本發(fā)明屬于機(jī)械加工制造領(lǐng)域，涉及一種抑制復(fù)材制孔時(shí)刀具磨損的側(cè)向內(nèi)冷孔設(shè)計(jì)方法,通過(guò)在制孔刀具上增添該結(jié)構(gòu)，能夠有效降低復(fù)材制孔刀具切削成型區(qū)的磨損。

背景技術(shù)：

目前，纖維增強(qiáng)相復(fù)合材料由于其比強(qiáng)度高、比模量高等諸多優(yōu)越的機(jī)械特性，在航空航天、化工、汽車(chē)制造等多個(gè)領(lǐng)域取得了不可替代的位置，例如在空客a380大型飛機(jī)上，其機(jī)身重量的22％是由復(fù)合材料制造，波音公司生產(chǎn)的787型客機(jī)更是主要結(jié)構(gòu)的50％都采用了復(fù)合材料制作。在這些復(fù)合材料加工出的各類(lèi)結(jié)構(gòu)件上，其最主要的加工方式是鉆孔加工，例如一架f-16飛機(jī)上就有著多達(dá)40000個(gè)連接孔，一架波音747飛機(jī)上更是有多達(dá)300萬(wàn)個(gè)連接孔。然而，由于纖維增強(qiáng)相復(fù)合材料具有層間強(qiáng)度低、硬度高、脆性大等力學(xué)性能，在鉆孔時(shí)極易產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂等缺陷，從而引起質(zhì)量問(wèn)題，甚至導(dǎo)致零件報(bào)廢，因此，需要保證制孔刀具在加工過(guò)程中有著足夠的鋒銳度，能夠維持較長(zhǎng)時(shí)間的優(yōu)秀切削性能，即保證刀具的磨損速度較慢。然而纖維增強(qiáng)相復(fù)合材料內(nèi)部的纖維增強(qiáng)相由于其本身強(qiáng)烈的硬脆性和較高的磨蝕性，在加工過(guò)程中纖維和刀具表面會(huì)發(fā)生劇烈的摩擦，從而在切削區(qū)產(chǎn)生大量的熱量，造成刀具材料軟化，磨損加劇，切削性能發(fā)生急劇退化。此外，大量的研究表明，制孔刀具的切削成型位置對(duì)終孔質(zhì)量起著決定性作用，例如錢(qián)寶偉等人在論文“雙頂角鉆頭鉆削cfrp復(fù)合材料的刀具磨損機(jī)制”[j].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2017，(04):521-529)中提出，在加工cfrp復(fù)合材料時(shí)，雙頂角類(lèi)型鉆頭的第二主切削刃最外沿切削刃的鋒銳度對(duì)終孔的質(zhì)量起決定性作用，外沿切削刃鋒銳度降低將使復(fù)材孔壁和出口出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷。因此，對(duì)加工刀具外延成型位置的切削刃進(jìn)行磨損抑制，可保證刀具切削性能，提升刀具壽命。目前，已有研究提出了鉆削刀具磨損的抑制方法如噴射大量切削液、改變刀具結(jié)構(gòu)形式、增設(shè)內(nèi)冷孔等方法。其中增設(shè)內(nèi)冷孔并在其中通入冷卻液或冷卻氣的方案是方便且有效的，例如黃東杰等人提出的“一種內(nèi)部自動(dòng)制冷深孔鉆”，專(zhuān)利號(hào)cn205851939u，陳濤等人公開(kāi)的“碳纖維復(fù)合材料專(zhuān)用鉆頭”，專(zhuān)利號(hào)cn105689765a，二者均采用在刀尖處開(kāi)設(shè)雙直內(nèi)冷孔的方法降低加工時(shí)的切削熱，何耿煌等人公開(kāi)的“一種多內(nèi)冷孔通用刀片槽可轉(zhuǎn)位鉆頭刀體”，專(zhuān)利號(hào)cn201420706558.7，通過(guò)多開(kāi)內(nèi)冷孔的方式，提升冷卻效果。然而上述專(zhuān)利，其提出的內(nèi)冷孔開(kāi)設(shè)方法均未有針對(duì)性地將冷卻液噴射在復(fù)材制孔刀具的切削成型位置上，不能有效抑制復(fù)材加工時(shí)切削成型區(qū)的磨損，達(dá)不到大幅提升刀具壽命的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，發(fā)明一種抑制復(fù)材制孔時(shí)刀具磨損的側(cè)向內(nèi)冷孔設(shè)計(jì)方法，該方法包括側(cè)向內(nèi)冷孔開(kāi)設(shè)位置、側(cè)向內(nèi)冷孔形狀、側(cè)向內(nèi)冷孔角度設(shè)計(jì)三個(gè)部分。通過(guò)在制孔刀具的切削成型位置開(kāi)設(shè)圓形內(nèi)冷孔，在后續(xù)鉆削過(guò)程中，使冷卻液從側(cè)向噴出，有效降低該部分的切削溫度，并提供了一定的潤(rùn)滑，降低了加工時(shí)刀具上的溫度，避免了刀具材料軟化，減小了刀具的磨損，且該方法能夠應(yīng)用于絕大多數(shù)制孔刀具上。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種抑制復(fù)材制孔時(shí)刀具磨損的側(cè)向內(nèi)冷孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)在刀具切削成型刃1的后刀面或附后刀面上開(kāi)設(shè)側(cè)方內(nèi)冷孔2，噴射冷卻劑，大幅降低刀具該部位在復(fù)材加工時(shí)的切削溫度，抑制刀具刃圓和后刀面磨損。該方法包括側(cè)向內(nèi)冷孔開(kāi)設(shè)位置、側(cè)向內(nèi)冷孔形狀、側(cè)向內(nèi)冷孔角度設(shè)計(jì)三個(gè)部分。

所述側(cè)向內(nèi)冷孔開(kāi)設(shè)位置設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的制孔刀具有著不同的要求，對(duì)單級(jí)制孔刀具，側(cè)方內(nèi)冷孔2位于單級(jí)刀具的最終切削成型刃1末端的后刀面或附后刀面上，對(duì)多級(jí)制孔刀具，側(cè)方內(nèi)冷孔2位于多級(jí)刀具的倒數(shù)第一級(jí)或倒數(shù)第二級(jí)最終切削成型刃1的后刀面或附后刀面上；且側(cè)方內(nèi)冷孔出口中心距本級(jí)起始端距離h2等于0.6-0.8倍最終切削成型刃高度h1；當(dāng)側(cè)方內(nèi)冷孔2開(kāi)在后刀面上時(shí)，側(cè)方內(nèi)冷孔出口中心距最終切削成型刃1的距離n等于切削成型刃開(kāi)孔區(qū)域后刀面最小寬度m的0.3-0.6倍；當(dāng)側(cè)方內(nèi)冷孔開(kāi)在附后刀面時(shí)，側(cè)方內(nèi)冷孔出口孔心距最終切削成型刃1的距離n等于切削成型刃開(kāi)孔區(qū)域后刀面最小寬度m的1.5-3倍；每一級(jí)側(cè)方內(nèi)冷孔2相對(duì)于刀具刃尖軸向位置相同，周向相對(duì)于刀具軸線(xiàn)均勻分布，使開(kāi)設(shè)的側(cè)方內(nèi)冷孔2在噴射冷卻劑后，獲得的反作用力合力中心在刀具軸線(xiàn)上，保證刀具動(dòng)平衡。

所述側(cè)向內(nèi)冷孔形狀設(shè)計(jì)，為保證冷卻液在各方向均勻噴出，側(cè)向內(nèi)冷孔2均為圓形，其側(cè)向內(nèi)冷孔2的直徑d2為切削成型刃開(kāi)孔區(qū)域后刀面最小寬度m的0.3-0.5倍范圍內(nèi)，不大于原刀具刀體內(nèi)軸向內(nèi)冷孔4的直徑。

所述側(cè)向內(nèi)冷孔角度設(shè)計(jì)，為保證對(duì)切削成型刃1有效、均勻的冷卻，在開(kāi)設(shè)側(cè)向內(nèi)冷孔2時(shí)，取側(cè)向內(nèi)冷孔軸線(xiàn)與刀具軸線(xiàn)的夾角α在80°-100°之間，與此同時(shí)，在側(cè)向內(nèi)冷孔所在截面內(nèi)，側(cè)向內(nèi)冷孔軸線(xiàn)與法線(xiàn)夾角β在5°-20°范圍內(nèi)，且指向與刀具旋轉(zhuǎn)方向相反。

本發(fā)明的有益效果是該方法通過(guò)在刀具切削成型刃的后刀面或附后刀面上開(kāi)設(shè)側(cè)方內(nèi)冷孔，噴射冷卻劑，大幅降低刀具該部位在復(fù)材加工時(shí)的切削溫度，抑制刀具刃圓和后刀面磨損。該方法包括側(cè)孔開(kāi)設(shè)位置、側(cè)孔形狀、側(cè)孔角度設(shè)計(jì)三個(gè)部分，能夠適用于各類(lèi)復(fù)合材料制孔刀具，有針對(duì)性地抑制該區(qū)域溫度升高，從而避免刀具材料軟化，降低刀具磨損，提升刀具壽命，保證終孔加工質(zhì)量。

附圖說(shuō)明：

圖1為制孔刀具的主視圖，圖2為制孔刀具的左視圖，圖3為制孔刀具的仰視圖，圖4為圖2中a區(qū)的局部放大圖。其中，1-最終切削成型刃；2-側(cè)向內(nèi)冷孔；3-側(cè)向內(nèi)冷孔軸線(xiàn)；4-軸向內(nèi)冷孔；d1-刀具直徑；d2-側(cè)向內(nèi)冷孔直徑；h1-最終切削成型刃高度；h2-側(cè)向內(nèi)冷孔出口中心距本級(jí)起始端距離；l-刀具全長(zhǎng)，m-切削成型刃開(kāi)孔區(qū)域后刀面最小寬度；n-側(cè)向內(nèi)冷孔出口中心距最終切削成型刃的距離；α-側(cè)向內(nèi)冷孔軸線(xiàn)與刀具軸線(xiàn)的夾角；β-側(cè)向內(nèi)冷孔軸線(xiàn)與法線(xiàn)夾角。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

本實(shí)施例的一種抑制復(fù)材制孔時(shí)刀具磨損的側(cè)向內(nèi)冷孔設(shè)計(jì)方法，如圖1、圖2和圖3所示，該方法主要由側(cè)向內(nèi)孔開(kāi)設(shè)位置、側(cè)向內(nèi)孔形狀和側(cè)孔角度設(shè)計(jì)三部分組成。以雙頂角鉆頭為具體實(shí)施對(duì)象進(jìn)行加工，該鉆頭為多級(jí)結(jié)構(gòu)，直徑d1為8mm，刀具全長(zhǎng)l為80mm，在其倒數(shù)第二級(jí)即第二主切削刃區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行側(cè)方內(nèi)冷孔2的加工，以降低該類(lèi)刀具在加工纖維增強(qiáng)相復(fù)合材料時(shí)的切削區(qū)溫度，減小磨損，從而提升刀具切削壽命，保證加工質(zhì)量。

側(cè)向內(nèi)孔開(kāi)設(shè)位置設(shè)計(jì)：針對(duì)雙頂角鉆頭，其切削成型刃1的末端決定著最終孔的尺寸和加工質(zhì)量，在圖1中，刀具最終切削成型刃高度h1為4.5mm，取側(cè)向內(nèi)冷孔出口中心距起始端距離h2為0.8*h1＝3.6mm，取圖4中，側(cè)向內(nèi)冷孔出口中心距切削成型刃的距離n數(shù)值為1mm，保證切削刃的剛度，避免因開(kāi)孔造成加工時(shí)發(fā)生切削刃崩刃等損傷。實(shí)例中雙頂角鉆頭四個(gè)刃沿刀具圓周均勻分布，在一對(duì)相對(duì)刃的最終切削成型刃1后刀面上開(kāi)孔，當(dāng)冷卻液從這一對(duì)側(cè)方內(nèi)冷孔2噴出后，作用在刀具上的力的徑向分力能夠互相抵消，合轉(zhuǎn)矩中心位于刀具軸線(xiàn)上，避免了因噴射冷卻液造成的刀具振動(dòng)，保證了刀具旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)平衡，也保證了終孔的加工質(zhì)量。

進(jìn)行側(cè)向內(nèi)孔形狀設(shè)計(jì)：側(cè)向內(nèi)孔形狀為規(guī)則圓形，如圖4所示，實(shí)例中雙頂角鉆頭的切削成型刃開(kāi)孔區(qū)域后刀面最小寬度m為1.5mm，取側(cè)內(nèi)冷孔直徑d2尺寸為0.3*m＝0.45mm，

進(jìn)行側(cè)向內(nèi)孔角度設(shè)計(jì)：如圖1和圖3中所示，為保證對(duì)切削成型刃1有效、均勻的冷卻，在開(kāi)設(shè)側(cè)向內(nèi)冷孔2時(shí)，取側(cè)向內(nèi)冷孔軸線(xiàn)3與刀具軸線(xiàn)的夾角α為100°，既方便側(cè)向內(nèi)冷孔2的加工，又能保證冷卻液噴出后絕大部分作用在切削成型區(qū)。在側(cè)向內(nèi)冷孔所在截面內(nèi)，取側(cè)向內(nèi)冷孔軸線(xiàn)與法線(xiàn)夾角β為20°，且指向與刀具旋轉(zhuǎn)方向相反，使噴出冷卻劑與刀具切削刃形成剪切效應(yīng)，更有效地切斷纖維。

通過(guò)上述要求加工出的側(cè)向內(nèi)冷孔刀具，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證能夠有效降低制孔刀具在切削時(shí)的切削區(qū)溫度，尤其是對(duì)終孔質(zhì)量有著決定性作用的切削成型刃部位的溫度有了明顯地下降。在測(cè)量中也發(fā)現(xiàn)該部位的磨損有了明顯的降低，刀具壽命得到大幅提升。該方法能夠適用于各類(lèi)復(fù)合材料制孔刀具，通過(guò)在切削成型區(qū)增設(shè)側(cè)向內(nèi)冷孔，有針對(duì)性地抑制該區(qū)域溫度升高，從而避免刀具材料軟化，降低刀具磨損，提升刀具壽命，保證終孔加工質(zhì)量，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。