CN114535665A - 一种用于弱刚性构件的制孔刀具及制孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于弱刚性构件的制孔刀具及制孔方法，一种用于弱刚性构件的制孔刀具，包括刀体、粗加工刃、精加工刃和绕着刀体一周的环形过渡槽，刀体从刀体切削端到刀体安装端方向上，依次设置有粗加工刃、环形过渡槽和精加工刃，粗加工刃的直径小于精加工刃的直径，环形过渡槽的宽度大于构件的厚度。弱刚性构件的制孔方法，加工步骤为：对构件进行钻初孔；采用制孔刀具对构件制终孔。本发明通过制孔刀具及制孔方法，解决了传统的加工刀具和加工方法导致的制孔过程中的变形量大，制孔精度低技术问题。本发明减少了制孔过程中的变形量，从而改善了孔位偏差、孔径偏差及圆度偏差，提高了制孔精度。

Description

一种用于弱刚性构件的制孔刀具及制孔方法

技术领域

本申请涉及镗削领域，尤其涉及一种用于弱刚性构件的制孔刀具及制孔方法。

背景技术

随着材料制备技术、装备技术的发展，弱刚性构件叠层材料在航空领域应用越来越广泛，同时加工要求越来越高，加工难度越来越大。如缘条高度50mm~100mm，壁厚1.5mm~3mm的弱刚性叠层构件孔位精度Ø0.05mm，孔径精度0.03mm-0.05mm的高精度孔。

针对弱刚性构件叠层材料高精度孔加工，目前，传统的加工方法是直接使用钻头进行终孔钻孔。传统的加工刀具和加工方法会导致孔变为椭圆孔，最终孔位、圆度、孔径均有偏差，使得最终制孔精度低，无法满足使用要求。

上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种用于弱刚性构件的制孔刀具及制孔方法，旨在解决制孔精度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种用于弱刚性构件的制孔刀具，包括刀体，所述刀体包括刀体切削端和刀体安装端，还包括粗加工刃、精加工刃和绕着刀体一周的环形过渡槽；

所述粗加工刃、所述环形过渡槽和所述精加工刃均设置在所述刀体上，且所述粗加工刃、所述环形过渡槽和所述精加工刃沿所述刀体切削端到所述刀体安装端的方向上依次设置；

所述粗加工刃的直径小于所述精加工刃的直径；

所述环形过渡槽的宽度大于待加工构件的厚度。

可选地，所述刀体上至少设置有一条排屑槽。

可选地，所述排屑槽从所述刀体切削端的端面延伸至所述精加工刃的上端或所述精加工刃的上端以上。

可选地，所述粗加工刃和所述精加工刃位于同一平面。

可选地，所述排屑槽为L型结构，所述排屑槽包括排屑槽底面和排屑槽侧面，所述排屑槽底面的一端与所述排屑槽侧面连接形式所述L型结构，所述排屑槽底面的另一端延伸形成所述粗加工刃和所述精加工刃。

可选地，所述排屑槽侧面为弧形结构。

可选地，所述排屑槽底面与所述刀体的轴线之间的夹角为α，α为5°~10°。

可选地，所述刀体还包括刀杆，所述刀杆位于所述精加工刃与所述刀体安装端之间，所述刀杆的直径小于所述粗加工刃的直径，所述排屑槽延伸至所述刀杆处。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种弱刚性构件的制孔方法，所述方法包括：

对待加工构件钻初孔，获得包括初孔的初加工构件；

采用制孔刀具对所述初加工构件制终孔，获得带孔构件。

可选地，所述采用制孔刀具对所述初加工构件制终孔，获得带孔构件的步骤，包括：

控制所述制孔刀具的所述刀体切削端向所述初加工构件的所述初孔钻进，以利用所述粗加工刃对所述初孔进行初次纠偏；

控制所述制孔刀具向所述初孔继续钻进，使得初次纠偏后的所述初孔运动到所述环形过渡槽内，且初次纠偏后的所述初加工构件在所述环形过渡槽内发生变形回弹；

控制所述制孔刀具向所述初孔继续钻进，以利用所述精加工刃对初孔进行二次纠偏，制成终孔，获得带孔构件。

有益效果：

本发明的实施例提供的一种用于弱刚性构件的制孔刀具，通过在刀体上设置粗加工刃、精加工刃和环形过渡槽，由于制孔由粗加工刃和精加工刃两个刀刃制成，使得切削余量由两个刀刃切削，单个刀刃的切削余量减小，使得制孔切削力减小，从而减少了制孔过程中的变形量；又由于在经过粗加工刃加工后，弱刚性结构此时位于粗加工刃与精加工刃之间，即弱刚性结构位于环形过渡槽内，在该阶段，刀具与弱刚性构件无接触，弱刚性构件在弹性势能的作用下，会自然变形回弹，回弹后，再由精加工刃制得终孔，终孔成形后因变形回弹造成的孔位偏差很小，从而改善了孔位偏差、孔径偏差及圆度偏差，提高了制孔精度。

本申请实施例提出的一种用于弱刚性构件的制孔刀具及制孔方法，通过制孔刀具及制孔方法，解决了传统的加工刀具和加工方法导致的制孔过程中的变形量大，孔位偏差大、孔径偏差大及圆度偏差大的技术问题。本发明实现了，降低加工终孔时的切削力，减少制孔过程中的变形量，从而改善了孔位偏差、孔径偏差及圆度偏差，提高了制孔精度。

附图说明

图1为本发明制孔刀具的立体结构示意图；

图2为本发明制孔刀具的平面结构示意图；

图3为本发明制孔刀具的排屑槽底面与轴线夹角α的结构示意图；

图4为本发明制孔方法中初加工构件的结构示意图；

图5为本发明制孔方法中带孔构件的结构示意图；

图6为图5中A处的局部放大图；

附图标记：1-刀体；101-刀体切削端；102-刀体安装端；2-精加工刃；3-排屑槽；301-排屑槽底面；302-排屑槽侧面；4-环形过渡槽；5-粗加工刃；6-初孔；7-终孔；8-初加工构件；9-刀杆；10-带孔构件；L-刀体轴线；S-环形过渡槽宽度；α-排屑槽底面与刀体轴线之间的夹角；D1-粗加工刃的直径；D2-精加工刃的直径；D3-刀杆的直径；

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1、图2和图3，图2和图3中的左端即为刀体切削端101，右端为刀体安装端102，本申请一种用于弱刚性构件的制孔刀具及制孔方法第一实施例提供一种用于弱刚性构件的制孔刀具，包括刀体1，所述刀体1包括刀体切削端101和刀体安装端102，还包括粗加工刃5、精加工刃2和绕着刀体1一周的环形过渡槽4；

所述粗加工刃5、环形过渡槽4和精加工刃2均设置在刀体1上，且粗加工刃5、环形过渡槽4和精加工刃2从刀体切削端101到刀体安装端102的方向上依次设置；

所述粗加工刃5的直径小于所述精加工刃2的直径；

所述环形过渡槽4的宽度大于待加工构件的厚度。

目前，针对弱刚性构件的制孔，即上述的待加工构件的制孔，传统的加工方法是直接使用钻头进行终孔钻孔。因为大悬伸薄壁叠层构件具有显著的弱刚性结构，制孔过程中刀具轴向力导致缘条变形，实际制孔位置与理论位置存在一定偏差，孔加工完成后孔位超差。同时，钻穿构件后，构件受到的轴向力会急剧变小，缘条会出现回弹，导致孔变为椭圆孔，最终孔位、圆度、孔径均无法满足要求。具体来说，针对弱刚性构件的制孔，传统的加工方法直接使用钻头进行终孔钻孔，在钻孔过程中，构件会在钻头轴向力的作用下，向下位移，从而导致最终孔位、孔径均无法满足要求，并且使用一个钻头进行终孔钻孔，使得钻头钻孔的加工余量较多，所需的切削力就较大，从而制孔过程中的变形量就较大，同时，钻穿材料后，构件受到的轴向力会急剧变小，构件会出现回弹，导致孔变为椭圆孔，最终、圆度无法满足要求。

本发明的一种用于弱刚性构件的制孔刀具，通过在刀体1上设置粗加工刃5、精加工刃2和环形过渡槽4，将构件制孔过程分为三个步骤，首先粗加工刃5去除大余量，即去除大部分的切削余量，为初次纠偏阶段；在该阶段由粗加工刃5加工去除构件初孔大余量，并首次纠正初孔的孔位偏差，但因切削轴向力作用会产生局部变形。然后，构件在粗加工刃5与精加工刃2之间的变形回弹阶段，即构件位于环形过渡槽4内，在该阶段，刀具与构件无接触，构件在弹性势能的作用下，会自然变形回弹。因为刀具对构件进行钻孔时，构件会在钻头轴向力的作用下，向下位移，本发明在粗加工刃5钻孔完成后，构件会处于环形过渡槽4内，此时构件会自然变形回弹，即向上位移，回弹到初始位置，便于后续精加工刃2的钻孔，从而进一步减小精加工刃2钻孔后的孔位偏差、孔径偏差及圆度偏差；最后，精加工刃2终孔成形、为二次纠偏阶段；在该阶段保证：1终孔孔径尺寸：由精加工刃2尺寸保证终孔孔径；2终孔孔位偏差：精加工刃2对变形回弹造成的孔位偏心进行二次纠偏，且单边切削余量小，制孔切削力很小，终孔成形后因变形回弹造成的孔位偏差很小。由于制孔过程由两个刀刃制成，使得切削余量由两个刀刃切削，单个刀刃的切削余量减小，使得制孔切削力减小，从而减少了制孔过程中的变形量，又由于在经过粗加工刃5加工后，构件此时位于粗加工刃5与精加工刃2之间，即环形过渡槽4内，在该阶段，刀体1与构件无接触，构件在弹性势能的作用下，会自然变形回弹，回弹后，再由精加工刃2制得终孔，终孔成形后因变形回弹造成的孔位偏差很小，从而改善了孔位偏差、孔径偏差及圆度偏差，提高了制孔精度。

为了使得刀具在钻孔时能够及时的排出切削时产出的切屑，保证钻孔过程的流畅性，还可在刀具上设置排屑槽3，排屑槽3可设置在刀刃、刀体等结构上，具体的，本实施例中，所述刀体1上至少设置有一条排屑槽3。本实施例在刀体1上设置一条排屑槽3，刀体1上的排屑槽3的个数可以为1个或者多个，其结构可参考现有镗刀、钻头等一系列的排屑槽3结构，本实施例综合参考刀刃的个数和位置从而设置排屑槽3的个数。

刀具排屑槽3的结构可参考现有的镗刀、铣刀、钻头等一系列的排屑槽3结构，比如设置直槽，螺旋槽、圆弧槽等等，具体的，在本实施例中，如图1所示，所述排屑槽3从刀体切削端101的端面延伸至精加工刃2的上端或精加工刃2的上端以上。本实施例中的排屑槽3从刀体切削端101的端面贯穿连通了粗加工刃5、精加工刃2，最后贯穿出精加工刃2的上端或上端以上，精加工刃2上端即为精加工刃2靠近刀体安装端102的一端；通过设置排屑槽3从刀体切削端101的端面贯穿连通粗加工刃5、精加工刃2，使得粗加工刃5、精加工刃2加工时所产生的切削能够及时的从刀体1上排出，保证粗加工刃5和精加工刃2钻孔的流畅性，同时将粗加工刃5和精加工刃2所产生的切削设置在一条排屑槽3内，进一步的增加了钻孔和排屑的稳定性，防止切削阻碍钻孔。

粗加工刃5和精加工刃2可以错位设置或者位于同一平面内，本实施例中，为了增强钻孔和排屑的稳定性和流畅性，所述粗加工刃5和所述精加工刃2位于同一平面。

排屑槽3的结构可参考现有的镗刀、铣刀、钻头等钻孔部件，比如U形槽，弧形槽，直槽，矩形槽、螺旋槽等等，本实施例中，为了保证粗加工刃5和精加工刃2位于同一平面，保证粗加工刃5和精加工刃2所产生的切削位于一个排屑槽3内，保证切削能够稳定的排出排屑槽3外，所述排屑槽3为L型结构，排屑槽3包括排屑槽底面301和排屑槽侧面302，排屑槽底面301的一端与排屑槽侧面302连接形式所述L型结构，排屑槽底面301的另一端延伸形成所述粗加工刃5和所述精加工刃2。排屑槽3从刀体切削端101的端面开口，贯穿连通粗加工刃5、精加工刃2，通过将粗加工刃5和精加工刃2设置在排屑槽底面301的一端，使得粗加工刃5和精加工刃2位于同一平面，同时也保证了粗加工刃5和精加工刃2所产生的切削能够顺利的进入到排屑槽3内，保证排屑能够正常进行。

排屑槽侧面302可以为竖直平面，曲面、弧形面等等，本实施例中，为了减少切削通过排屑槽侧面302的摩擦阻力，所述排屑槽侧面302为弧形结构。由于刀具钻孔的特性，切削将会旋转的排出排屑槽3外，本实施例通过将屑槽侧面302设置为弧形结构，使得切削通过排屑槽侧面302的摩擦阻力减小，加快了切削的排出，保证了钻孔的流畅性。

如图3所示，排屑槽底面301与所述刀体1的轴线可以平行，即夹角为零，也可以形成夹角，本实施例为了减少切削通过排屑槽底面301时所受的阻力，加快切削的排出，保证钻孔的流畅性，所述排屑槽底面301与所述刀体1的轴线之间的夹角为α，α为5°~10°。

如图1所示，所述刀体1还包括刀杆9，所述刀杆9位于所述精加工刃2与所述刀体安装端102之间，所述刀杆9的直径小于粗加工刃5的直径，所述排屑槽3延伸至刀杆9处。通过设置刀杆9的直径小于粗加工刃5的直径，使得刀体1在向下运动时，刀杆9不会接触到构件，保证加工过程的正常进行，防止刀杆9对加工孔进行破坏；通过将排屑槽3延伸至刀杆9处，保证切削能够正常排出，保证钻孔的流畅性，增加刀具的稳定性。

一种弱刚性构件的制孔方法，方法包括：

对待加工构件钻初孔6，获得包括初孔6的初加工构件8；

采用制孔刀具对所述初加工构件制终孔7，获得带孔构件10。

如图4、图5和图6所示，图4即为对构件进行钻初孔6所获得的初加工构件8的结构示意图；图5即为对初加工构件8制终孔7所获得的带孔构件10的结构示意图；本发明的弱刚性构件的制孔方法，首先对构件进行钻初孔6；钻初孔6的刀具可以为任何工具，比如普通的镗刀、麻花钻等等，目的是先钻一个初孔，便于后续采用本发明的制孔刀具对初孔进行初次纠偏和二次纠偏，获得如图4所示的初加工构件8；然后，采用制孔刀具对初加工构件8的初孔6进行制终孔7，本发明制孔刀具由于有粗加工刃、环形过渡槽和精加工刃，因此通过制孔刀具制得的终孔7减少了制孔过程中的变形量，改善孔位偏差、孔径偏差及圆度偏差的技术问题，提高了制孔精度。

制孔刀具对所述初加工构件制终孔7，获得带孔构件10的步骤，包括：

控制所述制孔刀具的所述刀体切削端101向所述初加工构件8的所述初孔6钻进，以利用所述粗加工刃5对所述初孔6进行初次纠偏；

控制所述制孔刀具向所述初孔6继续钻进，使得初次纠偏后的所述初孔6运动到所述环形过渡槽4内，且初次纠偏后的所述初加工构件8在所述环形过渡槽4内发生变形回弹；

控制所述制孔刀具向所述初孔6继续钻进，以利用所述精加工刃2对初孔6进行二次纠偏，制成终孔7，获得带孔构件10。

其制终孔7过程包含：粗加工刃5去除大部分切削余量、为初次纠偏阶段；在该阶段由粗加工刃5加工去除初加工构件8大余量，并纠正初孔的孔位偏差，但因轴向力作用会产生局部变形；然后，初加工构件8在粗加工刃5与精加工刃2之间的变形回弹阶段；在该阶段，制孔刀具与初加工构件8无接触，初加工构件8在弹性势能的作用下，会变形回弹。最后，利用所述精加工刃2对初孔6进行二次纠偏，制成终孔7，获得带孔构件10；精加工刃2终孔成形、二次纠偏阶段。在该阶段保证一、终孔孔径尺寸：由精加工刃2尺寸保证终孔孔径；二、终孔孔位偏差：精加工刃2对变形回弹造成的孔位偏心进行二次纠偏，单边切削余量小，制孔时的切削力较小，终孔成形后因变形回弹造成的孔位偏差较小。

为了更好的说明弱刚性构件的制孔方法，以下带入具体数据对该方法进行具体的实施例说明：

针对某梁试验件，该弱刚性结构最大悬伸尺寸为90mm，厚度为δ3mm，在整个梁实验件弱刚性区域需制出90个孔，孔径为Ø6.36mm,孔径公差为0mm~0.03mm，制孔孔位公差为Ø0.05mm。

S1：使用普通硬质合金麻花钻制Ø6.0mm初孔；

S2：使用本发明的制孔刀具制终孔：

在S2中，本发明的制孔刀具的加工参数确定：

制终孔的三个阶段：

第一阶段：粗加工刃5去除大余量、初次纠偏阶段；

粗加工刃单边余量Δ=0.13mm，根据计算公式、测力仪、仿真软件、工作经验等现有技术中常见的方式可得出机床加工所需的参数：

第二阶段：弱刚性结构在粗加工刃5与精加工刃2之间的变形回弹阶段；

第三阶段：精加工刃2终孔成形、二次纠偏阶段；

精加工刃切削单边余量Δ=0.05mm，同理，由第一阶段所述的操作流程确定精加工刃的加工参数。

制终孔：

根据计算公式、测力仪、仿真软件、工作经验等现有技术中常见的方式可得出机床加工所需的参数，具体的在本实施例中，使用本发明刀具以加工参数n=1000r/min，F=80mm/min制终Ø6.36mm孔。

通过实验得出测量结果：

使用Ø6.0mm普通硬质合金麻花钻制初孔，通过对初孔进行测量，初孔孔位均大于Ø0.05mm，平均偏差为Ø0.218mm，梁实验件悬伸越长区域，孔位偏差越大。

使用本发明的制孔刀具进行制终孔后，对终孔进行测量，终孔孔位偏差均小于Ø0.05mm，平均孔位偏差为Ø0.0361mm；孔径均在Ø6.36mm（+0.03/0）mm范围内，平均孔径为6.373mm。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于弱刚性构件的制孔刀具，包括刀体（1），所述刀体（1）包括刀体切削端（101）和刀体安装端（102），其特征在于，还包括粗加工刃（5）、精加工刃（2）和绕着刀体（1）一周的环形过渡槽（4）；

所述粗加工刃（5）、所述环形过渡槽（4）和所述精加工刃（2）均设置在所述刀体（1）上，且所述粗加工刃（5）、所述环形过渡槽（4）和所述精加工刃（2）沿所述刀体切削端（101）到所述刀体安装端（102）的方向上依次设置；

所述粗加工刃（5）的直径小于所述精加工刃（2）的直径；

所述环形过渡槽（4）的宽度大于待加工构件的厚度。

2.如权利要求1所述的一种用于弱刚性构件的制孔刀具，其特征在于，所述刀体（1）上至少设置有一条排屑槽（3）。

3.如权利要求2所述的一种用于弱刚性构件的制孔刀具，其特征在于，所述排屑槽（3）从所述刀体切削端（101）的端面延伸至所述精加工刃（2）的上端或所述精加工刃（2）的上端以上。

4.如权利要求1、2或3所述的一种用于弱刚性构件的制孔刀具，其特征在于，所述粗加工刃（5）和所述精加工刃（2）位于同一平面。

5.如权利要求2所述的一种用于弱刚性构件的制孔刀具，其特征在于，所述排屑槽（3）为L型结构，所述排屑槽（3）包括排屑槽底面（301）和排屑槽侧面（302），所述排屑槽底面（301）的一端与所述排屑槽侧面（302）连接形式所述L型结构，所述排屑槽底面（301）的另一端延伸形成所述粗加工刃（5）和所述精加工刃（2）。

6.如权利要求5所述的一种用于弱刚性构件的制孔刀具，其特征在于，所述排屑槽侧面（302）为弧形结构。

7.如权利要求5所述的一种用于弱刚性构件的制孔刀具，其特征在于，所述排屑槽底面（301）与所述刀体（1）的轴线之间的夹角为α，α为5°~10°。

8.如权利要求2所述的一种用于弱刚性构件的制孔刀具，其特征在于，所述刀体（1）还包括刀杆（9），所述刀杆（9）位于所述精加工刃（2）与所述刀体安装端（102）之间，所述刀杆（9）的直径小于所述粗加工刃（5）的直径，所述排屑槽（3）延伸至所述刀杆（9）处。

9.一种弱刚性构件的制孔方法，其特征在于，所述方法包括：

对待加工构件钻初孔（6），获得包括初孔（6）的初加工构件（8）；

采用如权利要求1至8中任意一项所述的制孔刀具对所述初加工构件制终孔（7），获得带孔构件（10）。

10.如权利要求9所述的一种弱刚性构件的制孔方法，其特征在于，所述采用如权利要求1至8中任意一项所述的制孔刀具对所述初加工构件制终孔（7），获得带孔构件（10）的步骤，包括：

控制所述制孔刀具的所述刀体切削端（101）向所述初加工构件（8）的所述初孔（6）钻进，以利用所述粗加工刃（5）对所述初孔（6）进行初次纠偏；

控制所述制孔刀具向所述初孔（6）继续钻进，使得初次纠偏后的所述初孔（6）运动到所述环形过渡槽（4）内，且初次纠偏后的所述初加工构件（8）在所述环形过渡槽（4）内发生变形回弹；

控制所述制孔刀具向所述初孔（6）继续钻进，以利用所述精加工刃（2）对初孔（6）进行二次纠偏，制成终孔（7），获得带孔构件（10）。

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