CN105598509A - 一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头 - Google Patents

一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头 Download PDF

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白玉
付饶
张翀
王福吉
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Abstract

本发明一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头。专用钻头是一种具有微齿结构的双刃小顶角右旋钻头，钻尖每个主切削刃具有两个后刀面，两主切削刃形成小顶角结构及较短横刃，主切削刃的前角修磨一致，副切削刃有微齿结构，副切削刃的中间部位变径。专用钻头具有小顶角结构和短横刃，降低钻削轴向力，减少分层；副切削刃上的微齿结构，实现了在制孔过程中产生的毛刺可以回弹入微齿结构并被微齿剪断，可有效去除出、入口毛刺，降低了形成终孔时的撕裂损伤。本发明加工质量好、精度高，且刀具使用寿命长。

Description

一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头
技术领域
本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRP)以其优良的力学性能，已广泛应用于先进飞机零件的制造，如先进的波音787和空客A350XWB，其复合材料用量已经高达50％以上，大幅减轻了飞机结构重量，提高了飞机的燃油经济性。然而，复合材料虽然可实现整体制造较大的零件，但零件和零件之间不可避免的需要进行连接，才能装配成部件，而上述飞机用复合材料零件之间的连接一般都是通过铆接、螺接的方式进行机械连接，因而必须对复合材料零件进行制孔加工。由于CFRP主要是由碳纤维增强相以及树脂基体相构成的混合形态，宏观上呈现明显的各向异性和层叠特征，其层间结合强度远低于其他方向。钻孔时由于入口和出口位置约束作用弱，钻尖极易产生较大的轴向力，顶开最外面几层材料，产生分层损伤，并因无法切断纤维导致纤维弯曲，引发撕裂和毛刺等损伤。同时，由于碳纤维增强相极硬，易加剧刀具磨损，导致刃口不锋利，难以切断纤维，极易造成严重的出口和入口毛刺。特别对于大尺寸零件之间的连接一般孔径大，厚度大，其制孔过程中，切削温度高，轴向力大，更易发生分层等损伤，已成为航空复合材料装备制造中的技术瓶颈之一。
国内外研究表明刀具的几何结构是影响CFRP制孔质量的重要因素，为克服上述问题，实现CFRP的大孔径、大厚度孔的高质量加工，国内外研究人员开发了多种不同结构几何形式的制孔刀具，这些刀具有各自的优缺点。周安善、柳德春发明的“新副刃多刃尖航空钻”专利申请号200910132775.3，它涉及一种新副刃多刃尖航空钻，针对钛合金、高强度碳纤维增强复合材料，提出了一种改进的麻花钻，设有中心和两侧共三个钻尖，以及微阶梯和凹槽结构，相对麻花钻，且在小孔钻削时，可提高制孔质量和刀具寿命，然而针对大厚板，其钻尖的长横刃和大顶角，会产生很大的轴向力，导致制孔出口的纤维延纤维方向大幅开裂，在此情况下，外端的两个切削刃进行切削时，又会进一步顶开已经开裂的纤维，导致损伤严重；同时，切削刃最外端切削线速度最大，易造成最外端的突出的切削刃尖急速磨损，刀具寿命低，加剧损伤。大连理工大学贾振元等人发明了“一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头”，专利申请号201510408743.7，它涉及用于碳纤维复合材料的制孔的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。然而，此刀具的切削刃较长，加工较厚的复合材料板时，切屑难以排出，导致切削过程中温度较高，容易造成热损伤和出口的撕裂损伤。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服大厚度纤维增强复合材料大尺寸孔的一次性制孔中出口易产生分层、毛刺、撕裂等损伤的问题，发明一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头。该专用钻头是一种具有微齿结构的双刃小顶角右旋钻头，钻尖每个主切削刃具有两个后刀面，两主切削刃形成小顶角结构及较短横刃，主切削刃的前角修磨一致，副切削刃有微齿结构，副切削刃的中间部位变径，可实现大厚度纤维增强复合材料大尺寸孔的一次性高质量、高效率加工。
本发明采用的技术方案是一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头，此专用钻头具有由主切削刃(1)包络线形成的主切削区(A)、夹持区(C)、由主切削刃(1)末端及夹持区(C)初始位置为包络线形成的副切削区(B)、变径区(D)及微齿切削区(E)，其特征是，此专用钻头是一种具有微齿结构的双刃小顶角右旋钻头，钻尖每个主切削刃具有两个后刀面，两主切削刃形成小顶角结构及较短横刃，主切削刃的前角修磨一致，副切削刃有微齿结构，副切削刃的中间部位变径；专用钻头的具体结构及参数如下：
主切削区(A)的每条切削刃具有两个后刀面(8)和(9)，刀具直径为D1，顶角(α)在85°-90°之间，横刃长在0.1-0.6mm之间，主切削刃(1)的前角(γ)经修磨后为定值，前角(γ)在15°-20°之间，主切削刃(1)的第一后角(α1)在10°-12°之间，主切削刃(1)的第二后角(α2)在15°-25°之间，第一后角(α1)与第二后角(α2)的比值在0.4-0.5之间，且第二后刀面(9)面积为第一后刀面(8)面积的4-6倍；变径区(D)位于副切削区(B)中，变径区(D)的直径为D2，其取值在(0.98-0.99)D1之间，变径区(D)开始变径的位置与钻尖间的轴向距离(b)大于最上端微齿到钻尖的距离(a)与所加工的碳纤维增强复合材料板厚的和，变径区(D)的轴向长度在3-4mm之间；排屑槽的螺旋角在30°-34°之间；
微齿切削区(E)位于副切削区(B)的副切削刃(2)上，微齿切削区(E)由若干个微齿(4)组成；微齿(4)在同一条副切削刃(2)上轮廓结构相同，其投影轮廓为椭圆形或圆形；微齿(4)沿每条副切削刃(2)分布有3-5个，在每条副切削刃(2)上分布数量相同，且轴向位置相同；离钻尖最近的微齿(4)与主切削区(A)结束的位置距离在1-1.5mm之间，微齿轴线(6)与刀具轴线(5)间夹角(β)为90°至100°，微齿绕钻头轴线呈螺旋线分布，微齿上齿边与刀具轴线(5)的夹角(δ)在85°至100°之间，微齿下齿边与刀具轴线(5)的夹角(ε)在110°至125°之间。
本发明的效果和益处是专用钻头具有小顶角结构和短横刃，降低钻削轴向力，减少分层；修磨后具有相同前角的主切削刃，更有利于切断纤维，进一步减小了分层等损伤；副切削刃上的微齿结构，实现了在制孔过程中产生的毛刺可以回弹入微齿结构并被微齿剪断，可有效去除出、入口毛刺，降低了形成终孔时的撕裂损伤；右旋的螺旋槽有利于出口处材料的切削以及排屑，降低了切削温度；主切削刃的两个后刀面的后角相差较大，减少了专用钻头与工件间的摩擦，降低了切削温度，提高了工件加工质量；采用变径结构，减小了钻削最终成型阶段，孔入口侧的振动，提高了孔径精度和入口质量。
附图说明
图1为一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头的主视图；图2a)为主视图中微齿切削区E的局部放大视图，图2b)为左视图中微齿切削区E的局部放大视图；图3为主视图中钻尖的局部放大视图；图4为图3的A-A剖视图；图5为专用刀具的仰视图。其中，A-主切削区，B-副切削区，C-夹持区，D-变径区，E-微齿切削区，1-主切削刃，2-副切削刃，3-副切削刃末端，4-微齿，5-专用钻头的轴向线，6-微齿轴向线，7-横刃，8-主切削刃1第一后刀面，9-主切削刃1第二后刀面，α-顶角，β-微齿旋向角，γ-钻头前角，δ-微齿上齿边与专用钻头轴线的夹角，ε-微齿下齿边与专用钻头轴线夹角，α1-钻头第一后角，α2-钻头第二后角，a-最上端微齿与钻尖间的轴向距离，b-变径区D的初始位置与钻尖间的轴向距离，c-微齿间距，d-微齿宽，D1-副切削区B的轴径，D2-变径区D的轴径。
图6为采用专用钻头加工的入口孔，图7为采用专用钻头加工的出口孔。
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、图4，图5所示的一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头可分为由主切削刃1包络线形成的主切削区A、由主切削刃1末端及夹持区C初始位置为包络线形成的副切削区B、夹持区C、变径区D和微齿切削区E五个区域。钻头在钻削过程中可分为8个阶段，第一阶段为挤压，是横刃7接触并挤压工件，由于横刃7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；第三阶段为挤压、钻削和去毛刺，微齿结构开始去除毛刺；第四阶段为钻削和去毛刺，此时横刃7到达工件底部，在横刃7钻离工件之后，轴向力突然降低；第五阶段为去毛刺和铰削，此时主切削刃1钻离工件，副切削刃2进行铰孔，轴向力进一步减小；第六阶段为铰孔，此时微刃结构离开工件，副切削刃2继续进行铰孔；第七阶段为铰孔和变径区D参与加工，变径区D开始进入工件，散热较好，钻头切削温度较低；第八阶段为铰孔，变径区D钻离工件，副切削刃2铰孔。
两主切削刃1形成小顶角结构，采用较小的顶角，有利于降低钻削轴向力，减少分层缺陷；副切削刃2上设计有微齿结构，实现了在制孔过程中产生的毛刺可以回弹入微齿结构并被微齿剪断，可有效去除出、入口毛刺，降低了形成终孔时的撕裂损伤；副切削刃2采用右旋结构，有利于去除毛刺；每个主切削刃1采用两个后刀面，减少刀具与工件间的摩擦，减少切削热，减少刀具磨损，进而提高了工件加工质量；采用变径结构，减小了钻削最终成型阶段，孔入口侧的振动，提高了孔径精度和入口质量。
本实施例中，取钻头直径D1为8mm，具有两个主切削刃且每条主切削刃具有两个后刀面，其中主切削刃的前角为20°，第一后角α1为12°，第二后角α2为25°，第二后刀面9面积是第一后刀面8面积的6倍，顶角为90°，副切削刃2的螺旋角为34°，变径区C的轴向长度为4mm，直径为7.9mm，变径区C的初始位置与钻尖间的距离为21.5mm，大于最上端微齿到钻尖的距离5mm与所加工的CFRP板厚9mm之和，可保证当钻尖及微齿钻削CFRP板时，变径区C未参与切削，钻削过程较为稳定。
如图5高效专用钻头的仰视图所示，通过磨削主切削刃，形成横刃7，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7的尺寸为0.6mm。微齿切削区F位于第一副切削区B的副切削刃靠近钻尖处，微齿切削区F由若干个微齿4组成。微齿4在同一条副切削刃2上轮廓结构相同，其投影轮廓为椭圆形；微齿4在每条副切削刃2上分布数量相同，为3个，且轴向位置相同，微齿4中距离钻尖最近处的微齿位于主切削区A的上包络线以上1.5mm处。同一条副切削刃2上分布的微齿4中各微齿之间的距离c为1mm，齿宽d为1mm，微齿轴线6与刀具轴线5间夹角β为95°,微齿绕轴线呈螺旋线分布，微齿上齿边与刀具轴线5的夹角δ为100°，微齿下齿边与刀具轴线5的夹角ε为125°，如图2所示。
实验平台采用虚拟五轴高精度加工中心。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100mm/min。测试工件为通过T800级碳纤维增强环氧树脂基单向预浸料铺设的9mm厚的准各项同性复合材料层合板，广泛应用于航空飞机的制造，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。图6、图7分别表示出采用专用钻头加工的入口孔及出口孔的情况，仔细观察入口面和出口面的孔质量：加工第1个孔时入口孔没有分层，质量很好，加工第5个孔时质量依旧很好；加工第1个孔时出口孔没有分层，质量很好，加工第5个孔时质量依旧很好，可见专用钻头加工质量好、精度高，且刀具使用寿命长。

Claims (1)

1.一种碳纤维增强复合材料高质量制孔的专用钻头，此专用钻头具有由主切削刃(1)包络线形成的主切削区(A)、夹持区(C)、由主切削刃(1)末端及夹持区(C)初始位置为包络线形成的副切削区(B)、变径区(D)及微齿切削区(E)，其特征是，此专用钻头是一种具有微齿结构的双刃小顶角右旋钻头，钻尖每个主切削刃具有两个后刀面，两主切削刃形成小顶角结构及较短横刃，主切削刃的前角修磨一致，副切削刃有微齿结构，副切削刃的中间部位变径；专用钻头的具体结构及参数如下：
主切削区(A)的每条切削刃具有两个后刀面(8)和(9)，刀具直径为D1，顶角(α)在85°-90°之间，横刃长在0.1-0.6mm之间，主切削刃(1)的前角(γ)经修磨后为定值，前角(γ)在15°-20°之间，主切削刃(1)的第一后角(α1)在10°-12°之间，主切削刃(1)的第二后角(α2)在15°-25°之间，第一后角(α1)与第二后角(α2)的比值在0.4-0.5之间，且第二后刀面(9)面积为第一后刀面(8)面积的4-6倍；变径区(D)位于副切削区(B)中，变径区(D)的直径为D2，其取值在(0.98-0.99)D1之间，变径区(D)开始变径的位置与钻尖间的轴向距离(b)大于最上端微齿到钻尖的距离(a)与所加工的碳纤维增强复合材料板厚的和，变径区(D)的轴向长度在3-4mm之间；排屑槽的螺旋角在30°-34°之间；
微齿切削区(E)位于副切削区(B)的副切削刃(2)上，微齿切削区(E)由若干个微齿(4)组成；微齿(4)在同一条副切削刃(2)上轮廓结构相同，其投影轮廓为椭圆形或圆形；微齿(4)沿每条副切削刃(2)分布有3-5个，在每条副切削刃(2)上分布数量相同，且轴向位置相同；离钻尖最近的微齿(4)与主切削区(A)结束的位置距离在1-1.5mm之间，微齿轴线(6)与刀具轴线(5)间夹角(β)为90°至100°，微齿绕钻头轴线呈螺旋线分布，微齿上齿边与刀具轴线(5)的夹角(δ)在85°至100°之间，微齿下齿边与刀具轴线(5)的夹角(ε)在110°至125°之间。
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