CN113798559A - 一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头 - Google Patents

Abstract

一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，包括：依次连接的柄部与刃部，所述刃部包括依次相邻设置的横刃、第一主切削刃、第二主切削刃、第三主切削刃与副切削刃，所述副切削刃呈螺旋状设置，由于刃部包括依次相邻设置的横刃、第一主切削刃、第二主切削刃、第三主切削刃与副切削刃，刃部起切削作用。

Description

一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构 件的手工钻头

技术领域

本发明涉及叠层构件制孔技术领域，尤其涉及一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)及铝合金(Al)因其高强轻质的特性广泛应用于航空航天领域。机翼肋板、机身筒段等部件大量使用CFRP/Al叠层构件。由于航空航天领域中设备的零部件尺寸巨大，无法安装进入数控机床，需要在装配现场进行孔加工，此时制孔过程会受到空间的限制。对于一些狭小工位，机械臂等大型自动化制孔设备无法进入，必须需依靠工人手持钻枪进行手工制孔。

由于CFRP与Al本身材料性能的差异，孔加工时需要使用不同的加工参数进行加工，数控机床或机械臂等制孔设备可以实现变参数加工。面对CFRP/Al叠层构件的加工，相较数控机床或机械臂等制孔设备而言，手工制孔面临更为严峻的挑战，手工钻制孔过程中无法自动调整加工参数，且进给轴向力需要依赖工人经验进行控制，难以保证制孔质量的稳定。而且CFRP和航空铝合金均属于典型的难加工材料，CFRP出入口极易出现毛刺、分层、撕裂等缺陷，铝合金出口极易出现翻边、毛刺。若CFRP孔口有毛刺、撕裂、分层等损伤，将会大大地降低构件的性能甚至导致构件报废，若Al孔口有翻边、毛刺等损伤，将会影响合格率，额外增加去毛刺工艺又会严重影响加工效率，增加加工成本。在用普通麻花钻以及当前现有的各种类型钻进行手工制孔时，还会出现钻削费力，制孔效率低等问题。

因此，如何提供一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，以方便对叠层构件进行高质高效制孔加工成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于如何提供一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，以方便对叠层构件进行制孔加工。

为此，根据第一方面，本发明实施例公开了一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，包括：依次连接的柄部与刃部，所述刃部包括依次相邻设置的横刃、第一主切削刃、第二主切削刃、第三主切削刃与副切削刃，所述副切削刃呈螺旋状设置，所述横刃的长度为钻头直径的1/30至1/15之间，有利于保证钻头的定心能力，并减小钻头的轴向力，进而减小碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件变形和出口加工损伤。如果横刃长度小于钻头直径的1/30会导致其强度低，钻入不稳定，且容易产生崩刃。如果横刃长度大于钻头直径的1/15则会使得钻入轴向力过大，导致复材出入口的分层、撕裂损伤。

本发明进一步设置为，所述第一主切削刃的顶角为110～150°，本发明中采用110～150°这样不同于一般数值的较大的第一主切削刃顶角有助于钻头轻松钻入材料，使得钻削过程更为省力。

本发明进一步设置为，所述第二主切削刃的顶角为50～90°，本发明中采用50～90°这样较小的第二主切削刃顶角可有助于减小轴向力，抑制CFRP制孔损伤，可明显的提升制孔质量。

本发明进一步设置为，所述第三主切削刃的顶角为140～180°，本发明中采用这样较大的第三主切削刃顶角可减小铝合金出口毛刺，进一步提升制孔质量。

本发明进一步设置为，所述副切削刃的倒锥量为0.5/100-1.5/100。本发明中采用这样较大的倒锥量有助于减小副切削刃与孔壁之间的摩擦，减少切削热的产生及刀具磨损。

本发明进一步设置为，所述第一主切削刃的前角与所述第二主切削刃的前角均为8～15°，本发明中通过优化设置专门第一主切削刃的前角与所述第二主切削刃的前角，保证了其锋利性，能有效切断纤维。

本发明进一步设置为，所述第一主切削刃的后角、所述第二主切削刃的后角与所述第三主切削刃的后角均为10～12°，本发明中通过优化设置这样较大的前后角保证了切削刃的锋利性，可加强对CFRP纤维的切断能力。

本发明进一步设置为，所述副切削刃的螺旋角为20～50°，本发明中第三主切削刃的前角即为螺旋角，保证了其锋利性，能有效切断纤维，同时也能减小铝合金出口毛刺，通过设置较大的螺旋角的优化，也使得排屑更加顺畅。

本发明进一步设置为，所述刃部的直径为d，所述刃部的芯厚d₀＝0.25～0.35d。本发明中通过优化设置专门的直径长度比例，可保证钻头整体强度并增大其容屑空间。

本发明进一步设置为，所述副切削刃的宽度为钻头直径d的1/20至1/10之间。本发明中通过优化设置专门的直径长度比例，副切削刃宽度使孔壁对刀具有一定的支撑作用，保证钻削过程的稳定。

本发明具有以下有益效果：由于刃部包括依次相邻设置的横刃、第一主切削刃、第二主切削刃、第三主切削刃与副切削刃，刃部起切削作用，并配合各个结构的数值优化配合，本发明中通过优化设置专门以上结构和参数的配合，从各个角度协同来提高制孔效果；该刃部的结构设计保证了钻头的定心能力，减小了钻头的轴向力，同时保证了其锋利性，能有效切断纤维，同时也能减小铝合金出口毛刺。从而提供了一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，方便对碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件进行手工制孔加工，提升了手工制孔的效率及孔质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实施例公开的一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头的结构示意图；

图2是本实施例公开的一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头的俯视图；

图3是图1的I处放大示意图；

图4是图1的C-C剖面结构示意图。

附图标记：1、柄部；2、刃部；21、横刃；22、第一主切削刃；23、第二主切削刃；24、第三主切削刃；25、副切削刃。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

第一个实施例

本发明实施例公开了一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，如图1-4所示，包括：依次连接的柄部1与刃部2，刃部2包括依次相邻设置的横刃21、第一主切削刃22、第二主切削刃23、第三主切削刃24与副切削刃25，副切削刃25呈螺旋状设置，横刃21的长度b_Ψ为钻头直径d的1/30至1/15之间。在具体实施过程中，将横刃21长度b_Ψ修磨至1/20d，使钻头在保证钻头良好的定心能力的同时，减小轴向力，进而减小碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件变形和出口加工损伤。

需要说明的是，由于刃部2包括依次相邻设置的横刃21、第一主切削刃22、第二主切削刃23、第三主切削刃24与副切削刃25，刃部2起切削作用，该刃部的结构设计保证了钻头的定心能力，减小了钻头的轴向力，同时保证了其锋利性，能有效切断纤维，同时也能减小铝合金出口毛刺。从进而提供了一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，方便对碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件进行手工制孔加工，提升了手工制孔的效率及孔质量。

如图1和图2所示，第一主切削刃22的顶角

为110～150°。在具体实施过程中，第一主切削刃22的顶角

为140°，较大的第一主切削刃22顶角有助于钻头轻松钻入材料，使得钻削过程更为省力。

如图1和图2所示，第二主切削刃23的顶角为

为50～90°。在具体实施过程中，第二主切削刃23的顶角为

为50°，较小的第二主切削刃顶角可有助于减小轴向力，抑制CFRP制孔损伤，可明显的提升制孔质量。

如图1和图2所示，第三主切削刃24的顶角为

为140～180°。在具体实施过程中，第三主切削刃24的顶角为

为170°，较大的第三主切削刃24顶角可减小铝合金出口毛刺，进一步提升制孔质量。

如图1和图2所示，副切削刃25的倒锥量为0.5/100-1.5/100。在具体实施过程中，副切削刃25的倒锥量为1/100，较大的倒锥量有助于减小副切削刃25与孔壁之间的摩擦，减少切削热的产生及刀具磨损。

如图1和图2所示，第一主切削刃22的前角γ₁与第二主切削刃23的前角γ₂均为8～15°。在具体实施过程中，第一主切削刃22的前角γ₁与第二主切削刃23的前角γ₂均为10°。保证了其锋利性，能有效切断纤维。

如图1和图2所示，第一主切削刃22的后角α₁、第二主切削刃23的后角α₂与第三主切削刃24的后角α₃均为10～12°。在具体实施过程中，第一主切削刃22的后角α₁、第二主切削刃23的后角α₂与第三主切削刃24的后角α₃均为12°，较大的前后角保证了切削刃的锋利性，可加强对CFRP纤维的切断能力。

如图1和图2所示，副切削刃25的螺旋角β为20～50°。在具体实施过程中，第三主切削刃24前角γ₃即为螺旋角。保证了其锋利性，能有效切断纤维，同时也能减小铝合金出口毛刺，通过设置较大的螺旋角的优化，也使得排屑更加顺畅。

如图1和图3所示，刃部2的径向宽度为d，刃部2的芯厚d₀＝0.25～0.35d。在具体实施过程中，第一主切削刃22的径向宽度d₁为0.4d，第二主切削刃23的径向宽度d₂为0.67d。在具体实施过程中，由于芯厚d₀＝0.25～0.35d，可保证钻头整体强度并增大其容屑空间。

如图1所示，副切削刃25的宽度为钻头直径d的1/20至1/12之间。在具体实施过程中，1/20d的副切削刃25宽度使孔壁对刀具有一定的支撑作用，保证钻削过程的稳定。

工作原理：由于刃部2包括依次相邻设置的横刃21、第一主切削刃22、第二主切削刃23、第三主切削刃24与副切削刃25，刃部2起切削作用，该刃部的结构设计保证了钻头的定心能力，减小了钻头的轴向力，同时保证了其锋利性，能有效切断纤维，同时也能减小铝合金出口毛刺。从进而提供了一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，方便对碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件进行手工制孔加工，提升了手工制孔的效率及孔质量。

第二个实施例

本发明实施例公开了一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，如图1-4所示，包括：依次连接的柄部1与刃部2，刃部2包括依次相邻设置的横刃21、第一主切削刃22、第二主切削刃23、第三主切削刃24与副切削刃25，副切削刃25呈螺旋状设置，横刃21的长度b_Ψ为钻头直径d的1/30至1/15之间。在具体实施过程中，将横刃21长度b_Ψ修磨至1/20d，使钻头在保证钻头良好的定心能力的同时，减小轴向力，进而减小碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件变形和出口加工损伤。

需要说明的是，由于刃部2包括依次相邻设置的横刃21、第一主切削刃22、第二主切削刃23、第三主切削刃24与副切削刃25，刃部2起切削作用，该刃部的结构设计保证了钻头的定心能力，减小了钻头的轴向力，同时保证了其锋利性，能有效切断纤维，同时也能减小铝合金出口毛刺。从进而提供了一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，方便对碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件进行手工制孔加工，提升了手工制孔的效率及孔质量。

如图1和图2所示，第一主切削刃22的顶角

为110～150°。在具体实施过程中，第一主切削刃22的顶角

为120°，较大的第一主切削刃22顶角有助于钻头轻松钻入材料，使得钻削过程更为省力。

如图1和图2所示，第二主切削刃23的顶角为

为50～90°。在具体实施过程中，第二主切削刃23的顶角为

为80°，较小的第二主切削刃顶角可有助于减小轴向力，抑制CFRP制孔损伤，可明显的提升制孔质量。

如图1和图2所示，第三主切削刃24的顶角为

为140～180°。在具体实施过程中，第三主切削刃24的顶角为

为160°，较大的第三主切削刃24顶角可减小铝合金出口毛刺，进一步提升制孔质量。

如图1和图2所示，副切削刃25的倒锥量为0.5/100-1.5/100。在具体实施过程中，副切削刃25的倒锥量为1/100，较大的倒锥量有助于减小副切削刃25与孔壁之间的摩擦，减少切削热的产生及刀具磨损。

如图1和图2所示，第一主切削刃22的前角γ₁与第二主切削刃23的前角γ₂均为8～15°。在具体实施过程中，第一主切削刃22的前角γ₁与第二主切削刃23的前角γ₂均为14°。保证了其锋利性，能有效切断纤维。

如图1和图2所示，第一主切削刃22的后角α₁、第二主切削刃23的后角α₂与第三主切削刃24的后角α₃均为10～12°。在具体实施过程中，第一主切削刃22的后角α₁、第二主切削刃23的后角α₂与第三主切削刃24的后角α₃均为12°，较大的前后角保证了切削刃的锋利性，可加强对CFRP纤维的切断能力。

如图1和图2所示，副切削刃25的螺旋角β为20～50°。在具体实施过程中，第三主切削刃24前角γ₃即为螺旋角。保证了其锋利性，能有效切断纤维，同时也能减小铝合金出口毛刺，通过设置较大的螺旋角的优化，也使得排屑更加顺畅。

如图1和图3所示，刃部2的径向宽度为d，刃部2的芯厚d₀＝0.25～0.35d。在具体实施过程中，第一主切削刃22的径向宽度d₁为0.4d，第二主切削刃23的径向宽度d₂为0.67d。在具体实施过程中，由于芯厚d₀＝0.25～0.35d，可保证钻头整体强度并增大其容屑空间。

如图1所示，副切削刃25的宽度为钻头直径d的1/20至1/12之间。在具体实施过程中，1/20d的副切削刃25宽度使孔壁对刀具有一定的支撑作用，保证钻削过程的稳定。

工作原理：由于刃部2包括依次相邻设置的横刃21、第一主切削刃22、第二主切削刃23、第三主切削刃24与副切削刃25，刃部2起切削作用，该刃部的结构设计保证了钻头的定心能力，减小了钻头的轴向力，同时保证了其锋利性，能有效切断纤维，同时也能减小铝合金出口毛刺。从进而提供了一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，方便对碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件进行手工制孔加工，提升了手工制孔的效率及孔质量。

下表是标准麻花钻与本发明多个实施例的切削效果对比表：

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，其特征在于，包括：依次连接的柄部(1)与刃部(2)，所述刃部(2)包括依次相邻设置的横刃(21)、第一主切削刃(22)、第二主切削刃(23)、第三主切削刃(24)与副切削刃(25)，所述副切削刃(25)呈螺旋状设置，所述横刃(21)的长度为钻头直径的1/30至1/15之间。

2.根据权利要求1所述的用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，其特征在于，所述第一主切削刃(22)的顶角为110～150°。

3.根据权利要求1所述的用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，其特征在于，所述第二主切削刃(23)的顶角为50～90°。

4.根据权利要求1所述的用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，其特征在于，所述第三主切削刃(24)的顶角为140～180°。

5.根据权利要求1所述的用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，其特征在于，所述副切削刃(25)的倒锥量为0.5/100-1.5/100。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，其特征在于，所述第一主切削刃(22)的前角与所述第二主切削刃(23)的前角均为8～15°。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，其特征在于，所述第一主切削刃(22)的后角、所述第二主切削刃(23)的后角与所述第三主切削刃(24)的后角均为10～12°。

8.根据权利要求1所述的用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，其特征在于，所述副切削刃(25)的螺旋角为20～50°。

9.根据权利要求1所述的用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，其特征在于，所述刃部(2)的直径为d，所述刃部(2)的芯厚d₀大小为0.25～0.35d。

10.根据权利要求1或5或8所述的用于加工碳纤维增强树脂基复合材料和铝合金的叠层构件的手工钻头，其特征在于，所述副切削刃(25)的宽度为钻头直径的1/20至1/10之间。

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