CN109262738B - 一种具有回勾刃的手工钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明一种具有回勾刃的手工钻头属于机械加工工具领域,涉及一种具有回勾刃的手工钻头,特别适用于纤维增强复合材料手工制孔。该钻头以凸双顶角为基本钻型,修改其两顶角角度,以减小钻削轴向力,抑制分层和撕裂损伤的产生。钻头由横刃,第一主切削刃,第二主切削刃,回勾刃,四条副切削刃,刀柄六部分组成。钻头的回勾刃包含在第二主切削刃中,由一个反向刃和一个刮切刃构成。该钻头采用由反向刃和刮切刃构成的回勾刃结构,对已产生的毛刺损伤进行二次去除,利用小后角的副切削刃完成孔壁的最终铰削修整。排屑槽取较小的螺旋角,减少进给不稳定对加工过程的干扰。该钻头实现对纤维复合材料的钻扩铰一次性手工高质量制孔。

Description

一种具有回勾刃的手工钻头
技术领域
本发明属于机械加工工具领域,涉及一种具有回勾刃的手工钻头,特别适用于纤维增强复合材料手工制孔。
背景技术
随着各类新型纤维增强复合材料的不断问世,其质量轻、强度高、抗腐蚀、耐疲劳等众多优良特性吸引了越来越多的关注。其中,碳纤维增强复合材料(CFRP)及玻纤增强复合材料(GFRP)是使用范围最广,应用场合最多的两类材料。二者均是由硬脆纤维和柔软树脂基体共同构成的复合材料,在对其进行钻削加工的过程中,由于纤维增强相与树脂基体相之间巨大的力学性能差异,钻削时极易产生难以预测的分层、撕裂、毛刺等损伤,这些损伤均会引发各种加工问题。特别是加工产生毛刺损伤后,毛刺会紧密贴合在刀具后刀面上,在刀具高速旋转的过程中,由于纤维增强相的强烈磨蚀性,对刀具体产生极为严重的划擦作用,从而使切削刃快速退化,刀具寿命显著降低。
大量专家学者开发了各类新型钻头,以期抑制加工损伤的产生,提高加工质量,降低刀具磨损。王福吉等人提出的“一种阶梯微齿双刃带钻锪一体钻头”,专利申请号201611182140.0,它涉及一种实现叠层材料钻锪一体化加工刀具,提出的多阶梯微齿结构能够有效切断纤维毛刺,减少孔出入口加工损伤,锪孔刃可实现最终的锪孔加工要求。然而该新型钻头为机夹钻头,在实际的生产工作中不能满足手工制孔需求。苏飞等人提出的“具有圆弧刃刀片的碳纤维增强复合材料专用钻头”,专利申请号201711047792.8,它涉及一种具有圆弧刃刀片钻头,提出设置圆弧形钻尖部、扩孔部以及多刃尖部,同时在钻头主体外圆周面上设置两条小倾角螺旋槽,在手工制孔过程中实现阶段性去除毛刺、减少分层损伤。然而为保证刀具的耐磨性,在钻头主体头部钎焊聚晶金刚石刀片,增加了刀具的制造成本。K.桑帕瑟等人提出的“用于旋转切削刀具的PCD切削刃尖和形成该刀具的方法”,专利申请号201710654872.3,涉及一种具有多晶金刚石刃尖的旋转切削刀具,通过设计特殊的钻头尖端结构并采用钎焊工艺结合到刀具本体上,提高了刀具的使用性能及加工质量,但刀尖结构成型复杂,且钎焊式刀具制作过程繁琐不便于整体加工。
上述刀具有些需要满足加工所需的转速进给比,有些需要保证较高的垂直度要求,有些需要提供较大的钻削轴向力,以上加工条件难以在手工制孔中实现,故限制了上述新型刀具在生产中的应用。
发明内容:
本发明主要解决的技术难题是在钻削以CFRP和GFRP为代表的纤维增强复合材料时,在不能保证进给转速比的手工钻削前提下,尽可能提升钻头的切削性能,减少在单次制孔过程中形成的钻削出、入口的分层、毛刺和撕裂损伤。该钻头以双顶角为基本钻型,修改其两顶角角度,减小钻削轴向力,抑制分层和撕裂损伤的产生。在第二主切削刃末端采用“反向切削”和“变刃刮切”的回勾刃结构,实现对出口纤维反向切削及周向刮切,提升钻削质量,降低单孔成本。再通过小后角的副切削刃对切削孔壁进行铰削,从而获得无毛刺且孔壁粗糙度较小的手工加工孔,使之更适于对纤维进行切断。
本发明采用的技术方案是一种具有回勾刃的手工钻头,其特征是,该钻头以凸双顶角为基本钻型,修改其两顶角角度,减小钻削轴向力,抑制分层和撕裂损伤的产生;钻头由横刃A,第一主切削刃B,第二主切削刃C,回勾刃D,四条副切削刃E,刀柄F六个部分组成,其中,回勾刃D包含在第二主切削刃C中,钻头具体结构参数如下:
所述钻头为四排屑槽的凸双顶角结构,初始切削区分布有第一、第二两条主切削刃B、C;扩孔区均布有四条副切削刃E,其中两条副切削刃E延伸至初始钻削区并与第一主切削刃B相交,另外两条副切削刃E延伸至第一主切削刃副后刀面,多刃同时切削提高了钻削加工效率;在钻头最前端为横刃A,是钻头的定心结构,为适应复合材料小轴向力要求,取钻心厚度b为钻头直径d的0.25-0.35倍,横刃宽度a为钻心厚度b的0.35倍;
第一主切削刃B为初始钻削区,为抑制分层及撕裂损伤的产生,取第一顶角α为60-90°,修磨该段切削刃前角q1为20-25°,后角h1为25-32°,提升切削刃对纤维的切断性,取第一主切削刃末端直径d1为刀具直径d的0.4-0.47倍;
第二主切削刃C为扩孔区,用来实现加工至终孔直径和去除初始钻削引起的损伤,第二顶角β在15-18°之间,在该区域修磨出刃带R,控制宽度在0.5-2.0mm之间,修磨该段切削刃前角q2在15-20°,后角h2在8-15°之间;
回勾刃D包含在第二主切削刃C中,由一个反向刃M和一个刮切刃N共同构成,反向刃M与水平线夹角γ在5-7°之间,反向刃M的前角q3为14-17°,后角h3为10-15°,反向刃M的顶端距第二主切削刃C的距离e为0.1-0.15d,控制回勾刃D中的刮切刃N与轴向方向θ为12-15°,修磨刮切刃前角q4为10-14°,刮切刃后角h4为8-10°,刮切刃N顶端距离第二主切削刃C和副切削刃E交界的长度f为0.5-1.0mm,分别在反向刃M和刮切刃N上修磨回勾刃刃带g宽0.2-0.5mm;
两条副切削刃E继承第二主切削刃C的前后角,同时修磨出副后角se,取其数值为第二主切削刃C后角h2的1.2-1.5倍,取排屑槽的螺旋角u为5-7°,沿螺旋槽拓展第二主切削刃C上的刃带R至副切削刃E上;刀柄F直径d2根据夹持需求,常取6-8mm。
本发明的有益效果是采用具有回勾刃的手工钻头加工以CFRP和GFRP为代表的纤维复合材料时,通过不同切削部位变化的前后角提升刀具的切断性。用较小尺寸的双顶角结构抑制撕裂损伤的形成,降低了钻削过程中的轴向力,并减少出口分层损伤。使用由反向刃和刮切刃构成的回勾刃结构,对已产生的毛刺损伤进行二次去除,利用小后角的副切削刃完成孔壁的最终铰削修整。排屑槽取较小的螺旋角,配合小角度双顶角结构以适应手工钻削的加工条件,减少进给不稳定对加工过程的干扰。该钻头适应手工钻削加工条件,有效实现对纤维复合材料的钻扩铰一次性手工高质量制孔。
附图说明
图1为一种具有回勾刃的新型手工钻头的主视图,图2为图1的K向视图,图3为钻尖部分的局部放大图,图4为回勾刃结构的局部放大图。其中:A-横刃,B-第一主切削刃,C-第二主切削刃,D-回勾刃,E-副切削刃,F-刀柄,M-反向刃,N-刮切刃;a-横刃宽度,b-钻心厚度,d-刀具直径,d1-第一主切削刃末端直径,d2-刀柄F直径,e-反向刃M的顶端距第二主切削刃C的距离,f-刮切刃N顶端距离第二主切削刃C和副切削刃E交界的长度,g-回勾刃刃带宽,q1-第一主切削刃B前角,q2-第二主切削刃C前角,q3-反向刃M前角,q4-刮切刃N前角,h1-第一主切削刃B后角,h2-第二主切削刃C后角,h3-反向刃M后角,h4-刮切刃N后角,se-副切削刃E副后角,u-螺旋角;α-第一顶角,β-第二顶角,θ-刮切刃N与轴向成角,γ-反向刃M与水平线夹角。
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、2、3、4所示的一种具有回勾刃的手工钻头,特别适用于钻削以CFRP和GFRP为代表的纤维增强复合材料,该钻头以凸双顶角为基本钻型,修改其两顶角角度,减小钻削轴向力,抑制分层和撕裂损伤的产生。钻头由横刃A、第一主切削刃B、第二主切削刃C、回勾刃D、四条副切削刃E、刀柄F六部分组成。其中,回勾刃D包含在第二主切削刃C中,实现对纤维反向切削及周向刮切去除被加工材料的撕裂、分层等损伤。在本实例中,取钻头直径d为6mm。
所述的定心结构横刃A位于钻头最前端,如图1所示。钻尖部分决定钻孔的初始位置,承担着50%以上的钻削轴向力,为保证刀具体强度,钻心厚度b选取为b=0.25d=1.5mm。由于手工钻削时进给轴向力为人力提供,在不影响定心要求前提下取横刃宽度a=0.35b=0.525mm,以适应复合材料加工时较小轴向力要求,此外横刃不能过小否则将使刀具寿命降低。
第一主切削刃B所在的初始钻削区,主切削刃前刀面连接排屑槽,有利于切屑顺利流出,该部分第一顶角α选取为60°,有效抑制了钻削初期材料分层及撕裂损伤的产生。第一主切削刃前角q1为20°,后角h1为25°,保证切削刃锋利度和强度,能够顺利切断被加工材料中的碳纤维,同时减少后刀面磨损以提高刀具寿命。第一主切削刃末端直径d1=0.4d=2.4mm,此为第一阶段钻削形成孔径。
第二主切削刃C所在的扩孔区,对第一阶段成孔进行扩孔加工,同时去除初始钻削过程的分层、撕裂及毛刺等损伤。扩孔区均布有四条副切削刃E,其中两条副切削刃延伸至初始钻削区并与第一主切削刃相交,另外两条副切削刃延伸至第一主切削刃副后刀面,多刃同时切削提高了钻削加工效率。扩孔区第二顶角β为15°,较小的第二顶角有利于减小切削轴向力。在该区域刃带R宽度为0.5mm,第二主切削刃前角q2为15°,后角h2为8°,小的前后角保证了切削刃的强度。第二主切削刃C中的回勾刃D由反向刃M和刮切刃N组成,如图4为回勾刃结构的局部放大图,反向刃M与水平线夹角γ为5°,以实现钻头高速旋转时反向切削去除出口毛刺,反向刃M的前角q3为14°,后角h3为10°,反向刃M的顶端距第二主切削刃C的距离e=0.1d=0.6mm,回勾刃D中的刮切刃N与轴向方向θ为12°,实现对孔壁的周向刮切作用,刮切刃前角q4为10°,后角h4为8°,刮切刃N顶端距离第二主切削刃C和副切削刃E交界的长度f为0.5mm,分别在反向刃M和刮切刃N上修磨回勾刃刃带g宽0.2mm。
两条副切削刃E承接第二主切削刃C并与其具有相同的前后角,该部分切削量很小,主要承担对孔壁的铰削作用。副切削刃副后角se=1.5h2=12°,避免后刀面与已加工孔壁接触造成刀具与已成型孔的损伤,贯穿钻头扩孔区和副切削刃区的排屑槽螺旋角u为7°,较小的螺旋角使排屑槽总长度变短,有利于手工钻削时切屑及时排出,沿螺旋槽拓展第二主切削刃C上的刃带R至副切削刃E上。刀柄F直径d2根据实际夹持的需求取8mm。
本发明适合加工以CFRP和GFRP为代表的纤维增强复合材料,通过不同切削部位变化的前后角提升刀具对纤维的切断性。用较小尺寸的横刃及顶角结构抑制初始撕裂损伤的形成,降低了钻削过程中的轴向力,减少出口分层损伤。采用回勾刃结构对毛刺等损伤反向切削、周向刮切去除。利用小后角的副切削刃完成对孔壁最终铰削修整,降低表面粗糙度值。排屑槽取较小的螺旋角,配合小角度双顶角结构以适应手工钻削的加工条件,减少进给不稳定对加工过程的干扰,从而实现对纤维复合材料的钻扩铰一次性手工高质量制孔。

Claims (1)

1.一种具有回勾刃的手工钻头,其特征是,该钻头以凸双顶角为基本钻型,修改其两顶角角度,减小钻削轴向力,抑制分层和撕裂损伤的产生;钻头由横刃(A),第一主切削刃(B),第二主切削刃(C),回勾刃(D),四条副切削刃(E),刀柄(F)六个部分组成,其中,回勾刃(D)包含在第二主切削刃(C)中,钻头具体结构参数如下:
所述钻头为四排屑槽的凸双顶角结构,初始切削区分布有第一、第二两条主切削刃(B、C);扩孔区均布有四条副切削刃(E),其中两条副切削刃(E)延伸至初始钻削区并与第一主切削刃(B)相交,另外两条副切削刃(E)延伸至第一主切削刃副后刀面,多刃同时切削提高了钻削加工效率;在钻头最前端为横刃(A),是钻头的定心结构,为适应复合材料小轴向力要求,取钻心厚度b为钻头直径d的0.25-0.35倍,横刃宽度a为钻心厚度b的0.35倍;
第一主切削刃(B)为初始钻削区,为抑制分层及撕裂损伤的产生,取第一顶角α为60-90°,修磨该段切削刃前角q1为20-25°,后角h1为25-32°,提升切削刃对纤维的切断性,取第一主切削刃末端直径d1为刀具直径d的0.4-0.47倍;
第二主切削刃(C)为扩孔区,用来实现加工至终孔直径和去除初始钻削引起的损伤,第二顶角β在15-18°之间,在该区域修磨出刃带R,控制宽度在0.5-2.0mm之间,修磨该段切削刃前角q2在15-20°,后角h2在8-15°之间;
回勾刃(D)包含在第二主切削刃(C)中,由一个反向刃(M)和一个刮切刃(N)共同构成,反向刃(M)与水平线夹角γ在5-7°之间,反向刃(M)的前角q3为14-17°,后角h3为10-15°,反向刃(M)的顶端距第二主切削刃(C)的距离e为0.1-0.15d,控制回勾刃(D)中的刮切刃(N)与轴向方向θ为12-15°,修磨刮切刃前角q4为10-14°,刮切刃后角h4为8-10°,刮切刃(N)顶端距离第二主切削刃(C)和副切削刃(E)交界的长度f为0.5-1.0mm,分别在反向刃(M)和刮切刃(N)上修磨回勾刃刃带g宽0.2-0.5mm;
两条副切削刃(E)继承第二主切削刃(C)的前后角,同时修磨出副后角se,取其数值为第二主切削刃(C)后角h2的1.2-1.5倍,取排屑槽的螺旋角u为5-7°,沿螺旋槽拓展第二主切削刃(C)上的刃带R至副切削刃(E)上;刀柄(F)直径d2根据夹持的需求常取6-8mm。
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