CN107378009A - 一种用于碳纤维复合材料制孔的多阶梯多刃渐变微齿刀具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于碳纤维复合材料制孔的多阶梯多刃渐变微齿刀具，属于复合材料机械加工技术领域。是由直刃钻孔区、扩孔区、修整区与刀柄组成的。直刃钻孔区具有横刃、主切削刃、副切削刃和钻孔排屑槽，扩孔区具有扩孔切削刃和扩孔排屑槽，修整区具有菱形微切削单元、右旋排屑槽和左旋分屑槽，菱形微切削单元在结构上又分为微齿主切削刃、微齿副切削刃，菱形微切削单元尺寸沿其右旋螺旋线方向渐变增大，多阶梯多刃渐变微齿刀具为整体刀具，具有足够的强度和刚度，降低了钻削轴向力的同时，尺寸渐变增大的菱形微切削单元，大幅提高了毛刺去除效率，保证了加工孔壁的修整质量，使加工过程过渡平稳，提高了加工效率。

Description

一种用于碳纤维复合材料制孔的多阶梯多刃渐变微齿刀具

技术领域

本发明涉及一种用于碳纤维复合材料制孔的多阶梯多刃渐变微齿刀具，属于复合材料机械加工领域。

背景技术

碳纤维复合材料(CFRP)是以碳纤维为增强体的树脂基复合材料，具有比强度高、比模量高、耐腐蚀和可设计性强等优异性能，被广泛应用于航空航天领域。由于CFRP具有非均质、各向异性、层间强度低和碳纤维硬度高的特点，在机械加工过程中，特别是钻孔过程，容易出现分层、撕裂和毛刺等加工缺陷，而这些加工缺陷的存在，使得加工质量难以保障，严重影响了CFRP承力结构件的连接强度和疲劳寿命。现阶段钻孔技术主要通过减小刀具横刃长度和增加碳纤维复合材料出口侧支撑来减小分层、撕裂加工缺陷的产生，但是对于钻削过程中已产生的毛刺缺陷，不能够有效的通过同一次钻削加工工序来去除，以及无法在去除毛刺的同时进行孔壁质量的修整，所以实际加工中大多采用后续加工工序去除毛刺，然后再进行孔壁质量的修整工序，来保证合理的孔壁质量，这大大降低了制孔效率。因此，目前迫切的需要一种新型的多阶梯整体制孔刀具，在减小钻削轴向力，降低钻削加工分层和撕裂损伤的前提下，可以通过一次钻削加工有效去除毛刺并进行孔壁修整，同时使去除毛刺和修整孔壁阶段间平稳过渡，从而保证加工质量和提高加工效率。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供了一种用于碳纤维复合材料制孔的多阶梯多刃渐变微齿刀具。

本发明的技术方案：

一种用于碳纤维复合材料制孔的多阶梯多刃渐变微齿刀具，包括直刃钻孔区、扩孔区、修整区与刀柄，扩孔区前端的外径与直刃钻孔区的外径相同，后端的外径与修整区的外径相同；

所述的直刃钻孔区具有横刃、主切削刃、副切削刃和钻孔排屑槽四部分，横刃的两端点分别与两条主切削刃相连接；沿圆周方向均匀分布四条副切削刃，其中两条副切削刃分别与两条主切削刃的外侧端点相连接，相邻两条副切削刃之间为钻孔排屑槽；

所述的扩孔区具有扩孔切削刃和扩孔排屑槽两部分，沿扩孔区圆周方向，均匀分布四条扩孔切削刃，相邻的两条扩孔切削刃之间区域为扩孔排屑槽，扩孔排屑槽的深度沿刀具轴线方向逐渐减小；

所述的修整区具有菱形微切削单元、右旋排屑槽和左旋分屑槽三部分；右旋排屑槽和左旋分屑槽沿圆周方向等间隔螺旋状分布，将切削区分割成若干菱形微切削单元；

所述的菱形微切削单元分为微齿主切削刃和微齿副切削刃两部分，微齿主切削刃靠近右旋排屑槽，微齿副切削刃靠近左旋分屑槽，修整区靠近扩孔区端的菱形微切削单元尺寸最小，沿其右旋螺旋线方向菱形微切削单元尺寸渐变增大，修整区末端菱形微切削单元尺寸最大；

所述的刀柄为位于修整区后方的圆柱体；

所述的多阶梯多刃渐变微齿刀具为整体刀具，其直刃钻孔区、扩孔区、修整区与刀柄是在同一刀具材料上经过机械加工制成，整体刀具具有足够的强度和刚度，并能够满足不同刀具区工作状态的平稳过渡。

本发明的有益效果：多阶梯多刃渐变微齿刀具可实现碳纤维复合材料的钻、扩、修整一体化加工，在有效减小钻削轴向力的基础上，采用渐变微齿结构，可以通过一次钻削加工有效去除毛刺缺陷，并保证制孔孔壁质量，提高了加工效率。多阶梯多刃渐变微齿刀具的多阶梯结构分布，使得直刃钻孔区在满足其本身结构强度和刚度要求下，尖部钻孔区的横刃长度较小，使得尖部钻孔区轴向力减小，从而降低分层、撕裂等加工缺陷的出现，另外副切削刃采用直刃结构，将钻孔过程中产生的加工缺陷进行去除的同时，对孔壁起到了修整作用，为后续扩孔加工起到了良好的过渡作用。扩孔区采用小斜度的扩孔切削刃，使得扩孔切削刃单位高度方向的轴向力降低，从而能够在去除前一加工过程中产生的分层等缺陷的同时，保证在扩孔加工过程中缺陷不易扩展。修整区由右旋排屑槽和左旋分屑槽分割而成，形成了若干数量的菱形微切削单元，菱形微切削单元在切削过程中，首先是微齿主切削刃对于碳纤维毛刺进行切削，在微齿主切削刃的切削作用下部分毛刺发生弯曲变形无法被切除，此时发生变形未被切除的碳纤维毛刺会被微齿副切削刃去除，大幅度提高了毛刺的去除效率，另外菱形微切削单元尺寸沿其螺旋线方向渐变增大，修整区初始端为小尺寸菱形微切削单元，增加了初始端区域内切削单元的数量，使得切削刃与毛刺的接触次数增多，有助于毛刺的快速有效去除，随着大量毛刺被去除，需要大尺寸的菱形微切削单元修整孔壁，提高孔壁质量，渐变增大的菱形微切削单元尺寸使得毛刺去除与修整孔壁质量两个阶段过渡更加平稳，保证了被加工孔的孔壁质量。菱形微切削单元中微齿主切削刃、微齿副切削刃在切削过程中产生的切削力在轴向方向分力相反，相互抵消，有效的减小了修整区的轴向力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的钻尖端部示意图。

图3为本发明的菱形微切削单元示意图。

图中：1横刃；2主切削刃；3副切削刃；4扩孔切削刃；5菱形微切削单元；51微齿主切削刃；52微齿副切削刃；6右旋排屑槽；7左旋分屑槽；8刀柄；9扩孔排屑槽；10钻孔排屑槽。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例

一种用于碳纤维复合材料制孔的多阶梯多刃渐变微齿刀具，包括直刃钻孔区、扩孔区、修整区与刀柄8，扩孔区前端的外径与直刃钻孔区的外径相同，后端的外径与修整区的外径相同；

所述的直刃钻孔区具有横刃1、主切削刃2、副切削刃3和钻孔排屑槽10四部分，横刃1的两端点分别与两条主切削刃2相连接；沿圆周方向均匀分布四条副切削刃3，其中两条副切削刃3分别与两条主切削刃2的外侧端点相连接，相邻两条副切削刃3之间为钻孔排屑槽10；

所述的扩孔区具有扩孔切削刃4和扩孔排屑槽9两部分，沿扩孔区圆周方向，均匀分布四条扩孔切削刃4，相邻的两条扩孔切削刃4之间区域为扩孔排屑槽9，扩孔排屑槽9的深度沿刀具轴线方向逐渐减小；

所述的修整区具有菱形微切削单元5、右旋排屑槽6和左旋分屑槽7三部分；右旋排屑槽6和左旋分屑槽7沿圆周方向等间隔螺旋状分布，将切削区分割成若干菱形微切削单元5；

所述的菱形微切削单元5分为微齿主切削刃51和微齿副切削刃52两部分，微齿主切削刃51靠近右旋排屑槽6，微齿副切削52刃靠近左旋分屑槽7，修整区靠近扩孔区端的菱形微切削单元5尺寸最小，沿其右旋螺旋线方向菱形微切削单元5尺寸渐变增大，修整区末端菱形微切削单元5尺寸最大；

所述的刀柄8为位于修整区后方的圆柱体；

所述的多阶梯多刃渐变微齿刀具为整体刀具，其直刃钻孔区、扩孔区、修整区与刀柄8是在同一刀具材料上经过机械加工制成，整体刀具具有足够的强度和刚度，并能够满足不同刀具区工作状态的平稳过渡。

钻削时多阶梯多刃渐变微齿刀具的横刃1先接触到碳纤维复合材料，横刃1主要起定心作用，随即主切削刃2开始切削，当主切削刃2外部进行切削碳纤维复合材料后，副切削刃3开始进行切削，去除主切削刃2工作中产生的加工缺陷。然后扩孔切削刃4进入切削，扩孔过程中将孔加工到目标直径尺寸。随后进入修整区，由多条右旋排屑槽6和左旋分屑槽7分割形成的若干数量菱形微切削单元5参与切削，菱形微切削单元5上由微齿主切削刃51、微齿副切削刃52进行切削，去除碳纤维毛刺缺陷损伤，并由渐变增大尺寸的菱形微切削单元5进行孔壁质量修整，最后钻削加工完成，形成尺寸合格、高表面质量的孔。

Claims (1)

1.一种用于碳纤维复合材料制孔的多阶梯多刃渐变微齿刀具，其特征在于，所述的多阶梯多刃渐变微齿刀具包括直刃钻孔区、扩孔区、修整区与刀柄，扩孔区前端的外径与直刃钻孔区的外径相同，后端的外径与修整区的外径相同；

所述的直刃钻孔区具有横刃、主切削刃、副切削刃和钻孔排屑槽四部分，横刃的两端点分别与两条主切削刃相连接；沿圆周方向均匀分布四条副切削刃，其中两条副切削刃分别与两条主切削刃的外侧端点相连接，相邻两条副切削刃之间为钻孔排屑槽；

所述的扩孔区具有扩孔切削刃和扩孔排屑槽两部分，沿扩孔区圆周方向，均匀分布四条扩孔切削刃，相邻的两条扩孔切削刃之间区域为扩孔排屑槽，扩孔排屑槽的深度沿刀具轴线方向逐渐减小；

所述的修整区具有菱形微切削单元、右旋排屑槽和左旋分屑槽三部分；右旋排屑槽和左旋分屑槽沿圆周方向等间隔螺旋状分布，将切削区分割成若干菱形微切削单元；

所述的菱形微切削单元分为微齿主切削刃和微齿副切削刃两部分，微齿主切削刃靠近右旋排屑槽，微齿副切削刃靠近左旋分屑槽，修整区靠近扩孔区端的菱形微切削单元尺寸最小，沿其右旋螺旋线方向菱形微切削单元尺寸渐变增大，修整区末端菱形微切削单元尺寸最大；

所述的刀柄为位于修整区后方的圆柱体。