一种复合材料螺旋铣孔专用刀具

1.本发明涉及螺旋铣孔专用刀具技术领域，特别是涉及一种复合材料螺旋铣孔专用刀具。


背景技术：

2.碳纤维复合材料(carbonfiberreinforcedpolymer，cfrp)，具有密度低、比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、成本低的优点，在航空航天行业得到了广泛的应用。但是碳纤维复合材料属于典型的航空难加工材料，可切削加工性极差。传统的钻孔技术容易产生分层、毛刺的等技术问题，加工质量较差。
3.采用传统立铣刀进行螺旋铣孔加工中，刀具进行自身高速旋转的同时沿着螺旋轨迹进给，在材料上加工出一个直径大于刀具自身的圆孔。其相对于传统钻孔具有以下优势：1)加工质量好，复合材料出口分层减少，加工尺寸精度得到改善。2)螺旋铣孔加工中相对于传统钻孔的“钻－扩－铰”方法，工艺流程短，加工效率高。3)螺旋铣孔加工过程中，通过改变偏心量可以实现一把刀具加工多种孔径，降低刀具成本。4)螺旋铣孔加工过程中，刀具直径比孔小，更利于切屑的排出。
4.螺旋铣孔技术的核心是螺旋铣孔刀具，由于制孔的加工方式不同，导致螺旋铣孔刀具与传统刀具有很大区别。
5.如申请公布号为cn112453532a的专利文献公开了一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具及其加工方法，属于螺旋铣孔工具，解决了现有螺旋铣孔刀具加工碳纤维复合材料时，工件材料损坏严重及刀具磨损加剧的问题。切削部包括依次连接的前端铣孔区、过渡扩孔区和后段切削区；前端铣孔区直径小于后段切削区直径，前端铣孔区和后段切削区之间采用过渡扩孔区平滑过渡；前端铣孔区为端铣刀结构，前端铣孔区设置有多条沿刀具轴线方向进给切削的底部切削刃，过渡扩孔区的外表面、后段切削区外表面分别设有与底部切削刃等数量且依次平滑连接的过渡切削刃和侧切削刃。首先由底部切削刃加工出一个孔，然后随着刀具轴向的进给过渡切削刃不断将孔的直径扩大，最后由侧切削刃将孔加工至最终孔径。但是该刀具局限在刀具轨迹螺旋铣的导程小于过渡扩孔区长度的50％，并且端刃中心不参与切削部分还会对碳纤维复合材料造成挤压，产生轴向力，制孔损伤依旧存在。
6.如申请公布号为cn111408777a的专利文献公开了一种碳纤维复合材料螺旋铣削用阶梯型双向立铣刀及磨制方法，涉及切削刀具技术领域，具体方案如下：一种碳纤维复合材料螺旋铣削用阶梯型双向立铣刀，包括刀头和柄体，所述刀头的顶端设置有两对各呈中心对称分布的二段折线式切削刃ⅰ，所述刀头外圆周面沿轴向均布设置有四条旋向一致的螺旋槽，每相邻螺旋槽之间的螺旋板从上至下依次划分为正向切削区、过渡区和反向切削区，所述正向切削区设置有切削刃ⅱ，所述过渡区呈向内凹的圆弧状，所述反向切削区呈向外凸的圆弧状并设置有切削刃ⅲ，所述反向切削区与柄体连接。但是该刀具具有正向切削和反向切削两种运功过程，并且在反向加工之前要再一次调整偏心距，加工效率低。
7.如申请公布号为cn113441774a的专利文献公开了一种球头铣刀，包括刀柄和位于刀柄一端的刀头加工部，所述刀头加工部前端头呈球头状，所述刀头加工部包括端部主切削刃和侧部切削刃，所述端部主切削刃之间设置有端部排屑槽，相邻侧部切屑刃之间设置有侧部排屑槽，所述端部主切削刃的数量为两条，两条端部主切削刃之间设置有顺滑的弧形横刃，使得两条端部主切削刃通过弧形横刃呈平滑的弧线过渡。该刀具并未从复合材料加工质量方向对球头铣刀进行改进，并且没有解决侧刃利用率低的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种复合材料螺旋铣孔专用刀具，解决复合材料加工时，侧刃利用率低、制孔质量差和精度无法保证等问题。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
10.本发明提供了一种复合材料螺旋铣孔专用刀具，包括依次连接的切削部、颈部和刀杆，所述切削部包括端刃铣削区和侧刃精加工区，所述端刃铣削区的半径小于所述侧刃精加工区的半径，所述端刃铣削区设有周向均匀分布的若干个相同的刀齿，各所述刀齿的前端形成凹槽，所述侧刃精加工区设有与各所述刀齿后端相连接的若干个侧刃，所述颈部设置有与各所述侧刃平滑连接的容屑槽，所述颈部与所述刀杆连接。
11.优选地，各所述刀齿均包括依次连接的内切削刃、中切削刃和外切削刃，所述内切削刃和所述中切削刃相交于切削刃转折点，所述中切削刃和所述外切削刃相交于中刀尖点，所述外切削刃和所述侧刃相交于外侧刀尖点，各所述内切削刃的前端形成锥形槽。
12.优选地，所述内切削刃为直线刃，所述中切削刃为曲线刃，所述外切削刃为直线刃。
13.优选地，各所述内切削刃的前端相交于所述复合材料螺旋铣孔专用刀具的轴线。
14.优选地，所述内切削刃、所述中切削刃、所述外切削刃均为双重后刀面，所述内切削刃第一后刀面为曲面，所述中切削刃第一后刀面为曲面，所述外切削刃第一后刀面为平面，所述内切削刃第二后刀面、所述中切削刃第二后刀面、所述外切削刃第二后刀面形成同一曲面。
15.优选地，所述侧刃精加工区的径向投影呈圆弧形，且和所述复合材料螺旋铣孔专用刀具的轴线方向相切。
16.优选地，各所述侧刃靠近所述端刃铣削区的参数与各所述侧刃靠近所述颈部的参数一致。
17.优选地，相邻的所述侧刃之间设有螺旋槽，所述螺旋槽与所述容屑槽连通。
18.优选地，所述颈部的半径小于所述侧刃精加工区半径。
19.优选地，所述颈部的半径小于所述刀杆的半径。
20.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
21.本发明的复合材料螺旋铣孔专用刀具，首先采用端刃铣削区域铣削碳纤维复合材料，端刃铣削区域由直线刃和曲线刃构成，该结构使得切屑形态更小，易于排除，然后随着刀具的轴向进给，侧刃精加工区不断剔除孔壁材料，直至加工到最终孔径，侧刃精加工区域由曲线刃构成，该结构能提高侧刃利用率，曲线侧刃随着进给，逐步扩大孔壁。本发明能进一步降低端刃产生的轴向力，减少复合材料分层、撕裂损伤现象的产生，提高制孔质量。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明的复合材料螺旋铣孔专用刀具的结构示意图；
24.图2为本发明的端刃铣削区俯视图；
25.图3为图2的a-a剖视图；
26.图4为本发明的切削部主视图；
27.图5为本发明的切削部立体示意图；
28.图6为采用本发明的复合材料螺旋铣孔专用刀具加工过程示意图一；
29.图7为采用本发明的复合材料螺旋铣孔专用刀具加工过程示意图二；
30.图8为采用本发明的复合材料螺旋铣孔专用刀具加工过程示意图三；
31.图9为采用本发明的复合材料螺旋铣孔专用刀具加工过程示意图四；
32.图10为采用本发明的复合材料螺旋铣孔专用刀具加工过程示意图五；
33.其中：100.复合材料螺旋铣孔专用刀具，1.端刃铣削区，2.侧刃精加工区，3.排屑槽，4.颈部，5.刀杆，6.锥形槽，7.内切削刃，8.中切削刃，9.外切削刃，10.侧刃第一后刀面，11.轴线，12.侧刃，13.切削刃第一转折点，14.切削刃第二转折点，15.外侧刀尖点，16.侧刃底部端点，17.内切削刃第一后刀面，18.中切削刃第一后刀面，19.外切削刃第一后刀面，20.第二后刀面，21.侧刃第二后刀面，22.端刃铣削区刀具中点，23.工件，24.端刃侧刃交接点，25.侧刃加工区中点，26.侧刃完全进入点，27.刀具加工完成点。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明的目的是提供一种复合材料螺旋铣孔专用刀具，解决复合材料加工时，侧刃利用率低、制孔质量差和精度无法保证等问题。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.如图1至图5所示：本实施例提供了一种复合材料螺旋铣孔专用刀具100，包括依次连接的切削部、颈部4和刀杆5，切削部的长度为10mm，颈部4的长度为15mm、刀杆5的长度为40mm，切削部包括端刃铣削区1和侧刃精加工区2，端刃铣削区1的长度为2mm，侧刃精加工区2的长度为8mm，端刃铣削区1的半径小于侧刃精加工区2的半径，能够提高侧刃12利用率，用侧刃精加工区2的侧刃12加工出孔壁，提高制孔质量，颈部4的半径小于侧刃精加工区2半径，颈部4的半径小于刀杆5的半径，利于刀杆5加持，端刃铣削区1设有周向均匀分布的四个相同的刀齿，各刀齿的前端形成凹槽，凹槽优选为锥形槽6，使得刀具中心不参与切削，降低中心区域产生的轴向力，侧刃精加工区2设有与各刀齿后端相连接的四个侧刃12，颈部4设
置有与各侧刃12平滑连接的四个螺旋形排屑槽3，利于侧刃精加工区2产生的切屑排出，颈部4的后端与刀杆5连接。本实施例通过改变端刃和侧刃12结构，优化了传统螺旋铣孔的过程，进一步降低制孔时产生的轴向力，进而提高制孔质量。
38.具体地，本实施例中，各刀齿均包括依次连接的内切削刃7、中切削刃8和外切削刃9，内切削刃7和中切削刃8相交于切削刃转折点(切削刃第一转折点13)，中切削刃8和外切削刃9相交于中刀尖点(切削刃第二转折点14)，外切削刃9和侧刃12相交于外侧刀尖点15，外切削刃9与侧刃第一后刀面10平滑连接。侧刃第一后刀面10和侧刃第二后刀面21构成了侧刃双重后刀面结构，可以增加切削刃强度，减少与工件之间的磨损，降低崩刃发生的几率。端刃铣削区1中，中切削刃8圆弧半径为5mm，端刃铣削区1半径最大为4mm且与侧刃精加工区2最小半径相等，侧刃精加工区2最大半径为5mm。
39.本实施例中，内切削刃7为直线刃，中切削刃8为曲线刃，外切削刃9为直线刃，能够减小切屑大小，使切屑更容易排出。内切削刃7、中切削刃8、外切削刃9均为双重后刀面，内切削刃第一后刀面17为曲面，中切削刃第一后刀面18为曲面，外切削刃第一后刀面19为平面，内切削刃第二后刀面、中切削刃第二后刀面、外切削刃第二后刀面为一整个曲面，即第二后刀面20。
40.本实施例中，各内切削刃7的前端相交于复合材料螺旋铣孔专用刀具100的轴线11，各内切削刃7的前端与复合材料螺旋铣孔专用刀具100的轴线11夹角为65
°
，四个内切削刃7形成的锥形槽6的顶角为130
°
。中切削刃8的半径与复合材料螺旋铣孔专用刀具100的半径相同。外切削刃9与中切削刃8切线方向夹角为12
°
。外侧刀尖点至复合材料螺旋铣孔专用刀具100的轴线11距离应小于侧刃12底部端点至复合材料螺旋铣孔专用刀具100的轴线11距离。
41.本实施例中，侧刃精加工区2的径向投影(指在复合材料螺旋铣孔专用刀具100轴线11所在面的投影)呈圆弧型，即图3中外侧刀尖点15和侧刃底部端点16之间的圆弧部分，并且和复合材料螺旋铣孔专用刀具100轴线11方向相切，切点是侧刃12底部端点，即图3中侧刃底部端点16。
42.本实施例中，各侧刃12为曲线刃，相邻的侧刃12之间设有螺旋槽，螺旋槽与排屑槽3连通，各侧刃12靠近端刃铣削区1的参数(前角、第一后角、第二后角、排屑槽半径)与各侧刃12靠近颈部4的参数一致，使侧刃精加工区2的相邻侧刃12间的螺旋槽平滑，易于切屑排出。
43.如图4至图5所示，内切削刃7刃口呈直线型、中切削刃8刃口呈曲线型、外切削刃9刃口呈直线型，多种刃型相组合。切削刃第一转折点13与复合材料螺旋铣孔专用刀具100的轴线11的距离为1.0mm，切削刃第二转折点14与复合材料螺旋铣孔专用刀具100的轴线11的距离为2.5mm，外侧刀尖点15与复合材料螺旋铣孔专用刀具100的轴线11的距离为4.0mm。
44.如图6所示，将端刃铣削区1近似看作一个弓形结构，偏心距e为端刃铣削区刀具中点22所在直线与轴线11之间的距离，端刃铣削区1首先接触工件23，进行初孔的加工，加工形貌为圆弧型，随着刀具的轴向进给，端刃铣削部完全进入工件23，即端刃侧刃交接点24与工件23接触，如图7所示。同时，侧刃精加工区2的侧刃12开始接触工件23，进行精加工的步骤，如图8所示，侧刃加工区中点25与工件23接触。
45.如图9所示，侧刃12完全接触工件23，侧刃12最底部开始加工最终孔，侧刃底部端
点16与侧刃完全进入点26重合，剔除孔壁材料；随着刀具的轴向进给，孔壁材料逐渐被侧刃12切除，能有效地防止毛刺现象的产生。随着侧刃精加工区2切除掉孔出口区由轴向力产生的分层，制孔过程结束，侧刃底部端点16与刀具加工完成点27重合，如图10所示。
46.本实施例通过对刀具端刃和侧刃12结构的改变，引入曲线刃，能够在铣削过程中，发挥侧刃12精加工的优势，提高制孔质量。锥形槽6能有效地减小刀具中心区域对复合材料的挤压，降低螺旋铣孔过程中产生的轴向力，从而减少分层及毛刺现象的产生。内切削刃7、中切削刃8和外切削刃9均采用双重后刀面的形式，能有效增加切削部分强度，增大散热面积，同时抑制切削过程中产生的振动。
47.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种复合材料螺旋铣孔专用刀具，其特征在于：包括依次连接的切削部、颈部和刀杆，所述切削部包括端刃铣削区和侧刃精加工区，所述端刃铣削区的半径小于所述侧刃精加工区的半径，所述端刃铣削区设有周向均匀分布的若干个相同的刀齿，各所述刀齿的前端形成凹槽，所述侧刃精加工区设有与各所述刀齿后端相连接的若干个侧刃，所述颈部设置有与各所述侧刃平滑连接的容屑槽，所述颈部与所述刀杆连接。2.根据权利要求1所述的复合材料螺旋铣孔专用刀具，其特征在于：各所述刀齿均包括依次连接的内切削刃、中切削刃和外切削刃，所述内切削刃和所述中切削刃相交于切削刃转折点，所述中切削刃和所述外切削刃相交于中刀尖点，所述外切削刃和所述侧刃相交于外侧刀尖点，各所述内切削刃的前端形成锥形槽。3.根据权利要求2所述的复合材料螺旋铣孔专用刀具，其特征在于：所述内切削刃为直线刃，所述中切削刃为曲线刃，所述外切削刃为直线刃。4.根据权利要求2所述的复合材料螺旋铣孔专用刀具，其特征在于：各所述内切削刃的前端相交于所述复合材料螺旋铣孔专用刀具的轴线。5.根据权利要求2所述的复合材料螺旋铣孔专用刀具，其特征在于：所述内切削刃、所述中切削刃、所述外切削刃均为双重后刀面，所述内切削刃第一后刀面为曲面，所述中切削刃第一后刀面为曲面，所述外切削刃第一后刀面为平面，所述内切削刃第二后刀面、所述中切削刃第二后刀面、所述外切削刃第二后刀面形成同一曲面。6.根据权利要求1所述的复合材料螺旋铣孔专用刀具，其特征在于：所述侧刃精加工区的径向投影呈圆弧形，且和所述复合材料螺旋铣孔专用刀具的轴线方向相切。7.根据权利要求1所述的复合材料螺旋铣孔专用刀具，其特征在于：各所述侧刃靠近所述端刃铣削区的参数与各所述侧刃靠近所述颈部的参数一致。8.根据权利要求1所述的复合材料螺旋铣孔专用刀具，其特征在于：相邻的所述侧刃之间设有螺旋槽，所述螺旋槽与所述容屑槽连通。9.根据权利要求1所述的复合材料螺旋铣孔专用刀具，其特征在于：所述颈部的半径小于所述侧刃精加工区半径。10.根据权利要求1所述的复合材料螺旋铣孔专用刀具，其特征在于：所述颈部的半径小于所述刀杆的半径。

技术总结
本发明公开了一种复合材料螺旋铣孔专用刀具，涉及螺旋铣孔专用刀具技术领域，包括依次连接的切削部、颈部和刀杆，所述切削部包括端刃铣削区和侧刃精加工区，所述端刃铣削区的半径小于所述侧刃精加工区的半径，所述端刃铣削区设有周向均匀分布的若干个相同的刀齿，各所述刀齿的前端形成凹槽，所述侧刃精加工区设有与各所述刀齿后端相连接的若干个侧刃，所述颈部设置有与各所述侧刃平滑连接的容屑槽，所述颈部与所述刀杆连接。本发明通过改变端刃和侧刃结构，优化了传统螺旋铣孔的过程，进一步降低制孔时产生的轴向力，进而提高制孔质量。进而提高制孔质量。进而提高制孔质量。


技术研发人员：周兰 朱瑞彪 钟云 安国升 董洪峰
受保护的技术使用者：中核四0四有限公司 陕西理工大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/1