CN113649632B - 一种碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀及其磨制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀及其磨制方法，铣刀包括依次连接的切削部和柄部，切削部包括依次连接的正向切削区和反向切削区；正向切削区由正向周刃与正向端刃组成；正向端刃由四个中心对称的刀齿组成；反向切削区由反向周刃与反向端刃组成；反向端刃由四个刀齿组成，刀齿分为两组：一组为材料去除刃，另一组为精加工刃；正反向周刃呈圆柱形，其圆柱面上沿螺旋线设置有可径向进给的圆周切削刃；本发明可用于碳纤维复合材料超声双向螺旋铣加工，能有效减少出入口处分层毛刺多的现象，获得高质量的加工孔，延长刀具寿命，节约成本，提高生产效率。

Description

一种碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀及其磨制方法
一、技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料超声辅助制孔加工领域，具体是设计一种碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀及其磨制方法。
二、背景技术
碳纤维复合材料在航空航天领域中有着大规模的应用，而碳纤维复合材料制孔时的加工精度也至关重要。碳纤维复合材料具有各向异性，组成复杂，导热性差，加工时容易出现毛刺分层等问题。现在加工复合材料的加工主要方式为钻削与螺旋铣，为了彻底解决加工时出口处支撑较弱，容易引发的分层问题又提出了双向螺旋铣的加工方法，并引入超声辅助加工提高表面质量。
但是，现阶段对适应碳纤维复合材料超声辅助加工与双向螺旋铣加工的阶梯型铣刀的设计研究还存在着空白，此外刀具在排屑、散热等方面的技术仍然有可改进的空间，并且铣刀侧刃作为影响孔表面质量的主要切削刃，其在双向加工时的磨损问题直接限制了刀具的使用寿命，这都制约着超声辅助螺旋铣加工的表现。因此，需要进一步改进刀具结构，提高被加工孔的质量。
三、发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀，包括依次连接的切削部与柄部。
优选的，所述柄部直径为6mm，长度为60mm～70mm。
所述切削部包括依次连接的正向切削区与反向切削区，正向切削区由正向端刃与正向周刃组成，正向端刃由四个刀齿组成，四个刀齿均匀分布，切削刃长度等于刀具半径，正向端刃旁设置有端齿容屑槽，正向周刃设置在切削部的圆周面上，从刀具正向端刃沿螺旋线由端刃向另一端延伸，正向周刃在刀具端部向下时为右旋左刃；
优选的，所述切削部直径为8mm，当端刃向下放置时，可观察到，周刃为右旋右刃，正向周刃由正向端刃向另一端延伸，延伸长度h1＝9mm，正向周刃的螺旋角θ1为30°～45°；
所述反向切削区由反向端刃与反向周刃组成，反向端刃由四个刀齿组成，其中对称的刀齿两两一组，其中一组刀齿为反向端刃材料去除刃，另一组刀齿为精加工刃；
优选的，两组反向端刃切削刃内部端点距离正向端刃端面的距离h0＝15mm，距离轴线线的距离r0＝2.5mm:
优选的，反向端刃材料去除刃最大有效切削宽度为1mm，反向端刃材料去除刃刀尖与轴线距离r1＝3.5mm，两切削刃夹角为α＝90°～120°；
优选的，反向端刃精加工刃最大有效切削宽度为1mm，反向端刃精加工刃刀尖点位于圆周面上，刀尖点距离轴线距离r2＝4mm，反向端刃精加工刃与母线夹角β＝70°；
所述刀具反向端刃精加工刃刀尖的轴向高度位于反向端刃材料去除刃外部刃的两端点轴向高度之间，具体数值受切削刃位置的影响；
所述反向周刃由反向端刃向正向切削区延伸，反向周刃在刀具端部向下时为右旋右刃；
优选的，所述正向周刃的螺旋角θ1为30°～45°，长度h3＝9mm，与正向周刃交错排布；
所述反向端刃的材料去除刃后刀面交界处设有一组后刀面，在螺旋槽处设置有一组前刀面，前刀面与后刀面交界处形成一段短刃线；
优选的，所述前刀面前角θ2＝20°；
所述反向端刃的精加工刃的螺旋槽处设置有一组前刀面；
优选的，所述前刀面前角θ3＝20°；
优选的，所述端刃后角为8°～30°，所述周刃前角为0°～15°，后角为8°～30°。
一种碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀的磨制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：刀具切削部朝下，磨制过程中采用分段式对切削刃进行磨制，首先使用90°平砂轮对反向切削刃上方柄部进行磨制，使得柄部直径为6mm。
步骤二：使用砂轮由下至上，对刀具切削部正向切削区进行磨制，切削长度为9mm。
步骤三：使用砂轮磨制刀具端部，加工出正向端刃与端齿容屑槽。
步骤四：使用砂轮由下至上，对刀具切削部反向切削区进行磨制，切削长度为9mm。
步骤五：使用45°砂轮由上至下，沿直线的运行轨迹，对刀具反向端刃的材料去除刃进行磨制。
步骤六：使用45°砂轮由上至下，沿直线运行轨迹，对刀具反向端刃的精加工刃进行磨制。
步骤七：使用砂轮完成其他前后刀面的磨制。
本发明的增益效果是：本发明的碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀及其磨制方法，满足正反向螺旋铣双向工艺对刀具的结构要求，实现正反向螺旋铣。正反向螺旋铣是指在制孔过程种，先以大偏心距用正向切削区域制孔，再以小偏心距加工出通孔，再用反向切削区以大偏心距反向制孔的一种加工工艺。正向切削区选择右旋左刃，反向切削刃选择右旋右刃，这样的结构可确保切削过程中端刃始终以正前角切入刀具，切削刃更锋利。反向端刃的材料去除刃可以分解为周刃微刃与端刃微刃的结合，承担了大量的切削任务，减小了刀具的周刃的磨损量延长了刀具的使用寿命。反向端刃的精加工刃的刀尖高度的合理选用可以使得加工的过程中，这一组与孔壁直接接触的刀齿的总切削量减小，磨损减慢，每齿切削量减小，延长刀具使用寿命，提高加工表面质量。在超声振动辅助螺旋铣过程中，超声振动信号的输入会改变刀具的切削运动方向，反向端刃材料去除刃的最高处的切削刃与反向端刃精加工刃的最高点的切削刃可以很好地适应超声辅助振动，对纤维进行反复剪切，提高工件表面质量。反向刃附加的螺旋槽与后刀面能起到钝化切削刀尖的作用，减少磨损对刀具切削性能的影响。综上所述，该碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀能够较好地适应碳纤维复合材料的超声振动辅助双向螺旋铣工艺，解决了刀具磨损快，出入口处表面质量低，生产效率低的问题。
四、附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀结构主视图；
图2为碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀结构左视图；
图3为碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀结构正向端刃示意图；
图4为附图2的A-A向断面图；
附图标记如下：
柄部1、反向端刃材料去除刃2、反向周刃3、正向周刃4、切削部5、端齿容屑槽6、正向端刃7，反向端刃精加工刃8。
五、具体实施方式
本发明实施公开了一种碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀，已适应超声辅助双向螺旋铣工艺，提高孔壁质量，减少出入口分层现象，延长刀具使用寿命。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
为方便描述，本发明中切削部一段为下端，柄部一端为上端，本发明中的“上”、“下”等表述方位的词柄部构成对本发明的限定。
实施案例一：如图1～4所示，本发明提供一种碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀，在超声辅助振动条件下进行螺旋铣加工，该铣刀由柄部(1)和切削部(5)组成；柄部直径为6mm，长度为60mm～70mm，切削部直径为8mm，长度为20mm，总长度为80mm～90mm；切削部由正向切削区与反向切削区组成；正向切削区由正向周刃(4)、正向端刃(7)与端齿容屑槽(6)组成；反向切削区由反向周刃(3)、反向端刃材料去除刃(2)、反向端刃精加工刃(8)组成；反向周刃与正向周刃交错排列，端刃向下放置时，正向周刃(4)为右旋左刃，反向周刃(3)为右旋右刃；正向端刃由四个刀齿组成，中心对称排列，正向周刃沿螺旋线向另一端延伸，延伸长度h1＝9mm；反向端刃由四个刀齿组成，刀齿分为两组，一组为反向端刃材料去除刃(2)，一组为反向端刃精加工刃(8)，两组刃的反向端刃起点处与刀具端刃的轴线距离h2＝15mm，与刀具轴线的距离r0＝2.5mm；第一组反向端刃材料去除刃的折线刀尖点与轴线的距离r1＝3.5mm，两材料去除刃的夹角α为90°～120°，材料去除刃由内部起点向刀具的圆周面延伸；第二组刀齿为反向端刃精加工刃，切削刃由内部起点向外部延伸，切削刃与母线夹角β＝70°，反向端刃精加工刃的刀尖位于圆周面上，所以r2＝4mm；最大有效切削宽度为1mm；反向周刃由反向端刃与周面的夹角向另一端延伸，延伸长度为h3＝9mm；正向周刃(4)与反向周刃(3)的螺旋角θ1为30°～45°，前角为0°～15°，后角为8°～30°；所述正向端刃(7)与反向端刃后角为8°～30°。正向切削两步均由正向切削区完成，反向切削由反向切削区完成。在超声辅助振动条件下进行螺旋铣加工，反向端刃材料去除刃(2)、反向端刃精加工刃(8)对纤维起到反复切割的作用，改善纤维的破坏方式。
实施案例二：所述刀具反向切削刃的两组反向端刃，反向端刃材料去除刃(2)与反向端刃精加工刃(8)，刀尖点的轴向高度差受到反向端刃材料去除刃(2)夹角α的影响，数值为cot(α/2)-1.5cotβ(mm)，刀尖点的径向长度差为0.5mm。在切削过程中，反向端刃材料去除刃2的轴向高度高于反向端刃精加工刃(8)，在切削过程中，反向端刃材料去除刃(2)先与工件接触，反向端刃可视为微元周刃与微元端刃的结合，极大减少了原本周刃的切削量，所以这一组刀齿承担主要的切削任务，反向端刃精加工刃(8)直接影响到孔壁表面质量，只参与少量的切削任务，切削量低，刀具磨损转移到反向端刃材料去除刃(2)上，整体延长了刀具的使用寿命。
实施案例三：所述刀具的反向端刃材料去除刃(2)后刀面交界处设有一组后刀面，螺旋槽处设有一组前刀面，前刀面的前角θ2＝20°，前刀面与后刀面相交形成了一条新的刃线。所述刀具的反向端刃精加工刃(8)螺旋槽处设置有一组前刀面，前刀面的θ3＝20°。反向端刃材料去除刃(2)、反向端刃精加工刃(8)刀尖过于尖锐，为了避免刀尖点磨损过快，选择引入额外的前后刀面进行钝化，进而延长使用寿命，减少磨损。
实施案例四：磨制过程中首先使用砂轮对柄部进行磨削，使得柄部的直径为6mm，为反向切削预留出加工空间。第二步，使用砂轮由下至上，对刀具切削部正向切削区进行磨制形成正向周刃(4)，切削长度为9mm，并使用砂轮磨制刀具端部，加工出正向端刃(7)与端齿容屑槽(6)。第三步，使用砂轮由下至上，对刀具切削部反向切削区进行磨制，切削长度为9mm，加工出反向周刃(3)。因为反向端刃有两种结构，分别为反向端刃材料去除刃(2)与反向端刃精加工刃(8)，所以要分两组磨制。第四步，通过45°砂轮由上至下、由前刀面向后刀面可磨制反向端刃材料去除刃(2)，形成内凹的凹槽与外切削刃。第五步，通过45°砂轮由上至下、由前刀面向后刀面可磨制反向端刃精加工刃(8)。最后，通过砂轮磨制其余前刀面与后刀面。

Claims (1)

1.一种碳纤维复合材料超声双向螺旋铣刀，在超声辅助振动条件下进行螺旋加工，其特征在于：
该铣刀由柄部(1)和切削部(5)组成；柄部直径为6mm，长度为60mm～70mm，切削部直径为8mm，长度为20mm，总长度为80mm～90mm；切削部由正向切削区与反向切削区组成；正向切削区由正向周刃(4)、正向端刃(7)与端齿容屑槽(6)组成；反向切削区由反向周刃(3)、反向端刃材料去除刃(2)、反向端刃精加工刃(8)组成；反向周刃与正向周刃交错排列，端刃向下放置时，正向周刃(4)为右旋左刃，反向周刃(3)为右旋右刃；正向端刃由四个刀齿组成，中心对称排列，正向周刃沿螺旋线向另一端延伸，延伸长度h1＝9mm；反向端刃由四个刀齿组成，刀齿分为两组，一组为反向端刃材料去除刃(2)，一组为反向端刃精加工刃(8)，两组刃的反向端刃起点处与刀具端刃的轴线距离h2＝15mm，与刀具轴线的距离r0＝2.5mm；第一组反向端刃材料去除刃的折线刀尖点与轴线的距离r1＝3.5mm，两折线刀尖点之间的夹角α为90°～120°，材料去除刃由内部起点向刀具的圆周面延伸；第二组刀齿为反向端刃精加工刃，切削刃由内部起点向外部延伸，切削刃与母线夹角β＝70°，反向端刃精加工刃的刀尖位于圆周面上，所以r2＝4mm；最大有效切削宽度为1mm；反向周刃由反向端刃与周面的夹角向另一端延伸，延伸长度为h3＝9mm；正向周刃(4)与反向周刃(3)的螺旋角θ1为30°～45°，前角为0°～15°，后角为8°～30°；所述正向端刃(7)与反向端刃后角为8°～30°。
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