CN104999118A - 一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头 - Google Patents

一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头 Download PDF

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Abstract

本发明一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头，该刀具是具有双顶角和微齿结构的多刃刀具，特别适合于高性能碳纤维增强复合材料的一次性高质量、高效率加工。钻头由主切削区，副切削区和刀柄组成，在主切削区与副切削区连接处有微齿切削区；主切削区由第一主切削刃和第二主切削刃组成。副切削区中，副切削刃为左旋螺纹；微齿切削区由若干个微齿组成。本发明的钻头利用双顶角和微齿结构，实现了钻-扩-铰一体化加工的功能，降低钻削轴向力，减少分层缺陷，获得高尺寸精度的孔，提高了钻头的使用寿命，避免了频繁换刀，提高了加工效率。

Description

一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头
技术领域
本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头，该刀具是具有双顶角和微齿结构的多刃刀具，特别适合于高性能碳纤维增强复合材料的一次性高质量、高效率加工。
背景技术
碳纤维复合材料具有高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀和优异的可设计性等优良的综合性能，广泛应用于航空航天结构设计中。钻孔是碳纤维复合材料零件制造过程中工作量最繁重的机械加工之一，例如一架波音747飞机有三百多万个连接孔。然而由于材料的层间强度低，钻孔时极易在出口处产生分层、撕裂等缺陷，且基体相导热性不好，碳纤维硬度高，使得刀具磨损快，采用普通麻花钻很难加工无分层、无毛刺缺陷的孔。国内外针对碳纤维复合材料切削加工刀具的研究表明，刀具材料中高速钢不适合碳纤维复合材料的加工，聚晶金刚石刀具可提高钻削刀具的寿命，但是其价格昂贵，且只能用于平稳钻削的过程。硬质合金具有较好的强度和韧性，可以满足碳纤维复合材料的加工需求，但是硬质合金普通麻花钻仍难以满足高质高效的制孔需求。
刀具的几何结构是影响复合材料制孔质量和刀具寿命的重用因素，国内外针对碳纤维复合材料设计了各种几何形状的钻头，这些钻头有各自的优缺点。如西安飞机工业有限公司的公开了一种《具有锥形过渡区的新型钻头》，专利申请号200320125153.6，与普通麻花钻相比，在钻头的钻杆和头部之间增加了刀刃的锥形过渡区，使得钻头在薄壁制件上钻孔的原理和过程发生很大的变化，一定程度上消除了普通钻头钻孔经常产生的孔出口边缘分层、拉毛，但这种钻头钻尖处刚度较低，容易产生振动，导致孔的粗糙度和精度难以保证。又如苏州阿诺精密切削技术股份有限公司的专利《低横刃钻头》，专利申请号201310104178.6，这种钻头的头部开有两个排屑槽，其与刀背在轴向方向上的交线分别形成两个主切削刃，主要特点是三个顶尖，中间的顶尖比两边的低，这样的设计可以兼顾刀具强度和定心能力，两个外顶尖可有效的刮断孔周边的纤维，较少毛刺，但是在加工高强度纤维和低层间强度的复合材料时，容易产生撕裂的损伤，且两边的刀尖切削速度最快，很容易磨损，一旦刀具磨损，制孔质量开始明显下降。山特维克知识产权股份有限公司公开了一种《用于高级材料的麻花钻》，专利申请号201180020931.2，涉及用于诸如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料的钻孔的麻花钻，提出设有可变螺旋具有限定的起始螺旋角度和终点螺旋角度，以与主离隙角度和副离隙角度结合，使得麻花钻适合于使得推力最小化，尤其在用于对含纤维的复合材料进行钻孔时，并且尤其是在用于手动钻孔时。该发明还提议采用大的副横刃角度有利于复合材料的加工。此种钻头相比麻花钻可以在一定程度上减少分层缺陷，但是毛刺缺陷会随着刀具的磨损很快出现，钻头的使用寿命较短。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服碳纤维复合材料在制孔中容易产生分层和毛刺缺陷的问题，发明一种针对碳纤维复合材料，尤其是应对高性能碳纤维复合材料的制孔刀具。该刀具是一种带有齿状微刃的双顶角结构钻头，通过主切削刃的双顶角结构，主切削刃和副切削刃连接部位的微齿结构，实现了钻-扩-铰一体化加工的功能，获得高尺寸精度的孔，可实现一次性无分层、无毛刺制孔，并可提高钻头的使用寿命，降低使用成本。
本发明采用的技术方案是一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头，其特征是，钻头由主切削区A，副切削区B和刀柄C组成，在主切削区A与副切削区B连接处有由若干个微齿X组成的微齿切削区D；
所述的主切削区A有两部分切削刃，分别为第一主切削刃1和第二主切削刃2；其中，由两条第一主切削刃1组成的第一顶角α为90°-120°，由四条第二主切削刃2组成的第二顶角β为10°-30°；两条第一主切削刃1的径向最大宽度e小于钻头直径R的一半；由于第一顶角α和第二顶角β的角度不同，构成主切削区A的双顶角结构；第二主切削刃2与副切削刃3是由同一个螺旋槽形成的；
所述的副切削区中，副切削刃3为左旋螺纹，螺旋角ω为5°-10°，且副切削刃前角γ为10°-30°；副切削刃3所在位置的刀具直径是钻头直径R；
所述的由若干个微齿X组成的微齿切削区D中，第二主切削刃2上微齿X数量1-3个，副切削刃3上微齿X数量2-4个；副切削刃3上的微齿X数量比第二主切削刃2上的微齿X数量要多；
每个微齿X上部齿切线与副切削刃2的夹角θ范围为75°-90°；每个微齿X下部齿切线与副切削刃2的夹角φ范围为100°-130°；微齿高度b为0.3-0.8mm，微齿深度d为微齿高度1.5倍-2倍；每条切削刃上的微齿X沿刀具轴线的阵列距离c为微齿高度2-4倍。
本发明的效果和益处是高效专用钻头通过采用双顶角和微齿结构，实现了钻-扩-铰一体化加工的功能，获得高尺寸精度的孔，减少了工序，降低钻削轴向力，减少分层缺陷。切削出口处弯曲的未切断纤维回弹至刀刃上的微齿结构中，被后续切削刃切断，减小了毛刺。阵列排布的微齿结构，可多次反复切削毛刺，提高了钻头的使用寿命。避免了频繁换刀，降低了使用成本，提高了加工效率。
附图说明
图1为高效专用钻头的主视图；图2高效专用钻头的左侧视图；图3高效专用钻头的微齿结构图；其中：1－第一主切削刃，2－第二主切削刃，3－副切削刃，α－第一顶角，β－第二顶角，γ－副切削刃前角，ω－螺旋角，a－横刃，b－微齿高度，c－阵列距离，d－微齿深度，θ－微齿上部齿切线与副切削刃2的夹角，φ－微齿下部齿切线与副切削刃2的夹角，e－两条第一主切削刃的径向最大宽度，A－主切削区，B－副切削区，C－刀柄，D－微齿切削区，X－微齿，R-钻头直径。
图4为本发明钻头和可商购钻具的孔壁表面粗糙度值对比图，其中，1-钻具#1，2-钻具#2，横坐标表示加工的孔数，纵坐标表示加工孔壁粗糙度Ra，单位mm。
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。
如图1、图2、图3所示的高效专用钻头分为主切削区A，副切削区B和刀柄C三部分，在主切削区A与副切削区B连接处还有由若干个微齿X组成的微齿切削区D。钻头在钻削过程中可分为5个阶段，第一阶段为挤压，是横刃a接触并挤压工件，由于横刃的挤压效应，轴向推力迅速增大；第二阶段为挤压和钻削，此时第一主切削刃1进入材料，开始去除材料，推力以较小幅度增大；第三阶段为钻削，此时横刃到达工件底部，在横刃钻离工件之后，轴向力突然降低。第四阶段为钻削和铰削，此时板厚材料全部由第二主切削刃2加工，轴向推力波动不大。第五阶段为去毛刺和铰孔，此时第二主切削刃2开始离开工件，微齿结构开始去除毛刺，副切削刃3进行铰孔，轴向力进一步减小。
副切削刃3采用左旋螺纹和较小的螺旋角，采用较小的螺旋角有利于切屑排出，且可以实现铰孔作用，减小孔壁粗糙度；制孔过程中，刀柄端俯视，钻头顺时针旋转，在刀具向右的方向实现切削，左旋刃的设计增大向右切削刃的实际工作前角，较大前角有利于碳纤维增强复合材料的切削。
本实施例中，取钻头直径R为8mm，第一主切削刃1最大径向宽度e为钻头直径R的1/3,螺旋角ω为5°，副切削刃3的副切削刃前角γ为10°。主切削区有两段切削刃由第一主切削刃1和第二主切削刃2构成，两条第一主切削刃1构成的第一顶角α和四条第二主切削刃2构成的第二顶角β的角度不同，构成双顶角结构。取第一顶角α的角度为90°，第二顶角β为10°。
如图2高效专用钻头的左侧视图所示，通过磨削第一主切削刃，形成横刃a，横刃长度要控制，比一般钻削金属材料时要短，越小的横刃越有利于减少分层，但是横刃过小容易导致刀具寿命的降低。本实施例中，横刃a的尺寸为0.22mm。第二主切削刃2上微齿X数量1个，副切削刃3上微齿X数量4个；微齿切削区D共有5个齿，如图3所示。取微齿高度b＝0.8mm，微齿深度d＝1.2mm，阵列距离c＝1.6mm。
实验平台采用三轴高精度数控机床。钻头材质为硬质合金，无涂层。干式加工，无冷却。机床主轴转速为3000r/min，轴向进给为150mm/min。测试工件为单向预浸料按照[(-45/0/45/90)2/02]S方向铺层的4mm厚的T800级环氧树脂基碳纤维复合材料，这种材料在航空工业中应用广泛，其强度极高，但层间结合力弱，加工中极易产生分层，属于典型的难加工材料，具有很好的代表性和挑战性，也体现本发明的实用性。
本发明的钻头称为钻具#1，可商购的钻具称为钻具#2。采用相同的工艺参数和装夹方式进行制孔，制孔结束后，使用超景深显微镜测量出口面的孔质量，使用粗糙度量仪测量孔壁的粗糙度。本发明的钻头的性能与市售用于碳纤维复合材料的可商购的钻具比较结果见附图4，测试结果的具体说明如下：
(1)出口孔质量
钻具#2在加工第一个孔的时候毛刺很小，且有微小分层，随着孔数的增加，毛刺很快变大，分层也开始加剧。钻具#1加工第1个孔时没有分层和毛刺，质量很好，加工第5个孔时质量依旧很好。
(2)孔壁粗糙度
前5个孔粗糙度测量值，钻具#1的粗糙度值Ra平均在0.8，钻具#2的平均值在2.0左右。因此，本发明钻具#1的制孔粗糙度质量较好。
(3)刀具寿命
钻具#2在加工第2个孔时毛刺已经开始增大，第4个孔时更加严重，此钻头的寿命较短。而钻具#1在加工5个孔后质量依旧很好，继续进行制孔实验，最终发现钻具#1至少能加工20个孔，无分层、无毛刺，具有良好的刀具寿命。

Claims (2)

1.一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头，其特征是，钻头由主切削区(A)，副切削区(B)和刀柄(C)组成，在主切削区(A)与副切削区(B)连接处有由若干个微齿(X)组成的微齿切削区(D)；
所述的主切削区(A)有两部分切削刃，分别为第一主切削刃1和第二主切削刃2；其中，由两条第一主切削刃(1)组成的第一顶角(α)为90°-120°，由四条第二主切削刃(2)组成的第二顶角(β)为10°-30°；两条第一主切削刃(1)的径向最大宽度(e)小于钻头直径R的一半；由于第一顶角(α)和第二顶角(β)的角度不同，构成主切削区(A)的双顶角结构；
所述的副切削区中，副切削刃(3)为左旋螺纹，螺旋角(ω)为5°-10°，且副切削刃前角(γ)为10°-30°；副切削刃(3)所在位置的刀具直径是钻头直径R，第二主切削刃(2)与副切削刃(3)是由同一个螺旋槽形成的；
在所述的由若干个微齿(X)组成的微齿切削区(D)中，第二主切削刃上微齿(X)的数量为1-3个，副切削刃上微齿(X)的数量为2-4个。
2.依据权利要求1所述的一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头，其特征是，钻头上的每个微齿(X)的上部齿切线与副切削刃夹角(θ)范围为75°-90°；每个微齿下部齿切线与副切削刃夹角(φ)范围为100°-130°；微齿高度(b)在0.3-0.8mm之间，微齿深度(d)是微齿高度的1.5倍-2倍；每条切削刃上的微齿(X)沿刀具轴线的阵列距离(c)为微齿高度的2-4倍。
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