CN114713884B - 一种超声振动钻孔刀具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机加工技术领域，公开了一种超声振动钻孔刀具。所述超声振动钻孔刀具包括次连接的夹持段、振幅放大段及切削段，其中，夹持段被配置为与超声切削设备连接，振幅放大段用于放大超声切削设备的振幅，切削段包括两条螺旋刃带和设置在螺旋刃带远离振幅放大段一端的切削刃，两个切削刃交汇形成横刃，横刃的长度为R，0.8≤R≤1.2mm。超声波振动钻孔刀具通过设置振幅放大段使超声切削设备传递至切削段的振幅增加，同时将横刃设置为较大的尺寸，由于超声波振动主要借助横刃与基面之间的撞击实现切削，故在适用超声波振动钻孔刀具加工时，能够提高超声振动切削在整个超声振动钻孔中的作用比重和效果，进而提高加工面的质量。

Description

一种超声振动钻孔刀具

技术领域

本发明涉及机加工技术领域，尤其涉及一种超声振动钻孔刀具。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRP)因其优越的综合性能广泛应用于航空航天领域。在飞机装配中，需要加工大量的连接孔，制孔的精度和质量对于飞机结构件的服役性能和飞机的安全性有着重要影响，因此需要确保连接孔的高精度和高质量。由于碳纤维复合材料是由质软而粘性大的基体材料和强度高、硬度大的碳纤维增强材料混合而成的二相或多相结构，其具有层间强度低、各向异性、脆性大等特点，因此在钻孔时易产生层间分层、出入端纤维劈裂等制孔缺陷，无法满足使用需求。

超声振动钻孔是在钻削加工的基础上施加高频振动，其由刀具的高速旋转、进给运动和高频超声振动复合共同完成钻孔。相对于普通的钻削加工而言，超声振动钻孔方式通过周期性振动使刀具和工件之间的作用发生改变，从而改善切削刃的加工状况。但现有技术中的钻孔刀具，无法充分发挥超声振动钻孔的优势，当采用普通钻孔刀具对于碳纤维增强复合材料进行钻孔时，仍然存在层间分层、出入端纤维劈裂等制孔缺陷。

因此，亟需发明一种超声振动钻孔刀具来解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种超声振动钻孔刀具，其能够提高超声振动在超声振动钻孔中的作用效果，从而提高加工面的质量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种超声振动钻孔刀具，包括依次连接的：

夹持段，被配置为与超声切削设备连接；

振幅放大段，用于放大所述超声切削设备的振幅；以及

切削段，包括两条螺旋刃带和设置在所述螺旋刃带远离所述振幅放大段一端的切削刃，两个所述切削刃交汇形成横刃，所述横刃的长度为R，0.8≤R≤1.2mm。

可选地，所述切削刃形成的顶角为α，120°≤α≤130°。

可选地，所述螺旋刃带与所述切削段的回转轴线之间的夹角为β，15°≤β≤20°。

可选地，所述切削刃的前角为γ，后角为θ，其中，8°≤γ≤13°，22≤θ≤28°。

可选地，所述切削刃由前刀面和后刀面相接形成，所述后刀面包括第一后刀面、第二后刀面及第三后刀面，其中，θ为所述第一后刀面与切削平面之间的夹角，所述第二后刀面与所述第一后刀面之间的夹角为7°～13°，所述第三后刀面与所述第二后刀面之间夹角为32°～44°。

可选地，所述夹持段、所述振幅放大段及所述切削段一体成型。

可选地，所述超声切削设备包括换能器，所述振幅放大段包括：

圆柱段，与所述夹持段连接，所述圆柱段的直径为D，所述切削段的直径为d，其中，D与所述换能器的直径相等，且D＞d；

锥形过渡段，其两端分别与所述圆柱段和所述切削段连接。

可选地，所述锥形过渡段的长度为L₂，所述振幅放大段的长度为L₃，其中，2L₂≤L₃≤3L₂。

可选地，所述切削段的长度为L₁，所述锥形过渡段的长度为L₂，所述振幅放大段的长度为L₃，其中，1.5L₁≤L₂+L₃≤1.8L₁。

可选地，所述切削段的长度为L₁，所述切削段的直径为d，其中10d≤L₁≤14d。

本发明有益效果为：

本发明的超声波振动钻孔刀具，一方面通过设置振幅放大段使超声切削设备传递至切削段的振幅增加，另一方面将横刃设置为较大的尺寸，而超声波振动主要借助横刃与基面之间的撞击实现切削作用，故在将超声波振动钻孔刀具安装在超声切削设备上进行钻孔时，能够提高超声振动切削在整个超声振动钻孔中的作用比重和作用效果，进而提高加工面的质量。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的超声振动钻孔刀具的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的切削段的俯视图；

图3是图1中的A处放大图；

图4是是本发明具体实施方式提供的超声振动钻孔刀具的结构主视图。

图中：

1-夹持段；

2-振幅放大段；21-圆柱段；22-过渡段；

3-切削段；31-螺旋刃带；311-圆柱面；312-过渡面；32-切削刃；33-横刃；34-前刀面；351-第一后刀面；352-第二后刀面；353-第三后刀面；36-螺旋排屑槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本实施例提供了一种超声振动钻孔刀具，尤其适用于对碳纤维增强复合材料(CFRP)进行加工。如图1-图2所示，超声振动钻孔刀具包括依次连接的夹持段1、振幅放大段2及切削段3，其中，夹持段1用于与超声切削设备连接，振幅放大段2用于放大超声切削设备的振幅，切削段3包括两条螺旋刃带31和设置在螺旋刃带31远离振幅放大段2一端的切削刃32，两个切削刃32交汇形成横刃33，横刃33的长度为R，0.8≤R≤1.2mm。

通常情况下，对于普通的钻孔刀具，横刃33长度增加会使刀具轴向力增加，进而导致所加工的孔的表面质量变差，因此不会将横刃33是设置为较大的尺寸，而超声波振动实现切削作用主要借助横刃33与基面之间的撞击，本实施例的超声波振动钻孔刀具，一方面通过设置振幅放大段2使超声切削设备传递至切削段3的振幅增加，另一方面将横刃33设置为较大的尺寸，故在将超声波振动钻孔刀具安装在超声切削设备上进行钻孔时，能够提高超声振动切削在整个超声振动钻孔中的作用比重和作用效果，进而提高加工面的质量，改善碳纤维增强复合材料在加工孔时出现的层间分层、出入端纤维劈裂等制孔缺陷。

优选地，如图1所示，夹持段1、振幅放大段2及切削段3一体成型。从而保证整个超声振动钻孔刀具整体强度，不易发生在各段连接位置发生断裂的问题，且能够减少超声波在传递到切削段3过程中的能量损失。进一步地，本实施例中，超声振动钻孔刀具采用WC-TiC-Co硬质合金制作，其硬度高，耐磨性好。

需要说明的是，如图3所示，两个螺旋韧带之间对应形成切削段3的螺旋螺旋排屑槽36。螺旋韧带包括圆柱面311和过渡面312，圆柱面311构成切屑段的外表面，过渡面312连接螺旋排屑槽36和圆柱面311。

具体地，如图3所示，切削刃32由前刀面34和后刀面相接形成，前刀面34与基面之间的夹角为前角γ，8°≤γ≤13°，后刀面和切削平面之间的夹角为后角θ，22≤θ≤28°。经实验证明，前角和后角在此角度范围内，能够保证在碳纤维增强复合材料上所钻孔在出口处不易产生分层、撕裂和毛刺等缺陷。

进一步地，后刀面包括第一后刀面351、第二后刀面352及第三后刀面353，其中，θ为第一后刀面351与切削平面之间的夹角，第二后刀面352与第一后刀面351之间的夹角为7°～13°，第三后刀面353与第二后刀面352之间夹角为32°～44°。三个后刀面设置在此角度范围内，不仅能够提高切削效率、顺畅排屑，且能够进一步提高在碳纤维增强复合材料上所钻孔的表面质量。

优选地，如图4所示，切削刃32形成的顶角为α，120°≤α≤130°。通过将顶角设置在较大的范围内，同样能够增加刀具与基面的撞击效果，从而进一步提高超声振动切削在整个超声振动钻孔中的作用比重，也进一步提高加工面的质量。

进一步地，如图4所示，螺旋刃带31与切削段3的回转轴线之间的夹角为β，15°≤β≤20°。当超声振动的切削作用在超声振动钻孔过程中的比重增加后，对超声振动钻孔刀具的强度和刚性要求也相应增加，本实施例将β设置在较小的范围内，有利于保证对刀具刚性和强度的需要，提高刀具的适用寿命。

超声切削设备包括换能器，用于将机械能转化为高频超声波，优选地，如图4所示，振幅放大段2包括圆柱段21和锥形过渡段22，其中圆柱段21与夹持段1连接，锥形过渡段22的两端分别与圆柱段21和切削段3连接，圆柱段21的直径为D，切削段3的直径为d，其中，D与换能器的直径相等，且D＞d。进一步地，如图4所示，锥形过渡段22的长度为L₂，振幅放大段2的长度为L₃，其中，2L₂≤L₃≤3L₂。通过将振幅放大段2设置为上述的形状和尺寸，能够很好地将换能器的振幅进行放大，并能够尽量减小超声振动传递到切削段3过程中的能量损失，从而提高超声振动切削效果。

优选地，如图4所示，切削段3的长度为L₁，1.5L₁≤L₂+L₃≤1.8L₁，且10d≤L₁≤14d，将振幅放大段2的长度和切削段3的长度的比例、切削段3的长度和直径的比例设置在此范围内，能够在碳纤维增强复合材料上加工出表面质量更好的孔，保证所钻孔的出口处不易产生分层、撕裂和毛刺等缺陷。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声振动钻孔刀具，其特征在于，包括依次连接的：

夹持段(1)，被配置为与超声切削设备连接；

振幅放大段(2)，用于放大所述超声切削设备的振幅；以及

切削段(3)，包括两条螺旋刃带(31)和设置在所述螺旋刃带(31)远离所述振幅放大段(2)一端的切削刃(32)，两个所述切削刃(32)交汇形成横刃(33)，所述横刃(33)的长度为R，0.8≤R≤1.2mm。

2.如权利要求1所述的超声振动钻孔刀具，其特征在于，所述切削刃(32)形成的顶角为α，120°≤α≤130°。

3.如权利要求1所述的超声振动钻孔刀具，其特征在于，所述螺旋刃带(31)与所述切削段(3)的回转轴线之间的夹角为β，15°≤β≤20°。

4.如权利要求1所述的超声振动钻孔刀具，其特征在于，所述切削刃(32)的前角为γ，后角为θ，其中，8°≤γ≤13°，22°≤θ≤28°。

5.如权利要求4所述的超声振动钻孔刀具，其特征在于，所述切削刃(32)由前刀面(34)和后刀面相接形成，所述后刀面包括第一后刀面(351)、第二后刀面(352)及第三后刀面(353)，其中，θ为所述第一后刀面(351)与切削平面之间的夹角，所述第二后刀面(352)与所述第一后刀面(351)之间的夹角为7°～13°，所述第三后刀面(353)与所述第二后刀面(352)之间夹角为32°～44°。

6.如权利要求1所述超声振动钻孔刀具，其特征在于，所述夹持段(1)、所述振幅放大段(2)及所述切削段(3)一体成型。

7.如权利要求1-6任一项所述的超声振动钻孔刀具，其特征在于，所述超声切削设备包括换能器，所述振幅放大段(2)包括：

圆柱段(21)，与所述夹持段(1)连接，所述圆柱段(21)的直径为D，所述切削段(3)的直径为d，其中，D与所述换能器的直径相等，且D＞d；

锥形过渡段(22)，其两端分别与所述圆柱段(21)和所述切削段(3)连接。

8.如权利要求7所述的超声振动钻孔刀具，其特征在于，所述锥形过渡段(22)的长度为L₂，所述振幅放大段(2)的长度为L₃，其中，2L₂≤L₃≤3L₂。

9.如权利要求7所述的超声振动钻孔刀具，其特征在于，所述切削段(3)的长度为L₁，所述锥形过渡段(22)的长度为L₂，所述振幅放大段(2)的长度为L₃，其中，1.5L₁≤L₂+L₃≤1.8L₁。

10.如权利要求1-5任一项所述的超声振动钻孔刀具，其特征在于，所述切削段(3)的长度为L₁，所述切削段(3)的直径为d，其中10d≤L₁≤14d。

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