在钻尖X上分为钻削部分A和钻尖连接部分Β1,钻柄Y上分为钻柄连接部分Β2和夹持区C,钻尖连接部分Β1和钻柄连接部分Β2组成快换连接区B;
所述的切削部分A根据加工材料属性和现有技术设计,钻削部分A结构形式为单阶梯钻尖形式、多阶梯钻尖形式、群钻钻尖形式、三尖钻尖形式、双顶角钻尖形式、匕首钻钻尖形式、双阶梯微齿钻尖结构形式或其他具有微齿结构的钻尖形式;钻削部分A中,D2为终孔直径;D4为钻心厚度,D4=(0.32-0.45)D2;
所述的钻尖连接部分Β1中,外廓上还加工有凹环槽1、圆锥台2、圆孔3;凹环槽1的厚度h1=(0.05-0.1)D2,宽度b1=(0.2-0.25)D2,高度H1=2h1;圆锥台2为锥台,锥度为1:7-1:5,圆锥台2的大圆直径D3=(0.89-0.9)D4,圆锥台2高度h2=D3,圆孔3中心线与圆锥台2的大圆直径D3的距离h3=0.5h2,圆孔3的孔径D5=(0.4-0.55)h2;
所述的钻柄连接部分B2与钻尖连接部分B1相配合,钻柄连接部分B2由钻柄体7和安装在钻柄体上左右两个带锥度的沉头螺钉8组成;钻柄体7上加工有凸环台4、两个左右对称的螺纹孔5和凹锥台6;凸环台4的大小与凹环槽1相配合限制周向位移;左右螺纹孔直径D6=D5,螺纹孔中心线与圆孔3中心线之间存在偏心距e,采用带锥度的沉头螺钉8进行连接,沉头螺钉8的锥度为1:6-1:4,通过调整螺钉8旋进长度控制偏心距e,以实现B2与B1之间的轴向预紧,左右螺纹孔5的中心距钻柄Y的上端面距离h4=h3+e,凹锥台6的锥度与圆锥台2相同,凹锥台6上端面大径为D3,深度h5=h2+(0.3-0.5)为预紧提供空间。
钻柄Y采用低成本高速钢制造,钻柄Y外廓上的螺旋槽、刃带特征均与钻尖X保持一致,且具有倒锥,倒锥值为3:1000;夹持区C的直径为D1取与D2的整数值,长度根据夹持要求设置。
本发明的有益效果该结构的钻尖部分设有圆锥台,钻柄部分设计有凹锥台,两者之间通过等锥度锥面进行配合,保证了分体刀具的同轴度,提升了分体刀具的整体动平衡,使其能够在更高的转速条件下稳定钻削。该结构可以在不破坏排屑槽和切削刃的前提下实现钻尖和钻柄的连接,且钻尖与钻体利用等锥面保证高度同心、连接结构保持两侧镜像高度对称,保证了该分体刀具在高转速下钻削加工的稳定性,以及在切削热不均匀的情况下保证连接强度,既满足对普通材料的切削加工,又对CFRP及CFRP和金属叠层钻削等材料加工效果显著。连接结构具有通用性,可实现一个钻柄搭配多种类型的钻尖的主体,更换简单方便,适用多种加工环境,具有良好的工程应用前景。
附图说明
图1是可换钻尖的钻削刀具结构的主视图,其中,1-凹环槽,2-圆锥台,3-圆孔,4-凸台,5-螺纹孔,6-凹锥台,7-钻柄体,A-切削部分,B-快换连接区,B1-刀尖连接接部分,B2-钻柄连接部分,C夹持区,D1-钻柄Y直径,D2-终孔直径,h2-圆锥台2高度,h5-凹锥台6深度,X-钻尖,Y-钻柄。
图2a)是钻尖X的主视图,b)是钻尖X的左视图,c)是钻尖X的俯视图。其中,1-凹环槽,2-圆锥台,3-圆孔,A-切削部分,B-快换连接区,B1-刀尖连接接部分,B2-钻柄连接部分,D2-终孔直径,D3-圆锥台2大圆直径,D4-钻心厚度,D5-圆孔3的孔径,D6-螺纹孔直径,H1-凹环槽高度,h1-凹环槽厚度,h2-圆锥台2高度,h3-圆孔3中心距离D3圆位置的距离。
图3是装配后的快换连接区B的局部放大图,其中,4-凸台,5-螺纹孔,6-凹锥台,D6-螺纹孔直径。
图4是图3沿中轴线B-B的剖视图,其中,1-凹环槽,2-圆锥台,3-圆孔,4-凸台,5-螺纹孔,6-凹锥台,7-钻柄体,8-沉头螺钉,h4-螺纹孔5的圆心距离钻体C上端面的距离,h5-凹锥台6深度,e-圆孔3与螺纹孔5之间的偏心距。
具体实施方式:
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。
如图1至图4所示,本发明是一种用于高速加工的分体钻削刀具连接结构,它由起切削作用的钻尖X和起排屑与夹持作用的钻柄Y组成,是可以根据加工要求调换钻尖的钻削刀具结构。在钻尖X中有切削部分A和钻尖连接部分B1两部分;钻柄Y由钻柄连接部分B2和夹持区C组成,钻尖连接部分Β1和钻柄连接部分Β2构成快换连接区B。
具体实施例1,以CFRP为被加工材料,切削部分A采用双阶梯微齿结构,第一阶梯直径为7mm,钻尖顶角90°,长度为8.5mm,第二阶梯直径为终孔直径D2=10mm,第二阶梯切削刃顶角为90°;钻心厚度D4=4.5mm。
钻尖连接部分B1外廓上加工有凹环槽1和圆锥台2,凹环槽厚度h1=0.5mm,宽度b1=2mm,凹环槽深度H1=1mm。在圆锥台2上加工有圆孔3,圆锥台2的大圆直径D3=4mm,圆锥台2高度h2=4mm,圆孔3的中心线与圆锥台2的大圆直径D3的距离h3=2mm,圆锥台2锥度为1:6,圆孔3的孔径D5=1.6mm。
钻柄连接部分B2与B1相配合,凸台4的大小与凹环槽1相配合,左右螺纹孔5直径D6=D5,螺纹孔中心线与圆孔3中心线的偏心距e=0.2mm,采用顶端带有锥度的沉头螺钉8,螺纹孔5的中心距离端面7距离h4=2.20mm,凹锥台6的深度h5=4.3mm,锥度与圆环台2相同。
起排屑和连接作用的钻柄Y采用45钢制作,钻柄Y上的螺旋槽、刃带特征均与钻尖X保持一致,倒锥为3:1000,直径为D2=10mm,夹持区C的直径D1=10mm,夹持长度为35mm。
采用本刀具加工CFRP时,采用转速为3000rpm,进给为100mm/min,加工质量与整体刀具无异。且无需拆卸刀具,即可进行更换钻尖,节省了大量换刀、对刀时间,提高生产效率,钻体采用45钢节省大量昂贵稀缺的硬质合金材料,降低生产成本。
具体实施例2,以CFRP/铝合金叠层结构为被加工材料,刀具刀尖X为120°和140°组合的双顶角钻尖形式,终孔直径D2=10mm;
钻尖连接部分B1外廓上加工有凹环槽1和圆锥台2,凹环槽厚度h1=0.5mm,宽度b1=2mm,凹环槽深度H1=1mm。在圆锥台2上加工有圆孔3,圆锥台2的大圆直径D3=4mm,圆锥台2高度h2=4mm,圆孔3的中心线与圆锥台2的大圆直径D3的距离h3=2mm,圆锥台2锥度为1:6,圆孔3的孔径D5=1.6mm。
钻柄连接部分B2与B1相配合,凸台4的大小与凹槽1相配合,左右螺纹孔5直径D6=D5,螺纹孔中心线与圆孔3的偏心距e=0.2mm,采用顶端带有锥度的沉头螺钉8,螺纹孔5的中心距离钻柄端面距离h4=2.20mm,凹锥台6的深度h5=4.3mm,锥度与圆锥台2相同。
起排屑和连接作用的钻柄Y采用45钢制作,钻柄Y上的螺旋槽、刃带特征均与钻尖X保持一致,倒锥为3:1000,直径为D2=10mm,夹持区C的直径D1=10mm,夹持长度为35mm。
采用本刀具加工CFRP/铝合金叠层结构时,采用转速为1000rpm,进给为100mm/min,加工质量与整体刀具无异,出入口均无毛刺生成,连续加工稳定性较好。
对于其他复合材料和叠层结构只需要适当更改钻尖结构即可,连接结构具有通用性,可实现一个钻柄搭配多种类型的钻尖的主体,更换简单方便,适用多种加工环境,具有良好的工程应用前景。
Claims (1)
1.一种用于高速加工的分体钻削刀具连接结构,该结构具有两部分:起切削作用的钻尖(X)和起排屑及夹持作用的钻柄(Y);在钻尖(X)上分为钻削部分(A)和钻尖连接部分(Β1),钻柄(Y)上分为钻柄连接部分(Β2)和夹持区(C),钻尖连接部分(Β1)和钻柄连接部分(Β2)组成快换连接区(B);
所述的钻削部分(A)结构形式为单阶梯钻尖形式、多阶梯钻尖形式、群钻钻尖形式、三尖钻尖形式、双顶角钻尖形式、匕首钻钻尖形式、双阶梯微齿钻尖结构形式或其他具有微齿结构的钻尖形式;钻削部分(A)中,D2为终孔直径;D4为钻心厚度,D4=(0.32-0.45)D2;
所述的钻尖连接部分(Β1)中,外廓上还加工有凹环槽(1)、圆锥台(2)、圆孔(3);凹环槽(1)的厚度h1=(0.05-0.1)D2,宽度b1=(0.2-0.25)D2,高度H1=2h1;圆锥台(2)的锥度为1:7-1:5,圆锥台(2)的大圆直径D3=(0.89-0.9)D4,圆锥台(2)高度h2=D3,圆孔(3)中心线与圆锥台(2)的大圆直径D3的距离h3=0.5h2,圆孔(3)的孔径D5=(0.4-0.55)h2;
所述的钻柄连接部分(B2)与钻尖连接部分(B1)相配合,钻柄连接部分(B2)由钻柄体(7)和安装在钻柄体上左右两个带锥度的沉头螺钉(8)组成;钻柄体(7)上加工有凸环台(4)、两个左右对称的螺纹孔(5)和凹锥台(6);凸环台(4)的大小与凹环槽(1)相配合限制周向位移;左右螺纹孔直径D6=D5,螺纹孔中心线与圆孔(3)中心线之间存在偏心距e,采用带锥度的沉头螺钉(8)进行连接,沉头螺钉(8)的锥度为1:6-1:4,通过调整沉头螺钉(8)旋进长度控制偏心距e,以实现钻柄连接部分(B2)与钻尖连接部分(B1)之间的轴向预紧,左右螺纹孔(5)的中心距钻柄(Y)的上端面距离h4=h3+e,凹锥台(6)的锥度与圆锥台(2)相同,凹锥台(6)上端面大径为D7,D7=D3,深度h5=h2+(0.3-0.5),为预紧提供空间;
钻柄(Y)采用低成本高速钢制造,钻柄(Y)外廓上的螺旋槽、刃带特征均与钻尖(X)保持一致,且具有倒锥,倒锥值为3:1000;夹持区(C)的直径D1取为D2的整数值,长度根据夹持要求设置。
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