本發(fā)明屬于機(jī)械加工制造工具領(lǐng)域，涉及一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔的尖刃雙級可換套料鉆,特別適合于單工序高質(zhì)量加工孔徑較大的復(fù)材孔。

背景技術(shù)：

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其本身質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)良特性，近年來越來越廣泛應(yīng)用在汽車制造及航空航天等領(lǐng)域中，例如在空客A350WXB中就應(yīng)用了50％的復(fù)合材料，而在復(fù)材構(gòu)件的連接裝配中，制孔加工是必不可少的環(huán)節(jié)，僅在空客A350單側(cè)復(fù)材機(jī)翼上的連接裝配孔數(shù)量就達(dá)到了55000個(gè)之多。目前，由于復(fù)材層間結(jié)合力弱和磨蝕性強(qiáng)等特性，其制孔加工往往易發(fā)撕裂、分層、毛刺等損傷，且刀具磨損嚴(yán)重，特別是在某些承力連接位置或功能位置，其復(fù)材孔的孔徑往往較大，若采用普通實(shí)心鉆削刀具(如麻花鉆)，每一轉(zhuǎn)刀具的切削量與刀徑尺寸成正比，加工大孔徑時(shí)切削量大，導(dǎo)致軸向力大，更易引發(fā)復(fù)材的分層，且整體刀具制造成本極高，而刀具直徑大的邊緣位置，其切削線速度也大，磨損極快，加工精度和質(zhì)量都難以保證。因此，學(xué)者們參照金屬加工中適用于大孔加工和深孔加工的套料鉆，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化，提出了一些新思想和新方法，例如李建福等人的專利“一種異形刀齒薄壁金剛石鉆頭”，專利申請?zhí)朇N03261379.2，發(fā)明了一種適合在干切削條件下加工各種硬脆材料的制孔刀具。鮑永杰等人在“C/E復(fù)合材料以磨代鉆制孔工藝”[J].宇航材料工藝,2010,(04):47-49)中提出以磨代鉆的切削想法，上述的實(shí)用新型和論文中的刀具可有效減少單孔加工時(shí)出入口處的毛刺，然而此類刀具存在排屑不暢，切屑易堵塞金剛石顆粒，影響制孔質(zhì)量，同時(shí)切削區(qū)域均為一體化制造，在加工復(fù)合材料的時(shí)候，磨損后無法繼續(xù)使用，導(dǎo)致加工成本很高。賀虎等人在“釬焊金剛石套料鉆鉆削CFRP的孔質(zhì)量研究”[J].金剛石與磨料磨具工程,2011,(02):13-16.)中提出將釬焊方法將金剛石磨粒固結(jié)在金屬基體上，這樣制造出的套料鉆刀具耐磨性更高，且金剛石磨粒磨掉后仍可以再次釬焊，刀具再用性更高，減少了加工成本，然而由于其釬焊金剛石切削面積較大，單級結(jié)構(gòu)鉆頭，在一次性加工出大直徑孔，軸向力大，易產(chǎn)生分層等損傷，且其磨粒難以均勻焊接，制孔中易引發(fā)振動，導(dǎo)致制孔質(zhì)量差。此外，以上刀具均為單級結(jié)構(gòu)，在加工大尺寸孔時(shí)產(chǎn)生的損傷區(qū)域大且無法通過后續(xù)工序去除，終孔質(zhì)量不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)難題是在加工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料大尺寸孔時(shí)，在保證加工效率的前提下，盡量提升切削能力，減少一次性制孔過程中，孔入口和出口處的毛刺、分層和撕裂等損傷，并基于分段切削和刀刃可換的刀具設(shè)計(jì)思想，發(fā)明的一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔的尖刃雙級可換套料鉆，以提升終孔質(zhì)量，降低制孔成本。該鉆頭是一種雙級可換結(jié)構(gòu)的鉆頭，其第一級是具有尖刃結(jié)構(gòu)的套料鉆，通過分布在刀具刀體尖刃機(jī)構(gòu)上的尖刃，沿刀具軸線高速旋轉(zhuǎn)，快速切斷復(fù)合材料纖維；第一級結(jié)構(gòu)通過鎖緊螺釘固定在刀體上，可以在報(bào)廢后進(jìn)行快速更換，其后一級是修磨出鑲片區(qū)的麻花式結(jié)構(gòu)，在該級與第一級的過渡區(qū)，安裝有可換過渡刀片，同時(shí)沿螺旋槽方向分布若干可換擴(kuò)孔刀片，通過第一級結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被加工孔大部分的材料的高效率切削去除，通過后一級結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)終孔的加工。該刀具具有尖刃機(jī)構(gòu)、可換刀頭和可換擴(kuò)孔刀片，特別適合于單工序高質(zhì)量加工孔徑較大的復(fù)材孔。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔的尖刃雙級可換套料鉆，該鉆頭具有雙級結(jié)構(gòu)；第一級是具有尖刃結(jié)構(gòu)的套料鉆；第一級結(jié)構(gòu)通過定位鎖緊快和L形定位槽固定在刀體上，進(jìn)行快速更換；第二級是修磨出鑲片區(qū)的麻花式結(jié)構(gòu)；在第二級與第一級的過渡區(qū)，安裝有可換過渡刀片；沿螺旋槽方向安裝若干可換擴(kuò)孔刀片；該鉆頭包括尖刃切削機(jī)構(gòu)A、尖刃連接環(huán)B、擴(kuò)孔切削區(qū)C、變徑區(qū)D、夾持區(qū)E五部分。

所述的尖刃切削機(jī)構(gòu)A位于刀具最前端，分布著n個(gè)尖刃1，3≤n≤6，每個(gè)尖刃1的尺寸形狀均相同，如圖2中尖刃局部放大三視圖M所示，對每個(gè)尖刃主切削刃9進(jìn)行修磨，獲得寬度為a4的尖刃刃帶10并保證多個(gè)尖刃的刃尖高度基本一致，在尖刃切削機(jī)構(gòu)A上焊接一個(gè)定位鎖緊塊7，將該部分穿過尖刃連接環(huán)B上的L形定位槽6并通過鎖緊螺釘8擰緊，完成整個(gè)尖刃切削機(jī)構(gòu)A在尖刃連接環(huán)B上的固定，在鉆頭向前運(yùn)動的過程中，尖刃先行切入工件，多個(gè)尖刃共同作用完成一個(gè)環(huán)切的動作，在工件材料上切下一個(gè)圓形板材，并被尖刃連接環(huán)B頂出，尖刃長度a1需利于刀具切入，尖刃高度a2要大于所切工件的板厚，尖刃最大寬度a3應(yīng)與尖刃連接環(huán)B的環(huán)寬相同，為提高刀具鋒銳度，尖刃前角n1大小應(yīng)在10°-15°之間取值，尖刃后角n2應(yīng)在5°-10°之間取值，尖刃刃傾角n4應(yīng)取10°-15°，尖刃切削機(jī)構(gòu)直徑d1根據(jù)實(shí)際加工需求選取。

所述尖刃連接環(huán)B位于尖刃切削機(jī)構(gòu)A和擴(kuò)孔切削區(qū)C之間，采用焊接方式安裝在擴(kuò)孔切削區(qū)C上；

所述擴(kuò)孔切削區(qū)C外形為麻花式結(jié)構(gòu)，沿著其切削刃部分修磨出一個(gè)鑲片區(qū)2，在此鑲片區(qū)2上沿切削刃方向順次安裝若干片可換擴(kuò)孔刀片3，使所有可換擴(kuò)孔刀片3切削刃與原切削刃方向平行，在鑲片區(qū)2最靠近刀具尖端的位置安裝一對可換過渡刀片4，可換擴(kuò)孔刀片3與可換過渡刀片4構(gòu)成雙級刀刃，且使鉆尖方向第一組可換擴(kuò)孔刀片3與可換過渡刀片4之間形成一個(gè)細(xì)小縫隙，構(gòu)成微齒結(jié)構(gòu)；擴(kuò)孔切削區(qū)直徑d2比尖刃切削機(jī)構(gòu)直徑d1增加3-5mm，在擴(kuò)孔切削區(qū)C上修磨出螺旋槽5，螺旋槽槽寬m1尺寸為擴(kuò)孔切削區(qū)直徑d2的0.65-0.75倍；

所述變徑區(qū)D為一過渡區(qū)域，其直徑d3為夾持區(qū)E的直徑d4和擴(kuò)孔切削區(qū)直徑d2的平均值，即d3＝0.5(d2+d4)。

所述夾持區(qū)E通過連接主軸夾頭與機(jī)床主軸進(jìn)行連接，夾持區(qū)直徑d4根據(jù)主軸夾頭進(jìn)行匹配。

本發(fā)明的效果和益處是采用尖刃雙級可換套料鉆刀具加工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，由于該刀具具有尖刃機(jī)構(gòu)、可換刀頭和可換擴(kuò)孔刀片，特別適合于單工序高質(zhì)量加工孔徑較大的復(fù)材孔。尖刃結(jié)構(gòu)較于傳統(tǒng)的磨削方法能更有效地切斷纖維，減少切削區(qū)寬度，且加工效率更高，采用雙級結(jié)構(gòu)可以通過第一級去除主要部分，第二級完成最終孔的修正并去除第一級加工時(shí)產(chǎn)生的損傷，提升加工質(zhì)量，減少切屑產(chǎn)生，減少分層、毛刺等常見損傷的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)一次加工高質(zhì)量復(fù)材孔的要求，采用多個(gè)可換部位能夠在尖刃及可換刀片磨損后快速更換且加工成本更低，避免了整體式實(shí)心刀具磨損后報(bào)廢造成的資源浪費(fèi)，提升了刀具重復(fù)利用率，同時(shí)也降低了制孔周期。

附圖說明

圖1是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔的尖刃雙級套料鉆的主視圖，圖2是圖1中尖刃局部放大的三視圖。其中，A尖刃切削機(jī)構(gòu)，B尖刃連接環(huán)，C擴(kuò)孔切削區(qū)，D變徑區(qū)，E夾持區(qū)；1.尖刃，2.鑲片區(qū)，3,可換擴(kuò)孔刀片，4.可換過渡刀片，5.擴(kuò)孔區(qū)螺旋槽，6.L形定位槽，7.定位鎖緊塊，8.鎖緊螺釘,9.尖刃主切削刃，10.尖刃刃帶；d1.尖刃切削機(jī)構(gòu)直徑，d2.擴(kuò)孔切削區(qū)直徑，d3.變徑區(qū)直徑，d4.夾持區(qū)直徑，m1.螺旋槽槽寬，m2.鑲片區(qū)寬度，a1.尖刃長度，a2.尖刃高度，a3.尖刃最大寬度，a4.尖刃刃帶寬度；n1.尖刃前角，n2.尖刃后角，n3.尖刃內(nèi)弧角，n4.尖刃刃傾角。

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。

圖1為一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔的尖刃雙級套料鉆的主視圖，圖2是圖1中尖刃局部放大的三視圖。如圖1、2所示，該鉆頭主要包括尖刃切削機(jī)構(gòu)(A)、尖刃連接環(huán)(B)、擴(kuò)孔切削區(qū)(C)、變徑區(qū)(D)、夾持區(qū)(E)五部分。

所述的尖刃切削機(jī)構(gòu)A位于刀具最前端，分布著n個(gè)尖刃1，本實(shí)施例中n選取為6，每個(gè)尖刃1的尺寸形狀均相同，如圖2中尖刃局部放大三視圖M所示，對每個(gè)尖刃1的主切削刃9進(jìn)行修磨，獲得寬度為a4的尖刃刃帶10并保證多個(gè)尖刃的刃尖高度基本一致，在尖刃切削機(jī)構(gòu)A上焊接一個(gè)定位鎖緊塊7，將該部分穿過尖刃連接環(huán)B上的L形定位槽6并通過鎖緊螺釘8擰緊，完成整個(gè)尖刃切削機(jī)構(gòu)A在尖刃連接環(huán)B上的固定，這樣固定后能夠使尖刃切削區(qū)A和尖刃連接環(huán)B保持同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，可以完成切割材料的動作，在鉆頭向前運(yùn)動的過程中，尖刃先行切入工件，多個(gè)尖刃共同作用完成一個(gè)環(huán)切的動作，在工件材料上切下一個(gè)圓形板材，并被尖刃連接環(huán)B頂出，從而加工出一個(gè)大尺寸的預(yù)鉆孔，尖刃長度a1要滿足既能順利切入工件，又要滿足盡量使多個(gè)尖刃排布較為緊密的要求，選取a1為7mm，尖刃高度a2要大于所切工件的板厚，防止材料未切掉時(shí)尖刃連接環(huán)B頂入，發(fā)生危險(xiǎn)，選取a2為5mm，尖刃最大寬度a3與尖刃連接環(huán)B的環(huán)寬相同，選取a3為1.5mm，保證切下的圓形板材尺寸和設(shè)計(jì)尺寸相同，選取尖刃前角n1大小為15°，能夠在保證剛度的前提下提升切削能力，提高刀具鋒銳度，選取尖刃后角n2為10°，為方便尖刃結(jié)構(gòu)1切入，選取尖刃刃傾角n4為15°。

所述尖刃連接環(huán)B位于尖刃切削機(jī)構(gòu)A和擴(kuò)孔切削區(qū)C之間，屬于過渡區(qū)域，選取其直徑d1為35mm，采用焊接方式安裝在擴(kuò)孔切削區(qū)C上，這樣即可將三部分連接在一起，通過該過渡區(qū)域?qū)⒄麄€(gè)分體式多級刀具組裝成為一個(gè)整體刀具；

沿著其切削刃部分修磨出一個(gè)鑲片區(qū)2，在此鑲片區(qū)2上沿切削刃方向順次安裝3對可換擴(kuò)孔刀片3，使所有可換擴(kuò)孔刀片3切削刃與原切削刃方向平行，在鑲片區(qū)2最靠近刀具尖端的位置安裝一對可換過渡刀片4，這對過渡刀片能夠引導(dǎo)刀具平緩地沿著尖刃切削區(qū)A加工出的預(yù)鉆孔繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)孔動作，同時(shí)還能使鉆尖方向第一組可換擴(kuò)孔刀片3與可換過渡刀片4之間形成一個(gè)細(xì)小縫隙，構(gòu)成微齒結(jié)構(gòu)，更好地切斷纖維，擴(kuò)孔切削區(qū)直徑d2實(shí)例中選取擴(kuò)孔切削區(qū)直徑d2為40mm，在擴(kuò)孔切削區(qū)C上修磨出螺旋槽5，槽寬尺寸m1選取為26mm；

所述變徑區(qū)D為一過渡區(qū)域，通過該其區(qū)域能夠?qū)⒅睆捷^小的夾持區(qū)E和直徑較大的擴(kuò)孔切削區(qū)C連接起來，避免過大的變徑造成的加工危險(xiǎn)，實(shí)例中變徑區(qū)直徑d3選取為25mm。

所述夾持區(qū)E通過連接主軸夾頭與機(jī)床主軸進(jìn)行連接，選取夾持區(qū)直徑d4為10mm。

該刀具具有尖刃機(jī)構(gòu)、可換刀頭和可換擴(kuò)孔刀片，特別適合于單工序高質(zhì)量加工孔徑較大的復(fù)材孔。