[发明专利]一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头

说明书

技术领域

本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头，该刀具是具有双顶角和微齿结构的多刃刀具，特别适合于高性能碳纤维增强复合材料的一次性高质量、高效率加工。

背景技术

碳纤维复合材料具有高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀和优异的可设计性等优良的综合性能，广泛应用于航空航天结构设计中。钻孔是碳纤维复合材料零件制造过程中工作量最繁重的机械加工之一，例如一架波音747飞机有三百多万个连接孔。然而由于材料的层间强度低，钻孔时极易在出口处产生分层、撕裂等缺陷，且基体相导热性不好，碳纤维硬度高，使得刀具磨损快，采用普通麻花钻很难加工无分层、无毛刺缺陷的孔。国内外针对碳纤维复合材料切削加工刀具的研究表明，刀具材料中高速钢不适合碳纤维复合材料的加工，聚晶金刚石刀具可提高钻削刀具的寿命，但是其价格昂贵，且只能用于平稳钻削的过程。硬质合金具有较好的强度和韧性，可以满足碳纤维复合材料的加工需求，但是硬质合金普通麻花钻仍难以满足高质高效的制孔需求。

刀具的几何结构是影响复合材料制孔质量和刀具寿命的重用因素，国内外针对碳纤维复合材料设计了各种几何形状的钻头，这些钻头有各自的优缺点。如西安飞机工业有限公司的公开了一种《具有锥形过渡区的新型钻头》，专利申请号200320125153.6，与普通麻花钻相比，在钻头的钻杆和头部之间增加了刀刃的锥形过渡区，使得钻头在薄壁制件上钻孔的原理和过程发生很大的变化，一定程度上消除了普通钻头钻孔经常产生的孔出口边缘分层、拉毛，但这种钻头钻尖处刚度较低，容易产生振动，导致孔的粗糙度和精度难以保证。又如苏州阿诺精密切削技术股份有限公司的专利《低横刃钻头》，专利申请号201310104178.6，这种钻头的头部开有两个排屑槽，其与刀背在轴向方向上的交线分别形成两个主切削刃，主要特点是三个顶尖，中间的顶尖比两边的低，这样的设计可以兼顾刀具强度和定心能力，两个外顶尖可有效的刮断孔周边的纤维，较少毛刺，但是在加工高强度纤维和低层间强度的复合材料时，容易产生撕裂的损伤，且两边的刀尖切削速度最快，很容易磨损，一旦刀具磨损，制孔质量开始明显下降。山特维克知识产权股份有限公司公开了一种《用于高级材料的麻花钻》，专利申请号201180020931.2，涉及用于诸如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料的钻孔的麻花钻，提出设有可变螺旋具有限定的起始螺旋角度和终点螺旋角度，以与主离隙角度和副离隙角度结合，使得麻花钻适合于使得推力最小化，尤其在用于对含纤维的复合材料进行钻孔时，并且尤其是在用于手动钻孔时。该发明还提议采用大的副横刃角度有利于复合材料的加工。此种钻头相比麻花钻可以在一定程度上减少分层缺陷，但是毛刺缺陷会随着刀具的磨损很快出现，钻头的使用寿命较短。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服碳纤维复合材料在制孔中容易产生分层和毛刺缺陷的问题，发明一种针对碳纤维复合材料，尤其是应对高性能碳纤维复合材料的制孔刀具。该刀具是一种带有齿状微刃的双顶角结构钻头，通过主切削刃的双顶角结构，主切削刃和副切削刃连接部位的微齿结构，实现了钻-扩-铰一体化加工的功能，获得高尺寸精度的孔，可实现一次性无分层、无毛刺制孔，并可提高钻头的使用寿命，降低使用成本。

本发明采用的技术方案是一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头，其特征是，钻头由主切削区A，副切削区B和刀柄C组成，在主切削区A与副切削区B连接处有由若干个微齿X组成的微齿切削区D；

所述的主切削区A有两部分切削刃，分别为第一主切削刃1和第二主切削刃2；其中，由两条第一主切削刃1组成的第一顶角α为90°-120°，由四条第二主切削刃2组成的第二顶角β为10°-30°；两条第一主切削刃1的径向最大宽度e小于钻头直径R的一半；由于第一顶角α和第二顶角β的角度不同，构成主切削区A的双顶角结构；第二主切削刃2与副切削刃3是由同一个螺旋槽形成的；

所述的副切削区中，副切削刃3为左旋螺纹，螺旋角ω为5°-10°，且副切削刃前角γ为10°-30°；副切削刃3所在位置的刀具直径是钻头直径R；

所述的由若干个微齿X组成的微齿切削区D中，第二主切削刃2上微齿X数量1-3个，副切削刃3上微齿X数量2-4个；副切削刃3上的微齿X数量比第二主切削刃2上的微齿X数量要多；