一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高效制孔的專用刀具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械加工中鉆削工具技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高效制孔的專用刀具，該刀具是具有交叉旋向的微齒結(jié)構(gòu)和抑振結(jié)構(gòu)的雙頂角刀具，特別適合于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一次性高質(zhì)量、高效率制孔加工。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般都具備優(yōu)異的機(jī)械性能，它的整體性能可設(shè)計(jì)，且易于整體形狀同步成型成性制造，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域的構(gòu)件，進(jìn)而可以減輕結(jié)構(gòu)重量，減少制造周期，提高可靠性。特別是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其高比強(qiáng)度、高比剛度等特性，常用來(lái)制造飛行器的核心承力構(gòu)件，然而為實(shí)現(xiàn)零件之間的連接裝配，必須對(duì)此類材料進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械加工，其中加工連接孔是機(jī)械加工中最繁重的工作之一，例如一架波音747飛機(jī)有三百多萬(wàn)個(gè)連接孔。但由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要是由碳纖維增強(qiáng)相以及樹(shù)脂基體相構(gòu)成的混合形態(tài)，宏觀上呈現(xiàn)明顯的各向異性和層疊特征，其層間結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其他方向。鉆孔時(shí)由于入口和出口位置約束作用弱，鉆尖極易產(chǎn)生較大的軸向力，頂開(kāi)最外面幾層材料，產(chǎn)生分層損傷，并因無(wú)法切斷纖維導(dǎo)致纖維彎曲，，引發(fā)撕裂和毛刺等損傷。同時(shí)，由于碳纖維增強(qiáng)相極硬，易加劇刀具磨損，導(dǎo)致刃口不鋒利，難以切斷纖維，極易造成嚴(yán)重的出口和入口毛刺。為克服上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料上高質(zhì)量的孔加工，企業(yè)一般使用昂貴的金剛石涂層刀具，采用“鉆孔-擴(kuò)孔-粗鉸孔-精鉸孔”多道工序加工，才能保證孔的質(zhì)量。
[0003]國(guó)內(nèi)外研究表明刀具的幾何結(jié)構(gòu)是影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔質(zhì)量的重要因素，因此，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了多種不同結(jié)構(gòu)幾何形式的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制孔刀具，這些刀具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。山特維克知識(shí)產(chǎn)權(quán)股份有限公司公開(kāi)了一種“用于高級(jí)材料的麻花鉆”，專利申請(qǐng)?zhí)?01180020931.2，它涉及用于諸如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的鉆孔的麻花鉆，提出設(shè)有可變螺旋具有限定的起始螺旋角度和終點(diǎn)螺旋角度，以與主離隙角度和副離隙角度結(jié)合，使得麻花鉆適合于推力最小化。此種鉆頭相比麻花鉆可以在一定程度上減少分層缺陷，但是毛刺缺陷會(huì)隨著刀具的磨損很快出現(xiàn)，鉆頭的使用壽命較短。大連理工大學(xué)賈振元等人公開(kāi)了 “一種用于碳纖維復(fù)合材料制孔的高效專用鉆頭”，專利申請(qǐng)?zhí)?01510408743.7，它涉及用于碳纖維復(fù)合材料的制孔的帶有齒狀微刃的雙頂角結(jié)構(gòu)鉆頭，通過(guò)主切削刃的雙頂角結(jié)構(gòu)，主切削刃和副切削刃連接部位的微齒結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鉆-擴(kuò)-鉸一體化加工的功能，獲得高尺寸精度的孔。然而，由于微齒結(jié)構(gòu)處于最終切削成型的切削刃部位，容易在出口和入口引發(fā)微小的撕裂損傷，并降低內(nèi)壁的光潔度，同時(shí)由于刀具末端結(jié)構(gòu)尺寸與刀徑一致，極易在制孔過(guò)程中發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)致入口處外層纖維發(fā)生凸起，孔壁產(chǎn)生嚴(yán)重刮損等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服碳纖維復(fù)合材料在制孔中容易出口易產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂等損傷，孔壁質(zhì)量差的問(wèn)題，發(fā)明一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高效制孔的專用刀具，特別適合于對(duì)高性能碳纖維復(fù)合材料的制孔加工。該刀具是一種具有交叉旋向的微齒結(jié)構(gòu)的多刃雙頂角鉆頭，在主切削刃形成的雙頂角結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在第二主切削刃的不同切削刃上設(shè)計(jì)有交叉旋向的微齒結(jié)構(gòu)，第二主切削刃與副切削刃過(guò)渡位置設(shè)計(jì)為圓弧過(guò)渡，副切削刃的尾端設(shè)計(jì)為變徑結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)一次性低損傷制孔，并可提高鉆頭的使用壽命，降低使用成本。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高效制孔的專用刀具，其特征是，專用刀具具有交叉旋向的微齒結(jié)構(gòu)和抑振結(jié)構(gòu)的多刃雙頂角；此刀具劃分為由第一主切削刃I包絡(luò)線形成的第一主切削區(qū)A、第二主切削刃2包絡(luò)線形成的第二主切削區(qū)B、包絡(luò)線為終孔尺寸的左旋螺角的副切削區(qū)C、變徑區(qū)D、夾持區(qū)E和微齒切削區(qū)G六個(gè)區(qū)域；其中，第一主切削區(qū)A有2條第一主切削刃1，其形成的頂角α為鈍角；第二主切削區(qū)B有4條第二主切削刃2，其形成的頂角β為銳角，第一、第二主切削刃構(gòu)成多刃雙頂角結(jié)構(gòu)；gij切削區(qū)C的副切削刃3采用較小的左旋螺旋角；在第二主切削區(qū)B后部分的過(guò)渡區(qū)F中，第二主切削刃2后段采用圓弧曲線與副切削刃3連接；變徑區(qū)D在副切削區(qū)C的尾端設(shè)計(jì)為變徑結(jié)構(gòu)，變徑區(qū)D的軸向長(zhǎng)度為副切削區(qū)C軸向長(zhǎng)度的1/2，變徑區(qū)D的直徑為D2;副切削刃3的直徑為D1，其末端4不超過(guò)變徑區(qū)D ;
[0006]第二主切削區(qū)B的4條第二主切削刃2上分布有微齒切削區(qū)G，微齒切削區(qū)G由若干個(gè)微齒5組成；微齒5在同一條第二主切削刃2上輪廓結(jié)構(gòu)相同；微齒5沿每條第二主切削刃2分布有3-5個(gè)，在每條第二主切削刃2上分布數(shù)量相同，且軸向位置相同；在相鄰的第二主切削刃2上的微齒5的微齒軸向線7與刀具軸向線6所呈的旋向角不同，在相對(duì)的兩條第二主切削刃2的微齒5的旋向角相同；其中，一對(duì)第二主切削刃2上的微齒5的旋向角為右旋向角γκ是鈍角，另一對(duì)第二主切削刃2上的微齒5的旋向角為左旋向角γ ,是銳角；共同構(gòu)成相鄰切削刃上交叉旋向的微齒結(jié)構(gòu)；微齒5的投影輪廓為橢圓形或圓形；微齒右旋向角Tr為鈍角的上齒邊與第二主切削刃(2)的右上傾角δ 下齒邊與第二主切削刃(2)的右下傾角eR為鈍角；微齒左旋向角γ 銳角的上齒邊與第二主切削刃(2)的左上傾角\和下齒邊與第二主切削刃(2)的左下傾角ε L為銳角；微齒5中距離鉆尖最遠(yuǎn)處的微齒位于第二主切削區(qū)B中過(guò)渡區(qū)F以下，同一條第二主切削刃2上分布的微齒5中各微齒之間的距離不小于1.5mm，齒寬是齒間距的0.8-1.5倍。
[0007]本發(fā)明的效果和益處是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高效制孔的專用刀具，采用雙頂角結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鉆、擴(kuò)、鉸一體化加工，降低鉆削軸向力，減少分層缺陷的基礎(chǔ)上。通過(guò)相鄰切削刃上交叉旋向的微齒結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在制孔過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺可以回彈入微齒結(jié)構(gòu)并被微齒剪斷，可有效去除出、入口毛刺，降低了形成終孔時(shí)的撕裂損傷；第二主切削刃與副切削刃過(guò)渡位置設(shè)計(jì)為圓弧過(guò)渡，可有效降低副切削刃切入的振動(dòng)，并通過(guò)副切削刃的尾端變徑結(jié)構(gòu)，有效控制鉆削至尾端的振動(dòng)，提高了入口孔壁的質(zhì)量；最終實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一次性低損傷制孔。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高效制孔的專用刀具的主視圖，圖2(a)為右旋微齒的局部放大視圖，圖2(b)為圖2(a)沿微齒軸向線方向斜視圖，圖3(a)為左旋微齒的局部放大視圖，圖3(b)為圖3(a)沿微齒軸向線方向斜視圖，圖4(a)為左旋微齒的上齒邊剪斷入口毛刺的示意圖；圖4(13)為右旋微齒的下齒邊剪斷出口毛刺的示意圖。其中，A-第一主切削區(qū)，B-第二主切削區(qū)，C-副切削區(qū)，D-變徑區(qū)，E-夾持區(qū)，F(xiàn)-過(guò)渡區(qū)，G-微齒切削區(qū)，1-第一主切削刃，2-第二主切削刃，3-副切削刃，4-副切削刃末端，5-微齒，6-刀具軸向線，7-微齒軸向線，8-毛刺，9-工件入口側(cè)，10-工件出口