CN115229244B - 一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具及制孔方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具及制孔方法，其中，包括刀体，刀体的一端为刀体切削端，刀体的另一端刀体安装端；刀体上设置有若干个插铣切削刃和若干个钻头切削刃；插铣切削刃包括第一底齿切削刃和第一侧齿切削刃；钻头切削刃包括第二底齿切削刃和第二侧齿切削刃；第一底齿切削刃与刀体切削端的端面之间的距离为a，a等于零；第二底齿切削刃与刀体切削端的端面之间的距离为b，b大于零。本申请提出的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具及制孔方法，通过在刀体上设置插铣切削刃和钻头切削刃，解决了传统钻头钻孔会使弱刚性曲面工件的制孔精度低的技术问题，实现了提高了对弱刚性曲面工件的制孔精度的有益效果。

Description

一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具及制孔方法

技术领域

本申请涉及数控机械加工用切削刀具的技术领域，尤其涉及一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具及制孔方法。

背景技术

随着航空装配技术进步及装配要求的提高，航空结构件筋条及缘条上设计了数量众多的装配精孔，这些精孔有较高的孔位及孔径精度要求。在零件弱刚性曲面缘条上加工精孔时，传统钻头钻孔会使弱刚性曲面工件的制孔精度低。

上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具及制孔方法，旨在解决制孔精度低的技术问题。

为实现上述目的，本申请提供一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，包括刀体，所述刀体的一端为刀体切削端，所述刀体的另一端为刀体安装端；

所述刀体设置有若干个插铣切削刃和若干个钻头切削刃；

所述插铣切削刃包括第一底齿切削刃和第一侧齿切削刃；

所述钻头切削刃包括第二底齿切削刃和第二侧齿切削刃；

所述第一底齿切削刃和所述第二底齿切削刃均设置在所述刀体切削端；

所述第一侧齿切削刃和所述第二侧齿切削刃均设置在所述刀体的圆周；

所述第一底齿切削刃从所述刀体切削端外侧方向向所述刀体切削端的中心方向延伸，且所述第一底齿切削刃的切削长度小于刀体切削端的半径；

所述第二底齿切削刃从所述刀体切削端的中心方向向所述刀体切削端的外侧方向延伸；

所述第一底齿切削刃与所述刀体切削端的端面之间的距离为a，a等于零；

所述第二底齿切削刃与所述刀体切削端的端面之间的距离为b，b大于零。

可选地，所述刀体上设置有两个插铣切削刃和两个钻头切削刃；

所述插铣切削刃与钻头切削刃相互交错的设置在所述刀体切削端。

可选地，两个所述第一底齿切削刃在所述刀体切削端形成凹倾角结构，其倾角α满足：0°≤α≤5°。

可选地，两个所述第二底齿切削刃在所述刀体切削端形成钻尖结构，其钻尖角度β满足：120°≤β≤180°。

可选地，所述刀体的直径为D₁，0.02D₁≤b≤0.1D₁。

可选地，所述第二底齿切削刃的切削长度等于刀体切削端的半径。

可选地，所述第一侧齿切削刃为螺旋刀刃。

可选地，所述第二侧齿切削刃为螺旋刀刃。

此外，为实现上述目的，本申请还提供一种用于弱刚性曲面结构的制孔方法，其特征在于，所述制孔方法包括：

采用制孔刀具对弱刚性曲面结构制孔。

可选地，所述弱刚性曲面结构的材料为金属或复合材料。

本申请所能实现的有益效果：

本申请的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，由于第一底齿切削刃从刀体切削端外侧方向向刀体切削端的中心方向延伸，且第一底齿切削刃的切削长度小于刀体切削端的半径，使得刀具前端在内侧区域内形成凹陷，即刀体切削端中间凹槽结构特征设计有效保证了钻孔的开始阶段(钻孔深度＜b时)是刀具底部外侧区域的第一底齿切削刃在对零件进行铣削加工，切削力更小，不会产生零件缘条变形，不会出现刀具在零件缘条曲面上滑移，从而减少孔位偏差因素的产生。距离b保证了钻孔过程中刀具前端的第一底齿切削刃先与零件接触，以较小的铣削力在曲面缘条上铣出一个凸形下陷，实现钻孔的定位引导功能。刀具经过距离b后，第二底齿切削刃也参与了加工切削，去除了第一底齿切削刃无法加工的D2范围内的零件材料，此时插铣切削刃和钻头切削刃同时参与钻孔切削工作，整个钻孔过程平稳无振动，有效保证了孔位精度和孔径精度，提高了对弱刚性曲面工件的制孔精度。

本申请实施例提出的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具及制孔方法，通过在刀体上设置插铣切削刃和钻头切削刃，解决了传统钻头钻孔会使弱刚性曲面工件的制孔精度低的技术问题，实现了提高了对弱刚性曲面工件的制孔精度的有益效果。

附图说明

图1为本申请的实施例提供的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具的结构示意图；

图2为本申请的实施例提供的刀体切削端的结构示意图；

图3为图2中A-A的剖视图；

图4为图2中B-B的剖视图；

图5为本申请的实施例提供的弱刚性曲面结构和沿曲面法向钻孔示意图；

1-刀体切削端，2-刀体安装端，3-第一底齿切削刃，4-第一侧齿切削刃，5-第二底齿切削刃，6-第二侧齿切削刃，7-刀体切削端的端面，8-弱刚性曲面结构，L₁-刀具刃长；L₂-刀具工作长度。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1、图2、图3、图4和图5，本申请第一实施例提供一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，包括刀体，所述刀体的一端为刀体切削端1，所述刀体的另一端刀体安装端2；

所述刀体上设置有若干个插铣切削刃和若干个钻头切削刃；

所述插铣切削刃包括第一底齿切削刃3和第一侧齿切削刃4；

所述钻头切削刃包括第二底齿切削刃5和第二侧齿切削刃6；

所述第一底齿切削刃3和所述第二底齿切削刃5均设置在所述刀体切削端1；

所述第一侧齿切削刃4和所述第二侧齿切削刃6均设置在所述刀体的圆周；

所述第一底齿切削刃3从所述刀体切削端1外侧方向向所述刀体切削端1的中心方向延伸，且所述第一底齿切削刃3的切削长度小于刀体切削端1的半径；

所述第二底齿切削刃5从所述刀体切削端1的中心方向向所述刀体切削端1的外侧方向延伸；

所述第一底齿切削刃3与所述刀体切削端的端面7之间的距离为a，a等于零；

所述第二底齿切削刃5与所述刀体切削端的端面7之间的距离为b，b大于零。

本申请的所述第一底齿切削刃3和所述第二底齿切削刃5即为端刃，设置在刀体切削端1；所述第一侧齿切削刃4和所述第二侧齿切削刃6即为周刃，均设置在所述刀体的圆周；刀体切削端的端面7即为刀体最先靠近加工零件的端面，如图1所述，即为图1的最左端，所述第一底齿切削刃3与所述刀体切削端的端面7之间的距离为a，a等于零；也就是说，第一底齿切削刃3最先靠近加工零件，处于图1中的最左端；所述第二底齿切削刃5与所述刀体切削端的端面7之间的距离为b，b大于零，也就是说，刀体加工零件时，最先与零件接触的为第一底齿切削刃3，而此时第二底齿切削刃5不与零件接触，不对零件加工，当第一底齿切削刃3加工b长度的深度后，第二底齿切削刃5才会对零件进行接触，此时，第二底齿切削刃5才会对零件进行切削加工；

所述第一底齿切削刃3从所述刀体切削端1外侧方向向所述刀体切削端1的中心方向延伸，且所述第一底齿切削刃3的切削长度小于刀体切削端1的半径；如图3所示，刀体的直径为D₁，将刀体切削端1直径分为外侧区域和内侧区域，外侧区域的直径加上内侧区域的直径D₂即为刀体的直径D₁，第一底齿切削刃3为短刃齿，仅刀具外侧区域有切削刃，如图3所示的D₂-D₁的区域内设置有，第一底齿切削刃3，也就是第一底齿切削刃3的切削长度小于刀体切削端1的半径；由于所述第一底齿切削刃3从所述刀体切削端1外侧方向向所述刀体切削端1的中心方向延伸，且所述第一底齿切削刃3的切削长度小于刀体切削端1的半径，那边必定在内侧区域内形成凹陷，即在直径D₂范围内形成凹陷，第一底齿切削刃3将不会对内侧区域内形成的凹陷区域作业加工零件。

在零件弱刚性曲面缘条上加工精孔时，传统钻头钻孔的加工方式为钻尖先接触曲面缘条，由于钻尖处刀具的转心距为0，钻尖处几乎没有切削线速度，转尖与待加工表面为“点接触”，钻尖会在曲面缘条上产生滑移，导致孔位偏差大，并且钻尖在挤压弱刚性曲面缘条时，缘条会产生弯曲变形，缘条变形进一步加大了孔位偏差，且增加了加工过程中的振动，导致精孔孔径也无法保证。传统钻头钻孔时钻尖先与工件接粗，由于钻尖与刀具回转中心线重合，旋转半径为0，切削线速度也为0，钻尖与工件接触瞬间以挤压摩擦的方式将工件挤压出一个凹窝，实现钻头定位引导，当工件为弱刚性曲面结构8时，钻尖在切削力的作用下会沿曲面滑移，产生了孔位偏差，加之较大的切削力会使弱刚性曲面工件产生变形，进一步增大了孔位偏差。刀具加工零件时是绕旋转中心转动的。可以简单理解为刀具转一圈刀具各个部位的点都运动了2πR，越靠近刀具外侧的点R越大，刀具旋转中心处R＝0，所以从外往内刀具的切削线速度越来越小，直至小旋转中心处的切削线速度为0。钻孔过程中整个刀具相对零件的进给(运动)速度是相同的，刀具外侧切削线速度高，切削性能好，切削力更小，刀具内侧切削线速度底小，刀具旋转中心点速度为0，所以钻头钻孔时，钻尖处由于刀具旋转产生的切削线速度为0，完全靠挤压将零件材料向刀具外侧挤压，切削力较大，零件容易变形，钻尖也容易在弱刚性缘条曲面上滑移，导致孔位偏差大。

本申请的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，刀具前端在内侧区域内形成凹陷，即刀体切削端1中间凹槽结构特征设计有效保证了钻孔的开始阶段(钻孔深度＜b时)是刀具底部外侧区域的第一底齿切削刃3在对零件进行铣削加工，切削力更小，不会产生零件缘条变形，不会出现刀具在零件缘条曲面上滑移，从而减少孔位偏差因素的产生。距离b保证了钻孔过程中刀具前端的第一底齿切削刃3先与零件接触，以较小的铣削力在曲面缘条上铣出一个凸形下陷，实现钻孔的定位引导功能。刀具经过距离b后，第二底齿切削刃5也参与了加工切削，去除了第一底齿切削刃3无法加工的D₂范围内的零件材料，此时插铣切削刃和钻头切削刃同时参与钻孔切削工作，整个钻孔过程平稳无振动，有效保证了孔位精度和孔径精度，提高了对弱刚性曲面工件的制孔精度。

插铣切削刃和钻头切削刃的个数可以设置若干个，本实施例为了保证刀具的结构稳定性，使得刀具加工零件时受力均匀，同时便于加工制造刀具，如图2所示，所述刀体上设置有两个插铣切削刃和两个钻头切削刃；所述插铣切削刃与钻头切削刃相互交错的设置在所述刀体切削端1。通过设置两个两个插铣切削刃和两个钻头切削刃；使得刀具在加工零件时，刀具受力均匀，延长了刀具的使用寿命，同时使得被加工零件受力均匀，从而提高对零件的制孔精度。

两个所述第一底齿切削刃3在所述刀体切削端1形成凹倾角结构，其倾角α满足：0°≤α≤5°。如图3所示，第一底齿切削刃3在刀体切削端1具有倾角，从外侧区域向内侧区域倾斜，理论上α越大刀具越锋利，但是α越大刀具底齿切削刃越薄弱，加工零件时容易崩刃，0°≤α≤5°是一个满足铣刀底齿切削刃既相对锋利切削刃强度又好的通用参数。

两个所述第二底齿切削刃5在所述刀体切削端1形成钻尖结构，其钻尖角度β满足：120°≤β≤180°。如图4所示，钻尖角度β满足：120°≤β≤180°，为凸尖角结构，类似于现有技术中的钻头，钻头的切削刃即为凸尖角结构，钻尖处由于刀具旋转产生的切削线速度为0，完全靠挤压将零件材料向刀具外侧挤压，再由靠近刀具外侧的钻尖刃将材料切削去除掉，钻尖刃结构更适合于化渣刀具中心部位(D₂范围内)的零件材料。通过将钻尖角度β设定为120°≤β≤180°，使得第二底齿切削刃5能够更好的去除掉刀具中心部位(D₂范围内)的零件材料，同时保证了第二底齿切削刃5的强度。

所述刀体的直径为D₁，0.02D₁≤b≤0.1D₁。距离b保证了钻孔过程中刀具前端的第一底齿切削刃3切削先与零件接触，以较小的铣削力在曲面缘条上铣出一个凸形下陷，刀具前端为凹槽结构，实现钻孔的定位引导功能。若b为0就会发生刀具外侧外侧部位和刀具中心部位同时切入零件的现象严重增大了切削力，无法实现高位置度定心引导。所以0.02D₁≤b≤0.1D₁，保证了第一底齿切削刃3的刚性，同时实现了高位置度定心引导。

第二底齿切削刃5的切削长度可以小于刀体切削端1的半径，也可以等于刀体切削端1的半径，本实施例中，所述第二底齿切削刃5的切削长度等于刀体切削端1的半径。不仅保证了对凹陷区域作业加工零件，而且使得第一底齿切削刃3和第二底齿切削刃5同时对整个零件孔，即D₁范围内进行切削。提高了对零件孔的制孔效率。

第一侧齿切削刃4可以为直刃，弯刃，螺旋刀刃等等，在本实施例中，所述第一侧齿切削刃4为螺旋刀刃。螺旋刀刃为现有技术，可参考现有技术中周刃中的螺旋刀刃，通过将第一侧齿切削刃4为螺旋刀刃，便于对切削时产生的切削屑的排出，提高对切削屑的排出效率。

同样的，第二侧齿切削刃6可以为直刃，弯刃，螺旋刀刃等等，在本实施例中，所述第二侧齿切削刃6为螺旋刀刃。便于对切削时产生的切削屑的排出，提高对切削屑的排出效率。

此外，本申请还提供一种用于弱刚性曲面结构的制孔方法，所述制孔方法包括：

采用制孔刀具对弱刚性曲面结构8制孔。

制孔方式为沿零件曲面法向钻孔，钻孔过程中位于刀具前端的第一底齿切削刃3先与工件接触，以铣削的方式锪钻出深度为b的窝，实现了制孔高位置度定位引导；刀具继续前进，钻孔深度大于b后，钻头结构的第二底齿切削刃5也参与了加工切削，此时插铣切削刃和钻头切削刃共同完成整个制孔加工过程。

本申请的用于弱刚性曲面结构的制孔方法与传统刀具和制孔方法相比，具有以下优点及有益效果：

1、本申请的制孔刀具为插钻一体刀具，在刀具轴向运动钻削加工孔时，位于刀具前端插铣刀切削刃的第一底齿切削刃3先与工件接触，以铣削的方式锪钻出深度为b的窝，锪窝过程中，由于切削刃位于刀具外侧，旋转半径大，切削线速度高，加之铣刀结构切削刃较为锋利，切削力小，钻孔过程中不易发生刀具滑移及缘条弯曲变形问题，实现了制孔高位置度定位引导；随着刀具继续前进，钻孔深度大于b后，钻头结构第二底齿切削刃5也参与了加工切削，去除了插铣刀结构第一底齿切削刃3无法加工的D₂范围内的零件材料，此时插铣切削刃和钻头切削刃同时参与钻孔切削工作，整个钻孔过程平稳无振动，有效保证了孔径尺寸精度。

2、本申请的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具及制孔方法直接一次钻孔即满足了高位置度孔位及孔径精孔加工要求，加工效率高。

3、与前后台阶排列组合制孔刀具相比，为达到相同的有效钻孔深度，本申请插钻一体刀具钻孔深度更浅，加工效率更高，刀具更短刚性更好，制孔过程中发生干涉风险更小，应用范围更广。

弱刚性曲面结构8的材料可以为金属、塑料、复合材料，玻璃，木材等等，本实施例中，考虑到金属或复合材料容易产生弯曲变形，所述弱刚性曲面结构8的材料为金属或复合材料。本申请可用于金属零件制孔及金属骨架+复合材料叠层零件制孔。提高对金属或复合材料的加工精度。

为了更清楚的理解本发明，以下带入具体数据对该方法进行具体的实施例说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例加工刀具为本发明的插钻一体刀。试验件的零件材料为7050-T7451铝合金，零件结构特征为：单个槽腔长度200mm、两侧缘条高度分别为70mm和90mm、缘条厚度3mm、曲面外形的最小曲率为R210mm。在试验件弱刚性曲面缘条上制出60个Φ6.5H9精孔，孔位公差±0.05mm，孔径公差Φ6.5(0～+0.036)mm。

本发明插钻一体刀具的规格参数为：刀具直径D₁＝6.5(+0.01～+0.02)；刀具刃长L₁＝12；刀具工作长度L₂＝15。钻Φ6.5H9精孔的加工参数为：S＝2000r/min，F＝160mm/min。

本实施例制孔方式为沿孔轴线钻孔，钻孔深度为5mm，直接一刀钻穿。

试验结果为：

1、加工过程平稳，无振动及弹刀异响；

2、试切5组试验件共300个孔后，刀具完好无任何磨损倾向，刀具耐用度符合预期。

3、通过对试验件所加工的孔进行孔位及孔径测量，试验结果为：孔径范围为Φ6.518～Φ6.530mm；孔位偏差在±0.043mm以内。符合孔位及孔径公差要求。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，其特征在于，包括刀体，所述刀体的一端为刀体切削端，所述刀体的另一端为刀体安装端；

所述刀体设置有若干个插铣切削刃和若干个钻头切削刃，且所述插铣切削刃和所述钻头切削刃周向交替设置在所述刀体切削端；

所述插铣切削刃包括第一底齿切削刃和第一侧齿切削刃；

所述钻头切削刃包括第二底齿切削刃和第二侧齿切削刃；

所述第一底齿切削刃和所述第二底齿切削刃均设置在所述刀体切削端；

所述第一侧齿切削刃和所述第二侧齿切削刃均设置在所述刀体的圆周；

所述第一底齿切削刃从所述刀体切削端外侧方向向所述刀体切削端的中心方向延伸，且所述第一底齿切削刃的切削长度小于刀体切削端的半径，以在所述刀体切削端形成凹陷区；

所述第二底齿切削刃从所述刀体切削端的中心方向向所述刀体切削端的外侧方向延伸；

所述第一底齿切削刃与所述刀体切削端的端面之间的距离为a，a等于零；

所述第二底齿切削刃与所述刀体切削端的端面之间的距离为b，b大于零。

2.如权利要求1所述的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，其特征在于，所述刀体上设置有两个所述插铣切削刃和两个所述钻头切削刃；

所述插铣切削刃与钻头切削刃相互交错的设置在所述刀体切削端。

3.如权利要求2所述的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，其特征在于，

两个所述第一底齿切削刃在所述刀体切削端形成凹倾角结构，其倾角α满足：0°≤α≤5°。

4.如权利要求2所述的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，其特征在于，两个所述第二底齿切削刃在所述刀体切削端形成钻尖结构，其钻尖角度β满足：120°≤β≤180°。

5.如权利要求1所述的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，其特征在于，所述刀体的直径为D₁，0.02D₁≤b≤0.1D₁。

6.如权利要求1所述的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，其特征在于，所述第二底齿切削刃的切削长度等于刀体切削端的半径。

7.如权利要求1所述的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，其特征在于，所述第一侧齿切削刃为螺旋刀刃。

8.如权利要求1所述的一种用于弱刚性曲面结构的制孔刀具，其特征在于，所述第二侧齿切削刃为螺旋刀刃。

9.一种用于弱刚性曲面结构的制孔方法，其特征在于，所述制孔方法包括：

采用如权利要求1至8中任意一项所述的制孔刀具对弱刚性曲面结构制孔。

10.如权利要求9所述的一种用于弱刚性曲面结构的制孔方法，其特征在于，所述弱刚性曲面结构的材料为金属或复合材料。