CN105499665A - 用于叠层结构零件整体制孔的多阶梯多刃刀具 - Google Patents

Abstract

本发明用于叠层结构零件整体制孔的多阶梯多刃刀具属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种叠层结构零件高质量整体制孔的多阶梯多刃刀具。刀具具有此刀具具有由预钻孔主切削刃包络线形成的预钻孔切削区、扩孔主切削刃包络线形成的扩孔切削区、包络线为金属终孔尺寸的金属铰孔切削区、包络线为复材终孔尺寸的复材铰孔切削区、变径区和夹持区构成了刀具的多阶梯多刃结构，每级阶梯具有特定的刃型、螺旋角和刀径。该刀具是一种具有钻、扩、铰功能为一体的多阶梯多刃钻头，特别适用于碳纤维增强复合材料或金属叠层结构零件的加工，高质量、高效率整体低损伤制孔，降低生产成本，提高加工效益。

Description

用于叠层结构零件整体制孔的多阶梯多刃刀具

技术领域

本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种叠层结构零件高质量整体制孔的多阶梯多刃刀具。

背景技术

减轻重量是航空飞机、航天飞行器提高巡航、运载能力的必要手段，碳纤维增强复合材料(复材)具有轻质、高强等优点，其应用可以减轻结构重量，减少制造周期，被广泛应用于航空、航天装备的构件制造。然而复材构件层间方向承载能力差，不能承受多向复杂载荷，因此在一些部位只能采用轻质、高强的金属。为了最终的装配，复材与金属构件通常采用搭接的形式，形成叠层结构零件，并采用镙接、铆接的方式进行机械连接。这种连接方式的前提是必须进行整体制孔。

然而碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件中，材料性能差异巨大，其中碳纤维增强复合材料的碳纤维增强相极硬，而层间结合力弱，钻削加工时易造成碳纤维增强复合材料的撕裂、分层等损伤，且刀具磨损严重；而金属，特别是钛合金，其强度高、热导率低、高温化学活性高，加工时易出现入口毛刺、飞边，孔径不圆或倾斜等缺陷，刀具易出现黏刀、崩刃等现象；另外，切削金属产生的切屑形貌及排出路径极难控制，极易划伤复材孔壁，导致撕裂、分层等损伤，同时，切削金属产生的高温以及高温切屑，易造成材料结合部位的复材和复材孔壁的烧伤。可见，碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件的高质量整体制孔极其困难，是航空、航天装备制造中的技术瓶颈之一。

切削制孔中，切削刀具的几何结构是影响制孔质量的关键因素之一，为克服上述碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件的高质量整体制孔质量差的问题，国内外开发了多种不同结构几何形式的叠层结构材料的制孔刀具。江西杰浩硬质合金工具有限公司公开申请了一种“加工碳素纤维增强复合材料与钛合金叠层板的钻头”，申请号：201220592135.8，它涉及用于叠层材料的制孔的具有多顶角的切削刀具，提出在钻尖部的钻尖角为三顶角设计，刀具通过径向大前角开槽，非常锋利，较好的解决了复材加工中由于轴向力过大引发的分层、撕裂等损伤问题，然而，这种刀具存在在加工过程中不能保证金属孔壁的粗糙度与孔径尺寸。日本川崎重工等企业在“SAETechnicalPaper”上发表的《DevelopmentofaDrillBitforCFRP/Aluminum-AlloyStack:ToImproveFlexibility,EconomicalEfficiencyandWorkEnvironment》中提出了一种阶梯结构钻叠层刀具，提出了采用较薄的横刃，变角度切削刃及多阶梯结构。此类型刀具主要采用分阶段钻削的思想，通过前段去除大部分材料，保证去除效率，后段少量去除材料，减小金属切屑尺寸，对复合材料和金属结合部位的损伤影响小。此类刀具在无冷却的情况下，依然可以保证刀具寿命，并且可以在任意方向都可以一次加工成型，有效的提高了加工效率。然而，该种刀具在加工过程中不能保证复材毛刺的有效去除，并且也没有考虑到复材回弹的特性，很难保证加工后孔径的一致性。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服整体钻削加工碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件孔时，碳纤维增强复合材料入口易产生分层、毛刺、撕裂等损伤，金属孔壁粗糙度差，复材与金属的孔径一致性差、刀具寿命低等问题，发明一种叠层结构零件高质量整体制孔的多阶梯多刃刀具。该刀具是一种具有钻、扩、铰功能为一体的多阶梯多刀刃钻头，其具有直径较小的预钻孔切削区，直径稍大的扩孔切削区，扩孔切削区与金属铰孔切削区的圆弧过渡段，以及直径的复材铰孔切削区与金属铰孔切削区，形成多级阶梯结构，每级阶梯具有特定的刃型、螺旋角和刀径，特别适合于碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件的高质量、高效率整体低损伤制孔加工，提高加工效益，降低生产成本。

本发明采用的技术方案是一种碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件制孔的多阶梯多刃刀具，其特征是此刀具具有由预钻孔主切削刃1包络线形成的预钻孔切削区A、扩孔主切削刃2包络线形成的扩孔切削区B、包络线为金属终孔尺寸的金属铰孔切削区C、包络线为复材终孔尺寸的复材铰孔切削区D、变径区E和夹持区F6个区域构成了多阶梯多刃结构，每级阶梯具有特定的刃型、螺旋角和刀径。

在预钻孔切削区A有2条预钻孔主切削刃1和2条预钻孔副切削刃2，其螺旋角为第一螺旋角α，直径为D₁；预钻孔切削区A的刀具直径D₁是扩孔切削区B的刀具直径D₂的0.5～0.7倍；

扩孔切削区B，有2条扩孔主切削刃3，2条扩孔副切削刃4，其螺旋角也为第一螺旋角α，直径为D₂；扩孔副切削刃4后段采用圆弧曲线与金属铰孔切削刃5连接，这段区域为过渡区H，扩孔切削区B的刀具直径D₂是金属铰孔切削区C的刀具直径D₃的0.97～0.99倍；

金属铰孔切削区C有3～4条金属铰孔切削刃5，并采用较小的螺旋角β，直径为D₃；金属铰孔切削区C的刀具直径D₃为金属部分终孔尺寸，该区域长度为所加工金属厚度的1.1～1.5倍，金属铰孔切削C加工时不会进入复材部分；

复材铰孔切削区D有5～8条复材铰孔副切削刃6，其螺旋角为直径为D₄，复材铰孔切削区D的螺旋角小于金属铰孔切削区C的螺旋角β，复材铰孔切削区D在加工时不会进入金属部分；

复材铰孔切削区D的刀具直径D₄大于复材部分终孔尺寸，即刀具直径D₄大于金属铰孔切削区C的刀具直径D₃，这种结构设计可以消除加工碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件时由于复材回弹带来的孔径误差；复材铰孔切削区D的长度为上层被切削复材厚度的0.8～0.9倍。

变径区E在复材铰孔切削区D的尾端设计为变径结构，变径区E的轴向长度为复材铰孔切削区D轴向长度的1/2，变径区E的直径为D₅；

本发明的效果和益处是多阶梯多刃刀具的预钻孔切削区A在复材段实现快速加工出底孔，并保证孔壁留有余量；扩孔切削区B在金属段通过先钻后扩同时结合圆弧过渡段，控制切屑形态及流动方向，实现叠层部位的高质量加工；金属铰孔切削区C，精加工金属，保证金属孔的表面质量，减小划痕，降低粗糙度；复材铰孔切削区D，精加工复材，消除孔壁上的烧伤和划伤，有效去除毛刺，降低形成终孔时的撕裂损伤，考虑到复材的高回弹特点，该部分直径略大于终孔尺寸，以保证各部分孔径一致；复材铰孔切削刃尾端的变径结构，有效控制钻削时的振动，提高了入口孔壁的质量。最终实现不同阶梯段对叠层结构零件的分阶加工。

附图说明

图1为一种碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件高效制孔的专用刀具的主视图，图2为图1中I-I剖面图，图3为图1中J-J剖面图，图4为图1中K-K剖面图。其中，A-预钻孔切削区，B-扩孔切削区，C-金属铰孔切削区，D-复材铰孔切削区，F-夹持区，H-过渡区，E-变径区，1-预钻孔主切削刃，2-预钻孔副切削刃，3-扩孔主切削刃，4-扩孔副切削刃，5-金属铰孔副切削刃，6-复材铰孔副切削刃，7-刀具轴向线，D₁-预钻孔切削区A的刀具直径，D₂-扩孔切削区B的刀具直径，D₃-金属铰孔切削区C的刀具直径，D₄-复材铰孔切削区的D刀具直径，D₅-变径区E的刀具直径，α-第一螺旋角，β-金属铰孔切削区C的螺旋角，复材铰孔切削区的螺旋角。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件高效制孔刀具，其具体实施例刀具如图1所示，此刀具划分为由预钻孔主切削刃1包络线与预钻孔副切削刃2包络线形成的预钻孔切削区A、扩孔主切削刃3与扩孔副切削刃4包络线形成的扩孔切削区B、包络线为金属终孔尺寸的金属铰孔切削区C、包络线大于复材终孔尺寸的复材铰孔切削区D、变径区E、夹持区F共6个区域，形成多级阶梯结构，每级阶梯具有特定的刃型、螺旋角和刀径。扩孔副切削刃4、金属铰孔副切削刃5、复材铰孔副切削刃6的端面形状如图4所示。

在预钻孔切削区A有2条预钻孔主切削刃1和2条预钻孔副切削刃2，其螺旋角α选取40°，直径D₁选取6.5mm，使得在加工过程中快速加工出复材、金属底孔，在切削过程中可以较好的减小轴向力，保证后续钻削过程的平稳进行。

扩孔切削区B、过渡区H，有2条扩孔主切削刃3，2条扩孔副切削刃4其螺旋角为α选取40°，直径为D₂选取9.31mm。在加工过程中实现对复材、金属的扩孔，同时保证在精加工前，复材孔与金属孔尺寸已接近终孔尺寸。如果高温复杂金属切屑将复材孔壁划伤，在精加工时仍留有切削余量，可以将损坏的孔壁去除。

如图1所示，扩孔切削区B和金属铰孔切削区C的过渡区H为一段圆弧，形成的圆弧刃，它可以有效减小金属铰孔副切削刃5切入初期产生的严重振动，同时通过控制切削形态及流动方向，尽量避免给复材孔入口处的孔壁造成划伤。

金属铰孔切削区C，有3～4条金属铰孔副切削刃5，如图3所示该实例选择4条副切削刃5,。其螺旋角β小于螺旋角α，螺旋角β选取25°。同时，金属铰孔切削区C的轴向长度根据所加工的金属厚度而定，且且轴向长度为金属厚度的1.1～1.5倍，此实例中选择轴向长度为10mm，直径D₃选取9.5mm，该区域可以保证金属孔壁的粗糙度，提高孔壁质量。

复材铰孔切削区D，有5～8条复材铰孔副切削刃6，如图4所示该实例选择6条副切削刃6，该区域具有直角切削槽，其螺旋角接近于0°。复材铰孔切削区D的长度根据所需加工复材的厚度而定，该实例中选择轴向长度为8mm，其轴颈长度为D₄长度大于D₃，D₄选取9.65mm。复材铰孔切削区D对复材进行精加工，在扩孔的基础上对其进行进一步铰孔，从而保证复材孔壁质量。复材铰孔切削区D的直径D₄大于复材终孔尺寸，从而确保消除由于复材回弹而导致的孔径偏差，该区域通过对复材孔壁进行精加工，消除由于高温金属切屑对复材孔壁带来的划伤与烧伤，同时精加工可有效去除出、入口毛刺，降低了形成终孔时的撕裂损伤。

在加工时，保证金属铰孔切削区C只加工金属，复材铰孔切削区D只加工复材。

变径区的轴向长度为复材铰孔切削区D轴向长度的1/2，该区域H的轴向长度5mm，直径D₅选取9.5mm，这样可保证当刀具加工较厚的孔时，不会因较长的复材铰孔区切削刃与孔壁产生摩擦，甚至振动降低孔入口孔壁质量等。

本发明的一种叠层结构材料高效制孔刀具针对复材/钛合金的叠层结构制孔加工进行特殊结构设计，此刀具不但可有效降低出入口分层，更可以逐步去除出、入口毛刺，并避免出、入口的撕裂；同时可降低刀具振动，提高孔壁质量，一次性加工成形高质量的终孔。

Claims (1)

1.一种用于叠层结构零件整体制孔的多阶梯多刃刀具，其特征是，此刀具具有由预钻孔主切削刃(1)包络线形成的预钻孔切削区(A)、扩孔主切削刃(2)包络线形成的扩孔切削区(B)、包络线为金属终孔尺寸的金属铰孔切削区(C)、包络线为复材终孔尺寸的复材铰孔切削区(D)、变径区(E)和夹持区(F)构成了刀具的多阶梯多刃结构，每级阶梯具有特定的刃型、螺旋角和刀径；

预钻孔切削区(A)有2条预钻孔主切削刃(1)和2条预钻孔副切削刃(2)，预钻孔切削区(A)的刀具直径(D₁)是扩孔切削区(B)的刀具直径(D₂)的0.5～0.7倍；预钻孔切削区(A)的螺旋角为第一螺旋角(α)；

扩孔切削区(B)有2条扩孔主切削刃(3)和2条扩孔副切削刃(4)，扩孔副切削刃(4)后段为过渡区(H)，这段区域采用圆弧曲线与金属铰孔切削刃(5)连接；扩孔切削区(B)的刀具直径(D₂)是金属铰孔切削区(C)的刀具直径(D₃)的0.97～0.99倍；扩孔切削区(B)的螺旋角与预钻孔切削区(A)的螺旋角相同；

金属铰孔切削区(C)有3～4条金属铰孔切削刃(5)，其螺旋角为(β)，金属铰孔切削区(C)的刀具直径(D₃)为金属部分终孔尺寸，该区域长度为所加工金属厚度的1.1～1.5倍，金属铰孔切削(C)加工时不会进入复材部分；

复材铰孔切削区(D)有5～8条复材铰孔副切削刃(6)，其螺旋角为(φ)，直径为(D₄)，复材铰孔切削(D)的螺旋角(φ)小于金属铰孔切削区(C)的螺旋角(β)小于第一螺旋角(α)，复材铰孔切削区(D)在加工时不会进入金属部分；复材铰孔切削区(D)的刀具直径(D₄)大于复材部分终孔尺寸，即刀具直径(D₄)大于金属铰孔切削区(C)的刀具直径(D₃)，复材铰孔切削区(D)的长度为复材厚度的0.8～0.9倍；

变径区(E)在复材铰孔切削区(D)的尾端为变径结构，变径区(E)的轴向长度为复材铰孔切削区(D)轴向长度的1/2，变径区(E)的直径为(D₅)。