一種用于碳纖維復(fù)合材料制孔的高效專用鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機械加工中鉆削工具技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于碳纖維復(fù)合材料制孔的高效專用鉆頭，該刀具是具有雙頂角和微齒結(jié)構(gòu)的多刃刀具，特別適合于高性能碳纖維增強復(fù)合材料的一次性高質(zhì)量、高效率加工。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維復(fù)合材料具有高比強度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕和優(yōu)異的可設(shè)計性等優(yōu)良的綜合性能，廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計中。鉆孔是碳纖維復(fù)合材料零件制造過程中工作量最繁重的機械加工之一，例如一架波音747飛機有三百多萬個連接孔。然而由于材料的層間強度低，鉆孔時極易在出口處產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，且基體相導(dǎo)熱性不好，碳纖維硬度高，使得刀具磨損快，采用普通麻花鉆很難加工無分層、無毛刺缺陷的孔。國內(nèi)外針對碳纖維復(fù)合材料切削加工刀具的研究表明，刀具材料中高速鋼不適合碳纖維復(fù)合材料的加工，聚晶金剛石刀具可提高鉆削刀具的壽命，但是其價格昂貴，且只能用于平穩(wěn)鉆削的過程。硬質(zhì)合金具有較好的強度和韌性，可以滿足碳纖維復(fù)合材料的加工需求，但是硬質(zhì)合金普通麻花鉆仍難以滿足高質(zhì)高效的制孔需求。
[0003]刀具的幾何結(jié)構(gòu)是影響復(fù)合材料制孔質(zhì)量和刀具壽命的重用因素，國內(nèi)外針對碳纖維復(fù)合材料設(shè)計了各種幾何形狀的鉆頭，這些鉆頭有各自的優(yōu)缺點。如西安飛機工業(yè)有限公司的公開了一種《具有錐形過渡區(qū)的新型鉆頭》，專利申請?zhí)?00320125153.6，與普通麻花鉆相比，在鉆頭的鉆桿和頭部之間增加了刀刃的錐形過渡區(qū)，使得鉆頭在薄壁制件上鉆孔的原理和過程發(fā)生很大的變化，一定程度上消除了普通鉆頭鉆孔經(jīng)常產(chǎn)生的孔出口邊緣分層、拉毛，但這種鉆頭鉆尖處剛度較低，容易產(chǎn)生振動，導(dǎo)致孔的粗糙度和精度難以保證。又如蘇州阿諾精密切削技術(shù)股份有限公司的專利《低橫刃鉆頭》，專利申請?zhí)?01310104178.6，這種鉆頭的頭部開有兩個排肩槽，其與刀背在軸向方向上的交線分別形成兩個主切削刃，主要特點是三個頂尖，中間的頂尖比兩邊的低，這樣的設(shè)計可以兼顧刀具強度和定心能力，兩個外頂尖可有效的刮斷孔周邊的纖維，較少毛刺，但是在加工高強度纖維和低層間強度的復(fù)合材料時，容易產(chǎn)生撕裂的損傷，且兩邊的刀尖切削速度最快，很容易磨損，一旦刀具磨損，制孔質(zhì)量開始明顯下降。山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司公開了一種《用于高級材料的麻花鉆》，專利申請?zhí)?01180020931.2，涉及用于諸如碳纖維增強復(fù)合材料和玻璃纖維增強復(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，使得麻花鉆適合于使得推力最小化，尤其在用于對含纖維的復(fù)合材料進行鉆孔時，并且尤其是在用于手動鉆孔時。該發(fā)明還提議采用大的副橫刃角度有利于復(fù)合材料的加工。此種鉆頭相比麻花鉆可以在一定程度上減少分層缺陷，但是毛刺缺陷會隨著刀具的磨損很快出現(xiàn)，鉆頭的使用壽命較短。

【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產(chǎn)生分層和毛刺缺陷的問題，發(fā)明一種針對碳纖維復(fù)合材料，尤其是應(yīng)對高性能碳纖維復(fù)合材料的制孔刀具。該刀具是一種帶有齒狀微刃的雙頂角結(jié)構(gòu)鉆頭，通過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)，實現(xiàn)了鉆-擴-鉸一體化加工的功能，獲得高尺寸精度的孔，可實現(xiàn)一次性無分層、無毛刺制孔，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)方案是一種用于碳纖維復(fù)合材料制孔的高效專用鉆頭，其特征是，鉆頭由主切削區(qū)A，副切削區(qū)B和刀柄C組成，在主切削區(qū)A與副切削區(qū)B連接處有由若干個微齒X組成的微齒切削區(qū)D ;
[0006]所述的主切削區(qū)A有兩部分切削刃，分別為第一主切削刃I和第二主切削刃2 ;其中，由兩條第一主切削刃I組成的第一頂角α為90° -120°，由四條第二主切削刃2組成的第二頂角β為10° -30° ;兩條第一主切削刃I的徑向最大寬度e小于鉆頭直徑R的一半；由于第一頂角α和第二頂角β的角度不同，構(gòu)成主切削區(qū)A的雙頂角結(jié)構(gòu)；第二主切削刃2與副切削刃3是由同一個螺旋槽形成的；
[0007]所述的副切削區(qū)中，副切削刃3為左旋螺紋，螺旋角ω為5° -10°，且副切削刃前角T為10° -30° ;副切削刃3所在位置的刀具直徑是鉆頭直徑R ;
[0008]所述的由若干個微齒X組成的微齒切削區(qū)D中，第二主切削刃2上微齒X數(shù)量1-3個，副切削刃3上微齒X數(shù)量2-4個；副切削刃3上的微齒X數(shù)量比第二主切削刃2上的微齒X數(shù)量要多；
[0009]每個微齒X上部齒切線與副切削刃2的夾角Θ范圍為75° -90° ;每個微齒X下部齒切線與副切削刃2的夾角Φ范圍為100° -130° ;微齒高度b為0.3-0.8mm，微齒深度d為微齒高度1.5倍-2倍；每條切削刃上的微齒X沿刀具軸線的陣列距離c為微齒高度
2-4 倍。
[0010]本發(fā)明的效果和益處是高效專用鉆頭通過采用雙頂角和微齒結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了鉆-擴-鉸一體化加工的功能，獲得高尺寸精度的孔，減少了工序，降低鉆削軸向力，減少分層缺陷。切削出口處彎曲的未切斷纖維回彈至刀刃上的微齒結(jié)構(gòu)中，被后續(xù)切削刃切斷，減小了毛刺。陣列排布的微齒結(jié)構(gòu)，可多次反復(fù)切削毛刺，提高了鉆頭的使用壽命。避免了頻繁換刀，降低了使用成本，提高了加工效率。
【附圖說明】
[0011]圖1為尚效專用鉆頭的主視圖；圖2尚效專用鉆頭的左側(cè)視圖；圖3尚效專用鉆頭的微齒結(jié)構(gòu)圖；其中一第一主切削刃，2 —第二主切削刃，3 —副切削刃，α —第一頂角，β 一第二頂角，Y —副切削刃前角，ω —螺旋角，a —橫刃，b—微齒尚度，c 一陣列距尚，d—微齒深度，Θ —微齒上部齒切線與副切削刃2的夾角，Φ —微齒下部齒切線與副切削刃2的夾角，e 一兩條第一主切削刃的徑向最大寬度，A 一主切削區(qū)，B 一副切削區(qū)，C —刀柄，D —微齒切削區(qū)，X —微齒，R-鉆頭直徑。
[0012]圖4為本發(fā)明鉆頭和可商購鉆具的孔壁表面粗糙度值對比圖，其中，1-鉆具#1，
2-鉆具#2，橫坐標表示加工的孔數(shù)，縱坐標表示加工孔壁粗糙度Ra，單位mm。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的具體實施。
[0014]如