CN101657284B - 用于纤维增强塑料材料的轨道式钻孔的端铣刀 - Google Patents

用于纤维增强塑料材料的轨道式钻孔的端铣刀 Download PDF

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Abstract

用于纤维增强塑料(FRP)材料的轨道式钻孔的一种中心或非中心切削端铣刀(10)，该端铣刀包括一个杆(12)、一个颈部(14)、一个切削头部(16)以及两个或多个槽(36，38)。端铣刀(10)具有一种刀具几何形状，该几何形状带有以下特征：在大约2度至大约6度之间的一个凹角(28)、在大约5度至大约18度之间的一个螺旋角(44)、在大约0度与大约15度之间的一个端铣齿径向前角(46)、在大约8度与大约16度之间的一个周边铣齿径向前角(47)、在大约3度至大约10度之间的一个齿缝轴向前角(48)、以及在大约10度至大约18度之间的一个主后角。该端铣刀是由具有烧结的钴的一种碳化钨和一种金刚石涂层制成。

Description

用于纤维增强塑料材料的轨道式钻孔的端铣刀
技术领域
本发明总体上涉及一种切削工具，尤其涉及一种用于纤维增强塑料材料的轨道式钻孔的端铣刀。
背景技术
纤维增强塑料(FRP)材料由于它们的高比强度以及高比刚度而被广泛地用在航空工业中。FRP材料是由软树脂基体和高强度纤维增强物所组成的复合材料。典型的纤维增强物包括碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、克拉纤维、以及类似物。FRP材料通常被加工成叠层结构。FRP材料具有优异的平面内强度，但是低的层间强度。在机加工过程中纤维倾向于发生层离。图10示出了在使用常规端铣刀机加工的孔的周围的纤维层离。
减少纤维层离的一种方法是使用轨道式钻孔加工。轨道式钻孔是通过铣削进行的制孔操作，其中一个端铣刀的中心沿围绕想要形成的孔的中心举行轨道运行，同时在其自身的轴线上旋转并且在轴向方向上移动。轨道式钻孔还被称作圆铣或螺旋内插法。
因此，存在一种需要来提供切削刀具，该刀具在对纤维增强塑料材料进行机加工时使纤维层离最小化。
发明内容
简言之，根据本发明，在此提供了用于纤维增强塑料的轨道式钻孔的一种端铣刀，该端铣刀包括具有一个杆直径的一个杆，具有一个颈部直径的一个颈部，以及具有一个切削直径、一个圆角半径、一个凹角和一个背部半径的一个切削头部，其中该颈部直径是该切削直径的大约百分之65至大约百分之90，该凹角是在大约2度至大约6度之间，并且该圆角半径是在该切削直径的大约百分之3至大约百分之8之间。
在另一个实施方案中，用于纤维增强塑料的轨道式钻孔的一种端铣刀具有在大约2度与大约6度之间的一个凹角、在大约5度与大约18度之间的一个螺旋角、在大约5度与大约15度之间的一个径向前角、在大约3度与大约10度之间的一个齿缝轴向前角以及在大约10度与大约18度之间的一个主后角。
附图说明
从以下参见附图做出的详细说明中本发明的其他特征连同从中衍生的优点将变得清楚，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方案的用于对纤维增强塑料进行机加工的一种端铣刀的几何形状的侧视图；
图2是图1的端铣刀的切削头部的放大的侧视图；
图3是根据本发明的一个实施方案的用于对纤维增强塑料进行机加工的一种4槽式、非中心切削端铣刀的端视图；
图4是图3的4槽式、非中心切削端铣刀的局部侧视图；
图5是由图3的4槽式、非中心切削端铣刀产生的钻孔质量的照片；
图6是根据本发明的一个实施方案的用于对纤维增强塑料进行机加工的一种2槽式、中心切削端铣刀的端视图；
图7A是图6的2槽式、中心切削端铣刀的局部侧视图；
图7B是沿图7A的线7B-7B截取的2槽式、中心切削端铣刀的局部截面端视图；
图8是由图6的2槽式、中心切削端铣刀产生的钻孔质量的照片；
图9是根据本发明的一个实施方案的用于对纤维增强塑料进行机加工的一种4槽式、中心端铣刀的端视图；并且
图10示出了在使用一个常规端铣刀机加工的孔周围的纤维层离。
具体实施方式
刀具的几何形状
参见图1和图2，其中同样的参考符号代表同样的元件，用于纤维增强塑料的轨道式钻孔的一个端铣刀总体上用10表示。总的来说，端铣刀10包括一个杆12、一个颈部14、一个切削头部16、以及一个纵向轴线18。在一个实施方案中，杆12具有大致0.40英寸(10.16mm)的杆直径20，颈部14具有大致0.22英寸(5.59mm)的颈部直径22，并且切削头部16具有大致0.28英寸(7.11mm)的切削直径24。总的来说，颈部直径22小于切削直径24，例如，颈部直径22可以是切削直径24的大致百分之65至90。
如在图2中最清楚地看到，切削头部16包括一个前切削末端26，该前切削末端包括相对于该端面的一个凹角28。在一个实施方案中，凹角28可以在从大约2度至大约6度的范围内变化。切削头部16还包括一个圆角半径30，该圆角半径是切削直径24的大约百分之3至大约百分之8。圆角半径30取决于切削直径24。例如，在一个实施方案中，对于大致0.28英寸(7.11mm)的切削直径24，圆角半径30大约是0.02英寸(0.51mm)。切削头部16还包括一个扁平部32，该扁平部从圆角半径30延伸至一个后部半径34，该后部半径使从切削头部16至颈部14在直径上减小。在一个实施方案中，对于大致0.28英寸(7.11mm)的切削直径和大致0.22英寸(5.59mm)的颈部直径22，后部半径34是大约0.06英寸(4.06mm)。
刀具构造
总体上说，该端铣刀具有在大约2度至大约6度之间的一个凹角、在大约5度至大约18度之间的一个螺旋角、在大约0度至大约15度之间的一个端铣齿径向前角、在大约8度至大约16度之间的一个周边铣齿径向前角、在大约3度至大约10度之间的一个齿缝轴向前角以及在大约10度至大约18度之间的一个主后角。
上述刀具几何形状的原理可以被应用到不同的切削刀具的构造中。为此，已使用上述刀具几何形状的原理对端铣刀10的许多不同刀具构造进行了试验和比较。
在图3和图4所示的一个实例中，该刀具几何形状的原理被应用到一个非中心切削端铣刀100上，该端铣刀包括相对于纵向轴线18成大约10度的螺旋角44的四个槽36、38、40、42。此外，端铣刀10包括(但不限于)大约4度的一个凹角28、大约10度的一个端铣齿径向前角46、大约10度的一个周边铣齿径向前角47、大约5度的一个齿缝轴向前角48以及大约12度的一个主后角50。应注意端铣齿的径向前角46是大致等于周边铣齿的径向前角47。
如图5所示，使用这种端铣刀实现了优异的孔质量并且没有观察到纤维层离。
在图6、图7A和7B所示的另一个实例中，该刀具几何形状的原理被应用到一个2槽中心切削端铣刀200上，该端铣刀包括成大约10度的螺旋角44的两个槽、大约4度的一个凹角、大约0度的端铣齿的径向前角46、大约10度的周边铣齿的径向前角47、大约5度的齿缝轴向前角48以及大约12度的一个主后角。应注意由于齿缝，端铣齿径向前角46是小于或等于周边铣齿径向前角47。
如图8所示，使用这种端铣刀实现了优异的孔质量并且没有观察到纤维层离。
在又一个实例中，用于该2槽中心切削端铣刀的相同的刀具几何形状被应用到如图9所示的一个4槽式中心切削端铣刀300上。试验结果表明该端铣刀产生了优异的孔质量并且没有观察到纤维层离。
金刚石涂层
在FRP材料中使用的纤维增强物是非常磨蚀性的并且可以导致未涂覆碳化物的刀具的非常短寿。为了提高刀具寿命，将一个大约12μm厚的金刚石涂层涂覆到上述端铣刀上。在一个实施方案中，端铣刀10是由一种碳化钨(WC)基质制成的，该基质具有在大约3至10wt％之间的范围内的烧结的钴(Co)以及具有厚度在大约8至20μm之间的范围内的一个金刚石涂层，该涂层是利用化学气相沉积(CVD)的方法来沉积的。试验表明使用金刚石涂层使刀具的寿命可以增加20倍。端铣刀10还可以由一种聚晶金刚石(PCD)材料制成。
应该认识到该刀具几何形状的原理既可应用到用于FRP材料的轨道式钻孔的非中心切削中也可在中心切削端铣刀中。
在此提及的这些文件、专利和专利申请通过引用而结合在此。
虽然已经联系某些特定的实施方案对本发明进行了具体描述，但应该理解这是作为说明而不是作为限制，并且应当在现有技术所允许的条件下尽可能宽地解释所附的权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种用于纤维增强塑料的轨道式钻孔的端铣刀，该端铣刀包括具有一个杆直径的一个杆，具有一个颈部直径的一个颈部，以及具有一个切削直径、一个圆角半径、一个凹角和一个背部半径的一个切削头部，其中该颈部直径是该切削直径的百分之65至百分之90，该凹角是在2度至6度之间，并且该圆角半径是在该切削直径的百分之3至百分之8之间。
2.根据权利要求1所述的端铣刀，进一步包括多个槽，这些槽处于在5度与18度之间的一个螺旋角。
3.根据权利要求1所述的端铣刀，进一步包括在0度与15度之间的一个端铣齿径向前角、以及在8度与16度之间的一个周边铣齿径向前角。
4.根据权利要求1所述的端铣刀，进一步包括在3度与10度之间的一个齿缝轴向前角。
5.根据权利要求1所述的端铣刀，进一步包括在10度与18度之间的一个主后角。
6.根据权利要求1所述的端铣刀，其中该端铣刀是由一个基体制成的，该基体包括烧结有在3wt.％至10wt.％之间的范围内的钴的碳化钨。
7.根据权利要求6所述的端铣刀，其中该端铣刀进一步包括具有在8μm与20μm之间的厚度的一个金刚石涂层。
8.根据权利要求1所述的端铣刀，其中该端铣刀是由一种聚晶金刚石材料制成。
9.一种用于纤维增强塑料的轨道式钻孔的端铣刀，该端铣刀具有在2度与6度之间的一个凹角、处于5度与18度之间的一个螺旋角的多个槽、在0度与15度之间的一个端铣齿径向前角、在8度与16度之间的一个周边铣齿径向前角、在3度与10度之间的一个齿缝轴向前角、以及在10度与18度之间的一个主后角。
10.根据权利要求9所述的端铣刀，其中该端铣刀是由一个基体制成的，该基体包括烧结有在3wt.％至10wt.％之间的范围内的钴的碳化钨。
11.根据权利要求10所述的端铣刀，其中该端铣刀进一步包括具有在8μm与20μm之间的厚度的一个金刚石涂层。
12.根据权利要求9所述的端铣刀，其中该端铣刀是由一种聚晶金刚石材料制成。
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