CN116060679A - 一种碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具 - Google Patents
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Abstract
一种碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，属于切削刀具技术领域，解决了现有碳纤维复合材料侧铣加工时上下表面容易出现的撕裂、分层、毛刺等加工损伤。本发明包含前端的柱状刀片组和后端的夹持部分，柱状刀片组包括依次连接的前端右旋柱状刀片，中部双向螺旋柱状刀片和后部左旋柱状刀片，刀片安装于限位刀架上，由紧固螺钉夹紧固定；前端右旋柱状刀片沿柱状外表面设置有多条右旋切削刃及容屑槽；后部左旋柱状刀片沿柱状外表面设置有多条左旋切削刃及容屑槽；双向螺旋柱状刀片柱状外表面设置相同数量的右旋切削刃、左旋切削刃及容屑槽；本发明在对碳纤维复合材料进行侧铣加工时可减少加工表面出现撕裂、分层及毛刺加工损伤。
Description
技术领域
本发明涉及层叠结构复合材料的侧铣加工工具，具体涉及碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具。
背景技术
碳纤维复合材料凭借其质量轻强度高等优秀特性，作为蒙皮及结构件广泛应用于航空航天领域中。碳纤维复合材料的制造具有近净成形的特点，但仍存在大量切边、开槽、铣型腔的加工需求。在调研中发现在碳纤维复合材料常用的加工方式为使用传统立铣刀进行侧铣加工，加工的过程中存在以下问题：加工质量差，碳纤维复合材料一般是由碳纤维制成的预浸布经由环氧树脂粘合并高温固化而制成的叠层材料。由于碳纤维及由碳纤维制作的复合材料具有明显的各向异性，造成了切削加工过程中容易出现毛刺、撕裂及分层等加工损伤的产生，严重影响了加工质量，甚至导致工件报废，造成了加工成本增加、生产周期加长的严重后果；刀具磨损严重，碳纤维硬度较高，与高速钢相近，因此一般应用整体硬质合金刀具加工碳纤维复合材料。切削碳纤维复合材料过程中产生了粉末状碳纤维颗粒，硬度较高的碳纤维颗粒与刀具剧烈摩擦造成刀具的快速磨损，进一步影响了纤维剪切断裂过程，加剧了毛刺的产生。换刀及对刀的过程严重影响了加工效率，对加工质量及加工周期产生了严重影响。
使用传统硬质合金立铣刀进行切边、开槽、铣型腔的加工时，随着刀具的快速磨损，加工表面出现大量的毛刺、撕裂、分层损伤，为保证加工质量频繁更换刀具而造成加工成本快速上升，因此从刀具结构优化设计方面出发开发新型刀具是提高加工质量、降低刀具成本的必要措施和重要手段。
发明内容
针对现有硬质合金立铣刀加工时容易使碳纤维复合材料分层、撕裂、毛刺损伤及快速磨损引起的成本高昂的问题，本发明提供一种碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具。
本发明的一种碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，所述刀具包含由紧固螺钉夹紧固定于限位刀架上柱状刀片组。
所述柱状刀片组包括依次连接的右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）和左旋柱状刀片（3）。
所述的右旋柱状刀片（1）为圆柱形铣刀结构，所述的右旋柱状刀片（1）设置有沿周向均匀分布，不少于两条的右旋切削刃。
所述的右旋柱状刀片（1）内部轴线方向设有圆形安装定位孔，所述的安装孔上对称设置两条键槽。
所述的左旋柱状刀片（3）为圆柱形铣刀结构，所述的左旋柱状刀片（3）外表面均匀分布与右旋柱状刀片（1）切削刃数量相等的左旋切削刃。
所述的左旋柱状刀片（3）内部轴线方向设有圆形安装定位孔，所述的安装孔上对称设置两条键槽。
所述的双向螺旋柱状刀片（2）为圆柱形铣刀结构，所述的双向螺旋柱状刀片（2）外表面均匀分布与右旋柱状刀片（1）切削刃数量相等的右旋切削刃及左旋切削刃，在相邻成对的右旋切削刃及左旋切削刃间形成棱锥状突起。
所述的双向螺旋柱状刀片（2）内部轴线方向设有圆形安装定位孔，所述的安装孔上对称设置两条键槽。
所述的右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）、左旋柱状刀片（3）具有相同直径。
所述的限位刀架（4）为阶梯轴结构，所述的限位刀架（4）后端为夹持部分，前端为对称设置两条键槽的柱状结构，为柱状刀片组及平键安装部分，端部设有安装紧固螺钉（5）的螺纹孔。
所述的限位刀架（4）设有多种长度，根据所加工工件厚度选择适当长度的限位刀架，将左旋柱状刀片（3），适当数量双向螺旋柱状刀片（2）及右旋柱状刀片（1）依次安装于限位刀架上，由紧固螺钉（5）夹紧固定。
作为优选，所述的右旋柱状刀片（1）圆柱面上沿圆周方向均匀分布四条沿刀具径向进给切削的右螺旋形的侧切削刃。
左旋柱状刀片（3）圆柱面上沿圆周方向均匀分布四条沿刀具径向进给切削的左螺旋形的侧切削刃。
双向螺旋柱状刀片（2）圆柱面上沿圆周方向均匀分布四条沿刀具径向进给切削的右螺旋形的侧切削刃，同时圆柱面上沿圆周方向均匀分布四条沿刀具径向进给切削的左螺旋形的侧切削刃。
作为优选，所述的右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）、左旋柱状刀片（3）中相邻切削刃的夹角（10）（16）（17）（21）、切削刃前角（11）（18）（22）、切削刃后角（12）（20）（24）、切削刃螺旋角（7）（8）（14）（15）、切削刃带（13）（19）（20）宽度采用相同设置。
作为优选，所述的右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）、左旋柱状刀片（3）由包括硬质合金的材料制成，限位刀架（4）由包括高速钢的材料制成。
本发明的有益效果：本发明的碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，采用组合式结构，将三种不同方向螺旋切削刃置于同一只刀具中；使用不同方向螺旋切削刃分别对工件的顶层、中部、底层材料进行去除，充分发挥不同螺旋角的优势，减小顶层剥离分层、底层挤推分层的可能，使顶层、底层材料的纤维在稳定支撑的条件下发生剪切去除，减小毛刺发生的可能；通过组装式结构使刀具适用于不同厚度材料的加工；使用高速钢制作限位刀架，可提高刀具的韧性，并降低刀具成本；通过组装式结构，使用过程中可对磨钝、破损部位单独更换，降低加工成本。
附图说明
图1 为本发明的一种碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具整体示意图。
图2为本发明的拆解图。
图3为右旋柱状刀片的剖面图。
图4为右旋柱状刀片的A-A剖面图。
图5为图4 d处局部放大图。
图6为双向螺旋柱状刀片的剖面图。
图7为双向螺旋柱状刀片的B-B剖面图。
图8为图7 e处局部放大图。
图9为左旋柱状刀片的剖面图。
图10为左旋柱状刀片的C-C剖面图。
图11为图10 f处局部放大图。
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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1至图11所示，本实施方式的一种碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，包含由紧固螺钉（5）夹紧固定于限位刀架（4）上的柱状刀片组。
本实施方式的柱状刀片组包括依次连接的右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）、左旋柱状刀片（3）。
右旋柱状刀片（1）为圆柱形铣刀结构，包括沿周向均匀分布且沿刀具径向进给切削的四条周向切削刃，包括第一右旋切削刃R1、第二右旋切削刃R2、第三右旋切削刃R3和第四右旋切削刃R4。
双向螺旋柱状刀片（2）为圆柱形铣刀结构，包括沿周向均匀分布且沿刀具径向进给切削的四条右旋周向切削刃以及沿周向均匀分布且沿刀具径向进给切削的四条左旋周向切削刃；四条右旋周向切削刃包括：包括第一右旋切削刃DR1、第二右旋切削刃DR2、第三右旋切削刃DR3和第四右旋切削刃DR4；四条左旋周向切削刃包括：包括第一左旋切削刃LR1、第二左旋切削刃LR2、第三左旋切削刃LR3和第四左旋切削刃LR4。
左旋柱状刀片（3）为圆柱形铣刀结构，包括沿周向均匀分布且沿刀具径向进给切削的四条周向切削刃，包括第一左旋切削刃L1、第二左旋切削刃L2、第三左旋切削刃L3和第四左旋切削刃L4。
本实施方式中右旋柱状刀片（1）外沿直径与双向螺旋柱状刀片（2）、左旋柱状刀片（3）相匹配。
本实施方式在实际应用中不仅仅限定采用四条切削刃，还可以采用2条或多于两条的设置。
本实施方式中右旋柱状刀片（1）相邻切削刃间夹角（10）、切削刃前角（11）、切削刃后角（12）、切削刃螺旋角（8）、切削刃带宽度（13）分别与左螺旋柱状刀片（2）切削刃间夹角（21）、切削刃前角（22）、切削刃后角（24）、切削刃螺旋角（7）、切削刃带宽度（23）采用相同设置。
双向螺旋柱状刀片（2）中第一右旋切削刃DR1、第二右旋切削刃DR2、第三右旋切削刃DR3和第四右旋切削刃DR4相邻切削刃间夹角（16）、切削刃前角（18）、切削刃后角（20）、切削刃螺旋角（14）、切削刃带宽度（19）分别与右旋柱状刀片（1）相邻切削刃间夹角（10）、切削刃前角（11）、切削刃后角（12）、切削刃螺旋角（8）、切削刃带宽度（13）采用相同设置；第一左旋切削刃LR1、第二左旋切削刃LR2、第三左旋切削刃LR3和第四左旋切削刃LR4相邻切削刃间夹角（17）、切削刃前角（18）、切削刃后角（20）、切削刃螺旋角（15）、切削刃带宽度（19）分别与左螺旋柱状刀片（2）切削刃间夹角（21）、切削刃前角（22）、切削刃后角（24）、切削刃螺旋角（7）、切削刃带宽度（23）采用相同设置。
本实施方式侧铣加工中，由右旋柱状刀片（1）对工件的底层材料进行切削，受切削刃螺旋角的影响，切削刃对底层材料产生提拉方向的作用力，减小挤推分层、撕裂发生的可能，同时纤维在强支撑方向发生剪切断裂，进一步减小纤维在弱支撑方向发生弯曲变形未能及时切断的概率，减少毛刺面积提高加工质量。
本实施方式侧铣加工中，由左旋柱状刀片（3）对工件的顶层材料进行切削，受切削刃螺旋角的影响，切削刃对底层材料产生推挤方向的作用力，减小剥离分层、撕裂发生的可能，同时纤维在强支撑方向发生剪切断裂，进一步减小纤维在弱支撑方向发生弯曲变形未能及时切断的概率，减少毛刺面积提高表面质量。
本实施方式通过选用不同长度的限位刀架及安装于限位刀架（4）上双向螺旋柱状刀片（2）的数量适应不同厚度的工件，以实现预期的加工效果，降低刀具成本。
具体实施例：本实施方式的柱状刀片组中右旋柱状刀片（1）长7mm，双向螺旋柱状刀片（2）长8mm，左旋柱状刀片（3）长5mm，限位刀架夹持部长50mm，可用于侧铣加工厚度为10mm-20mm的碳纤维复合材料。
右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）、左旋柱状刀片（3）、限位刀架（4）直径均为10mm，右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）、左旋柱状刀片（3）内部沿轴线方向设有直径为5mm的圆形安装孔并沿孔的周向对称布置两条深为1mm宽2mm的键槽，限位刀架（4）中用于安装柱状刀片组的定位部为直径为5mm的轴，并沿轴的周向对称布置两条深为1mm宽2mm的键槽，轴端部设有M3螺纹孔，用于安装紧固螺钉（5）。
在不影响所述刀具整体刚度及使用便利性的前提下，所述夹持部长度应尽量大保证装夹的稳定。
为保证所属刀具的加工效果，加工过程中双向螺旋柱状刀片（2）位于工件厚度的中部位置，右旋柱状刀片（1）对工件底部材料的加工厚度不小于1mm，左旋柱状刀片（3）对工件顶部材料的加工厚度不小于1mm。
右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）、左旋柱状刀片（3）中相邻切削刃间夹角为90°。
右旋柱状刀片（1）前角（11）为7°、后角（12）为7°、螺旋角（8）为60°、刃带长度（13）为1mm。
本实施方式柱状刀片组材料采用YG8型钨钴类硬质合金，其Co含量为8%，适于铸铁、有色金属及其合金、非金属材料的加工，此种材料具有硬度高、热硬性好、不易变形、不易破损等特点，具有较好的韧性和耐磨性。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他实施例中。
Claims (9)
1.一种碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，其特征在于，所述刀具包含由紧固螺钉夹紧固定于限位刀架上柱状刀片组；
所述柱状刀片组包括依次连接的右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）和左旋柱状刀片（3）；
所述的右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）和左旋柱状刀片（3）为圆柱形铣刀结构，所述的右旋柱状刀片（1）设置有沿周向均匀分布不少于两条的右旋切削刃，左旋柱状刀片（3）外表面均匀分布与右旋柱状刀片（1）切削刃数量相等的左旋切削刃，双向螺旋柱状刀片（2）外表面均匀分布与右旋柱状刀片（1）切削刃数量相等的右旋切削刃及左旋切削刃。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，其特征在于，
所述的限位刀架（4）包含多种长度，根据所加工材料的厚度选择适合长度的限位刀架（4），通过调节安装于限位刀架（4）上双向螺旋柱状刀片（2）的数量适应所加工材料的厚度。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，其特征在于，
所述的柱状刀片组由带有键槽的右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）和左旋柱状刀片（3）三部分组成，使用普通平键安装于带有键槽（9）的限位刀架（4）上，通过带有螺纹的紧固螺钉（5）进行夹紧固定。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，其特征在于，安装完成的柱状刀片组中右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）和左旋柱状刀片（3）的容屑槽无需对齐。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，其特征在于，右旋柱状刀片（1）、双向螺旋柱状刀片（2）和左旋柱状刀片（3）中切削刃的夹角、切削刃前角、切削刃后角、切削刃螺旋角、切削刃带宽度均采用相同设置。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，其特征在于，右旋柱状刀片（1）只可安装于主轴远端，左旋柱状刀片（3）只可安装于主轴近端。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，其特征在于，加工时，柱状刀片组长度大于所加工材料厚度，双向螺旋柱状刀片（2）长度小于所加工材料厚度，右旋柱状刀片（1）对底层材料的切削宽度应大于1mm，左旋柱状刀片（1）对顶层材料的切削宽度应大于1mm。
8.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，其特征在于，加工时，刀具的切削每齿进给量应小于刀具容屑槽深度。
9.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料侧铣专用组装式刀具，其特征在于，所述刀具主要用于碳纤维复合材料切边，切削过程只能进行径向进给。
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