一種碳纖維增強復(fù)合材料高質(zhì)量制孔的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，涉及一種碳纖維增強復(fù)合材料高質(zhì)量制孔的專用鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)以其優(yōu)良的力學(xué)性能，已廣泛應(yīng)用于先進飛機零件的制造，如先進的波音787和空客A350XWB，其復(fù)合材料用量已經(jīng)高達50%以上，大幅減輕了飛機結(jié)構(gòu)重量，提高了飛機的燃油經(jīng)濟性。然而，復(fù)合材料雖然可實現(xiàn)整體制造較大的零件，但零件和零件之間不可避免的需要進行連接，才能裝配成部件，而上述飛機用復(fù)合材料零件之間的連接一般都是通過鉚接、螺接的方式進行機械連接，因而必須對復(fù)合材料零件進行制孔加工。由于CFRP主要是由碳纖維增強相以及樹脂基體相構(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)合強度遠(yuǎn)低于其他方向。鉆孔時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，頂開最外面幾層材料，產(chǎn)生分層損傷，并因無法切斷纖維導(dǎo)致纖維彎曲，引發(fā)撕裂和毛刺等損傷。同時，由于碳纖維增強相極硬，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。特別對于大尺寸零件之間的連接一般孔徑大，厚度大，其制孔過程中，切削溫度高，軸向力大，更易發(fā)生分層等損傷，已成為航空復(fù)合材料裝備制造中的技術(shù)瓶頸之一。
[0003]國內(nèi)外研究表明刀具的幾何結(jié)構(gòu)是影響CFRP制孔質(zhì)量的重要因素，為克服上述問題，實現(xiàn)CFRP的大孔徑、大厚度孔的高質(zhì)量加工，國內(nèi)外研究人員開發(fā)了多種不同結(jié)構(gòu)幾何形式的制孔刀具，這些刀具有各自的優(yōu)缺點。周安善、柳德春發(fā)明的“新副刃多刃尖航空鉆”專利申請?zhí)?00910132775.3，它涉及一種新副刃多刃尖航空鉆，針對鈦合金、高強度碳纖維增強復(fù)合材料，提出了一種改進的麻花鉆，設(shè)有中心和兩側(cè)共三個鉆尖，以及微階梯和凹槽結(jié)構(gòu)，相對麻花鉆，且在小孔鉆削時，可提尚制孔質(zhì)量和刀具壽命，然而針對大厚板，其鉆尖的長橫刃和大頂角，會產(chǎn)生很大的軸向力，導(dǎo)致制孔出口的纖維延纖維方向大幅開裂，在此情況下，外端的兩個切削刃進行切削時，又會進一步頂開已經(jīng)開裂的纖維，導(dǎo)致?lián)p傷嚴(yán)重；同時，切削刃最外端切削線速度最大，易造成最外端的突出的切削刃尖急速磨損，刀具壽命低，加劇損傷。大連理工大學(xué)賈振元等人發(fā)明了“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?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。然而，此刀具的切削刃較長，加工較厚的復(fù)合材料板時，切肩難以排出，導(dǎo)致切削過程中溫度較高，容易造成熱損傷和出口的撕裂損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服大厚度纖維增強復(fù)合材料大尺寸孔的一次性制孔中出口易產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂等損傷的問題，發(fā)明一種碳纖維增強復(fù)合材料高質(zhì)量制孔的專用鉆頭。該專用鉆頭是一種具有微齒結(jié)構(gòu)的雙刃小頂角右旋鉆頭，鉆尖每個主切削刃具有兩個后刀面，兩主切削刃形成小頂角結(jié)構(gòu)及較短橫刃，主切削刃的前角修磨一致，副切削刃有微齒結(jié)構(gòu)，副切削刃的中間部位變徑，可實現(xiàn)大厚度纖維增強復(fù)合材料大尺寸孔的一次性高質(zhì)量、高效率加工。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種碳纖維增強復(fù)合材料高質(zhì)量制孔的專用鉆頭，此專用鉆頭具有由主切削刃(I)包絡(luò)線形成的主切削區(qū)(A)、夾持區(qū)(C)、由主切削刃(I)末端及夾持區(qū)(C)初始位置為包絡(luò)線形成的副切削區(qū)(B)、變徑區(qū)(D)及微齒切削區(qū)(E)，其特征是，此專用鉆頭是一種具有微齒結(jié)構(gòu)的雙刃小頂角右旋鉆頭，鉆尖每個主切削刃具有兩個后刀面，兩主切削刃形成小頂角結(jié)構(gòu)及較短橫刃，主切削刃的前角修磨一致，副切削刃有微齒結(jié)構(gòu)，副切削刃的中間部位變徑;專用鉆頭的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下:
[0006]主切削區(qū)(A)的每條切削刃具有兩個后刀面(8)和(9)，刀具直徑為D1，頂角(α)在85°-90°之間，橫刃長在0.1-0.6mm之間，主切削刃(I)的前角(γ )經(jīng)修磨后為定值，前角(Y)在15°-20°之間，主切削刃(I)的第一后角(Ct1)在10°-12°之間，主切削刃(I)的第二后角(Q2)在15°-25°之間，第一后角(Ct1)與第二后角(Ct2)的比值在0.4-0.5之間，且第二后刀面
(9)面積為第一后刀面(8)面積的4-6倍;變徑區(qū)(D)位于副切削區(qū)(B)中，變徑區(qū)(D)的直徑為D2,其取值在(0.98-0.99瓜之間，變徑區(qū)(D)開始變徑的位置與鉆尖間的軸向距離(b)大于最上端微齒到鉆尖的距離(a)與所加工的碳纖維增強復(fù)合材料板厚的和，變徑區(qū)(D)的軸向長度在3_4mm之間;排肩槽的螺旋角在30° -34°之間；
[0007]微齒切削區(qū)(E)位于副切削區(qū)(B)的副切削刃(2)上，微齒切削區(qū)(E)由若干個微齒
(4)組成;微齒(4)在同一條副切削刃(2)上輪廓結(jié)構(gòu)相同，其投影輪廓為橢圓形或圓形;微齒(4)沿每條副切削刃(2)分布有3-5個，在每條副切削刃(2)上分布數(shù)量相同，且軸向位置相同；離鉆尖最近的微齒(4)與主切削區(qū)(A)結(jié)束的位置距離在1-1.5mm之間，微齒軸線(6)與刀具軸線(5)間夾角(β)為90°至100°，微齒繞鉆頭軸線呈螺旋線分布，微齒上齒邊與刀具軸線(5)的夾角(δ)在85°至100°之間，微齒下齒邊與刀具軸線(5)的夾角(ε)在110°至125°之間。
[0008]本發(fā)明的效果和益處是專用鉆頭具有小頂角結(jié)構(gòu)和短橫刃，降低鉆削軸向力，減少分層;修磨后具有相同前角的主切削刃，更有利于切斷纖維，進一步減小了分層等損傷；副切削刃上的微齒結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了在制孔過程中產(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，降低了形成終孔時的撕裂損傷;右旋的螺旋槽有利于出口處材料的切削以及排肩，降低了切削溫度;主切削刃的兩個后刀面的后角相差較大，減少了專用鉆頭與工件間的摩擦，降低了切削溫度，提高了工件加工質(zhì)量;采用變徑結(jié)構(gòu)，減小了鉆削最終成型階段，孔入口側(cè)的振動，提高了孔徑精度和入口質(zhì)量。
【附圖說明】
[0009]圖1為一種碳纖維增強復(fù)合材料高質(zhì)量制孔的專用鉆頭的主視圖；圖2a)為主視圖中微齒切削區(qū)E的局部放大視圖，圖2b)為左視圖中微齒切削區(qū)E的局部放大視圖；圖3為主視圖中鉆尖的局部放大視圖；圖4為圖3的A-A剖視圖；圖5為專用刀具的仰視圖。其中，A-主切削區(qū)，B-副切削區(qū)，C-夾持區(qū)，D-變徑區(qū)，E-微齒切削區(qū)，1-主切削刃，2-副切削刃，3-副切削刃末端，4-微齒，5-專用鉆頭的軸向線，6-微齒軸向線，7-橫刃，8-主切削刃I第一后刀面，9-主切削刃I第二后刀面，α-頂角，β_微齒旋向角，γ -鉆頭前角，δ-微齒上齒邊與專用鉆頭軸線的夾角，ε_微齒下齒邊與專用鉆頭軸線夾角，Ci1-鉆頭第一后角，Ci2-鉆頭第二后角，a_最上端微齒與鉆尖間的軸向距離，b-變徑區(qū)D的初始位置與鉆尖間的軸向距離，C-微齒間距，d-微齒寬,D1-副切削區(qū)B的軸徑，D2-變徑區(qū)D的軸徑。
[0010]圖6為采用專用鉆頭加工的入口