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CN106363693A - 一种用于铣削纤维增强复合材料的刀具 - Google Patents

一种用于铣削纤维增强复合材料的刀具 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于铣削纤维增强复合材料的刀具，涉及刀具设计和应用技术领域，能够提高纤维增强复合材料的加工的效率，并降低了刀具的磨损速度。本发明包括：钻孔加工部分1、扩孔成型部分2、磨削加工部分3、刀柄4和刀具基体5；从刀尖开始至刀柄4依次为钻孔加工部分1、扩孔成型部分2、磨削加工部分3和刀柄4；钻孔加工部分切削刃6采用的磨粒的粒度，大于扩孔成型部分切削刃7和磨削加工部分3采用的磨粒的粒度。钻孔加工部分切削刃6采用的磨粒的排布间距，大于扩孔成型部分切削刃7和磨削加工部分3采用的磨粒的排布间距。本发明适用于纤维增强复合材料的一次成型的铣削加工过程。

Description

一种用于铣削纤维增强复合材料的刀具
技术领域
本发明涉及刀具设计和应用技术领域，尤其涉及一种用于铣削纤维增强复合材料的刀具。
背景技术
纤维增强复合材料具有比强度高、比模量大、良好的尺寸稳定性、良好的耐腐蚀性和耐疲劳性、热传导系数低等诸多优点，被广泛应用于航空航天、生物医疗、交通运输和体育及军事用品中。
纤维增强复合材料在实际的工程应用中，需要在成型后进行机械加工以满足结构及尺寸要求，但由于纤维强度高，硬度大，材料整体呈力学各向异性，导致其机械加工条件比较恶劣，是典型的难加工材料，比如：在纤维增强复合材料铣槽加工中主要存在分层、撕裂、毛刺等质量问题及刀具耐用度低的问题。现有的纤维增强复合材料槽铣加工刀具，主要是右旋螺旋刃的整体合金或高速钢立铣刀，这类刀具的磨损快，且在加工过程中需要经过钻孔、扩孔、铣槽等工序，增加了刀具的使用时间，进一步增加了刀具的磨损速度。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于铣削纤维增强复合材料的刀具，能够提高纤维增强复合材料的加工的效率，并降低了刀具的磨损速度。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
所述刀具为多级加工结构，包括：钻孔加工部分1、扩孔成型部分2、磨削加工部分3、刀柄4和刀具基体5；从刀尖开始至刀柄4依次为钻孔加工部分1、扩孔成型部分2、磨削加工部分3和刀柄4，其中，钻孔加工部分1的直径小于磨削加工部分3，扩孔成型部分2与钻孔加工部分1连接之处的直径与钻孔加工部分1相同，扩孔成型部分2与磨削加工部分3连接之处的直径与磨削加工部分3相同；钻孔加工部分切削刃6采用的磨粒的粒度，大于扩孔成型部分切削刃7和磨削加工部分3采用的磨粒的粒度。钻孔加工部分切削刃6采用的磨粒的排布间距，大于扩孔成型部分切削刃7和磨削加工部分3采用的磨粒的排布间距。使得在加工过程中，依次通过钻孔加工部分1、扩孔成型部分2、磨削加工部分3的多级加工结构上的磨粒铣削纤维增强复合材料，使得整个铣削过程中的钻孔、扩孔、铣槽加工一次成型。
磨削加工部分3的切削刃，由邻接刀柄4一侧的左旋的螺旋切削刃9和邻接扩孔成型部分2一侧的右旋的螺旋切削刃8交错接合而成，加工纤维增强复合材料时对材料起向中心的挤压作用，一定程度上抑制了材料分层缺陷的产生。其中，钻孔加工部分1的切削刃采用粗磨粒，大间距排布，扩孔成型部分2以及磨削加工部分3采用细磨粒，小间距排布。
钻孔加工部分切削刃6、扩孔成型部分切削刃7，和磨削加工部分3的右旋的螺旋切削刃8与左旋的螺旋切削刃9所采用的磨粒，为在各切削刃表面有序排布的金刚石磨粒。
本发明实施例提供的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，在加工纤维增强复合材料的过程中，依次通过钻孔加工部分1、扩孔成型部分2、磨削加工部分3的多级加工结构上的磨粒铣削纤维增强复合材料，使得整个铣削过程中的钻孔、扩孔、铣槽加工一次成型。相对于钻孔、扩孔、铣槽分段式的加工过程，提高了加工的效率且降低了刀具的使用时间，从而降低了刀具的磨损速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1a为本发明实施例提供的用于铣削纤维增强复合材料的刀具的主视图；
图1b为本发明实施例提供的用于铣削纤维增强复合材料的刀具的端面视图；图2为本发明实施例提供的用于铣削纤维增强复合材料的刀具侧面的刀齿结构模板；
图3为本发明实施例提供的用于铣削纤维增强复合材料的刀具的侧面展开示意图；
附图中的各标号表示为：1-钻孔加工部分、2-扩孔成型部分、3-磨削加工部分、4-刀柄、5-刀具基体、6-钻孔加工部分切削刃、7-扩孔成型部分切削刃、8-右旋的螺旋切削刃、9-左旋的螺旋切削刃、10-粗金刚石磨粒、11-细金刚石磨粒。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供一种用于铣削纤维增强复合材料的刀具，如图1a所示，所述刀具为多级加工结构，包括：钻孔加工部分1、扩孔成型部分2、磨削加工部分3、刀柄4和刀具基体5；从刀尖开始至刀柄4依次为钻孔加工部分1、扩孔成型部分2、磨削加工部分3和刀柄4。
其中，如图1b所示的，钻孔加工部分1的直径小于磨削加工部分3，扩孔成型部分2与钻孔加工部分1连接之处的直径与钻孔加工部分1相同，扩孔成型部分2与磨削加工部分3连接之处的直径与磨削加工部分3相同，扩孔成型部分2呈圆台形。钻孔加工部分切削刃6采用的磨粒的粒度，大于扩孔成型部分切削刃7和磨削加工部分3采用的磨粒的粒度。钻孔加工部分切削刃6采用的磨粒的排布间距，大于扩孔成型部分切削刃7和磨削加工部分3采用的磨粒的排布间距。使得在加工过程中，依次通过钻孔加工部分1、扩孔成型部分2、磨削加工部分3的多级加工结构上的磨粒铣削纤维增强复合材料，使得整个铣削过程中的钻孔、扩孔、铣槽加工一次成型。相对于钻孔、扩孔、铣槽分段式的加工过程，提高了加工的效率且降低了刀具的使用时间，从而降低了刀具的磨损速度。
磨削加工部分3的切削刃，由邻接刀柄4一侧的左旋的螺旋切削刃9和邻接扩孔成型部分2一侧的右旋的螺旋切削刃8交错接合而成，加工纤维增强复合材料时对材料起向中心的挤压作用，一定程度上抑制了材料分层缺陷的产生。其中，钻孔加工部分1的切削刃采用粗磨粒，大间距排布，扩孔成型部分2以及磨削加工部分3采用细磨粒，小间距排布。
在本实施例中，如图1a所示的，右旋的螺旋切削刃8和左旋的螺旋切削刃9的交错接合位置，位于的磨削加工部分3的切削刃的中心线。钻孔加工部分切削刃6、扩孔成型部分切削刃7，和磨削加工部分3的右旋的螺旋切削刃8与左旋的螺旋切削刃9所采用的磨粒，为在各切削刃表面有序排布的金刚石磨粒。通过金刚石磨粒有序排布构成的切削刃代替传统切削刃，提高了刀具寿命。
其中，钻孔加工部分切削刃6的粗金刚石磨粒10的粒度的大小，在大于等于40/45目且小于等于20/25目，可在40/45目-20/25目之间结合实际需要选取；通过在钻孔加工部分1的切削刃上采用粗磨粒，大间距排布，提高钻孔加工部分1在钻孔过程中的排屑能力。在本实施例的优选方案中，钻孔加工部分切削刃6的粗金刚石磨粒10，粒径的大小为大于等于400微米且小于等于425微米的金刚石磨粒。
钻孔加工部分切削刃6的钻孔排屑槽的宽度t1为2.4mm，从而增大容屑空间，其中，钻孔排屑槽可以理解为如图3所示的两列粗金刚石磨粒10之间围成的凹槽。
其中，扩孔成型部分切削刃7、磨削加工部分3的右旋的螺旋切削刃8和左旋的螺旋切削刃9的细金刚石磨粒11的粒度的大小大于等于140/170目且小于等于80/100目，可在140/170目-80/100目之间结合需要选取。通过在扩孔成型部分2以及磨削加工部分3采用细磨粒，小间距排布，从而提高槽的加工精度。在本实施例的优选方案中，细金刚石磨粒11，为粒度的大小等于80/100目的金刚石磨粒。
扩孔成型部分切削刃7、磨削加工部分3的右旋的螺旋切削刃8和左旋的螺旋切削刃9的排屑槽宽度t2为1.2mm，有助于提高加工精度，其中，排屑槽可以理解为如图3所示的两列细金刚石磨粒11之间围成的凹槽。
在本实施例中，如图2所示的模板用于实现刀具加工中金刚石磨粒的有序排布，模板包括筛缝，模板上的筛缝的排布方式与刀具表面的金刚石磨粒在刀具上的排布方式一致，比如：如图3所示的刀具侧面展开图。为了便于理解，本实施例中通过如图3所示的刀具侧面展开图来呈现金刚石磨粒在刀具上的排布方式。右旋的螺旋切削刃8与左旋的螺旋切削刃9以相反的方向各自在磨削加工部分3上均匀分布，且分布的螺旋角ω大于等于30°且小于等于60°。在本实施例的优选方案中，螺旋角ω等于45°。
在本实施例中所述的刀具，可以由硬质合金加工成。在本实施例的优选方案中，可以选用钨钢类硬质合金，硬度HRA不小于85，抗弯强度不小于1750N/mm2，比如：《新编国际常用金属材料手册》中记载的YG8C、YG15C等硬质合金。
本发明实施例还提供一种用于铣削纤维增强复合材料的刀具的加工方法，包括：
(1)选择硬质合金基体材料用于制作刀具基体5，对刀具基体5的端面进行开刃；
(2)将胶水(用于加工过程中对金刚石磨粒进行临时粘合固定，以便于进行真空高温钎焊)涂于刀具基体5分布金刚石磨粒的一侧，再将如图2所示的模板粘附于基体表面，所述模板包括筛缝，模板上的筛缝的分布方式与成品中金刚石磨粒在刀具上的分布方式一致；
(3)将金刚石磨粒均匀撒在模板的筛缝中，使金刚石磨粒通过模板；
(4)取下模板，将所需的钎料按量均匀地覆于刀具表面。(5)在真空退火炉中进行真空高温钎焊，其中，真空高温钎焊的具体方式可以采用目前常用的刀具钎焊领域的真空高温钎焊方式，在本实施例中并不限定。钎料可以选用(Ag72Cu28)95Ti5作为钎料结合剂，通过真空高温钎焊将金刚石磨粒固结在钎料层中，使它们共同组成刀具的工作部分。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，所述刀具为多级加工结构，包括：钻孔加工部分(1)、扩孔成型部分(2)、磨削加工部分(3)、刀柄(4)和刀具基体(5)；
从刀尖开始至刀柄(4)依次为钻孔加工部分(1)、扩孔成型部分(2)、磨削加工部分(3)和刀柄(4)，其中，钻孔加工部分(1)的直径小于磨削加工部分(3)，扩孔成型部分(2)与钻孔加工部分(1)连接之处的直径与钻孔加工部分(1)相同，扩孔成型部分(2)与磨削加工部分(3)连接之处的直径与磨削加工部分(3)相同；
钻孔加工部分切削刃(6)采用的磨粒的粒度，大于扩孔成型部分切削刃(7)和磨削加工部分(3)采用的磨粒的粒度；
钻孔加工部分切削刃(6)采用的磨粒的排布间距，大于扩孔成型部分切削刃(7)和磨削加工部分(3)采用的磨粒的排布间距；
磨削加工部分(3)的切削刃，由邻接刀柄(4)一侧的左旋的螺旋切削刃(9)和邻接扩孔成型部分(2)一侧的右旋的螺旋切削刃(8)交错接合而成。
2.根据权利要求1所述的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，右旋的螺旋切削刃(8)和左旋的螺旋切削刃(9)的交错接合位置，位于的磨削加工部分(3)的切削刃的中心线。
3.根据权利要求1所述的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，钻孔加工部分切削刃(6)、扩孔成型部分切削刃(7)，和磨削加工部分(3)的右旋的螺旋切削刃(8)与左旋的螺旋切削刃(9)所采用的磨粒，为在各切削刃表面有序排布的金刚石磨粒。
4.根据权利要求1所述的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，
钻孔加工部分切削刃(6)的粗金刚石磨粒(10)粒度的大小，为大于等于40/45目且小于等于20/25目；
钻孔加工部分切削刃(6)的钻孔排屑槽的宽度t1为2.4mm。
5.根据权利要求4所述的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，钻孔加工部分切削刃(6)的粗金刚石磨粒(10)粒度的大小为筛选后的40/45目的金刚石磨粒，即磨粒粒径大于等于400微米且小于等于425微米的金刚石磨粒。
6.根据权利要求1所述的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，扩孔成型部分切削刃(7)、磨削加工部分(3)的右旋的螺旋切削刃(8)和左旋的螺旋切削刃(9)的细金刚石磨粒(11)粒度的大小为大于等于140/170目且小于等于80/100目；
扩孔成型部分切削刃(7)、磨削加工部分(3)的右旋的螺旋切削刃(8)和左旋的螺旋切削刃(9)的排屑槽宽度t2为1.2mm。
7.根据权利要求6所述的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，细金刚石磨粒(11)，为粒度的大小等于80/100目的金刚石磨粒。
8.根据权利要求1所述的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，右旋的螺旋切削刃(8)与左旋的螺旋切削刃(9)以相反的方向各自在磨削加工部分(3)上均匀分布，且分布的螺旋角ω大于等于30°且小于等于60°。
9.根据权利要求8所述的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，螺旋角ω等于45°。
10.根据权利要求1所述的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，所述刀具基体(5)由硬质合金加工成。
11.根据权利要求1所述的用于铣削纤维增强复合材料的刀具，其特征在于，所述硬质合金为钨钢类硬质合金，硬度HRA不小于85，抗弯强度不小于1750N/mm2。
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