CN112894996A - 一种渐次切削钻头及基于渐次切削钻头的cfrp制孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渐次切削钻头及基于渐次切削钻头的CFRP制孔方法，涉及复合材料加工技术领域，渐次切削钻头包括包括钻头本体，从钻头本体的前端至后端依次设置有第一主切削区、第二主切削区、连续副切削区和刀柄夹持区，第一主切削区设有锥度角为α的锥度，第二主切削区设有锥度角为β的锥度，钻头本体的外周上设有排屑直槽，排屑直槽从第一主切削区延伸至连续副切削区，位于第一主切削区的排屑直槽的朝着切削方向的槽边为第一主切削刃，第二主切削区的周侧设有多微刃结构，多微刃结构包括多个均匀排布的微刃，位于连续副切削区的排屑直槽的朝着切削方向的槽边为副切削刃。

Description

一种渐次切削钻头及基于渐次切削钻头的CFRP制孔方法

技术领域

本发明涉及复合材料加工技术领域，具体涉及一种渐次切削钻头和基于渐次切削钻头的CFRP制孔方法。

背景技术

结构轻量化和疲劳耐久性已成为现代飞机结构共同追求的目标，以碳纤维增强复合材料(CFRP)为代表的先进复合材料具有高比强度、高比模量和抗疲劳性能好等优势被广泛应用于航空航天领域。

虽然目前已经可以实现CFRP复杂结构件的大面积整体成型，但是仍然需要对CFRP成型制件进行机械加工以满足连接装配需求，如采用铣削、钻削等方式完成CFRP制件的切边、制孔等加工。由于CFRP的宏观各向异性，其切削难度远远高于传统的金属材料，用普通的麻花钻或者匕首钻切削效率低、刀具寿命短并且无法避免产生分层、毛刺、纤维撕裂和孔壁划伤等加工缺陷，会大大降低切削的质量和效率。

国内外学者在优化刀具结构参数方面开展了诸多研究，设计了很多对于碳纤维增强复合材料的加工刀具，各有利弊。如深圳光启创新技术有限公司发明的“匕首钻和用于孔加工的方法”专利申请号201510400642.5，它提供了一种新型匕首钻用于碳纤维复合材料的加工，实现了从原有的钻、扩、铰分刀加工工艺优化为一刀加工到位，提高了加工效率、降低了分层风险并且提高了孔的质量。此种刀具与普通麻花钻相比能够在一定程度上减少分层的风险，但是随着刀具的磨损，毛刺等缺陷很快就会出现，使刀具的寿命变短。本发明要解决的问题是由于钻头作用在复合材料上的力较大而导致切削刃承担的切削负荷高，使刀具的使用寿命缩短以及制孔表面质量差的问题。

发明内容

为此，本发明提供一种渐次切削钻头及基于渐次切削钻头的CFRP制孔方法，以解决现有技术中由于钻头作用在复合材料上的力较大而导致切削刃承担的切削负荷高，使刀具的使用寿命缩短以及制孔表面质量差的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供了一种渐次切削钻头，包括钻头本体，从钻头本体的前端至后端依次设置有第一主切削区、第二主切削区、连续副切削区和刀柄夹持区，第一主切削区具有锥度角为α的锥度，第二主切削区具有锥度角为β的锥度，钻头本体的外周上设有排屑直槽，排屑直槽从第一主切削区延伸至连续副切削区，位于第一主切削区的排屑直槽的朝着切削方向的槽边为第一主切削刃，第二主切削区的周侧设有多微刃结构，多微刃结构包括多个均匀排布的微刃，位于连续副切削区的排屑直槽的朝着切削方向的槽边为副切削刃。

进一步地，锥度角α为110°-120°，锥度角β为10°-30°。

进一步地，排屑直槽设有多条，多条排屑直槽沿钻头本体的周向均匀分布。

进一步地，排屑直槽设有两条。

进一步地，多个位于同一垂直于钻头本体轴线的平面的微刃至钻头本体轴线的距离相等。

进一步地，每个微刃上朝着切削方向的面为微刃的前刀面，每个微刃具有两个后刀面，第一后刀面与微刃的前刀面相交，第一后刀面与切削方向形成的夹角为第一后角，第二后刀面与微刃的第一后刀面相交，第二后刀面与切削方向形成的夹角为第二后角，微刃的第一后角为6°-12°，微刃的第二后角为25°-30°，微刃的前刀面和微刃的切削方向形成的微刃的前角为0°-5°。

进一步地，多个微刃沿从第二主切削区的前端延伸至后端的螺旋线分布，螺旋线的升角为30°-40°。

进一步地，多个微刃在螺旋线上等间距分布。

进一步地，沿钻头本体周向分布的微刃之间形成多个第一容屑槽，沿钻头本体轴向分布的微刃之间形成多个第二容屑槽，第二容屑槽与第一容屑槽相交。

根据本发明的第二方面，提供了一种基于渐次切削钻头的CFRP制孔方法，包括五个阶段：步骤S1，用渐次切削钻头的第一主切削区接触并挤压工件，在工件表面形成待加工孔的中心；步骤S2，使渐次切削钻头转动并进给，利用第一主切削刃去除工件的材料；步骤S3，用渐次切削钻头的第二主切削区上的多个微刃参与切削，进行渐次切削；步骤S4，用渐次切削钻头的副切削刃去除毛刺；步骤S5，渐次切削钻头后退离开被切削材料，制孔完成。

本发明具有如下优点：

由于第一主切削区的锥度角α与第二主切削区的锥度角β度数不同而形成双顶角结构，第一主切削区具有的锥度角α增大了钻头与CFRP的接触面积，第二主切削区具有的锥度角β减小了切削轴向力，因此，双顶角结构减小了切削刃承担的切削负荷；第二主切削区的周侧设有多微刃结构，可以渐进逐次进行切削，将厚度为d的材料用m个微刃同步渐次去除，在保证单位时间内材料去除量相同的前提下，每个微刃对应的切削厚度减小至d/m，有效控制了切削深度，提高了切削效率且有效分散切削热；设置有副切削刃，使加工孔壁具有较好的表面质量。因此本发明利用多个微刃同时切削，多个微刃与工件的接合和脱离渐次进行，提高了制孔效率，改善了加工孔壁的表面质量，增加了钻头的寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例1提供的一种渐次切削钻头的结构图；

图2为图1中的第二切削区的局部放大图；

图3为钻头本体的端面轴向视图；

图4为本发明实施例1提供的一种渐次切削钻头的微刃的结构图；

图5为本发明实施例1提供的一种渐次切削钻头的副切削刃的结构图；

图6为本发明实施例2提供的一种基于渐次切削钻头的CFRP制孔方法的流程图。

图中：11-第一主切削区；12-第二主切削区；13-连续副切削区；14-刀柄夹持区；1-第一主切削刃；3-微刃；4-副切削刃；5-排屑直槽；6-第一容屑槽；7-第二容屑槽；α-第一顶角；β-第二顶角。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

如图1至图5所示，实施例1提供了一种渐次切削钻头，包括钻头本体，从钻头本体的前端至后端依次设置有第一主切削区11、第二主切削区12、连续副切削区13和刀柄夹持区14，钻头本体的外周上设有排屑直槽5，排屑直槽5从第一主切削区11延伸至连续副切削区13，排屑直槽5可以有多条，优选的，钻头本体上设有两条排屑直槽5，两条排屑直槽5关于钻头本体轴线对称，使钻头具有较好的强度。位于连续副切削区13的排屑直槽5的朝着切削方向的槽边为副切削刃4，副切削刃4用来去除毛刺，使加工孔壁具有较好的表面质量。

在本实施例中，位于第一主切削区11的排屑直槽5的朝着切削方向的槽边为第一主切削刃1，第一主切削区11具有锥度角为α的锥度，优选的锥度角α为110°-120°，增大了钻头与CFRP的接触面积，使第一主切削刃1具有较高的刚度，钻入后的定心效果好，第二主切削区12具有锥度角为β的锥度，优选的锥度角β为10°-30°，减小了切削轴向力。由于第一主切削区11的锥度角α与第二主切削区12的锥度角β度数不同而形成双顶角结构，增加了切削时钻入的稳定性。

在本实施例中，第二主切削区12的周侧设有多微刃结构，优选的，多个微刃3沿从第二主切削区12的前端延伸至后端的螺旋线分布，螺旋线的升角为30°-40°，多个微刃3在螺旋线上等间距分布，减小切削刃承担的切削负荷，使CFRP不易发生分层损伤。

在本实施例中，多个位于同一垂直于钻头本体轴线的平面的微刃3至钻头本体轴线的距离相等。每个微刃3上朝着切削方向的面为微刃3的前刀面，每个微刃3具有两个后刀面，第一后刀面与微刃3的前刀面相交，第一后刀面与切削方向形成的夹角为第一后角，第二后刀面与微刃3的第一后刀面相交，第二后刀面与切削方向形成的夹角为第二后角，微刃3的第一后角为6°-12°，微刃3的第二后角为25°-30°，微刃3的前刀面和微刃3的切削方向形成的微刃3的前角为0°-5°。利用多个微刃3去除材料，切削深度在所有的微刃3之间均等分布，因此每个微刃3的切屑负荷将会降低，可以采用更大的进给速度或切削深度来提高材料的去除率，从而提高切削效率。

在本实施例中，由于第二主切削区12的周侧设有多微刃结构，故第二主切削区12周侧上的多个周向分布的微刃3之间形成多个第一容屑槽6，优选的，第一容屑槽6的截面为三角形，其所在锥面的一边的对角为60-80°，第一容屑槽6的槽间距为2.5-3.5mm，槽深为1-1.5mm，第二主切削区12周侧上的多个轴向分布的微刃3之间形成多个第二容屑槽7，优选的，第二容屑槽7的槽间距为1-2.5mm，槽深为1-1.5mm，第二容屑槽7与第一容屑槽6相交。多个微刃3在螺旋线上等间距分布，故第一容屑槽6的升角与微刃3所在螺旋线的升角相同，在30-40°之间，第一容屑槽6与第二容屑槽7的作用是容屑和排屑，CFRP由纤维和基体组成，微刃3将二者切断后形成离散的粉末状切屑，此类切屑与金属切削的切屑不同，可以分布在第一容屑槽6与第二容屑槽7内，制孔结束后被带出。

实施例2

如图6所示，实施例2提供了一种基于实施例1的渐次切削钻头的CFRP制孔方法，包括五个阶段：步骤S1，用渐次切削钻头的第一主切削区11接触并挤压工件，在工件表面形成待加工孔的中心；步骤S2，使渐次切削钻头转动并进给，利用第一主切削刃1去除工件的材料；步骤S3，用渐次切削钻头的第二主切削区12上的多个微刃3参与切削，进行渐次切削，将厚度为d的材料用m个微刃3同步渐次去除，在保证单位时间内材料去除量相同的前提下，每个微刃3对应的切削厚度减小至d/m，有效控制了切削深度，提高了切削效率且有效分散切削热；步骤S4，用渐次切削钻头的副切削刃4去除毛刺；步骤S5，渐次切削钻头后退离开被切削材料，制孔完成。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种渐次切削钻头，其特征在于，包括钻头本体，从所述钻头本体的前端至后端依次设置有第一主切削区(11)、第二主切削区(12)、连续副切削区(13)和刀柄夹持区(14)，所述第一主切削区(11)具有锥度角为α的锥度，所述第二主切削区(12)具有锥度角为β的锥度，所述钻头本体的外周上设有排屑直槽(5)，所述排屑直槽(5)从所述第一主切削区(11)延伸至所述连续副切削区(13)，位于所述第一主切削区(11)的所述排屑直槽(5)的朝着切削方向的槽边为第一主切削刃(1)，所述第二主切削区(12)的周侧设有多微刃结构，所述多微刃结构包括多个均匀排布的微刃(3)，位于所述连续副切削区(13)的所述排屑直槽(5)的朝着切削方向的槽边为副切削刃(4)。

2.根据权利要求1所述的渐次切削钻头，其特征在于，锥度角α为110°-120°，锥度角β为10°-30°。

3.根据权利要求1所述的渐次切削钻头，其特征在于，所述排屑直槽(5)设有多条，多条所述排屑直槽(5)沿所述钻头本体的周向均匀分布。

4.根据权利要求3所述的渐次切削钻头，其特征在于，所述排屑直槽(5)设有两条。

5.根据权利要求1所述的渐次切削钻头，其特征在于，多个位于同一垂直于所述钻头本体轴线的平面的所述微刃(3)至所述钻头本体轴线的距离相等。

6.根据权利要求1所述的渐次切削钻头，其特征在于，每个所述微刃(3)上朝着切削方向的面为所述微刃(3)的前刀面，每个所述微刃(3)具有两个后刀面，第一后刀面与所述微刃(3)的所述前刀面相交，所述第一后刀面与切削方向形成的夹角为第一后角，第二后刀面与所述微刃(3)的所述第一后刀面相交，所述第二后刀面与切削方向形成的夹角为第二后角，所述微刃(3)的所述第一后角为6°-12°，所述微刃(3)的所述第二后角为25°-30°，所述微刃(3)的所述前刀面和所述微刃(3)的切削方向形成的所述微刃的前角为0°-5°。

7.根据权利要求1所述的渐次切削钻头，其特征在于，多个所述微刃(3)沿从所述第二主切削区(12)的前端延伸至后端的螺旋线分布，所述螺旋线的升角为30°-40°。

8.根据权利要求7所述的渐次切削钻头，其特征在于，多个所述微刃(3)在所述螺旋线上等间距分布。

9.根据权利要求8所述的渐次切削钻头，其特征在于，沿所述钻头本体周向分布的所述微刃(3)之间形成多个第一容屑槽(6)，沿所述钻头本体轴向分布的所述微刃之间形成多个第二容屑槽(7)，所述第二容屑槽(7)与所述第一容屑槽(6)相交。

10.一种基于权利要求1至9任一项所述的渐次切削钻头的CFRP制孔方法，其特征在于，包括五个阶段：步骤S1，用所述渐次切削钻头的所述第一主切削区(11)接触并挤压工件，在工件表面形成待加工孔的中心；步骤S2，使所述渐次切削钻头转动并进给，利用所述第一主切削刃(1)去除工件的材料；步骤S3，用所述渐次切削钻头的所述第二主切削区(12)上的多个所述微刃(3)参与切削，进行渐次切削；步骤S4，用所述渐次切削钻头的所述副切削刃(4)去除毛刺；步骤S5，所述渐次切削钻头后退离开被切削材料，制孔完成。

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