CN116038779A - 一种纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头由主切削区、副切削区和刀柄组成，其特征在于：在主切削区与副切削区连接处设有一个由若干个冷却槽组成的冷却槽区；所述主切削区上设有两部分切削刃，分别为第一主切削刃和第二主切削刃；两条第一主切削刃的径向最大宽度小于钻头直径的一半；第一顶角和第二顶角的角度不同，构成主切削区的双顶角结构；所述副切削区中，副切削刃为右旋形式，螺旋角为5°‑15°，副切削刃所在位置的刀具直径为钻头直径，第二主切削刃与副切削刃是由同一个螺旋槽形成的。

Description

一种纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头
技术领域
本发明涉及机械加工中刀具设计技术领域，具体涉及纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀和优异的可设计性等优良的综合性能，广泛应用于航空航天结构设计中。钻孔是纤维复合材料零件制造过程中工作量最繁重的机械加工之一；但由于材料的层间强度低，钻孔时极易在出口处产生分层、撕裂等缺陷；采用普通麻花钻很难加工无分层、无毛刺缺陷的孔。
针对上面的，行业内也提出了一些刀具设计方案，例如专利号为201510408743.7，专利名称为一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头的发明专利中，提供了一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头，但该专利中记载的刀具结构副切削刃左旋，实际上不能达到其所记载的效果。
因此，现有技术有待于提高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头，具体方案如下：
由主切削区、副切削区和刀柄组成，在主切削区与副切削区连接处设有一个由若干个冷却槽组成的冷却槽区；
所述主切削区上设有两部分切削刃，分别为第一主切削刃和第二主切削刃；其中，由两条第一主切削刃组成的第一顶角为60°-120°，由四条第二主切削刃组成的第二顶角为10°-30°；两条第一主切削刃的径向最大宽度小于钻头直径的一半；由于第一顶角和第二顶角的角度不同，构成主切削区的双顶角结构；
所述副切削区中，副切削刃为右旋形式，螺旋角为5°-15°，且副切削刃前角为10°-30°；副切削刃所在位置的刀具直径为钻头直径，第二主切削刃与副切削刃是由同一个螺旋槽形成的；
在所述冷却槽区中，第二主切削刃上冷却槽的数量为1-3个，副切削刃上冷却槽的数量为2-4个。
优选地，钻头上每个冷却槽的下边线的切线与刀具轴线之间的夹角Φ为60°～90°；每个冷却槽轮廓线下边线的切线与刀具轴线之间的夹角θ为70°～100°；冷却槽高度在0.3-0.8mm之间，冷却槽深度是冷却槽高度的1.5-2倍；每条切削刃上的冷却槽沿刀具轴线的阵列距离为冷却槽高度2-4倍。
优选地，第一顶角为105°，第二顶角为15°。
优选地，所述纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头还通过磨削第一主切削刃，形成横刃。
优选地，所述第二主切削刃上冷却槽数量1个，副切削刃上冷却槽的数量3个。
本发明提供的纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头，具有以下有益效果：
1、采用双顶角结构配合冷却槽的设计，实现了钻、扩、铰一次性加工的功能，钻孔精度高，减少了加工工序，降低钻削轴向力，减少分层缺陷；
2、孔出口处弯曲的未切断纤维回弹至刀刃上的冷却槽结构中，被后续切削刃切断，减小了毛刺；阵列排布的冷却槽结构，可实现使钻孔过程中产生的切屑得到快速分屑与及时排出和方便冷却液大量流入与流出，以致降低钻削区的温度，提高了钻头的使用寿命，避免了频繁换刀，降低了使用成本，提高了加工效率。
3、副切削刃采用右旋形式和较小的螺旋角，采用较小的螺旋角有利于切屑排出，且可以实现铰孔作用，减小孔壁粗糙度；制孔过程中，以刀柄端俯视视角，钻头顺时针旋转，在刀具向右的方向实现切削，右旋刃的设计增大向右切削刃的实际工作前角，较大前角有利于碳纤增强复合材料的切削。
附图说明
图1为本发明具体实施例的主视结构示意图；
图2为本发明具体实施例的左视图；
图3为为本发明具体实施例的左视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。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。
参照图1至图3，本发明提供一种纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头，由主切削区A、副切削区B和刀柄C三部分组成，在主切削区A与副切削区B连接处设有一个由若干个冷却槽X组成的冷却槽区D。
所述主切削区A上设有有两部分切削刃，分别为第一主切削刃1和第二主切削刃2；其中，由两条第一主切削刃1组成的第一顶角α为105°，由四条第二主切削刃2组成的第二顶角β为15°；两条第一主切削刃1的径向最大宽度e小于钻头直径R的一半；由于第一顶角α和第二顶角β的角度不同，构成主切削区A的双顶角结构；所述副切削区B中，副切削刃3为右旋形式，螺旋角ω为5°-15°，副切削刃3所在位置的刀具直径即为钻头直径R，第二主切削刃2与副切削刃3是由同一个螺旋槽形成的。
更具体的，在本实施例中，钻头直径R为8mm，第一主切削刃1最大径向宽度e为钻头直径R的1/3，螺旋角ω为5°；
在本实施例中，该纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头还通过磨削第一主切削刃，形成横刃a，横刃a的长度比一般钻削金属材料时短，具体的，横刃a的长度为0.22mm；所述第二主切削刃2上冷却槽X数量1个，副切削刃3上冷却槽X的数量3个，冷却槽区D共有4个齿；其中冷却槽高度b为0.8mm，冷却槽深度d为1.2mm，阵列距离c为1.6mm。
本发明的工作原理如下：
钻头在钻削过程中可分为5个阶段：第一阶段为挤压，是横刃a接触并挤压工件，由于横刃a的挤压效应，轴向推力迅速增大；第二阶段为挤压和钻削，此时第一主切削刃1进入材料，开始去除材料，推力以较小幅度增大；第三阶段为钻削，此时横刃a到达工件底部，在横刃a钻离工件之后，轴向力突然降低。第四阶段为钻削和铰削，此时板厚材料全部由第二主切削刃2加工，轴向推力波动不大；第五阶段为去毛刺和铰孔，此时第二主切削刃3开始离开工件，冷却槽X开始去除毛刺，同时对钻削过程中产生的切屑进行有效分屑及快速排出，且冷却槽X可以加快冷却液的流入和流出，带走大量切削热，副切削刃3进行铰孔，轴向力进一步减小。
本发明提供的纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头，具有以下优点：
1、采用双顶角结构配合冷却槽的设计，实现了钻、扩、铰一次性加工的功能，钻孔精度高，减少了加工工序，降低钻削轴向力，减少分层缺陷；
2、孔出口处弯曲的未切断纤维回弹至刀刃上的冷却槽结构中，被后续切削刃切断，减小了毛刺；阵列排布的冷却槽结构，可实现使钻孔过程中产生的切屑得到快速分屑与及时排出和方便冷却液大量流入与流出，以致降低钻削区的温度，提高了钻头的使用寿命，避免了频繁换刀，降低了使用成本，提高了加工效率。
3、副切削刃采用右旋形式和较小的螺旋角，与现有技术中提到的方案具有完全不一样的工作机理，采用较小的螺旋角有利于切屑排出，且可以实现铰孔作用，减小孔壁粗糙度；制孔过程中，以刀柄端俯视视角，钻头顺时针旋转，在刀具向右的方向实现切削，右旋刃的设计增大向右切削刃的实际工作前角，较大前角有利于碳纤增强复合材料的切削。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头，由主切削区、副切削区和刀柄组成，其特征在于：在主切削区与副切削区连接处设有一个由若干个冷却槽组成的冷却槽区；
所述主切削区上设有两部分切削刃，分别为第一主切削刃和第二主切削刃；其中，由两条第一主切削刃组成的第一顶角为60°-120°，由四条第二主切削刃组成的第二顶角为10°-30°；由于第一顶角和第二顶角的角度不同，构成主切削区的双顶角结构；
所述副切削区中，副切削刃为右旋形式，螺旋角为5°-15°；副切削刃所在位置的刀具直径为钻头直径，第二主切削刃与副切削刃是由同一个螺旋槽形成的；
在所述冷却槽区中，第二主切削刃上冷却槽的数量为1-3个，副切削刃上冷却槽的数量为2-4个。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头，其特征在于：钻头上每个冷却槽的下边线的切线与刀具轴线之间的夹角Φ为60°～90°；每个冷却槽轮廓线下边线的切线与刀具轴线之间的夹角θ为70°～100°；冷却槽高度在0.3-0.8mm之间，冷却槽深度是冷却槽高度的1.5-2倍；每条切削刃上的冷却槽沿刀具轴线的阵列距离为冷却槽高度2-4倍。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头，其特征在于：第一顶角为105°，第二顶角为15°。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头，其特征在于：该纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头还通过磨削第一主切削刃，形成横刃。
5.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料低损伤钻孔钻头，其特征在于：所述第二主切削刃上冷却槽数量1个，副切削刃上冷却槽的数量3个。
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