CN116079125B - 一种碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具 - Google Patents
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Abstract
一种碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具，属于铣削工具，解决了现有螺旋铣孔刀具加工时工件上下表面出现分层、撕裂加工损伤的问题。本发明的切削部包括依次连接的前部铣孔区、中部扩孔区、后部修整区；直径较小的铣孔区和直径较大的修整区由投影面呈等腰梯形的扩孔区相连接，铣孔区切削刃向刀具内侧偏转，其围绕刀具回转轴运动所形成曲面为倒置于扩孔区的圆锥形，修整区呈周铣刀结构；铣孔区设置有多条沿刀具轴线方向进给切削的切削刃，扩孔区设有与铣孔区等数量且依次连接的右旋扩孔切削刃，修整区设有数量大于扩孔切削刃的左旋切削刃。本发明可有效抑制碳纤维复合材料孔加工中工件顶层、底层形成的分层及撕裂损伤。
Description
技术领域
本发明涉及层叠结构复合材料的螺旋铣孔工具，具体涉及碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具。
背景技术
碳纤维复合材料凭借其轻质高强、抗疲劳性好等优良特性广泛应用于航空航天领域飞行器蒙皮及结构件的制作，因此有大量的连接孔加工需求。当前常用的碳纤维复合材料孔加工方法为使用钻头钻孔或使用立铣刀铣孔，加工质量差长期制约着碳纤维复合材料的广泛应用。碳纤维复合材料一般是由碳纤维制作的预浸布经环氧树脂粘合而成的层叠材料。由于碳纤维及由碳纤维制作的预浸布具有明显的各向异性，造成了制孔过程中容易出现撕裂及分层等加工损伤的产生，分层损伤严重影响了加工质量，甚至导致工件报废，造成了加工成本增加、生产周期加长的严重后果。分层损伤往往发生在工件表面附近，分为发生在工件上表面的剥离分层和发生在工件下表面的挤推分层。挤推分层是由于加工过程刀具产生的轴向力大于预浸布层间粘附力而导致材料层间脱粘分离。专家学者认为剥离分层是由切削过程中带有螺旋角的刀具侧刃产生切削力的轴向力分力引起了工件上表面的剥离。
在使用立铣刀进行螺旋铣孔时其轴向力较钻孔虽然减小，但仍然无法避免各种加工损伤的产生，因此从刀具结构优化设计方面出发减小轴向力是提高加工效率、加工质量必要措施和重要手段。
专利号为ZL2020112856901的发明公开了以下内容：切削部包括依次连接的前端铣孔区、过渡扩孔区和后段切削区；前端铣孔区直径小于后段切削区直径，前端铣孔区和后段切削区之间采用过渡扩孔区平滑过渡；前端铣孔区为端铣刀结构，前端铣孔区设置有多条沿刀具轴线方向进给切削的底部切削刃，过渡扩孔区的外表面、后段切削区外表面分别设有与底部切削刃相等数量且依次平滑连接的过渡切削刃和侧切削刃。该方案中，通过鼓锥形平头立铣刀的结构降低了碳纤维复合材料螺旋铣孔过程中的轴向力减小了出口挤推分层的可能，但该方案中并未对入口处剥离分层提出有效的应对方案，且过渡扩孔区不同高度切削刃磨损程度差异较大。
发明内容
针对现有碳纤维复合材料螺旋铣孔过程中容易出现分层、撕裂损伤的问题，本发明提供一种碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具。
本发明的一种碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具，所述的刀具包括相连接的切削部、缩颈结构和柄部。
所述的切削部包括依次连接的铣孔区（1）、扩孔区（2）、修整区（3）。
所述的铣孔区（1）设置有中心对称分布且沿刀具轴线方向进给切削的多条底部切削刃，切削刃呈伞状倾斜布置，其围绕刀具回转轴运动所形成曲面为倒置于扩孔区（2）的圆锥形，铣孔区（1）切削刃与扩孔区（2）切削刃交汇处形成尖锐的刀尖。
所述的铣孔区（1）直径小于修整区（3）直径，铣孔区（1）和修整区（3）之间由扩孔区（2）相连接，所述扩孔区（2）的径向投影为等腰梯形。
作为优选，所述铣孔区（1）包括中心对称分布且沿刀具轴线方向进给切削的四条底部切削刃。
所述的扩孔区（2）的外表面设有与铣孔区（1）相同数量且相连接的扩孔切削刃，扩孔切削刃均匀分布于扩孔区（2）外表面，延伸至修整区（3）且排屑槽深度逐渐减小至淡出。
所述的修整区（3）呈圆柱形且为周铣刀结构，其圆柱面上沿圆周方向均匀分布多条延伸至扩孔区（2）且沿刀具径向进给切削的螺旋形的侧切削刃，修整区（3）切削刃数量大于扩孔区（2）扩孔切削刃。
作为优选，所述修整区（3）包括轴向对称分布且沿刀具径向进给切削的六条切削刃。
作为优选，铣孔区（1）内相邻切削刃的夹角、切削刃前角、切削刃后角、切削刃带宽度分别与扩孔区（2）内相邻切削刃的夹角、切削刃前角、切削刃后角、切削刃带宽度采用相同设置。修整区（3）内相邻切削刃的夹角、各切削刃前角、后角、切削刃带宽度采用相同设置。
所述的扩孔区（2）扩孔切削刃呈右旋，修整区（3）切削刃呈左旋，修整区（3）切削刃与延伸至修整区的扩孔区（2）扩孔切削刃相交于扩孔区（2）与修整区（3）连接处附近，形成形状不同交错排列的四边形凸起状切削刃。
作为优选，加工时，偏心距小于铣孔区（1）的半径。
作为优选，加工时，刀具轨迹螺旋线的导程应小于扩孔区长度的50%。
本发明的有益效果：本发明的碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具，首先由铣孔区（1）切削刃切削工件加工出一个较小的孔，然后随着刀具轴向的进给扩孔区（2）切削刃不断将孔的直径扩大，最后由修整区（3）切削刃将孔加工至最终孔径；呈内凹形的铣孔区切削刃减小底刃与工件的作用面积进一步降低了轴向力；同时对工件底层材料加工过程中呈内凹形的铣孔区切削刃与扩孔区切削刃所形成的刀尖可快速有效地在工件底层形成切口，及时降低加工轴向力对底层材料的推挤作用，大幅度减小出口处形成推挤分层的可能；修整区（3）在最后的修整过程中，左旋切削刃产生切削力的轴向分量与刀具轴向进给方向一致，可减小工件顶层剥离分层发生的可能；径向投影面积为等腰梯形的扩孔区（2）在加工过程中在高度范围切削负荷分散更均匀，可在出口加工时提供更加稳定的提拉作用，提高出口加工质量。
附图说明
图1为本发明的一种碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具整体结构图。
图2为本发明的刀具径向投影。
图3为复合刀具铣孔区的端面视图。
图4为图1所示本发明刀具扩孔区的A-A断面图。
图5为图4中C处局部放大图。
图6为图1所示本发明刀具修整区的B-B断面图。
图7为图6中E处局部放大图。
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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1至图7所示，本实施方式的一种碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具包括相连接的切削部、缩颈结构（4）和柄部（5）。
本实施方式的切削部包括依次连接的铣孔区（1）、扩孔区（2）和修整区（3）。
铣孔区（1）直径小于修整区（3）直径，铣孔区（1）和修整区（3）之间由扩孔区（2）相连接，扩孔区（2）的径向投影为等腰梯形。
铣孔区（1）设置有中心对称分布且沿刀具轴线方向进给切削的四条底部切削刃，包括第一底部切削刃D1、第二底部切削刃D2、第三底部切削刃D3和第四底部切削刃D4。
扩孔区（2）设置有轴向对称分布且沿刀具径向进给切削的四条扩孔切削刃，包括第一扩孔切削刃K1，第二扩孔切削刃K2，第三扩孔切削刃K3，第四扩孔切削刃K4，延伸至修整区（3）且排屑槽深度逐渐减小至淡出。
本实施方式在实际应用中铣孔区（1）、扩孔区（2）不仅仅限定采用四条刃，还可以采用2条或多于两条的设置。
本实施方式中修整区（3）呈圆柱形且为周铣刀结构，设置有沿圆周方向均匀分布六条延伸至扩孔区（2）且沿刀具径向进给切削的螺旋形的侧切削刃，包括第一修整切削刃X1，第二修整切削刃X2，第三修整切削刃X3，第四修整切削刃X4，第五整切削刃X5，第六修整切削刃X6。
本实施方式在实际应用中修整区（3）不仅仅限定采用六条切削刃，还可以根据刀具尺寸选取大于扩孔区（2）切削刃数量的设置。
本实施方式中扩孔区（2）小端的外沿直径与铣孔区（1）相匹配，其大端的外沿直径与修整区（3）相匹配；扩孔区（2）切削刃径向投影与铣孔区（3）切削刃径向投影的夹角（10）为锐角，形成锋利刀尖（8）；扩孔区（2）切削刃径向投影与修整区（3）切削刃径向投影的夹角（9）为钝角。
本实施方式中铣孔区（1）相邻切削刃夹角（11）与扩孔区（2）相邻切削刃夹角（12）采用相同设置，铣孔区（1）切削刃的前角、后角、刃带宽度采用与扩孔区（2）切削刃前角（13）、后角（15）、刃带宽度（14）相同的设置。
本实施方式中修整区（3）根据数量选取相邻切削刃夹角（16），切削刃的前角（17）、后角（19）、刃带宽度（18）采用与扩孔区（2）切削刃前角（13）、后角（15）、刃带宽度（14）相同的设置。
本实施方式中扩孔区（2）扩孔切削刃呈右旋，螺旋角为（6），修整区（3）切削刃呈左旋，螺旋角为（7），修整区（3）切削刃与延伸至修整区的扩孔区（2）扩孔切削刃相交于扩孔区（2）与修整区（3）连接处附近，形成形状不同交错排列的四边形凸起状切削刃。
本实施方式铣孔区（1）切削刃直径小于修整区（3）切削刃直径，通过扩孔区（2）将铣孔区（1）及修整区（3）相连接，在螺旋铣削过程中铣孔区（1）及修整区（3）以相同的偏心距进行铣削加工，铣孔区（1）切削刃形成一直径较小的孔，在刀具轴向运动的过程中刀具的轴向运动导致了与材料接触的刀具径向尺寸的变化，使最初形成的孔不断被扩大，从而形成了铣孔再扩孔的加工过程；通过扩孔过程有效地提高了右螺旋切削刃的材料去除比例，提升了出口材料加工过程中右旋切削刃提拉效果；通过使用径向投影为等腰梯形的扩孔区（2），刀具轴向运动距离与加工区域刀具直径呈线性变化趋势，使出口加工过程扩孔切削刃可以长时间提供稳定的提拉效果，降低出口挤推分层的可能，提高加工质量，同时纤维在强支撑方向发生剪切断裂，进一步减小纤维在弱支撑方向发生弯曲变形未能及时切断的概率，减少毛刺面积提高表面质量。
本实施方式铣孔区（1）切削刃直径小于修整区（3）直径，这样可以减小铣孔区（1）切削刃与材料的作用面积，通过伞状倾斜布置的切削刃，进一步减小铣孔区（1）切削刃与材料的接触面积，使加工过程中铣孔区（1）产生的轴向力集中于孔的中心部位，减小作用于孔壁边缘的轴向力，减小挤推分层发生的可能；扩孔区（2）切削刃与铣孔区（1）切削刃形成的锋利刀尖（8）在出口加工过程中可以快速在底层材料形成切口释放底层材料由于轴向力所引起的材料变形，减小挤推分层发生的可能提高加工质量。
本实施方式修整区（3）左旋切削刃对入口材料进行切削时，受切削刃螺旋角的影响，切削刃对顶层材料产生推挤方向的作用力，减小剥离分层、撕裂发生的可能，降低入口剥离分层的可能提高加工质量，同时纤维在强支撑方向发生剪切断裂，进一步减小纤维在弱支撑方向发生弯曲变形未能及时切断的概率，减少毛刺面积提高表面质量。
具体实施例：本实施方式的扩孔区（2）长度为5mm，修整区（3）长度为5mm，缩颈结构（4）长度10mm，柄部（5）长度50mm。
在不影响所述刀具整体刚度及使用便利性的前提下，所述的缩颈结构（4）可适当延长，使刀具在轴向上有足够的运动空间，柄部（5）长度要保证装夹的稳定。
为保证所述刀具的加工效果，缩颈结构（4）半径小于修整区（3）的半径，且缩颈结构（4）的长度可根据加工材料的厚度适当调整。
铣孔区（1）的四条切削刃间夹角为90°，修整区（3）相邻切削刃夹角为60°。
铣孔区（1）直径及扩孔区（2）的长度均大于修整区（3）切削刃半径，以保证刀具强度。铣孔区（1）直径5.5mm，修整区（3）直径8mm。为保证刀具强度，扩孔区（2）切削刃径向投影与修整区（3）切削刃径向投影的夹角（9）为166°；为保证刀具强度，扩孔区（2）切削刃径向投影与铣孔区（3）切削刃径向投影的夹角（10）为84°。
扩孔区（2）切削刃前角（13）为7°，后角（15）为7°，刃带宽（14）为0.5mm，螺旋角（6）为30°。
修整区（3）切削刃前角（17）为7°，后角（19）为7°，刃带宽（18）为0.5mm，螺旋角（7）为30°。
本实施方式刀具基体材料采用YG8型钨钴类硬质合金，其Co含量为8%，适于铸铁、有色金属及其合金、非金属材料的加工，此种材料具有硬度高、热硬性好、不易变形、不易破损等特点，具有较好的韧性和耐磨性。
为保证所述刀具的加工效果，加工时的偏心距小于前端铣孔区的底部切削刃的半径，在该值范围内通过改变偏心距可加工不同尺寸的孔，提高生产线加工柔性。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他实施例中。
Claims (4)
1.一种碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具，其特征在于，所述刀具包括相连接的切削部，缩颈结构和柄部；
所述切削部包括依次连接的前部铣孔区（1）、中部扩孔区（2）、后部修整区（3）；
所述的扩孔区（2）的径向投影为等腰梯形，铣孔区（1）设置有中心对称分布且沿刀具轴线方向进给切削的多条底部切削刃，切削刃呈伞状倾斜布置，其围绕刀具回转轴运动所形成曲面为倒置于扩孔区（2）的圆锥形，铣孔区（1）切削刃与扩孔区（2）切削刃交汇处形成尖锐的刀尖；
所述的扩孔区（2）扩孔切削刃呈右旋，修整区（3）切削刃呈左旋，修整区（3）切削刃与延伸至修整区的扩孔区（2）扩孔切削刃相交于扩孔区（2）与修整区（3）连接处附近，形成形状不同交错排列的四边形凸起状切削刃。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具，其特征在于，所述的铣孔区（1）直径小于修整区（3）直径，铣孔区（1）和修整区（3）之间由扩孔区（2）相连接，扩孔区（2）的外表面设有与底部切削刃相同数量且相连接的扩孔切削刃，扩孔切削刃均匀分布于扩孔区（2）外表面，延伸至修整区（3）且排屑槽深度逐渐减小至淡出；
所述的修整区（3）呈圆柱形且为周铣刀结构，其圆柱面上沿圆周方向均匀分布多条延伸至扩孔区（2）且沿刀具径向进给切削的螺旋形的侧切削刃，修整区（3）切削刃数量大于扩孔区（2）扩孔切削刃。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具，其特征在于，加工时，偏心距小于铣孔区半径。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料低损伤螺旋铣扩专用复合刀具，其特征在于，加工时，刀具轨迹螺旋线的导程应小于扩孔区长度的50%。
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