CN103817743B - 用于纤维复合材料的钻铣复合刀具以及纤维复合材料的钻铣方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻铣复合刀具及应用其的纤维复合材料的钻铣方法，钻铣复合刀具包括具有刀头端面的刀具本体，该刀具本体上形成有多条排屑槽和由该排屑槽分隔而成的切削部，切削部包括第一切削刃和形成在刀头端面上的第二切削刃，其中刀头端面形成为向内凹入的内凹结构并在回转中心设置有沿轴向向外凸出的钻尖，该钻尖与第二切削刃的外缘刀尖略凸出于该第二切削刃的外缘刀尖。因此在开始进行钻铣作业时，钻尖能够起到定位作用并能够通过第二切削刃的外缘刀尖快速割断纤维等待加工材料，再完成已经割断的纤维材料的钻削作业。此外能通过第一切削刃完成铣槽和铣孔的铣削作业，从而通过一个刀具完成对芳纶纤维复合材料等板类零件的钻铣复合加工。

Description

用于纤维复合材料的钻铣复合刀具以及纤维复合材料的钻铣方法

技术领域

本发明涉及钻铣工具领域，具体地，涉及一种钻铣复合刀具及应用该钻铣复合刀具的纤维复合材料的钻铣方法，更具体地，涉及一种应用该钻铣复合刀具对芳纶纤维复合材料的钻铣领域。

背景技术

纤维复合材料应用广泛，例如芳纶纤维增强复合材料压缩强度低、韧性高、抗冲击性好，其中的芳纶纤维是一种高科技合成纤维，其具有高强度、中模量、重量轻、耐高温、绝缘、抗老化和生命周期长等特点。然后在现有技术中的纤维复合材料中，纤维与树脂基体的结合力较差，因此在使用立铣刀等传统机械加工的过程中极易分层。另外，如果钻铣的过程中产生的热量过高，则纤维复合材料中的树脂就会熔化，而粘在切削面和刀具上，这时，纤维复合材料的切削面处就出现了烧焦的现象。在纤维复合材料加工领域，尤其是芳纶纤维复合材料板材的钻铣复合加工一直困扰着工程技术人员。这是因为芳纶纤维柔韧性好，其复合材料在钻铣时纤维不易被切断，传统直接对待加工面进行的钻削的方法会导致未切断的纤维和树脂堆积在断口处，造成加工面粗糙、起毛，甚至分层、烧焦。因此提供一种能够解决上述技术问题的钻铣工具具有积极意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻铣复合刀具，该钻铣复合刀具能够实现对待加工材料的钻铣复合加工，并有效地解决在钻孔加工时待加工材料的分层、翻边和起毛等问题，尤其适用于对纤维复合材料的加工。

本发明的另一目的是提供一种纤维复合材料的钻铣方法，该钻铣方法使用本发明提供的钻铣复合刀具。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种钻铣复合刀具，包括具有刀头端面的刀具本体，该刀具本体上形成有沿轴向延伸并连通到所述刀头端面的多条排屑槽和由该排屑槽分隔而成的切削部，所述切削部包括沿所述轴向延伸的第一切削刃和形成在所述刀头端面上的第二切削刃，其中所述刀头端面形成为向内凹入的内凹结构，并且所述内凹结构的回转中心设置有沿轴向向外凸出的钻尖，所述第二切削刃从该钻尖沿径向向外凸出，并且所述钻尖与所述第二切削刃的外缘刀尖相互平齐或凸出于该第二切削刃的外缘刀尖。

优选地，所述内凹结构为弧形凹槽结构。

优选地，从所述钻尖的顶部到所述第二切削刃的外缘刀尖为圆弧过渡。

优选地，所述排屑槽为沿所述轴向方向延伸在所述刀具本体上的螺旋槽，对应地由所述排屑槽分隔的所述切削部螺旋延伸。

优选地，所述排屑槽为4～8条，对应地所述切削部为4～8个。

优选地，所述排屑槽为6条，所述切削部为6个。

优选地，所述刀具本体由硬质合金制成，并且至少在所述第一切削刃和所述第二切削刃上涂覆超细晶金刚石涂层。

优选地，所述第一切削刃和所述第二切削刃的粗糙度Ra≤0.32μm。

根据本发明的另一方面，提供一种纤维复合材料的钻铣方法，该钻铣方法包括使用本发明提供的钻铣复合刀具对所述纤维复合材料进行钻铣加工。

优选地，所述钻铣方法为钻铣复合加工方法，其中包括控制所述钻铣复合刀具的所述刀具本体回转，并且首先控制所述刀具本体在所述纤维复合材料中沿所述轴向方向行进，然后控制所述刀具本体沿垂直于该轴向方向的径向方向移动。

优选地，控制所述刀具本体的所述第二切削刃的所述外缘刀尖的回转线速度为50-100m/min。

优选地，控制该回转线速度为75.4m/min。

优选地，所述纤维复合材料为芳纶纤维复合材料板。

通过上述技术方案，在进行钻孔作业时，即刀具本体沿轴向行进时，由于本发明提供的钻铣复合刀具的刀头端面具有位于中心的钻尖和位于其周围的第二切削刃，因此位于中心位置的钻尖能够起到定位作用以将钻铣复合刀具精准地定位在待加工件的表面上而不会晃动，并且由于刀头端面形成为内凹结构，固第二切削刃只有其外缘刀尖与待加工表面接触，因此能够通过该锋利的外缘刀尖快速割断例如纤维等待加工材料。继而随着刀具本体的回转，通过铲型的第二切削刃完成对待加工平面的钻铣作业。即，本发明提供的钻铣复合刀具在进行钻削作业时，能够首先将加工面的纤维等材料与其他非加工面的材料快速分离，然后再将这部分材料进行钻削去除，从而不会造成加工面的粗糙、分层、翻边和起毛等问题。

并且进一步地，与排屑槽连通的刀头端面形成内凹结构，由第二切削刃工作所产生的碎屑在沿排屑槽排出工作面的同时，可以将进入刀头端面进一步保证了钻铣复合刀具对待加工件的快速钻削作业。因此，通过钻尖、切削刃、内凹结构以及排屑槽的共同作业，使得位于钻尖周围的切削刃能够稳定地快速完成对待加工材料的铣削，从而起到防止待加工件的加工面发生分层、翻边和起毛等问题。尤其是能够通过第二切削刃的外缘刀尖将纤维复合材料中的纤维快速割断，从而能够防止对纤维复合材料中的例如芳纶纤维的切割的产生过高热量继而导致的树脂基体熔化而粘附在刀具和加工面的烧焦问题，非常适用于对纤维复合材料的钻削作业。

另外，由于本发明提供的刀具本体还具有沿轴向延伸的第一切削刃，因此能够通过第一切削刃完成对代加工材料的铣削作业，例如在完成上述钻孔工作后，还可以通过沿径向移动刀具本体而对所钻之孔进行铣孔作业，从而完成腰形槽、椭圆孔等异型孔的钻削复合加工，而不用更新刀具，通过这样的钻铣复合刀具可避免频繁换刀造成的二次加工精度问题，从而有效避免抽丝、拉毛等芳纶纤维复合材料等纤维复合材料的加工缺陷。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明优选实施方式提供的钻铣复合刀具的立体结构示意图；

图2是本发明优选实施方式提供的钻铣复合刀具的侧视结构示意图；

图3是图1和图2中的钻铣复合刀具的刀头端面部分的立体放大结构示意图。

附图标记说明

1刀头端面2刀具本体

3排屑槽4切削部

5钻尖

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词“内、外”是以刀具本体轮廓的内外为基准定义的，另外本发明中所提及的“轴向、径向、周向”是相对于刀具本体的回转轴线而言的，具体地，刀具本体绕轴线回转，并且沿轴线的延伸方向为“轴向”，垂直于该轴线的方向为“径向”，围绕该轴线的方向为“周向”。

首先需要说明的是，在本发明的优选实施方式中，本发明提供的钻铣复合刀具的刀具本体2的总体结构虽然类似于本领域内的立铣刀，但是由于进行了本发明的改进，可以用于对芳纶纤维复合材料板进行钻孔、铣边、铣槽等钻铣加工，除此之外，本发明提供的钻铣复合刀具还能够用于对其他材料的待加工件，尤其是其他纤维复合增强材料进行钻铣加工作业，对于此类应用领域的变形均应落在本发明的保护范围中。

如图1至图3所示，本发明提供的一种钻铣复合刀具，包括具有刀头端面1的刀具本体2，其中在刀具本体2沿轴向行进时，刀头端面1用于对待加工件进行钻削作业。另外，为了保证铣削尤其是钻削工作的顺利进行，该刀具本体2上形成有沿轴向延伸并连通到刀头端面1的多条排屑槽3和由该排屑槽3分隔而成的切削部4，切削部4包括沿轴向延伸的第一切削刃41和形成在刀头端面1上的第二切削刃42，以通过第二切削刃42完成钻削工作，并且通过排屑槽3保证产生的碎屑能够及时从加工工作面排出，保证钻削工作的顺利完成。并且其中，本发明提供的钻铣复合刀具的刀头端面1形成为向内凹入的内凹结构，并且该内凹结构的中心设置有沿轴向向外凸出的钻尖5，第二切削刃42从该钻尖5沿径向向外凸出，并且钻尖5与第二切削刃42的外缘刀尖相互平齐或凸出于该第二切削刃42的外缘刀尖。即，在本发明提供的钻铣复合刀具中，钻尖5位于刀具本体2的轴线穿过的回转中心，切削部4和排屑槽3均沿周向围绕位于回转中心的钻尖5布置且相互间隔设置。其中，本发明中的第二切削刃42的外缘刀尖指的是其远离钻尖5的端部刀尖。

因此，在进行钻孔作业时，即刀具本体2沿轴向行进时，由于本发明提供的钻铣复合刀具的刀头端面1具有位于回转中心的钻尖5和位于其周围的第二切削刃42，因此位于回转中心位置的钻尖5能够起到定位作用以将钻铣复合刀具精准地定位在待加工件的表面上而不会晃动，并且由于刀头端面1形成为内凹结构，固第二切削刃42只有其外缘刀尖与待加工表面接触，因此在开始钻孔时，能够首先通过该锋利的外缘刀尖快速割断例如纤维等待加工材料。然后随着刀具本体2的回转，通过第二切削刃42的铲型刀刃的完成对待加工平面的钻铣作业。即，不同于使用立铣刀等传统刀具进行钻孔作业时直接对待加工面进行钻削的方式，本发明提供的钻铣复合刀具在进行钻削作业时，能够首先将加工面的纤维等材料与其他非加工面的材料快速分离，然后再将这部分材料进行钻削去除，从而不会造成加工面的粗糙、分层、翻边和起毛等问题。

并且进一步地，由于与排屑槽3连通的刀头端面1形成内凹结构，由第二切削刃42工作所产生的碎屑在沿排屑槽3排出工作面即刀头端面1的同时，可以将进入刀头端面1工作面的碎屑暂存在该内凹结构中，并且随着刀具本体2的回转，容纳在内凹结构中的碎屑可以从四周的任意排屑槽3中排出，使得即使进入工作面的碎屑也能够呈动态流动而不会堵塞在加工面中妨碍第二切削刃42对待加工件的钻削，这进一步保证了本发明提供的钻铣复合刀具对待加工件的快速钻削作业。因此，通过钻尖5、第二切削刃42、内凹结构以及排屑槽3的共同作用，使得位于钻尖5周围的第二切削刃42能够稳定地快速完成对待加工材料的钻削。尤其是能够通过第二切削刃42的外缘刀尖首先将纤维复合材料中的纤维快速割断，再通过第二切削刃42的铲型刀刃对以及被割断的纤维复合材料进行钻削，从而能够防止对纤维复合材料中的例如芳纶纤维的切割的产生过高热量继而导致的树脂基体熔化而粘附在刀具和加工面的烧焦问题，非常适用于对纤维复合材料的钻削作业。

另外，由于本发明提供的刀具本体2还具有沿轴向延伸的第一切削刃41，因此能够通过第一切削刃41完成对代加工材料的铣削作业，例如在完成上述钻孔工作后，还可以通过沿径向移动刀具本体而对所钻之孔进行铣孔作业，从而完成腰形槽、椭圆孔等异型孔的钻削复合加工，而不用更新刀具，通过这样的钻铣复合刀具可避免频繁换刀造成的二次加工精度问题，从而有效避免抽丝、拉毛等芳纶纤维复合材料等纤维复合材料的加工缺陷。

需要说明的是，能够实现上述技术方案的实施方式有多种，例如切削刃、钻尖、内凹结构、排屑槽等的形状和布置方式等，为了方便说明本发明，在此只介绍其中的优选实施方式，该优选实施方式只用于说明本发明并不用于限制本发明。其中在本发明的“钻尖5与第二切削刃42的外缘刀尖相互平齐或凸出于该第二切削刃42的外缘刀尖”的技术方案中，优选地为钻尖5“略凸出于”该第二切削刃42的外缘刀尖。该“略凸出于”的含义在于本领域技术人员在本发明的构思启示下，可以根据刀具的规格、待加工材料决定钻尖5的凸出幅度，凸出幅度太大影响第二切削刃42的作用，而太小则影响钻铣复合刀具定位的稳定性。这种凸出幅度的各种设计变形均落在本发明的保护范围中。

如图1至图3所示，在本发明的优选方式中，为了内凹结构为弧形凹槽结构，并且进一步地，从钻尖5的顶部到第二切削刃42的外缘刀尖为圆弧过渡，因此，由钻尖5至第二切削刃42的外缘刀尖形成内凹圆弧结构，即例如在轴向方向上形成为月牙状的铲型结构(见图2)，因此，通过该月牙铲型的第二切削刃42完成对脱离非加工区的材料的钻削去除。并且，通过该圆弧结构，在刀头端面1不会形成死角，在保证快速钻削待加工材料的同时能够进一步使得碎屑的运动流畅，而不会堵塞在刀头端面1工作面上的死角上而妨碍钻铣复合刀具的工作，从而，即使应用到纤维复合材料上也能够使得切削刃快速切割纤维而保证加工精度高、效果好。

在本发明的优选实施方式中，排屑槽3为沿轴向方向延伸在刀具本体2上的螺旋槽，对应地由排屑槽3分隔的切削部4螺旋延伸，即第一切削刃41同样沿轴向螺旋延伸。因此，能够在刀具本体2回转时保证第一切削刃41的切削工作，并且同时使得刀头端面1的流畅排出。另外，这将使得形成在刀头端面1上的第二切削刃42为弧形结构，从而使得第二切削刃42不仅在轴向方向上形成为月牙铲型结构(见图2)，而且在周向方向上同样形成为月牙铲状结构(见图3)，进一步增加刀头端面1的切削能力。

其中，具体地，本发明提供的第一切削刃41的螺旋角为30～50度，更优选地为40°。此处所说的螺旋角为第一切削刃41的螺旋延伸方向与刀具本体2的回转轴线之间的夹角。因此，该第一切削刃41可直接进行铣削加工作业，其中成螺旋结构的第一切削刃41的前角为10～30°优选为20°，后角为5～15°，优选为10°，因此便于通过锋利的前角快速切断纤维，而且可以避免加工中的缺陷。另外，本发明优选实施方式中，钻尖5为锥形钻尖，其尖角为110°～130°，更优选地为120°。以在钻削加工时，通过钻尖5定位芳纶纤维复合材料薄板等待加工材料。

而刀具本体2快速回转，第二切削刃42的外缘刀尖以较高速度迅速剪断纤维，从而加工成孔。而孔加工完毕，第一切削刃41可随即进行对该孔进行铣削加工，而铣削成腰型孔、椭圆孔等各种类型孔，锋利的前角便于快速切断纤维，而且可以避免加工中的缺陷。从而通过本发明提供的钻铣复合刀具而快速完成对待加工件尤其是纤维复合材料的钻铣复合作业。尤其是方便对芳纶纤维复合增强材料薄板进行钻铣复合加工。

作为一种优选实施方式，排屑槽3为4～8条，对应地切削部4为4～8个，如图1和图2所示，在本发明的实施例中，优选地，排屑槽3为6条，切削部4为6个。当然在其他实施方式和实施例中，可以根据需要选择其他数量的排屑槽3和切削部4，对于此类变形均应落在本发明的保护范围中。

另外为了增加本发明提供的钻铣复合刀具的切削效果，优选地，刀具本体2由硬质合金(例如WC-Co)制成，并且至少在第一切削刃41和第二切削刃42上涂覆超细晶金刚石涂层。另外本发明的钻铣复合刀具还需要淬火处理，使其硬度应达到HRA86～93，以保证钻铣复合刀具切削部分的硬度和耐磨性。并且优选地，切削部4的切削部分的粗糙度Ra≤0.32μm。从而保证能够对切削刃能够与待加工件的表面尤其是纤维材料具有适中的摩擦力，从而不会出现打滑现象，而快速完成对待加工件的铣削加工。另外，在其他未提及的实施方式还可以通过其他材料和标准制造本发明提供的钻铣复合刀具，对于此类变形均应落在本发明的保护范围中。

基于上述本发明提供的钻铣复合刀具，本发明提供一种纤维复合材料的钻铣方法，该钻铣方法包括使用上述本发明提供的钻铣复合刀具对纤维复合材料尤其是对芳纶纤维复合材料进行钻铣加工。从而保证例如芳纶纤维复合材料板的铣削加工。其中，本发明优选实施方式提供的钻铣方法为钻铣复合加工方法，即同时在同一纤维复合材料上完成钻和铣的工作，例如进行腰型槽的加工。因此，其中包括控制钻铣复合刀具的刀具本体2回转，并且首先控制刀具本体2在纤维复合材料中沿轴向方向行进，以通过第二切削刃42完成钻孔部分的钻铣作业，然后控制刀具本体2沿垂直于该轴向方向的径向方向移动，以通过第一切削刃41完成该孔的铣削作业，从而完成腰形槽等孔、槽的钻铣复合加工，中途不需更换刀具，从而避免了因更换刀具造成的加工误差增大的问题，进一步保证了纤维复合材料的钻铣复合加工的精度。

其中由于本发明提供的钻铣复合刀具具备上述优点，因此不需使用高速铣床驱动该钻铣复合刀具即可完成对纤维复合材料进行铣削。具体地，使用普通的低速铣床控制钻铣刀具本体2的第二切削刃42的外缘刀尖的回转线速度为50～100m/min(米/分钟)，更优选地，控制回转线速度为75.4m/min，即可通过较低的转速高效完成对纤维复合材料的铣削，设备成本较低。因此，可以根据不同直径大小的刀具本体2，通过控制刀具本体2的不同回转角速度而实现对纤维复合材料的快速加工。这种低速铣削还能够进一步避免由于转速过高而产生大量热能，从而避免树脂基体被熔化而导致的烧焦现象。保证了铣削加工的效率和质量，实用性强。

最后需要说明的是，本发明虽然提供了一种钻铣复合刀具，即该刀具同时具有钻削和铣削的功能，因此除本发明优选方式中将其同时用于纤维复合材料的钻铣复合加工外，单独使用其钻削或铣削的应用领域均落在本发明的保护范围中。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (11)

1.一种用于纤维复合材料的钻铣复合刀具，包括具有刀头端面(1)的刀具本体(2)，该刀具本体(2)上形成有沿轴向延伸并连通到所述刀头端面(1)的多条排屑槽(3)和由该排屑槽(3)分隔而成的切削部(4)，其特征在于，所述切削部(4)包括沿所述轴向延伸的第一切削刃(41)和形成在所述刀头端面(1)上的第二切削刃(42)，其中所述刀头端面(1)形成为向内凹入的内凹结构，并且所述内凹结构的回转中心设置有沿轴向向外凸出的钻尖(5)，所述第二切削刃(42)从该钻尖(5)沿径向向外凸出，并且所述钻尖(5)与所述第二切削刃(42)的外缘刀尖相互平齐或凸出于该第二切削刃(42)的外缘刀尖，

其中，所述内凹结构为弧形凹槽结构，从所述钻尖(5)的顶部到所述第二切削刃(42)的外缘刀尖为圆弧过渡。

2.根据权利要求1所述的钻铣复合刀具，其特征在于，所述排屑槽(3)为沿所述轴向方向延伸在所述刀具本体(2)上的螺旋槽，对应地由所述排屑槽(3)分隔的所述切削部(4)螺旋延伸。

3.根据权利要求1所述的钻铣复合刀具，其特征在于，所述排屑槽(3)为4～8条，对应地所述切削部(4)为4～8个。

4.根据权利要求3所述的钻铣复合刀具，其特征在于，所述排屑槽(3)为6条，所述切削部(4)为6个。

5.根据权利要求1所述的钻铣复合刀具，其特征在于，所述刀具本体(2)由硬质合金制成，并且至少在所述第一切削刃(41)和所述第二切削刃(42)上涂覆超细晶金刚石涂层。

6.根据权利要求5所述的钻铣复合刀具，其特征在于，所述第一切削刃(41)和所述第二切削刃(42)的粗糙度Ra≤0.32μm。

7.一种纤维复合材料的钻铣方法，其特征在于，该钻铣方法包括使用根据权利要求1-6中任意一项所述的钻铣复合刀具对所述纤维复合材料进行钻铣加工。

8.根据权利要求7所述的钻铣方法，其特征在于，所述钻铣方法为钻铣复合加工方法，其中包括控制所述钻铣复合刀具的所述刀具本体(2)回转，并且首先控制所述刀具本体(2)在所述纤维复合材料中沿所述轴向方向行进，然后控制所述刀具本体(2)沿垂直于该轴向方向的径向方向移动。

9.根据权利要求8所述的钻铣方法，其特征在于，控制所述刀具本体(2)的所述第二切削刃(42)的所述外缘刀尖的回转线速度为50-100m/min。

10.根据权利要求9所述的钻铣方法，其特征在于，控制该回转线速度为75.4m/min。

11.根据权利要求7-10中任意一项所述的钻铣方法，其特征在于，所述纤维复合材料为芳纶纤维复合材料板。