CN114918467A - 一种用于叠层材料制孔的专用刀具及螺旋铣削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于叠层材料制孔的专用刀具及螺旋铣削方法，包括工作端和刀柄，工作端沿周向均匀设有若干刀齿，每个刀齿由前端至刀柄处均依次为钻孔部、扩孔部、第一铣削部、锪窝部和第二铣削部，其中，第一铣削部和第二铣削部上均设有多个菱形铣刀，第一铣削部和第二铣削部上均设有多个菱形铣刀，且涂有类金刚石涂层，其他部分涂有HELICA涂层，极大延长了刀具使用寿命，且在相邻两个刀齿之间设有容屑槽，相邻两个菱形铣刀之间均设有排屑槽，工作端内位于第一铣削部和第二铣削部处均设有排屑孔，不仅解决了分层和毛刺的问题，还减少了碎屑对孔内壁的伤害以及降低了加工温度。

Description

一种用于叠层材料制孔的专用刀具及螺旋铣削方法
技术领域
本发明涉及叠层材料加工技术领域，具体为一种用于叠层材料制孔的专用刀具及螺旋铣削方法。
背景技术
叠层材料作为现代航空航天领域的主要材料之一的新材料，然而由于叠层构件各层材料物理、化学及机械加工性能的差异性，若要在同一道工序中高质、高效加工所需连接孔，制孔质量难以保证。为了满足其轻量化和结构性能的要求，通常使用轻质合金与碳纤维复合材料的混合叠层。铝及其合金由于轻质、易加工、比强度高、耐腐蚀等特点，在一些高性能复杂结构中，碳纤维增强复合材料需要与铝合金叠放在一起形成叠层结构，利用螺栓或铆钉装配在一起。
在对CFRP(碳纤维增强复合材料)/铝合金叠层进行扩孔加工时，由于铝的延展性较好，切屑不易分离，大量切屑堆积在切削区域使刀具切削性能下降。另外，在切屑排出过程中，大尺寸的铝屑在孔内不断摆动，带动复合材料孔口处碳纤维向上弯曲，严重时会造成加工孔口劈裂、材料烧伤、分层、毛刺等缺陷。传统加工方法常采用钻、扩、铰加工，通过多道工序达到要求加工精度，加工效率低，且存在切削力大，刀具磨损严重、寿命短，制孔质量差等缺点，因此急需一种用于叠层材料制孔的专用刀具及螺旋铣削方法来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种能提高加工效率，延长使用寿命，且加工精度高的用于叠层材料制孔的专用刀具及螺旋铣削方法，来解决上述现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于叠层材料制孔的专用刀具，包括工作端和刀柄，所述工作端沿周向均匀设有若干刀齿，相邻两个刀齿之间设有容屑槽，每个刀齿由前端至刀柄处均依次为钻孔部、扩孔部、第一铣削部、锪窝部和第二铣削部，其中，所述第一铣削部和第二铣削部上均设有多个菱形铣刀，且相邻两个菱形铣刀之间均设有排屑槽，所述工作端内位于第一铣削部和第二铣削部处均设有排屑孔。
优选的，所述刀齿和容屑槽均为4组，且均匀的沿周向分布在工作端上，其中，排屑槽分为45°和135°两个方向。
优选的，所述钻孔部的峰角为110°，扩孔部2的刃倾角为15°，锪窝部的刃倾角为40°，刀齿的前角为13°，第一铣削部和第二铣削部的磨削角为60°。
优选的，所述钻孔部设有钻孔第一后角和钻孔第二后角，扩孔部设有扩孔第一后角和扩孔第二后角，锪窝部设有锪窝第一后角和锪窝第二后角，其中，钻孔第一后角为16°，钻孔第二后角为48°，扩孔第一后角为20°，扩孔第二后角为40°，锪窝第一后角为16°，锪窝第二后角为32°。
优选的，多个菱形铣刀紧密的排布在第一铣削部和第二铣削部上，且每个所述菱形铣刀均包括四个切削刃。
优选的，所述钻孔部的前刀面和后刀面上和扩孔部的前刀面和后刀面上，以及锪窝部的前刀面和后刀面上均涂有HELICA涂层，且涂抹厚度为0.05mm，所述菱形铣刀上涂有类金刚石涂层，且涂抹厚度为0.02mm。
优选的，所述第二铣削部的直径不小于第一铣削部的直径。
一种用于叠层材料制孔的专用刀具的螺旋铣削方法，包括如下步骤：
S1、将叠层材料固定在试验台上的夹具上，启动机床，待机床运转且刀具参数稳定至第一预设值，并预设第二预设值和第三预设值；
S2、叠层材料内由上到下依次设有第一变参数点、第二变参数点和第三变参数点，第二变参数点为叠层材料的两种材料的交界点；其中：
a、机床以第一预设值控制刀具加工至第一变参数点；
b、刀具参数由第一预设值开始线性变化至第二预设值，并机床控制刀具加工至第二变参数点时，刀具参数至第二预设值；
c、刀具参数由第二预设值开始线性变化至第三预设值，并机床控制刀具加工至第三变参数点时，刀具参数至第三预设值；
S3、机床主轴向下进给，刀具持续以第三预设值刀具参数至加工完成。
优选的，叠层材料为CFRP/铝合金叠层材料，第二变参数点为CFRP层与铝合金层铰接处，第一变参数点为CFRP层距离交界处两毫米的位置，第三变参数点为铝合金层距离交界处两毫米的位置。
优选的，在步骤S1中，刀具参数包括铣削速度、公转速度、进给螺距和振幅，其中，第一预设值为：铣削速度800r/min，公转速度25r/min，进给螺距0.02mm/z，振幅为30μm；第二预设值为：铣削速度达到400r/min、公转速度25r/min、进给螺距0.01mm/z、振幅35μm；第三预设值为：铣削速度800r/min，公转速度25r/min、进给螺距0.02mm/z、振幅30μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明中每个刀齿均由钻孔部、扩孔部、第一铣削部、锪窝部和第二铣削部构成，将钻、扩、磨、锪窝成一体，避免多次换刀，能够有效提高加工效率，其中，本发明中，第一铣削部和第二铣削部上均设有多个菱形铣刀，且涂有类金刚石涂层，其他部分涂有HELICA涂层，极大延长了刀具使用寿命，且在相邻两个刀齿之间设有容屑槽，相邻两个菱形铣刀之间均设有排屑槽，工作端内位于第一铣削部和第二铣削部处均设有排屑孔，不仅解决了分层和毛刺的问题，还减少了碎屑对孔内壁的伤害以及降低了加工温度。
另外，本发明中余弦变参数螺旋铣削，解决了制孔加工过程中的切削力过大、切削热过高以及刀具寿命低等问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明专用刀具的正视图；
图2是本发明专用刀具的左视图；
图3是本发明钻孔部截面图；
图4是本发明扩孔部截面图；
图5是本发明铣削部截面图；
图6是本发明锪窝部截面图；
图7是本发明刀具机床***图；
图8是本发明超声辅助螺旋铣削制孔示意图；
图9是本发明螺旋铣削方法的余弦变参数区域示意图；
图中标号：1、钻孔部；11、钻孔第一后角；12、钻孔第二后角；2、扩孔部；21、扩孔第一后角；22、扩孔第二后角；3、第一铣削部；31、磨削角、32菱形铣刀；4、锪窝部；41、锪窝第一后角；42、锪窝第二后角；5、第二铣削部；6、排屑孔；7、刀柄；8、排屑槽；9、HELICA涂层；10、类金刚石涂层；11、容屑槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1所示，一种用于叠层材料制孔的专用刀具，包括工作端和刀柄，工作端沿周向均匀设有若干刀齿，相邻两个刀齿之间设有容屑槽，每个刀齿由前端至刀柄处均依次为钻孔部、扩孔部、第一铣削部、锪窝部和第二铣削部，其中，第二铣削部的直径不小于第一铣削部的直径，第一铣削部和第二铣削部上均设有多个菱形铣刀，且相邻两个菱形铣刀之间均设有排屑槽，工作端内位于第一铣削部和第二铣削部处均设有排屑孔。
参考图2所示，本实施例中，刀齿和容屑槽均为4组，且均匀的沿周向分布在工作端上，其中，排屑槽分为45°和135°两个方向，钻孔部的峰角为110°，扩孔部2的刃倾角为15°，锪窝部的刃倾角为40°，刀齿的前角为13°，第一铣削部和第二铣削部的磨削角为60°。
参考图3所示，钻孔部的钻孔第一后角为16°，钻孔部第二后角为48°，HELICA涂层覆盖在钻孔部的前刀面和后刀面上且涂层厚度为0.05mm，其中，在制造过程中磨槽工序后用细砂轮对前刀面和后刀面进行抛光，可解决涂层脱落的问题，并相对提高了其的使用寿命。
参考图4所示，扩孔部的扩孔第一后角为20°，扩孔部的第二后角为40°，HELICA涂层覆盖在扩孔部的前刀面和后刀面上且涂层厚度为0.05mm。
参考图1及图5，菱形刃镂铣刀的磨削角为60°，菱形铣刀紧密的排布在第一铣削部和第二铣削部上，由四个切削刃构成，在加工中，四个切削刃都会参与铣削过程，在超声振动铣时待加工材料会受到向上切削力与向下切削力的影响，在螺旋铣时，待加工材料会受到向左切削力与向右切削力的影响同时有许多切削刃参与加工，在铣削工作时，由于菱形铣刀的数量多，所以分散到每一个菱形铣刀的切削力就大大减小，及降低了刀具的磨损还提高了工件加工质量，类金刚石涂层覆盖在第一铣削部和第二铣削部的前刀面和菱形刃镂铣刀上且涂层厚度为0.02mm，前刀面与菱形刃镂铣刀32的交界为圆弧型，可减小磨削部的磨损。
参考图6，锪窝部的锪窝第一后角为16°，锪窝部的第二后角为32°，HELICA涂层覆盖在锪窝部的前刀面和后刀面上且涂层厚度为0.05mm。
一实施例中，参考图7所示，将上述刀具组装在机床上，采用三轴联动数控机床(主轴转速0-12000r/min),该机床配合Mitis低频振动刀柄可以实现刀具的轴向低频振动，刀柄为机械式凸轮结构，固定频转比Wf＝2.5,振幅调节范围0μm－200μm；切削力数据通过Kistler 9272三相压电式测力仪、5070A电荷放大器和数据采集卡USB1902最后反馈到计算机里，其中碳纤维复合材料牌号为T300，铺层顺序为[0/90],厚度为10mm；铝合金牌号为7075-T6，厚度为10mm；叠层顺序为CFRP在上，铝合金在下。
其中，参考图1所示，将刀具整体为PCD材料所制成，且每个刀齿均分成两个部分，第一切削部分D1和第二切削部分D2，其中，第一切削部分D1包括钻孔部、扩孔部和第一铣削部，第二切削部分D2包括锪窝部和第二铣削部，第一切削部分D1长度为20mm直径为8mm，第二切削部分D2长度为30mm，直径为12mm。
参考图8-图9，一种用于叠层材料制孔的专用刀具的螺旋铣削方法，通过上述组装后的机床进行如下步骤：
S1、将叠层材料固定在试验台上的夹具上，启动机床，待机床运转且刀具参数稳定至第一预设值，并预设第二预设值和第三预设值；
其中，刀具参数包括铣削速度、公转速度、进给螺距和振幅，其中，第一预设值为：铣削速度800r/min，公转速度25r/min，进给螺距0.02mm/z，振幅为30μm；第二预设值为：铣削速度达到400r/min、公转速度25r/min、进给螺距0.01mm/z、振幅35μm；第三预设值为：铣削速度800r/min，公转速度25r/min、进给螺距0.02mm/z、振幅30μm；
S2、叠层材料内由上到下依次设有第一变参数点a、第二变参数点b和第三变参数点c，第二变参数点为叠层材料的两种材料的交界点；
其中：在一实施例中，叠层材料为CFRP/铝合金叠层材料，第二变参数点b为CFRP层与铝合金层铰接处，第一变参数点a为CFRP层距离交界处两毫米的位置，第三变参数点c为铝合金层距离交界处两毫米的位置；
a、偏心距e为2mm，主轴向下进给，使得，使第一铣削部分钻孔部、扩孔部、第一部铣削部以第一预设值持续对CFRP层进行铣削至第一变参数点a；
b、主轴向下进给，当钻孔部的峰角加工到变参数区域的第一变参数点a时，刀具参数由第一预设值开始线性变化至第二预设值，并机床控制刀具加工至第二变参数点b时，刀具参数至第二预设值，即铣削速度达到400r/min、公转速度达到25r/min、进给螺距达到0.01mm/z、振幅达到35μm；
c、当钻孔部的峰角超高变参数区域的第二变参数点b点，到达第二变参数点b和第三变参数点c铝合金区域时，刀具参数由第二预设值开始线性变化至第三预设值，并机床控制钻孔部的峰角加工到变参数区域的第三变参数点c点时，刀具参数至第三预设值；
S3、机床主轴向下进给，当钻孔部的峰角超高变参数区域的第三变参数点c点，刀具持续以第三预设值刀具参数继续对铝合金层加工。
其中，主轴向下进给，使锪窝部和第二铣削部以铣削速度800r/min，公转速度25r/min，进给螺距0.02mm/z，振幅30μm持续对CFRP/铝合金叠层材料进行最后铣削；若加工需要锪窝，可由锪窝部在一次对CFRP层进行锪窝加工，加工结束，退刀并观察制孔质量情况。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于叠层材料制孔的专用刀具，其特征在于：包括工作端和刀柄，所述工作端沿周向均匀设有若干刀齿，相邻两个刀齿之间设有容屑槽，每个刀齿由前端至刀柄处均依次为钻孔部、扩孔部、第一铣削部、锪窝部和第二铣削部，其中，所述第一铣削部和第二铣削部上均设有多个菱形铣刀，且相邻两个菱形铣刀之间均设有排屑槽，所述工作端内位于第一铣削部和第二铣削部处均设有排屑孔。
2.根据权利要求1所述的一种用于叠层材料制孔的专用刀具，其特征在于：所述刀齿和容屑槽均为4组，且均匀的沿周向分布在工作端上，其中，排屑槽分为45°和135°两个方向。
3.根据权利要求2所述的一种用于叠层材料制孔的专用刀具，其特征在于：所述钻孔部的峰角为110°，扩孔部2的刃倾角为15°，锪窝部的刃倾角为40°，刀齿的前角为13°，第一铣削部和第二铣削部的磨削角为60°。
4.根据权利要求3所述的一种用于叠层材料制孔的专用刀具，其特征在于：所述钻孔部设有钻孔第一后角和钻孔第二后角，扩孔部设有扩孔第一后角和扩孔第二后角，锪窝部设有锪窝第一后角和锪窝第二后角，其中，钻孔第一后角为16°，钻孔第二后角为48°，扩孔第一后角为20°，扩孔第二后角为40°，锪窝第一后角为16°，锪窝第二后角为32°。
5.根据权利要求4所述的一种用于叠层材料制孔的专用刀具，其特征在于：多个菱形铣刀紧密的排布在第一铣削部和第二铣削部上，且每个所述菱形铣刀均包括四个切削刃。
6.根据权利要求5所述的一种用于叠层材料制孔的专用刀具，其特征在于：所述钻孔部的前刀面和后刀面上和扩孔部的前刀面和后刀面上，以及锪窝部的前刀面和后刀面上均涂有HELICA涂层，且涂抹厚度为0.05mm，所述菱形铣刀上涂有类金刚石涂层，且涂抹厚度为0.02mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于叠层材料制孔的专用刀具，其特征在于：所述第二铣削部的直径不小于第一铣削部的直径。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的用于叠层材料制孔的专用刀具的螺旋铣削方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、将叠层材料固定在试验台上的夹具上，启动机床，待机床运转且刀具参数稳定至第一预设值，并预设第二预设值和第三预设值；
S2、叠层材料内由上到下依次设有第一变参数点、第二变参数点和第三变参数点，第二变参数点为叠层材料的两种材料的交界点；其中：
a、机床以第一预设值控制刀具加工至第一变参数点；
b、刀具参数由第一预设值开始线性变化至第二预设值，并机床控制刀具加工至第二变参数点时，刀具参数至第二预设值；
c、刀具参数由第二预设值开始线性变化至第三预设值，并机床控制刀具加工至第三变参数点时，刀具参数至第三预设值；
S3、机床主轴向下进给，刀具持续以第三预设值刀具参数至加工完成。
9.根据权利要求8所述的一种用于叠层材料制孔的专用刀具的螺旋铣削方法，其特征在于：叠层材料为CFRP/铝合金叠层材料，第二变参数点为CFRP层与铝合金层铰接处，第一变参数点为CFRP层距离交界处两毫米的位置，第三变参数点为铝合金层距离交界处两毫米的位置。
10.根据权利要求9所述的一种用于叠层材料制孔的专用刀具的螺旋铣削方法，其特征在于：在步骤S1中，刀具参数包括铣削速度、公转速度、进给螺距和振幅，其中，第一预设值为：铣削速度800r/min，公转速度25r/min，进给螺距0.02mm/z，振幅为30μm；第二预设值为：铣削速度达到400r/min、公转速度25r/min、进给螺距0.01mm/z、振幅35μm；第三预设值为：铣削速度800r/min，公转速度25r/min、进给螺距0.02mm/z、振幅30μm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102022132489A1 (de) 2022-12-07 2024-06-13 Lukas-Erzett Gmbh & Co. Kg Schaftfräser und verfahren zur bearbeitung eines werkstücks mit einem schaftfräser

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