CN114559076B - 一种复合材料超声套孔的偏心套磨刀具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，包括上下设置的钻杆和切削段，钻杆和切削段均为中空的圆柱体，钻杆的直径比切削段直径大2‑4mm；切削段的内侧壁和外侧壁偏心设置，切削段的内侧壁、外侧壁和底部均设置磨粒。其有益效果是，将切削段的内侧壁和外侧壁偏心设置，以使切削段对复合材料切削制孔时，切削段空腔内所形成的圆柱状料芯的直径缩小，料芯与切削段的空腔之间的间距增大，增大了切削段的空腔的排屑空间，便于料芯在重力作用下顺利脱落，防止料芯堵塞切削段的空腔，并能降低切削温度，减小已加工的孔表面的热损伤，进而减小孔的分层、撕裂和毛刺等缺陷，并能提高制孔效率、制孔精度和制孔稳定性。

Description

一种复合材料超声套孔的偏心套磨刀具

技术领域

本发明涉及复合材料超声套孔技术领域，尤其涉及一种复合材料超声套孔的偏心套磨刀具。

背景技术

近年来，碳纤维增强树脂基复合材料(下文中简称为复合材料)因其比强度高、质量轻、耐磨性高和抗腐蚀性强等优势，被广泛应用于飞机蒙皮上。但这种复合材料的高强度和低导热性的特性也致其制孔难度较大，在对复合材料制孔时易产生分层和撕裂等缺陷。而随着我国飞机大量采用复合材料制备蒙皮，由传统钻孔工艺对复合材料制孔时，存在加工公艺路线长，制孔质量差和效率低等缺点，严重制约了我国航空装配制造工业研制高性能飞机的步伐。在此现状下，超声套孔工艺逐渐被用于复合材料的制孔中。

超声套孔工艺采用中空的环形套磨刀具并附加微米级振幅且沿套磨刀具的轴向进行超声波振动的制孔工艺，在制孔过程中采用脉冲式的切削方式，以大幅降低制孔过程中的平均切削力和切削温度，并防止切屑粘结引起的套磨刀具堵塞现象。然而，现有的套磨刀具在制孔过程中所形成的柱状切屑(即料芯)在磨粒钝化之后极易堵塞套磨刀具的空腔，导致套磨刀具失效以及孔分层和孔壁烧伤等缺陷。因此，目前亟需一种能够解决料芯堵塞套磨刀具空腔的新型套磨刀具。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，其解决了现有的套磨刀具在制孔过程中所形成的料芯易堵塞套磨刀具的空腔，导致套磨刀具失效以及孔分层、撕裂、毛刺和孔壁烧伤等缺陷的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，包括上下设置的钻杆和切削段，所述钻杆和所述切削段均为中空的圆柱体：

所述钻杆的直径比所述切削段的直径大2-4mm；

所述切削段的内侧壁和外侧壁偏心设置，所述切削段的内侧壁、外侧壁和底部均设置磨粒。

根据本发明，所述切削段的内侧壁和外侧壁偏心设置，所述切削段与所述钻杆的偏心距均为0.2-0.5mm。

根据本发明，以所述切削段底部的外环圆心为基准，位于所述切削段底部同一径向方向上的所述磨粒由外至内依次包括第一磨粒、第二磨粒和第三磨粒中的一种至多种，且所述第一磨粒、所述第二磨粒和所述第三磨粒的粒径依次增大；

以所述切削段底部的外环圆心为基准，同一圆环上的所述磨粒的粒径一致。

根据本发明，以所述切削段底部的外环圆心为基准，形成一列所述磨粒，多列所述磨粒间隔设置。

根据本发明，所述第一磨粒的粒径为70-75目；

所述第二磨粒的粒径为120-125目；

所述第三磨粒的粒径为140-150目。

根据本发明，所述切削段较薄一侧的壁厚为0.3-1.2mm；

所述切削段的内侧壁和外侧壁上的所述磨粒的粒径均为125目-150目。

根据本发明，沿所述切削段的轴向，所述切削段内侧壁上的所述磨粒间隔设置形成一列所述磨粒，至少一列所述磨粒沿所述切削段内侧壁的周向间隔设置；

沿所述切削段的轴向，所述切削段外侧壁上的所述磨粒间隔设置形成一列所述磨粒，至少一列所述磨粒沿所述切削段外侧壁的周向间隔设置。

根据本发明，所述偏心套磨刀具还包括由上至下依次设置在所述钻杆顶部的螺纹柄和定位锥部，所述螺纹柄的外周向侧壁设置用于和旋转工具的主轴连接的螺纹。

根据本发明，所述偏心套磨刀具中所述切削段的外径D与高度l₂、所述钻杆的外径D′与高度l₁、所述切削段的偏心距满足如下公式：

其中，F_h为所述偏心套磨刀具的横向磨削力，E为所述偏心套磨刀具的材料的弹性模量，r为料芯的半径，Δ为所述偏心套磨刀具所制孔的孔径误差。

根据本发明，所述切削段底部设置8列所述磨粒时，F_h满足如下公式：

其中，r₂为第二磨粒(412)的半径，r₃为第三磨粒(413)的半径，C₁、C₂、a为经实验测得的所述偏心套磨刀具的磨削力系数，f为所述偏心套磨刀具的每转进给量。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，通过将切削段的内侧壁和外侧壁偏心设置，以使切削段对复合材料切削制孔时，切削段空腔内所形成的圆柱状料芯的直径缩小，料芯与切削段的空腔之间的间距增大，进而增大了切削段的空腔的排屑空间，便于料芯在重力作用下顺利脱落，防止料芯堵塞切削段的空腔，并能有效降低切削温度，减小已加工的孔表面的热损伤，进而减小孔的分层、撕裂、毛刺和孔壁烧伤等缺陷，并能提高制孔效率、制孔精度和制孔稳定性。

同时，钻杆的直径比切削段直径大2-4mm，以保证偏心套磨刀具使用时的刚度。

附图说明

图1为本发明的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具的实施例1的立体示意图；

图2为图1的仰视图；

图3为图1中切削段的仰视图；

图4为图1中的切削段切削复合材料时的排屑过程的剖视图。

【附图标记说明】

1：螺纹柄；

2：定位锥部；

3：钻杆；

4：切削段；41：磨粒；411：第一磨粒；412：第二磨粒；413：第三磨粒；

5：复合材料；51：料芯；52：切屑；

d：偏心距。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”等方位名词以图1的定向为参照。

参见图1-图4所示，本发明实施例提出的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，包括上下设置的钻杆3和切削段4，钻杆3和切削段4均为中空的圆柱体。钻杆3与切削段4均中空偏心设置以减轻质量，便于此刀具的加工制造与施加在偏心套磨刀具的超声套孔工艺引起偏心套磨刀具的震动。切削段4的内侧壁、外侧壁和底部均设置磨粒41，切削段4通过磨粒41对复合材料制孔。具体地，磨粒41电镀、钎焊或烧结于切削段4上。钻杆3的直径比切削段4的直径大2-4mm，以保证偏心套磨刀具使用时的刚度。

进一步，切削段4的内侧壁和外侧壁偏心设置，以使切削段4对复合材料切削制孔时，切削段4空腔内所形成的圆柱状料芯51的直径缩小，料芯51与切削段4空腔间的间距增大，以增大切削段4的空腔的排屑空间，便于料芯51在重力作用下顺利脱落，防止料芯51堵塞切削段4的空腔，并能有效降低切削温度，减小所制备的孔表面的热损伤，进而减小孔的分层、撕裂和毛刺等缺陷，并能提高制孔效率、制孔精度和制孔稳定性。

具体地，切削段4的偏心距d为0.2-0.5mm。当偏心距d小于0.2mm时，切削段4所形成料芯51的直径减小程度不明显，当偏心距d大于0.5mm时，偏心套磨刀具在制孔时所产生的横向磨削力过大，易导致偏心套磨刀具晃动，影响制孔精度。

具体地，切削段4较薄一侧的壁厚为0.3-1.2mm。当切削段4较薄一侧的壁厚小于0.3mm时，切削段4较薄不易稳定把持磨粒41。当切削段4较薄一侧的的壁厚大于1.2mm时，切削段4的体积较大，不易于制孔。

进一步，以切削段4底部的外环圆心为基准，位于切削段4底部同一径向方向上的磨粒41由外至内依次包括第一磨粒411、第二磨粒412和第三磨粒413中的一种至多种，且第一磨粒411、第二磨粒412和第三磨粒413的粒径依次增大。以切削段4底部的外环圆心为基准，同一圆环上的磨粒41的粒径一致。

需要说明的是，由于本实施例中的偏心套磨刀具的切削段4的内侧壁和外侧壁偏心设置，切削段4制孔时，以切削段4底部的外环圆心为基准，切削段4底部沿其径向的不同区域由外至内对磨粒41的磨损量依次增大，为适应位于切削段4底部不同区域的磨粒41的磨损量，本实施例在切削段4的底部设置三种不同粒径的第一磨粒411、第二磨粒412和第三磨粒413，且越靠近切削段4底部的外环圆心区域的磨粒41的粒径越大，以延长偏心套磨刀具的使用寿命，并保持同一圆环上的磨粒41的粒径一致，以使同一圆环处的磨粒41的磨损状况一致。

具体地，切削段4底部的磨粒41设置为：以切削段4底部的外环圆心为基准，位于切削段4底部同一径向方向上的磨粒41由外至内包括至少一个第一磨粒411，或者由外至内依次包括至少一个第一磨粒411、至少一个第二磨粒412，或者由外至内依次包括至少一个第一磨粒411、至少一个第二磨粒412和至少一个第三磨粒413，以适应切削段4底部的不同壁厚。

优选地，第一磨粒411的粒径为70-75目，第二磨粒412的粒径为120-125目，第三磨粒413的粒径为140-150目，切削段4底部采用粒径较小的磨粒41，以提高所制孔的孔壁的表面粗糙度，并减小孔的出口缺陷。

进一步，以切削段4底部的外环圆心为基准，位于切削段4底部同一径向方向上形成一列磨粒41，多列磨粒41间隔设置，以扩大相邻两列磨粒41的间距，即切削段4底部的排屑面积，便于切削过程中所形成的切屑52的排屑，并能避免因不规则排布的磨粒41所导致的切削力和切削热增大以及偏心套磨刀具磨损加剧的状况。优选地，切削段4底部设置8列磨粒41，以使切削段4底部的磨粒41分布均匀，提高偏心套磨刀具的制孔精度。当然，也可根据实际需求相应调整切削段4的磨粒41列数。

优选地，在切削段4底部的最厚处设置一列磨粒41，该列磨粒41中的第三磨粒413与切削段4底部的外径圆心的径向距离最小，偏心套磨刀具制孔时，该列磨粒41中的第三磨粒413用于去除靠近圆柱状料芯51的环形区域的复合材料，避免因该环形区域的复合材料无法去除，导致偏心套磨刀具无法正常向下进给工作。

更优选地，为提高切削段4底部磨粒41的切削精度，在切削段4底部的最薄处和最厚处分别设置一列磨粒41，并等角度间隔设置其余多列磨粒41。

进一步，沿切削段4的轴向，切削段4内侧壁上的磨粒41间隔设置形成一列磨粒41，至少一列磨粒41沿切削段4内侧壁的周向间隔设置。沿切削段4的轴向，切削段4外侧壁上的磨粒41间隔设置形成一列磨粒41，至少一列磨粒41沿切削段4外侧壁的周向间隔设置。通过上述设置，能够增大切削段4内侧壁上每列磨粒41间以及外侧壁上每列磨粒41间的排屑空间，以便于切削过程中所形成的切屑52的排屑，并能避免因不规则排布的磨粒41所导致的切削力和切削热增大以及偏心套磨刀具磨损加剧的状况。优选地，在切削段4的内侧壁和外侧壁上均分别设置8列磨粒41，以和切削段4底部的磨粒41的列数一致，便于加工。

优选地，为提高偏心套磨刀具的制孔精度和孔加工表面质量，切削段4的外侧壁上的磨粒41的设置高度为所需制孔的高度的1.5-2倍。为降低成本并减小偏心套磨刀具的磨损，切削段4的内侧壁上的磨粒41的设置高度与所需制孔的高度一致。需要说明的是，切削段4的内侧壁和外侧壁上的磨粒41的设置高度仅为举例说明，也可根据实际需求设置其他高度。

具体地，切削段4的内侧壁和外侧壁上的磨粒41的粒径均为125目-150目，设置该较小粒径的磨粒41能够提高所制孔的孔壁的表面粗糙度，并减小孔的出口缺陷。

进一步，为便于加工，本实施例中一次性成型出切削段4和钻杆3的空腔，因此，钻杆3的内侧壁和外侧壁也采用偏心设置，且钻杆3的偏心距d与切削段4的偏心距d一致。

进一步，偏心套磨刀具还包括由上至下依次设置在钻杆3顶部的螺纹柄1和定位锥部2。螺纹柄1的外周向侧壁设置用于和旋转工具的主轴连接的螺纹，并采用3/8-24-UNF-2A美制螺纹。定位锥部2设置为120°定位锥面，以在偏心套磨刀具旋转时能够自定心定位，并保持切削段4的回转精度。

具体地，本偏心套磨刀具为一体式构件，由柱状钢材毛坯加工而成，以便于加工。

进一步，套磨刀具中切削段4的外径D与高度l₂、钻杆3的外径D′与高度l₁、切削段4的偏心距d满足如下公式：

其中，F_h为偏心套磨刀具的横向磨削力，E为偏心套磨刀具的材料的弹性模量，r为料芯51的半径，Δ为偏心套磨刀具所制孔的孔径误差。

满足上述公式的偏心套磨刀具所制孔的内径误差小于Δ。

进一步，为提高偏心套磨刀具所制孔的精度，切削段4底部设置至少8列磨粒41。为便于加工，优选设置8列磨粒41，此时，F_h满足如下公式：

其中，r₂为第二磨粒412的半径，r₃为第三磨粒413的半径，C₁、C₂、a为经实验测得的偏心套磨刀具的磨削力系数，f为偏心套磨刀具的每转进给量。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，包括上下设置的钻杆(3)和切削段(4)，所述钻杆(3)和所述切削段(4)均为中空的圆柱体，其特征在于：

所述钻杆(3)的直径比所述切削段(4)的直径大2-4mm；

所述切削段(4)的内侧壁和外侧壁偏心设置，所述切削段(4)的内侧壁、外侧壁和底部均设置磨粒(41)；

所述偏心套磨刀具中所述切削段(4)的外径D与高度l₂、所述钻杆(3)的外径D'与高度l₁、所述切削段(4)的偏心距(d)满足如下公式：

其中，F_h为所述偏心套磨刀具的横向磨削力，E为所述偏心套磨刀具的材料的弹性模量，r为料芯(51)的半径，Δ为所述偏心套磨刀具所制孔的孔径误差。

2.如权利要求1所述的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，其特征在于，所述切削段(4)的内侧壁和外侧壁偏心设置，所述切削段(4)与所述钻杆(3)的偏心距(d)均为0.2-0.5mm。

3.如权利要求1所述的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，其特征在于，以所述切削段(4)底部的外环圆心为基准，位于所述切削段(4)底部同一径向方向上的所述磨粒(41)由外至内依次包括第一磨粒(411)、第二磨粒(412)和第三磨粒(413)中的一种至多种，且所述第一磨粒(411)、所述第二磨粒(412)和所述第三磨粒(413)的粒径依次增大；

以所述切削段(4)底部的外环圆心为基准，同一圆环上的所述磨粒(41)的粒径一致。

4.如权利要求3所述的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，其特征在于，以所述切削段(4)底部的外环圆心为基准，位于所述切削段(4)底部同一径向方向上形成一列所述磨粒(41)，多列所述磨粒(41)间隔设置。

5.如权利要求3所述的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，其特征在于，所述第一磨粒(411)的粒径为70-75目；

所述第二磨粒(412)的粒径为120-125目；

所述第三磨粒(413)的粒径为140-150目。

6.如权利要求1所述的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，其特征在于，所述切削段(4)较薄一侧的壁厚为0.3-1.2mm；

所述切削段(4)的内侧壁和外侧壁上的所述磨粒(41)的粒径均为125目-150目。

7.如权利要求1所述的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，其特征在于，沿所述切削段(4)的轴向，所述切削段(4)内侧壁上的所述磨粒(41)间隔设置形成一列所述磨粒(41)，至少一列所述磨粒(41)沿所述切削段(4)内侧壁的周向间隔设置；

沿所述切削段(4)的轴向，所述切削段(4)外侧壁上的所述磨粒(41)间隔设置形成一列所述磨粒(41)，至少一列所述磨粒(41)沿所述切削段(4)外侧壁的周向间隔设置。

8.如权利要求4所述的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，其特征在于，所述偏心套磨刀具还包括由上至下依次设置在所述钻杆(3)顶部的螺纹柄(1)和定位锥部(2)，所述螺纹柄(1)的外周向侧壁设置用于和旋转工具的主轴连接的螺纹。

9.如权利要求4所述的复合材料超声套孔的偏心套磨刀具，其特征在于，所述切削段(4)底部设置8列所述磨粒(41)时，F_h满足如下公式：

其中，r₂为第二磨粒(412)的半径，r₃为第三磨粒(413)的半径，C₁、C₂、a为经实验测得的所述偏心套磨刀具的磨削力系数，f为所述偏心套磨刀具的每转进给量。

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