CN112453532B - 一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具及其加工方法，属于螺旋铣孔工具，解决了现有螺旋铣孔刀具加工时容易使碳纤维复合材料损坏及快速磨损刀具的问题。本发明切削部包括依次连接的前端铣孔区、过渡扩孔区和后段切削区；前端铣孔区直径小于后段切削区直径，前端铣孔区和后段切削区之间采用过渡扩孔区平滑过渡；前端铣孔区为端铣刀结构，前端铣孔区设置有多条沿刀具轴线方向进给切削的底部切削刃，过渡扩孔区的外表面、后段切削区外表面分别设有与底部切削刃等数量且依次平滑连接的过渡切削刃和侧切削刃。本发明首先由底部切削刃加工出一个孔，然后随着刀具轴向的进给过渡切削刃不断将孔的直径扩大，最后由侧切削刃将孔加工至最终孔径。

Description

一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具及其加工方法

技术领域

本发明涉及层叠结构复合材料的螺旋铣孔工具，具体涉及碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具及其加工方法。

背景技术

碳纤维复合材料凭借其质量轻强度高等优秀特性，作为蒙皮及结构件广泛应用于航空航天领域中，因此需要加工大量的连接孔。在调研中发现在碳纤维复合材料常用的制孔方法为使用钻头钻孔，加工的过程中存在以下问题：

1、加工质量差：碳纤维复合材料一般是由碳纤维制作的预浸布经环氧树脂粘合而成的层叠材料。由于碳纤维及由碳纤维制作的预浸布具有明显的各向异性，造成了制孔过程中容易出现毛刺、撕裂及分层等加工损伤的产生，严重影响了加工质量，甚至导致工件报废，造成了加工成本增加、生产周期加长的严重后果。

2、刀具磨损严重：碳纤维硬度较高，与高速钢相近，因此一般应用硬质合金刀具加工碳纤维复合材料。切削碳纤维复合材料过程中产生了粉末状碳纤维颗粒，造成了加工中排屑不畅，硬度较高的碳纤维颗粒与刀具在孔中剧烈摩擦造成刀具的快速磨损。硬质合金钻头每加工20-30个孔后就需要重新刃磨。换刀及对刀的过程严重影响了加工效率，对加工质量及加工周期产生了严重影响。

3、基体烧伤：碳纤维复合材料一般是由树脂作为基体，其玻璃化温度较低，而应用最为广泛的环氧树脂其玻璃化温度仅为180℃左右，即当加工温度超过180℃时，基体就会发生融化甚至烧伤，造成工件的强度下降甚至报废。而切削液也会对基体的强度造成影响。因此在加工碳纤维复合材料时一般会使用较为保守的切削参数，这对加工效率也产生了明显的影响。

在使用立铣刀进行螺旋铣孔时其轴向力较钻孔虽然减小，但仍然无法避免各种加工损伤的产生，因此从刀具结构优化设计方面出发减小轴向力是提高加工效率、加工质量必要措施和重要手段。

公开号为CN107262796A的发明名称为《一种适用于工业机器人叠层构件螺旋铣孔专用复合刀具》，公开了以下内容：刀具包括前端和第一刀刃部分的后端相连的第二刀刃部分，第一刀刃部分直径小于第二刀刃部分直径，第一刀刃部分芯厚小于第二刀刃部分的芯厚，第一刀刃部分新体和第二刀刃部分芯体之间采用锥形平滑过渡连接，第一刀刃部分包括沿刀体外缘周向上设置的四个不等间距的螺旋切削刃，第二刀刃部分包括设置在刀体外缘周向上并且与第一刀刃部分的螺旋切削刃分别通过圆弧过渡底刃一一对应平滑连接的四个不等间距的螺旋切削刃。

首先，该刀具是针对工业机器人加工叠层材料时颤振问题所设计开发的刀具，通过采用的不等间距切削刃及圆弧形过渡底刃的结构减小工业机器人加工时的颤振问题，并未从复合材料加工质量方向对刀具结构进行改进，与刀具减小轴向力抑制加工损伤的设计初衷不同；其次，该刀具外形与阶梯铣刀外形相似，通过起连接作用的内凹的圆弧形过渡底刃将第一刀刃与第二刀刃相连接，过渡底刃对加工过程没有本质性的改变；最后，该刀具依然没有解决螺旋铣孔中刀具底刃快速磨损而侧刃利用率低的问题。

发明内容

针对现有螺旋铣孔刀具加工时容易使碳纤维复合材料分层、撕裂损伤及快速磨损刀具的问题，本发明提供一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具及其加工方法。

本发明的一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具，所述刀具包括相连的切削部和柄部；

所述切削部包括依次连接的前端铣孔区1、过渡扩孔区2和后段切削区3；

所述的前端铣孔区1直径小于后段切削区3直径，前端铣孔区1和后段切削区3之间采用过渡扩孔区2进行平滑过渡；

所述前端铣孔区1为端铣刀结构，所述前端铣孔区1设置有多条沿刀具轴线方向进给切削的底部切削刃，过渡扩孔区2的外表面设有与底部切削刃等数量的过渡切削刃，后段切削区3外表面设有与过渡切削刃等数量的侧切削刃，所述底部切削刃、过渡切削刃和侧切削刃一一对应并平滑连接，在刀具径向投影上过渡切削刃呈弧形与后段切削区3的侧切削刃相切，且弧形半径大于刀具直径；

底部切削刃形成的容屑槽与侧切削刃所形成的容屑槽分别通过过渡切削刃所形成的容屑槽一一对应并平滑连通。

作为优选，所述前端铣孔区1包括中心对称分布且沿刀具轴线方向进给切削的四条底部切削刃；

后段切削区3呈圆柱形且为周铣刀结构，其圆柱面上沿圆周方向均匀分布四条延伸至过渡扩孔区2且沿刀具径向进给切削的螺旋形的侧切削刃；

过渡扩孔区2外表面上沿圆周方向均匀分布四条螺旋形的过渡切削刃。

作为优选，相邻侧切削刃的夹角、侧切削刃前角、侧切削刃后角、侧切削刃螺旋角、侧切削刃带宽度分别与相邻过渡切削刃的夹角、过渡切削刃前角、过渡切削刃后角、过渡切削刃螺旋角、过渡切削刃带宽度采用相同设置。

作为优选，所述前端铣孔区1的直径及过渡扩孔区的长度均大于后段切削区3的侧切削刃半径。

作为优选，所述柄部的半径小于后段切削区3的半径。

本发明还提供一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具的加工方法，所述后段切削区的长度不小于加工时刀具轨迹螺旋线的导程。

作为优选，加工时，偏心距不大于前端铣孔区1的半径。

作为优选，加工时，刀具轨迹螺旋线的导程应小于过渡扩孔区长度的50％。

本发明的有益效果：本发明的碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具，首先由前端铣孔区底部切削刃切削工件加工出一个较小的孔，然后随着刀具轴向的进给过渡扩孔区过渡切削刃不断将孔的直径扩大，最后由后段切削区的侧切削刃将孔加工至最终孔径。本发明能够有效的减小加工轴向力减小碳纤维复合材料分层、撕裂损伤出现的可能，减缓刀具磨损延长刀具使用寿命。

附图说明

图1为本发明的一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具整体结构示意图；

图2为本发明的刀具径向投影；

图3为复合刀具前端铣孔区的端面视图；

图4为图1所示本发明刀具后段切削区的A-A剖面图；

图5为图3所示的复合刀具的B-B剖面图；

图6为图4所示的复合刀具的C-C剖面图；

图7-1和图7-2为本发明复合刀具铣孔扩孔复合式加工原理示意图；

图8-1和图8-2为本发明复合刀具分层损伤去除过程示意图。

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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1至图6所示，本实施方式的一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具，包括相连的切削部、柄部6和夹持端7；

本实施方式的切削部包括依次连接的前端铣孔区1、过渡扩孔区2和后段切削区3；

前端铣孔区1直径小于后段切削区3直径，前端铣孔区1和后段切削区3之间采用过渡扩孔区2进行平滑过渡；

前端铣孔区1为端铣刀结构，包括中心对称分布且沿刀具轴线方向进给切削的四条底部切削刃，包括第一底部切削刃d1、第二底部切削刃d2、第三底部切削刃d3和第四底部切削刃d4；

后段切削区3呈圆柱形且为周铣刀结构，其圆柱面上沿圆周方向均匀分布四条延伸至过渡扩孔区2且沿刀具径向进给切削的螺旋形的侧切削刃；四条侧切削刃包括：第一侧切削刃c1、第二侧切削刃c2、第三侧切削刃c3和第四侧切削刃c4；

过渡扩孔区2过渡扩孔区2呈类圆台形，外表面上沿圆周方向均匀分布四条螺旋形的过渡切削刃；

本实施方式中过渡扩孔区2小端的外沿直径与前端铣孔区1相匹配，其大端的外沿直径与后段切削区3相匹配；

前端铣孔区1的四条底部切削刃与后段切削区3的四条侧切削刃分别通过过渡扩孔区2的四条过渡切削刃一一对应并平滑连接，在刀具径向投影上过渡切削刃呈弧形与后段切削区3的侧切削刃相切，且弧形半径大于刀具直径；

四条底部切削刃之间形成的容屑槽与四条侧切削刃所形成的容屑槽分别通过四条过渡切削刃所形成的容屑槽一一对应并平滑连通。

本实施方式在实际应用中不仅仅限定采用四条刃，还可以采用2条或多于两条的设置；

本实施方式中相邻侧切削刃间夹角9、侧切削刃前角11、侧切削刃后角13、侧切削刃螺旋角5、侧切削刃带长度12分别与相邻过渡切削刃间夹角10、过渡切削刃前角14、过渡切削刃后角16、过渡切削刃螺旋角、过渡切削刃带长度15采用相同设置。

本实施方式前端铣孔区1的底部切削刃的半径略小于后段切削区的侧切削刃半径，将该种外形刀具与螺旋铣孔的走刀路线相结合后就会出现铣孔并扩孔的复合加工方式。加工开始后首先由直径较小的底部切削刃与材料相接触，铣出一个直径为底部切削刃直径加两倍偏心距的孔，随着刀具沿轴向向下运动，过渡扩孔区的过渡切削刃与材料接触，切削刃的直径逐渐变大，所铣出的孔直径也逐渐变大，从而实现了铣孔并扩孔的复合加工方式。本实施方式可实现一次铣孔多次扩孔的复合加工方式，而扩孔的次数为刀具过渡扩孔区高度与螺旋线螺距的比值，由于后段切削区的侧切削刃与前端铣孔区的底部切削刃由弧形的过渡扩孔区过渡切削刃相连接，因此随着扩孔次数的增加，每次孔径扩大的尺寸逐渐减小。

本实施方式前端铣孔区1的底部切削刃的半径略小于后段切削区3的侧切削刃，这样可以保证加工时前端铣孔区1的底部切削刃与材料的接触面积更小，有效的减小刀具加工时所产生的轴向力以及制孔时由前端铣孔区1的底部切削刃所去除材料的体积，延缓刀具磨损增加刀具使用寿命。后段切削区3的侧切削刃与前端铣孔区1的底部切削刃由弧形的过渡扩孔区2的过渡切削刃相连接，加工过程中过渡扩孔区切削刃与工件完全接触，承担主要的加工任务减少前端铣孔区1的底部切削刃的材料去除体积，有效的改善了普通立铣刀在螺旋铣孔时由底部切削刃承担主要的加工任务所导致的底部切削刃快速磨损，而侧切削刃几乎不磨损的问题。这也同时有效的减小了由底部切削刃快速磨损轴向力快速上升所导致的分层损伤出现的可能性。

本实施方式依靠该种复合加工方式可有效的提高所加工孔的质量。碳纤维材料钻孔时出现的如撕裂、分层加工损伤的根本原因是碳纤维复合材料的层叠结构在纵向上强度不足，并且强度与加工时剩余厚度正相关，因此撕裂及分层一般出现在靠近材料表面的位置。本实施方式的刀具可有效地减小加工时轴向力，在过渡扩孔区2的过渡切削刃单独对底层材料切削时可以产生与轴向进给方向相反的轴向力，从根本上减小分层及撕裂发生的可能，并且由于本发明可以实现铣孔扩孔复合式加工，即使在底部切削刃加工过程中出现了分层或撕裂损伤，在后续的扩孔过程中先前形成的加工损伤也可以被缩小甚至去除。

本实施方式可有效的降低由加工温度所导致的基体烧伤。在钻孔或使用普通立铣刀进行螺旋铣孔时，由刀具一次切削加工出所需要孔的直径，切削用量较大而碳纤维的导热性较差，切削热大量积蓄在孔的表面导致温度快速升高，极易造成基体烧伤甚至融化的损伤。本实施方式依靠一次铣孔多次扩孔加工方式减小了每次材料去除量，在每一次扩孔加工之间提供了一定的散热时间，并在每一次扩孔过程中将积蓄大量切削热的表面去除，避免了多次加工而导致的切削热积累，有效的控制了加工温度从而降低由切削温度过高而导致的基体损伤。

具体实施例：本实施方式的切削部总长度为10mm和柄部6长度10mm；

在不影响所述刀具整体刚度及使用便利性的前提下，所述柄部长度应尽量大，刀具在轴向上有足够的运动空间，夹持端7的长度要保证装夹的稳定；

为保证所属刀具的加工效果，柄部的半径小于后段切削区3的半径，且柄部长度可根据加工材料厚的适当调整。

过渡扩孔区2长度为5mm和后段切削区3的长度为5mm。

前端铣孔区1的四条底部切削刃间夹角为90°。后段切削区3的四条侧切削刃间夹角为90°；

前端铣孔区1的直径及过渡扩孔区的长度均大于后段切削区3的侧切削刃半径，以保证刀具的强度。前端铣孔区1直径5.5mm小于后段切削区4的直径8mm，过渡扩孔区2的四条过渡切削刃间夹角为90°。在刀具径向投影上过渡切削刃呈弧形与后段切削区刀具侧切削刃相切，且弧形半径8为10.625mm大于刀具直径8mm。

后段切削区3的侧切削刃间夹角10为90°、前角11为7°、后角13为7°、螺旋角5为30°、刃带长度12为0.5mm。

本实施方式刀具基体材料采用YG8型钨钴类硬质合金，其Co含量为8％，适于铸铁、有色金属及其合金、非金属材料的加工，此种材料具有硬度高、热硬性好、不易变形、不易破损等特点，具有较好的韧性和耐磨性。

本实施方式加工碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具时，为保证所述刀具的加工效果，后段切削区的侧切削刃的长度不小于加工时刀具轨迹螺旋线的导程，使侧切削刃能够对经由前端铣孔区和过渡扩孔区加工后未能去除材料的充分去除，以保证最终加工孔的直径满足要求。

为保证所述刀具的加工效果，加工时的偏心距不应大于前端铣孔区的底部切削刃的半径，在该值范围内通过改变偏心距可加工不同尺寸的孔，提高生产线加工柔性。

为保证所述刀具的加工效果，加工时刀具轨迹螺旋线的导程应小于过渡扩孔区高度的50％，以保证刀具对材料有足够数量的扩孔循环充分的去除材料。

图7-1、7-2、8-1、8-2为本实施方式刀具加工过程示意图。图7-1是加工开始后首先由直径较小的前端铣孔区1底部切削刃与材料相接触，铣出一个直径为底部切削刃直径加两倍偏心距的孔，图7-2为随着刀具沿轴向向下运动，刀具与材料接触的直径发生变化，所铣出的孔直径也逐渐变大，从而实现了铣孔并扩孔的复合加工方式。图8-1为在底部切削刃加工过程中出现了分层损伤，图8-2是在后续的扩孔过程中先前形成的加工损伤被过渡扩孔区2过渡切削刃切削逐渐缩小直至去除。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他实施例中。

Claims (8)

1.一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具，其特征在于，所述刀具包括相连的切削部和柄部；

所述切削部包括依次连接的前端铣孔区(1)、过渡扩孔区(2)和后段切削区(3)；

所述的前端铣孔区(1)直径小于后段切削区(3)直径，前端铣孔区(1)和后段切削区(3)之间采用过渡扩孔区(2)进行平滑过渡；

所述前端铣孔区(1)为端铣刀结构，所述前端铣孔区(1)设置有中心对称分布且沿刀具轴线方向进给切削的多条底部切削刃，过渡扩孔区(2)的外表面设有与底部切削刃等数量的过渡切削刃，后段切削区(3)外表面设有与过渡切削刃等数量的侧切削刃，所述底部切削刃、过渡切削刃和侧切削刃一一对应并平滑连接，在刀具径向投影上过渡切削刃呈弧形与后段切削区(3)的侧切削刃相切，且弧形半径大于刀具直径；

底部切削刃形成的容屑槽与侧切削刃所形成的容屑槽分别通过过渡切削刃所形成的容屑槽一一对应并平滑连通。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具，其特征在于，

所述前端铣孔区(1)包括中心对称分布且沿刀具轴线方向进给切削的四条底部切削刃；

后段切削区(3)呈圆柱形且为周铣刀结构，其圆柱面上沿圆周方向均匀分布四条延伸至过渡扩孔区(2)且沿刀具径向进给切削的螺旋形的侧切削刃；

过渡扩孔区(2)外表面上沿圆周方向均匀分布四条螺旋形的过渡切削刃。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具，其特征在于，相邻侧切削刃的夹角、侧切削刃前角、侧切削刃后角、侧切削刃螺旋角、侧切削刃带宽度分别与相邻过渡切削刃的夹角、过渡切削刃前角、过渡切削刃后角、过渡切削刃螺旋角、过渡切削刃带宽度采用相同设置。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具，其特征在于，

所述前端铣孔区(1)的直径及过渡扩孔区的长度均大于后段切削区(3)的侧切削刃半径。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具，其特征在于，所述柄部的半径小于后段切削区(3)的半径。

6.权利要求1所述的碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具的加工方法，其特征在于，所述后段切削区的长度不小于加工时刀具轨迹螺旋线的导程。

7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具的加工方法，其特征在于，加工时，偏心距不大于前端铣孔区(1)的半径。

8.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具的加工方法，其特征在于，加工时，刀具轨迹螺旋线的导程应小于过渡扩孔区长度的50％。

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