一种用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具

本发明涉及钻削加工设备及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具。

背景技术：

纤维增强陶瓷基复合材料比强度高、比模量高、耐高温、耐磨损且耐腐蚀，能同时满足承载、防热等功能，广泛应用于火箭发动机尾喷管、航空航天飞行器热防护系统及航空发动机热端部件等，在航空航天、国防等尖端领域有及其重要的地位。虽然目前大多数纤维增强陶瓷基复合材料构件是净尺寸成型，但针对具有孔结构、倒角以及复杂形面的构件，预成形很难达到其表面质量和尺寸形状精度等的要求。机械加工仍是实现纤维增强陶瓷基复合材料构件形性协同控制的有效手段。但是，纤维增强陶瓷基复合材料是一种典型的难加工材料，其高硬度导致高切削力、高切削温度和低刀具寿命；材料具有各向异性和非均质性，导致加工不稳定，存在毛刺、崩边、撕裂和分层等加工缺陷；各批次毛坯的不一致性，导致确切工艺无法准确实现预定加工目标。因此，探索并研究纤维增强复合材料高精度、低缺陷制孔工艺尤为必要。

目前，国外针对纤维增强陶瓷基复合材料的钻削加工的研究较少，国内对于此类材料的研究大部分也仅为使用常规刀具进行探索性机械加工试验。在实际加工过程中，往往直接使用硬质合金钻头或pcd钻头进行钻孔加工，制得的孔的合格率很低，分层、毛刺、崩边、挤裂、纤维拔出等缺陷非常严重，同时刀具寿命很低，这使得纤维增强陶瓷基复合材料的加工成本急剧上升。

因此，如何改变现有技术中，纤维增强陶瓷基复合材料无专用加工刀具导致加工缺陷严重以及加工成本高的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具，以解决上述现有技术存在的问题，提高纤维增强陶瓷基复合材料加工质量和加工效率，降低加工成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具，包括相连的刀体和刀柄，所述刀体具有相连的第一切削区和第二切削区，所述第二切削区与所述刀柄相连，所述第一切削区包括切削刃，所述切削刃远离所述刀体轴线的一侧设置pcd复合片，所述pcd复合片由聚晶金刚石材质制成，所述切削刃包括主切削刃、副切削刃，所述主切削刃利用过渡圆弧刃与所述副切削刃相连，所述过渡圆弧刃为弧形；相邻的所述切削刃之间具有端刃容屑槽；所述副切削刃延伸至所述第二切削区，所述第二切削区包括分屑槽，所述分屑槽将位于所述第二切削区的所述副切削刃分割为多段微切削刃。

优选地，所述第一切削区远离所述第二切削区的端部具有中空结构，所述中空结构为圆柱状，所述中空结构与所述刀体同轴设置。

优选地，相邻的所述切削刃之间具有朝向所述刀体的轴线方向凹陷的刀槽，所述刀槽绕所述刀体的轴线螺旋设置。

优选地，所述分屑槽绕所述刀体的轴线螺旋设置，所述分屑槽的旋向与所述刀槽的旋向相反。

优选地，所述分屑槽的横截面为v字形。

优选地，所述第一切削区远离所述第二切削区的一端具有刀片槽，所述pcd复合片设置于所述刀片槽内，所述pcd复合片与所述刀体焊接相连。

优选地，所述pcd复合片为粒度为2-30μm的混合粒度型pcd复合片。

优选地，所述切削刃的数量为四组，四组所述切削刃绕所述刀体的轴线周状均布。

优选地，所述主切削刃的前角为5°，后角为8°；所述副切削刃的后角为10°，所述微切削刃的前角为30°，后角为15°。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具，包括相连的刀体和刀柄，刀体具有相连的第一切削区和第二切削区，第二切削区与刀柄相连，第一切削区包括切削刃，切削刃远离刀体轴线的一侧设置pcd复合片，pcd复合片由聚晶金刚石材质制成，切削刃包括主切削刃、副切削刃，主切削刃利用过渡圆弧刃与副切削刃相连，过渡圆弧刃为弧形；相邻的切削刃之间具有端刃容屑槽；副切削刃延伸至第二切削区，第二切削区包括分屑槽，分屑槽将位于第二切削区的副切削刃分割为多段微切削刃。本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具，在第二切削区设置了微切削刃，在刀具向下进给的过程中去除了较多的毛刺，孔的出口、入口处纤维分层、拔出现象得到明显改善，提高了孔的加工质量；主切削刃与副切削刃之间的过渡圆弧刃，抑制了钻削过程中出现刀尖崩刃，延长了刀具的使用寿命。本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具，解决了纤维增强陶瓷基复合材料制孔过程中加工效率低、刀具磨损严重、侧壁毛刺较多、分层缺陷明显的问题。

附图说明

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具的结构示意图；

图2为本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具的第一切削区的部分结构的放大示意图；

图3为本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具的第二切削区的部分结构的放大示意图；

图4为本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具的端面结构示意图；

图5为图4中部分结构的放大示意图；

其中，100为用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具，1为刀体，2为刀柄，3为第一切削区，4为第二切削区，5为切削刃，6为pcd复合片，7为主切削刃，8为副切削刃，9为过渡圆弧刃，10为端刃容屑槽，11为分屑槽，12为微切削刃，13为中空结构，14为刀槽。

具体实施方式

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做出创造性劳动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。

本发明的目的是提供一种用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具，以解决上述现有技术存在的问题，提高纤维增强陶瓷基复合材料加工质量和加工效率，降低加工成本。

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。

请参考图1-5，其中，图1为本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具的结构示意图，图2为本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具的第一切削区的部分结构的放大示意图，图3为本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具的第二切削区的部分结构的放大示意图，图4为本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具的端面结构示意图，图5为图4中部分结构的放大示意图。

本发明提供一种用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具100，包括相连的刀体1和刀柄2，刀体1具有相连的第一切削区3和第二切削区4，第二切削区4与刀柄2相连，第一切削区3包括切削刃5，切削刃5远离刀体1轴线的一侧设置pcd复合片6，pcd复合片6由聚晶金刚石材质制成，切削刃5包括主切削刃7、副切削刃8，主切削刃7利用过渡圆弧刃9与副切削刃8相连，过渡圆弧刃9为弧形；相邻的切削刃5之间具有端刃容屑槽10；副切削刃8延伸至第二切削区4，第二切削区4包括分屑槽11，分屑槽11将位于第二切削区4的副切削刃8分割为多段微切削刃12。

本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具100，在第二切削区4设置了微切削刃12，在刀具向下进给的过程中去除了较多的毛刺，孔的出口、入口处纤维分层、拔出现象得到明显改善，提高了孔的加工质量；主切削刃7与副切削刃8之间的过渡圆弧刃9，抑制了钻削过程中出现刀尖崩刃，延长了刀具的使用寿命。本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具100，解决了纤维增强陶瓷基复合材料制孔过程中加工效率低、刀具磨损严重、侧壁毛刺较多、分层缺陷明显的问题。

其中，第一切削区3远离第二切削区4的端部具有中空结构13，中空结构13为圆柱状，中空结构13与刀体1同轴设置，设置中空结构13，使得刀具在制孔过程中作用于工件材料上的压强较小，对于孔入口和出口处的分层损伤有明显的抑制作用，同时，中空结构13和端刃容屑槽10有利于排出切屑，避免堵塞刀具。

另外，相邻的切削刃5之间具有朝向刀体1的轴线方向凹陷的刀槽14，刀槽14绕刀体1的轴线螺旋设置，刀槽14与分屑槽11相交得到微切削刃12。

还需说明的是，分屑槽11绕刀体1的轴线螺旋设置，分屑槽11的旋向与刀槽14的旋向相反，分屑槽11的螺距较小，得到的多段微切削刃12等距分布。

具体地，分屑槽11的横截面为v字形，在本具体实施方式中，分屑槽11的截面的夹角为60°，实际生产中，可使用高精度五轴工具磨床，利用金刚石砂轮磨削加工出分屑槽11。

更具体地，第一切削区3远离第二切削区4的一端具有刀片槽，pcd复合片6设置于刀片槽内，pcd复合片6与刀体1焊接相连，在钎焊过程中保证pcd复合片6的位置精度，焊接用钎料选用镍基合金钎料，具体为含有ni、cr、b等元素的镍基ni-cr合金钎料。

同时，pcd复合片6为粒度为2-30μm的混合粒度型pcd复合片，延长刀具使用寿命，提高刀具加工精度。

下面通过具体的实施例，对本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具100，进行进一步的解释说明，以φ10mm专用4刃用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具100为例。

本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具100，由pcd复合片6钎焊形成的第一切削区3、具有微切削刃12的第二切削区4和刀柄2三部分组成。首先选取长度l＝100mm的中空圆柱棒料使用电火花线切割及打磨的加工方式保证柱体外圆直径d1＝10mm、刀柄2圆跳动低于5μm、壁厚为2mm±0.1mm。然后使用高精度五轴工具磨床加工出4个端刃容屑槽10、4个刀槽14、4个刀片槽以及1条第二切削区4的分屑槽11，刀槽14与分屑槽11相交得到的微切削刃12，刃长d2＝1mm，其中微切削刃12的前角γ3＝30°，后角α3＝15°，微切削刃12需要足够锋利以保证切断纤维毛刺。

加工完毕后，使用镍基ni-cr合金钎料于真空炉中将4个尺寸为2×4×1.5mm³，粒度为2-30μm的混合粒度型pcd复合片6钎焊在硬质合金刀体1上，在钎焊过程为保证pcd复合片6的位置精度，使用专用夹具将刀片固定压紧。待钎焊完成，保温30分钟后静置冷却至室温，然后使用电火花磨床加工出主切削刃7和副切削刃8的后角，保证各后刀面粗糙度ra≤12.5μm。其中，第一切削区3的主切削刃7的前角γ1＝5°，后角α1＝8°，在保证主切削刃7强度的同时，降低加工过程中的轴向力以减少分层缺陷的发生；主切削刃7与副切削刃8过渡的过渡圆弧刃9的半径r＝0.2mm；副切削刃8后角α2＝10°，减少副后刀面与孔侧壁的摩擦，延长刀具寿命。

在制孔过程中，由于刀具中空无横刃，作用在工件材料上的压强较小，对于孔入口和出口处的分层损伤有明显的抑制作用，同时中空结构13和四个较大的端刃容屑槽10可以很好地排出切屑避免堵塞刀具。pcd复合片6的主切削刃7先切入材料时，5°的前角保证了刀具在有效去除材料的同时降低了轴向力，减少了孔出口和入口的分层缺陷，同时刀刃寿命并不会被明显影响，r＝0.2mm的过渡圆弧刃9有效地减少了刀尖崩刃的发生，在pcd复合片6的副切削刃8则对孔壁的毛刺进行第一次修整，切掉较长的毛刺。随着刀具进给，第二切削区4的微切削刃12开始进入孔中第二次修整孔壁毛刺，由于微切削刃12的排屑槽是螺距为1mm的螺旋线，每一个微切削刃12到端面的距离都是不同的，在刀具旋转过程中毛刺既会刮蹭到排屑槽中也会被锋利的微切削刃12切削，较软的纤维毛刺在刀具高转速的情况下，会被锋利的微切削刃12直接切断或被排屑槽剪断，这个过程使得孔壁毛刺明显减少。

本发明的用于纤维增强陶瓷基复合材料制孔的专用刀具100，能够明显减少孔出入口处的分层缺陷，通过第一切削区3的副切削刃8对毛刺的切削和第二切削区4高速旋转的微切削刃12和排屑槽对纤维的剪切作用，孔壁的毛刺也大幅度减少，第一切削区3钎焊的pcd复合片6增加加工效率的同时，也明显了延长了刀具的寿命。

本发明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。