用于疊層結構零件整體制孔的多階梯多刃刀具制造技術

本發明專利技術用于疊層結構零件整體制孔的多階梯多刃刀具屬于機械加工中鉆削工具技術領域，涉及一種疊層結構零件高質量整體制孔的多階梯多刃刀具。刀具具有此刀具具有由預鉆孔主切削刃包絡線形成的預鉆孔切削區、擴孔主切削刃包絡線形成的擴孔切削區、包絡線為金屬終孔尺寸的金屬鉸孔切削區、包絡線為復材終孔尺寸的復材鉸孔切削區、變徑區和夾持區構成了刀具的多階梯多刃結構，每級階梯具有特定的刃型、螺旋角和刀徑。該刀具是一種具有鉆、擴、鉸功能為一體的多階梯多刃鉆頭，特別適用于碳纖維增強復合材料或金屬疊層結構零件的加工，高質量、高效率整體低損傷制孔，降低生產成本，提高加工效益。

Multi step and multi edge cutting tool for integral structure part hole making

The utility model relates to a multi step multi edge cutter for the integral hole making of a laminated structural part, which belongs to the technical field of drilling tools in mechanical processing. This tool has a tool with pre drilled main cutting edge of envelope formation of pre drilled cutting area, expanding the main cutting edge envelope formed by cutting reaming area, the envelope for the final hole size of the metal metal hinge hole cutting area, envelope for the composite end hole size composite reaming cutting area, reducing area and the clamping area constitutes a tool multi step multi blade structure, each step has the edge type, specific helix angle and cutter diameter. The tool is a kind of drilling expansion joints function as one of the multi step multi drill, especially suitable for the processing of carbon fiber reinforced composite laminated structure or metal parts, high quality and high efficiency low damage drilling, reduce production costs, improve processing efficiency.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于機械加工中鉆削工具
，涉及一種疊層結構零件高質量整體制孔的多階梯多刃刀具。
技術介紹
減輕重量是航空飛機、航天飛行器提高巡航、運載能力的必要手段，碳纖維增強復合材料(復材)具有輕質、高強等優點，其應用可以減輕結構重量，減少制造周期，被廣泛應用于航空、航天裝備的構件制造。然而復材構件層間方向承載能力差，不能承受多向復雜載荷，因此在一些部位只能采用輕質、高強的金屬。為了最終的裝配，復材與金屬構件通常采用搭接的形式，形成疊層結構零件，并采用鏍接、鉚接的方式進行機械連接。這種連接方式的前提是必須進行整體制孔。然而碳纖維增強復合材料/金屬疊層結構零件中，材料性能差異巨大，其中碳纖維增強復合材料的碳纖維增強相極硬，而層間結合力弱，鉆削加工時易造成碳纖維增強復合材料的撕裂、分層等損傷，且刀具磨損嚴重；而金屬，特別是鈦合金，其強度高、熱導率低、高溫化學活性高，加工時易出現入口毛刺、飛邊，孔徑不圓或傾斜等缺陷，刀具易出現黏刀、崩刃等現象；另外，切削金屬產生的切屑形貌及排出路徑極難控制，極易劃傷復材孔壁，導致撕裂、分層等損傷，同時，切削金屬產生的高溫以及高溫切屑，易造成材料結合部位的復材和復材孔壁的燒傷。可見，碳纖維增強復合材料/金屬疊層結構零件的高質量整體制孔極其困難，是航空、航天裝備制造中的技術瓶頸之一。切削制孔中，切削刀具的幾何結構是影響制孔質量的關鍵因素之一，為克服上述碳纖維增強復合材料/金屬疊層結構零件的高質量整體制孔質量差的問題，國內外開發了多種不同結構幾何形式的疊層結構材料的制孔刀具。江西杰浩硬質合金工具有限公司公開申請了一種“加工碳素纖維增強復合材料與鈦合金疊層板的鉆頭”，申請號：201220592135.8，它涉及用于疊層材料的制孔的具有多頂角的切削刀具，提出在鉆尖部的鉆尖角為三頂角設計，刀具通過徑向大前角開槽，非常鋒利，較好的解決了復材加工中由于軸向力過大引發的分層、撕裂等損傷問題，然而，這種刀具存在在加工過程中不能保證金屬孔壁的粗糙度與孔徑尺寸。日本川崎重工等企業在“SAETechnicalPaper”上發表的《DevelopmentofaDrillBitforCFRP/Aluminum-AlloyStack:ToImproveFlexibility,EconomicalEfficiencyandWorkEnvironment》中提出了一種階梯結構鉆疊層刀具，提出了采用較薄的橫刃，變角度切削刃及多階梯結構。此類型刀具主要采用分階段鉆削的思想，通過前段去除大部分材料，保證去除效率，后段少量去除材料，減小金屬切屑尺寸，對復合材料和金屬結合部位的損傷影響小。此類刀具在無冷卻的情況下，依然可以保證刀具壽命，并且可以在任意方向都可以一次加工成型，有效的提高了加工效率。然而，該種刀具在加工過程中不能保證復材毛刺的有效去除，并且也沒有考慮到復材回彈的特性，很難保證加工后孔徑的一致性。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術難題是克服整體鉆削加工碳纖維增強復合材料/金屬疊層結構零件孔時，碳纖維增強復合材料入口易產生分層、毛刺、撕裂等損傷，金屬孔壁粗糙度差，復材與金屬的孔徑一致性差、刀具壽命低等問題，專利技術一種疊層結構零件高質量整體制孔的多階梯多刃刀具。該刀具是一種具有鉆、擴、鉸功能為一體的多階梯多刀刃鉆頭，其具有直徑較小的預鉆孔切削區，直徑稍大的擴孔切削區，擴孔切削區與金屬鉸孔切削區的圓弧過渡段，以及直徑的復材鉸孔切削區與金屬鉸孔切削區，形成多級階梯結構，每級階梯具有特定的刃型、螺旋角和刀徑，特別適合于碳纖維增強復合材料/金屬疊層結構零件的高質量、高效率整體低損傷制孔加工，提高加工效益，降低生產成本。本專利技術采用的技術方案是一種碳纖維增強復合材料/金屬疊層結構零件制孔的多階梯多刃刀具，其特征是此刀具具有由預鉆孔主切削刃1包絡線形成的預鉆孔切削區A、擴孔主切削刃2包絡線形成的擴孔切削區B、包絡線為金屬終孔尺寸的金屬鉸孔切削區C、包絡線為復材終孔尺寸的復材鉸孔切削區D、變徑區E和夾持區F6個區域構成了多階梯多刃結構，每級階梯具有特定的刃型、螺旋角和刀徑。在預鉆孔切削區A有2條預鉆孔主切削刃1和2條預鉆孔副切削刃2，其螺旋角為第一螺旋角α，直徑為D1；預鉆孔切削區A的刀具直徑D1是擴孔切削區B的刀具直徑D2的0.5～0.7倍；擴孔切削區B，有2條擴孔主切削刃3，2條擴孔副切削刃4，其螺旋角也為第一螺旋角α，直徑為D2；擴孔副切削刃4后段采用圓弧曲線與金屬鉸孔切削刃5連接，這段區域為過渡區H，擴孔切削區B的刀具直徑D2是金屬鉸孔切削區C的刀具直徑D3的0.97～0.99倍；金屬鉸孔切削區C有3～4條金屬鉸孔切削刃5，并采用較小的螺旋角β，直徑為D3；金屬鉸孔切削區C的刀具直徑D3為金屬部分終孔尺寸，該區域長度為所加工金屬厚度的1.1～1.5倍，金屬鉸孔切削C加工時不會進入復材部分；復材鉸孔切削區D有5～8條復材鉸孔副切削刃6，其螺旋角為直徑為D4，復材鉸孔切削區D的螺旋角小于金屬鉸孔切削區C的螺旋角β，復材鉸孔切削區D在加工時不會進入金屬部分；復材鉸孔切削區D的刀具直徑D4大于復材部分終孔尺寸，即刀具直徑D4大于金屬鉸孔切削區C的刀具直徑D3，這種結構設計可以消除加工碳纖維增強復合材料/金屬疊層結構零件時由于復材回彈帶來的孔徑誤差；復材鉸孔切削區D的長度為上層被切削復材厚度的0.8～0.9倍。變徑區E在復材鉸孔切削區D的尾端設計為變徑結構，變徑區E的軸向長度為復材鉸孔切削區D軸向長度的1/2，變徑區E的直徑為D5；本專利技術的效果和益處是多階梯多刃刀具的預鉆孔切削區A在復材段實現快速加工出底孔，并保證孔壁留有余量；擴孔切削區B在金屬段通過先鉆后擴同時結合圓弧過渡段，控制切屑形態及流動方向，實現疊層部位的高質量加工；金屬鉸孔切削區C，精加工金屬，保證金屬孔的表面質量，減小劃痕，降低粗糙度；復材鉸孔切削區D，精加工復材，消除孔壁上的燒傷和劃傷，有效去除毛刺，降低形成終孔時的撕裂損傷，考慮到復材的高回彈特點，該部分直徑略大于終孔尺寸，以保證各部分孔徑一致；復材鉸孔切削刃尾端的變徑結構，有效控制鉆削時的振動，提高了入口孔壁的質量。最終實現不同階梯段對疊層結構零件的分階加工。附圖說明圖1為一種碳纖維增強復合材料/金屬疊層結構零件高效制孔的專用刀具的主視圖，圖2為圖1中I-I剖面圖，圖3為圖1中J-J剖面圖，圖4為圖1中K-K剖面圖。其中，A-預鉆孔切削區，B-擴孔切削區，C-金屬鉸孔切削區，D-復材鉸孔切削區，F-夾持區，H-過渡區，E-變徑區，1-預鉆孔主切削刃，2-預鉆孔副切削刃，3-擴孔主切削刃，4-擴孔副切削刃，5-金屬鉸孔副切削刃，6-復材鉸孔副切削刃，7-刀具軸向線，D1-預鉆孔切削區A的刀具直徑，D2-擴孔切削區B的刀具直徑，D3-金屬鉸孔切削區C的刀具直徑，D4-復材鉸孔切削區的D刀具直徑，D5-變徑區E的刀具直徑，α-第一螺旋角，β-金屬鉸孔切削區C的螺旋角，復材鉸孔切削區的螺旋角。具體實施方式下面結合附圖和技術方案詳細說明本專利技術的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于疊層結構零件整體制孔的多階梯多刃刀具，其特征是，此刀具具有由預鉆孔主切削刃(1)包絡線形成的預鉆孔切削區(A)、擴孔主切削刃(2)包絡線形成的擴孔切削區(B)、包絡線為金屬終孔尺寸的金屬鉸孔切削區(C)、包絡線為復材終孔尺寸的復材鉸孔切削區(D)、變徑區(E)和夾持區(F)構成了刀具的多階梯多刃結構，每級階梯具有特定的刃型、螺旋角和刀徑；預鉆孔切削區(A)有2條預鉆孔主切削刃(1)和2條預鉆孔副切削刃(2)，預鉆孔切削區(A)的刀具直徑(D1)是擴孔切削區(B)的刀具直徑(D2)的0.5～0.7倍；預鉆孔切削區(A)的螺旋角為第一螺旋角(α)；擴孔切削區(B)有2條擴孔主切削刃(3)和2條擴孔副切削刃(4)，擴孔副切削刃(4)后段為過渡區(H)，這段區域采用圓弧曲線與金屬鉸孔切削刃(5)連接；擴孔切削區(B)的刀具直徑(D2)是金屬鉸孔切削區(C)的刀具直徑(D3)的0.97～0.99倍；擴孔切削區(B)的螺旋角與預鉆孔切削區(A)的螺旋角相同；金屬鉸孔切削區(C)有3～4條金屬鉸孔切削刃(5)，其螺旋角為(β)，金屬鉸孔切削區(C)的刀具直徑(D3)為金屬部分終孔尺寸，該區域長度為所加工金屬厚度的1.1～1.5倍，金屬鉸孔切削(C)加工時不會進入復材部分；復材鉸孔切削區(D)有5～8條復材鉸孔副切削刃(6)，其螺旋角為(φ)，直徑為(D4)，復材鉸孔切削(D)的螺旋角(φ)小于金屬鉸孔切削區(C)的螺旋角(β)小于第一螺旋角(α)，復材鉸孔切削區(D)在加工時不會進入金屬部分；復材鉸孔切削區(D)的刀具直徑(D4)大于復材部分終孔尺寸，即刀具直徑(D4)大于金屬鉸孔切削區(C)的刀具直徑(D3)，復材鉸孔切削區(D)的長度為復材厚度的0.8～0.9倍；變徑區(E)在復材鉸孔切削區(D)的尾端為變徑結構，變徑區(E)的軸向長度為復材鉸孔切削區(D)軸向長度的1/2，變徑區(E)的直徑為(D5)。...

【技術特征摘要】
1.一種用于疊層結構零件整體制孔的多階梯多刃刀具，其特征
是，此刀具具有由預鉆孔主切削刃(1)包絡線形成的預鉆孔切削區(A)、
擴孔主切削刃(2)包絡線形成的擴孔切削區(B)、包絡線為金屬終孔尺
寸的金屬鉸孔切削區(C)、包絡線為復材終孔尺寸的復材鉸孔切削區
(D)、變徑區(E)和夾持區(F)構成了刀具的多階梯多刃結構，每級階梯
具有特定的刃型、螺旋角和刀徑；
預鉆孔切削區(A)有2條預鉆孔主切削刃(1)和2條預鉆孔副切削
刃(2)，預鉆孔切削區(A)的刀具直徑(D1)是擴孔切削區(B)的刀具直徑
(D2)的0.5～0.7倍；預鉆孔切削區(A)的螺旋角為第一螺旋角(α)；
擴孔切削區(B)有2條擴孔主切削刃(3)和2條擴孔副切削刃(4)，
擴孔副切削刃(4)后段為過渡區(H)，這段區域采用圓弧曲線與金屬鉸
孔切削刃(5)連接；擴孔切削區(B)的刀具直徑(D2)是金屬鉸孔切削區
(C)的刀具直徑(D3)的0.97～0.99倍；擴孔切削區(B)的螺旋角...

【專利技術屬性】
技術研發人員：賈振元，張翀，王福吉，付饒，陳晨，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：遼寧;21