專利名稱：碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種螺旋銑孔專用刀具，本實(shí)用新型尤其涉及碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具。
背景技術(shù)：
航空航天技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)著新材料的發(fā)展與應(yīng)用，飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求速度更快、重量更輕而且有更大的承載能力，與此同時(shí)，還要使用更少的燃料，最大化的降低成本與污染。先進(jìn)的航空產(chǎn)品必然要求航空零部件具有更加優(yōu)異的性能，復(fù)合材料和鈦合金的低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)良性能使其越來越廣泛的應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，因此CFRP/鈦合金等難切削材料的加工效率和質(zhì)量成為航空航天領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。而傳統(tǒng)的鉆孔已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在航空產(chǎn)業(yè)對(duì)制孔質(zhì)量的要求。傳統(tǒng)的航空裝配·孔的制孔工藝一般包括鉆底孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪沉孔等工序，在兩種材料一體化裝配制孔過程中，一般還在擴(kuò)孔完成后，拆開兩種材料進(jìn)行清理，重新定位，再鉸孔，這導(dǎo)致加工效率極低。制孔成為航空裝配制造過程最繁重的機(jī)械加工工序之一。螺旋銑孔是一種新型制孔工藝，是用一把小于孔直徑刀具通過自身自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞著制孔中心以一定偏移量做公轉(zhuǎn)的螺旋制孔工藝。螺旋銑孔實(shí)質(zhì)是一個(gè)“以銑代鉆”過程，利用螺旋進(jìn)給的方式實(shí)現(xiàn)鉆削運(yùn)動(dòng)。PCT申請(qǐng)PCT/US2010/020018公開了一種用于軌道式鉆孔的端銑刀。該專利包括一個(gè)柄直徑的柄部，一個(gè)頸直徑的頸部和一個(gè)切削直徑的頭部，一個(gè)圓角半徑，一個(gè)凹角及一條縱向軸線，其中切削頭部包含一個(gè)前切削端，該前切削端具有位于該縱向軸線與圓角半徑之間的一個(gè)凸出彎曲的區(qū)段，其中該凸出彎曲的區(qū)段致使由工件上去除的材料從一個(gè)初始接觸區(qū)域徑向向外地朝向該圓角半徑而流動(dòng)，由此使在該前切削端的一個(gè)中央部分中的材料積聚最小化。上述專利只給出了刀具大體結(jié)構(gòu)及參數(shù)范圍，而且也沒指出適用于何種材料的加工，更沒有專門針對(duì)碳纖維復(fù)合材料和鈦合金加工中所需要的內(nèi)冷孔，沒有具體涂層匹配的介紹，沒有具體最優(yōu)刀具參數(shù)。以上專利只是一個(gè)概念性的介紹，并沒有適用于特定加工材料的針對(duì)性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種一把刀具加工不同直徑的孔，且一次成型，大大提高了刀具的使用壽命和孔的加工質(zhì)量，減少了換刀時(shí)間，而且不需要再進(jìn)行精加工，就能得到很高的加工質(zhì)量的孔的碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具。本實(shí)用新型的碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具，它包括由切削頭部、頸部和刀柄組成的刀體，所述的切削頭部和頸部為階梯狀，在所述的切削頭部側(cè)壁上對(duì)稱的開有四個(gè)延伸至頸部的螺旋槽，所述的四個(gè)螺旋槽以刀體中心軸線對(duì)稱，在所述的刀頸的切削頭部沿周向均勻設(shè)置有四個(gè)周邊銑齒，每個(gè)銑齒的徑向前角的角度為4-6° ;每個(gè)銑齒的徑向第一后角的角度為14-16° ;每個(gè)銑齒的徑向第二后角的角度為18-22°，每個(gè)銑齒的切削底刃和側(cè)刃之間依次通過第一圓弧、圓角以及第二圓弧相連，所述的切削底刃與豎直線的夾角為3-5°，在所述的刀體內(nèi)開有兩個(gè)以刀體中心軸線對(duì)稱的通孔。本刀具應(yīng)用于CFRP/鈦合金一體化制孔中，尤其應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域的制造裝配中。它與傳統(tǒng)的鉆孔工具相比，明顯提高了加工效率和孔的加工質(zhì)量、提高刀具的使用壽命一把刀具加工不同直徑的孔，且一次成型。I.刀具頭部和頸部階梯狀設(shè)計(jì)，相對(duì)于 傳統(tǒng)的鉆孔技術(shù)，螺旋銑孔能顯著的提高孔的質(zhì)量。由于刀具專門用于孔的加工，刀具整體在孔中運(yùn)動(dòng)的行程較長(zhǎng)，為了防止刀體本身對(duì)已加工孔表面的影響，該專利刀具結(jié)構(gòu)采用頸部直徑和切削頭部直徑階梯狀設(shè)計(jì)，有效提高了刀具的排屑效果，并且保護(hù)已加工表面不受切屑的二次損傷。2.刀具切削頭部采用雙圓角過渡由于螺旋銑孔的特殊工藝，刀具不僅具有側(cè)向進(jìn)給，還有軸向進(jìn)給，因此，刀具的底刃強(qiáng)度很大程度上影響刀具的壽命，為了提高刀具的底刃強(qiáng)度，底刃與側(cè)刃采用雙圓角(圖3中17和18所示)過渡。側(cè)刃處圓角(如圖3中17所示)還有助于對(duì)碳纖維復(fù)合材料的纖維的切斷，有利于提高復(fù)合材料加工孔的質(zhì)量。3.針對(duì)鈦合金和復(fù)合材料的加工特點(diǎn)，由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，切削過程中切削溫度高，降低刀具的使用壽命，再者，復(fù)合在切削過程中產(chǎn)生粉末狀切屑，容易堵塞在加工孔的底部，刀具在繞軸心處開有兩個(gè)對(duì)稱的內(nèi)冷孔(如圖I中6所示)，對(duì)于有效降低切削溫度有重要作用。本刀具經(jīng)過大量CFRP/鈦合金螺旋銑孔試驗(yàn)，切削力結(jié)果如圖5所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用用本刀具時(shí)切削的軸向力明顯小于鉆孔，大約在150N(切削碳纖維復(fù)合材料)和500N(切削鈦合金)，而采用傳統(tǒng)刀具鉆孔的軸向力大約為800N(如圖4所示)。試驗(yàn)對(duì)本刀具加工的孔表面質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，螺旋銑孔鈦合金孔表面粗糙度Ra值為0. 4um 0. 5um，孔表面質(zhì)量達(dá)到精鉸水平，碳纖維復(fù)合材料加工孔表面粗糙度值也能達(dá)到4um。本專利刀具CFRP/鈦合金一體化制孔精度能達(dá)到IT8 ITlO級(jí)。

圖I為本實(shí)用新型的碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2所示為圖I所示的刀具端視圖；圖3為圖I所示的刀具的頭部輪廓放大圖；圖4為采用傳統(tǒng)刀具鉆削鈦合金過程切削力信號(hào)圖；圖5為采用本新型刀具螺旋銑孔過程軸向力信號(hào)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作以詳細(xì)描述。如附圖所示本實(shí)用新型的碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具，它包括由切削頭部I、頸部2和刀柄3組成的刀體，所述的切削頭部和頸部為階梯狀，在所述的切削頭部側(cè)壁上對(duì)稱的開有四個(gè)延伸至刀具底部的螺旋槽10、11，12、13，所述的四個(gè)螺旋槽以刀體中心軸線5為對(duì)稱中心線，在所述的刀頸的切削頭部沿周向均勻設(shè)置有四個(gè)周邊統(tǒng)齒，每個(gè)統(tǒng)齒的徑向前角7的優(yōu)化角度為4-6° ;每個(gè)統(tǒng)齒的徑向第一后角8的角度為14-16° ;每個(gè)銑齒的徑向第二后角9的角度為18-22°，每個(gè)銑齒的切削底刃20和側(cè)刃16之間依次通過第一圓弧19、圓角18以及第二圓弧17相連，所述的切削底刃與豎直線的夾角21為3-5°，該設(shè)計(jì)使切削底刃有一個(gè)尖角，利于切斷碳纖維復(fù)合材料材料中的碳纖維。在所述的刀體內(nèi)開有兩個(gè)繞刀體中心軸線對(duì)稱的通孔6。圖3中15為刀頸和刀頭的過渡圓角，其優(yōu)選半徑為2mm。圖I中4為螺旋角，本刀具優(yōu)化螺旋角的范圍為34-36°。優(yōu)選的所述的刀柄的長(zhǎng)度LI為30mm,刀柄直徑Dl為IOmm ;頸部2直徑D2為5. 4mm,頸部長(zhǎng)度L2為20mm ;頭部參與切削的區(qū)域的軸向長(zhǎng)度L3為5mm ;每個(gè)銑齒的螺旋排屑槽軸向長(zhǎng)度L4為6mm，頭部直徑D3為6mm。這樣能在保證刀具剛度的基礎(chǔ)上使刀具更有利于排屑，同時(shí)也能防止切削刃及切屑對(duì)已加工表面造成二次損傷。優(yōu)選的所述的通孔6的孔直徑為0. 8mm。這兩個(gè)通孔作為內(nèi)冷孔能有效降低切削 區(qū)溫度，保證刀具壽命，提高加工質(zhì)量。優(yōu)選的所述的第一圓弧19半徑為13mm、圓角18半徑為0. 4mm,第二圓弧17半徑為13mm。各半徑的圓心根據(jù)相切約束來確定。底刃的分布用角度a和P來確定，如圖2所示，四個(gè)切削底刃中的兩個(gè)切削底刃的角度a為95-97°，另外兩個(gè)切削底刃的角度P為83-85°。圖4為采用傳統(tǒng)刀具鉆削鈦合金過程切削力信號(hào)，由圖可以看出切削軸向力(Fz)較大，約為700-800N，并且波動(dòng)較大，不利于穩(wěn)定切削。圖5為采用本新型刀具螺旋銑孔過程軸向力信號(hào)圖。和鉆削軸向力相比，用該刀具進(jìn)行螺旋銑孔時(shí)軸向力約為100N(碳纖維復(fù)合材料)和500N (鈦合金)，小于采用傳統(tǒng)刀具鉆削過程切削力，且切削力較為平穩(wěn)，有利于提高刀具壽命，保證加工質(zhì)量。
權(quán)利要求1.碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具，它包括由切削頭部、頸部和刀柄組成的刀體，其特征在于所述的切削頭部和頸部為階梯狀，在所述的切削頭部側(cè)壁上対稱的開有四個(gè)延伸至頸部的螺旋槽，所述的四個(gè)螺旋槽以刀體中心軸線對(duì)稱，在所述的刀頸的切削頭部沿周向均勻設(shè)置有四個(gè)周邊銑齒，每個(gè)銑齒的徑向前角的角度為4-6° ;每個(gè)銑齒的徑向第一后角的角度為14-16° ;每個(gè)銑齒的徑向第二后角的角度為18-22°，每個(gè)銑齒的切削底刃和側(cè)刃之間依次通過第一圓弧、圓角以及第ニ圓弧相連，所述的切削底刃與豎直線的夾角為3-5°，在所述的刀體內(nèi)開有兩個(gè)繞刀體中心軸線對(duì)稱的通孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具，其特征在于所述的螺旋槽的螺旋角為34-36°，所述的刀柄的長(zhǎng)度為30mm，刀柄直徑為IOmm ;所述的頸部直徑為5. 4mm,頸部長(zhǎng)度為20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具，其特征在于切削頭部參與切削的區(qū)域的軸向長(zhǎng)度為5mm ;每個(gè)銑齒的螺旋排屑槽軸向長(zhǎng)度為6mm,切削頭部直徑為6mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具，其特征在于所述的通孔的孔直徑為0. 8mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具，其特征在于所述的第一圓弧半徑為13mm,圓角半徑為0. 4mm,第二圓弧半徑為13mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具，其特征在干四個(gè)切削底刃中的兩個(gè)切削底刃的角度為95-97°，另外兩個(gè)切削底刃的角度為83-85。。
專利摘要本實(shí)用新型公開了碳纖維復(fù)合材料以及鈦合金螺旋銑孔專用刀具，它包括由切削頭部、頸部和刀柄組成的刀體，切削頭部和頸部為階梯狀，在切削頭部側(cè)壁上對(duì)稱的開有四個(gè)延伸至頸部的螺旋槽，四個(gè)螺旋槽以刀體中心軸線對(duì)稱，在刀頸的切削頭部沿周向均勻設(shè)置有四個(gè)周邊銑齒，每個(gè)銑齒的徑向前角的角度為4-6°；每個(gè)銑齒的徑向第一后角的角度為14-16°；每個(gè)銑齒的徑向第二后角的角度為18-22°，每個(gè)銑齒的切削底刃和側(cè)刃之間依次通過第一圓弧、圓角以及第二圓弧相連，切削底刃與豎直線的夾角為3-5°，在刀體內(nèi)開有兩個(gè)以刀體中心軸線對(duì)稱的通孔。采用本刀具明顯提高了加工效率和孔的加工質(zhì)量、提高刀具的使用壽命。
文檔編號(hào)B23C5/10GK202571427SQ201220148618
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者秦旭達(dá), 李皓, 孫曉太, 貴林景, 賈昊 申請(qǐng)人:天津大學(xué)