一种逆向切削蜂窝复合材料窄盲孔的专用刀具的制作方法

本发明涉及蜂窝材料加工制造领域，尤其涉及一种逆向切削蜂窝复合材料窄盲孔的专用刀具。

背景技术：

蜂窝复合材料是航空航天领域近年来出现的新型轻质材料，在各类运载火箭整流罩、飞机内饰、襟翼以及无人机机翼等关键部件均有应用。这类材料的特点是孔格狭小、深径比大，孔壁极薄且易变形退让，传统铣削方法及刀具在这种材质的零件上加工窄盲孔特征时费时费力，底面平底要求、侧壁质量要求难以保证。

现有技术中，浙江日发航空数字装备有限责任公司开发了一种复合材料蜂窝芯型面加工方法及刀具(cn104874846a)，涉及了一种多种刀具在多个工序下加工凹槽的方法，其凹槽底部利用刀片楔入孔壁完成加工；成都飞机工业(集团)有限责任公司开发了一种加工蜂窝芯材料的铣刀(cn108927562a)，其本质采用一种微刃刀具更好地切断蜂窝复合材料孔壁。目前，尚未发现针对蜂窝复合材料逆向切削方法及刀具的研究，蜂窝复合材料窄盲孔加工的相关研究主要集中在刚度补偿和多工序协同加工方面。如何实现蜂窝复合材料窄盲孔特征的高质高效加工是航空航天领域关键产品研制的瓶颈问题。

技术实现要素：

现有加工技术与刀具无法同时实现蜂窝复合材料窄盲孔加工的底面平底要求和侧壁质量要求，因此，本发明提供一种逆向切削蜂窝复合材料孔壁的专用刀具。本发明采用的技术手段如下：

一种逆向切削蜂窝复合材料孔壁的专用刀具，包括自上至下依次连接的刀柄部、连接部和切削部；

所述切削部包括横向切入区和与其相连的竖向磨削区，所述横向切入区为微型刀盘，刀盘上表面从边缘向圆心依次为周刃、斜面和内斜面，所述内斜面的内端与连接部相连，刀盘下表面临近周刃区域为平面；

所述竖向磨削区位于斜面上，其外端与刀尖存在预设距离，其内端与内斜面的外边缘接触；

所述微型刀盘半径通过公式确定，以保证在内斜面存在的基础上，楔形磨粒环堆与蜂窝复合材料孔壁为两侧接触式磨削，而不是全接触式磨削，具体为：

r2＝r-n

其中，m为楔形磨粒环堆的径向宽度；r2为楔形磨粒环堆外边缘半径；t为待切孔壁厚；n为楔形磨粒环堆外边缘到周刃的径向距离；ws是待切盲孔宽；r为微型刀盘半径。

进一步地，所述横向切入区用于对结构完整的蜂窝复合材料孔壁进行平底加工的主切入，所述竖向磨削区用于横向切入区进入蜂窝复合材料孔壁一定距离后的辅助切入；所述竖向磨削区还用于平底加工后的侧壁加工阶段对侧壁进行主磨削，所述横向切入区还用于对主磨削后的蜂窝复合材料孔壁进行辅助修剪。

进一步地，所述竖向磨削区包括楔形磨粒环堆，磨粒通过电镀法固定于周刃内侧。

进一步地，所述微型刀盘圆周开有4-9个规格相同排屑槽，形成4-9个圆心角相同的楔形周刃，所述排屑槽伸入内斜面预设距离，每段周刃内侧均电镀有规格相同的楔形磨粒，楔形磨粒设置位置相同，共同形成楔形磨粒环堆。

进一步地，所述楔形磨粒环堆径向宽度为0.1-0.2mm。

进一步地，所述楔形磨粒环堆属于单面刃楔形结构，外边缘高内边缘低，楔形磨粒顶面为向内下降式斜面，楔形磨粒顶面与刀杆垂直面间的角度为10-20°。

进一步地，所述微型刀盘底面包括强度补偿结构，具体地，所述微型刀盘底面中心位置为底面中心平面，刀盘下表面为环形平面，底面中心平面和底面环形平面通过底面圆弧过渡段相连。进一步地，所述内斜面和连接段之间通过顶面圆弧过渡段相连。

进一步地，所述刀柄部的直径为便于装夹的数值，且长度满足常用加工设备的装夹要求。所述连接部的主体部的直径小于刀柄部的直径，其间通过过渡段相连，所述连接段的长度大于预开窄盲窗盲孔的深度，所述连接段半径为r1，通过计算确定，以避免逆向切削时蜂窝复合材料孔壁与刀杆间出现干涉。其中：

其中，ws是待切盲孔宽；r为微型刀盘半径；t为待切孔壁厚。

本发明具有以下优点：

1、本发明提出的蜂窝复合材料窄盲孔逆向切削专用刀具，微型刀盘上表面内凹，下表面外凸，属于倒置式结构，是针对逆向切削过程中微型刀盘上表面需承载向下轴向载荷所提出的增强式结构设计，这种倒置式结构能降低逆向切削时的刀盘畸变，避免刀盘在轴向受载时由于应力集中出现断裂，显著地提高刀具寿命。

2、本发明提出的蜂窝复合材料窄盲孔逆向切削专用刀具在特定结构位置具备有楔形周刃和楔形磨粒环堆，两者协同能够先切底后切侧，自下而上地逆向切削蜂窝复合材料孔壁，改变了现有的蜂窝复合材料孔壁切削思路，解决了底面塌边、切深不到位以及侧壁切口边缘不整齐等问题。

3、本发明提出的蜂窝复合材料窄盲孔逆向切削专用刀具楔形磨粒环堆位置及刀盘半径尺寸存在协调关系，通过计算公式确定，保证逆向切削方法的应用前提成立，即楔形磨粒环堆与蜂窝复合材料孔壁为两侧接触式磨削，使蜂窝复合材料孔壁受力小，窄盲孔侧壁质量好。

4、本发明提出的蜂窝复合材料窄盲孔逆向切削专用刀具，进行窄盲孔侧壁切断时起到磨切复合作用，类似薄壁套料钻的楔形磨粒环堆先分割蜂窝复合材料孔壁，随后周刃对蜂窝复合材料孔壁进行多刃微切削修剪，窄盲孔侧壁切口质量好。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例中专用刀具切除蜂窝复合材料孔壁的过程示意图；

图2为本发明实施例中专用刀具结构侧视图；

图3为图2中a区域局部放大图；

图4为本发明实施例中专用刀具结构俯视图；

图5为本发明实施例中专用刀具设计过程中尺寸计算示意图。

图中：1、专用刀具，2、蜂窝复合材料孔壁，11、刀柄部，12、过渡段，13、连接部，14、微型刀盘，141、楔形磨粒环堆，142、斜面，143、排屑槽，144、内斜面，145、底面中心平面，146、底面圆弧过渡段，147、底面环形平面，148、顶面过渡圆弧，149、周刃。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

现有加工技术与刀具无法同时实现蜂窝复合材料窄盲孔加工的底面平底要求和侧壁质量要求，为此，可采用逆向切削方法对窄盲孔轨迹上的蜂窝复合材料孔壁进行一次性的高精度高效率盲孔加工，如图1所示。然而，这种逆向切削方法在去除机理和创成机制方面是根本上的颠覆，现有刀具由于缺乏针对轴向负载的强度设计以及面向先切底后切侧、切磨复合加工、竖向接触控制等特殊要求的结构设计，难以实现这种逆向切削加工。为此，本发明实施例公开了一种逆向切削蜂窝复合材料孔壁的专用刀具1，能够先切底后切侧，自下而上地逆向切削蜂窝复合材料孔壁。

如图2所示，本发明具体包括自上至下依次连接的刀柄部11、连接部13和切削部，刀具本体部分一体成型；

所述切削部包括横向切入区和与其相连的竖向磨削区，所述横向切入区为微型刀盘14，刀盘上表面从边缘向圆心依次为周刃149、斜面142和内斜面144，所述内斜面144的内端与连接部13相连，刀盘下表面临近周刃区域为平面，所述内斜面133是从外边缘向内高度逐渐降低的凹面，角度约为3-6°，如此设置能够避免刀盘上表面先于磨粒对孔壁进行摩擦；

所述竖向磨削区位于斜面上，其外端与刀尖存在预设距离，其内端与内斜面的外边缘接触；

窄盲孔加工过程中，所述横向切入区用于对结构完整的蜂窝复合材料孔壁进行平底加工的主切入，所述竖向磨削区用于横向切入区进入蜂窝复合材料孔壁一定距离后的辅助切入；所述竖向磨削区还用于平底加工后的侧壁加工阶段对侧壁进行主磨削，所述横向切入区还用于对主磨削后的蜂窝复合材料孔壁进行辅助修剪。

横向切入区和竖向磨削区在平底加工阶段和侧壁加工阶段能够起到不同的协同加工效果，以在一次进给过程中同时满足窄盲槽的侧壁质量要求和底面平底要求。

平底加工阶段，专用刀具的楔形周刃对蜂窝复合材料孔壁2先进行横向楔入，此时蜂窝复合材料孔壁2结构完整，加工过程中的退让变形小，而在周刃楔入后楔形磨粒环堆逐步参与加工，与周刃协同作用，进一步降低切削力，减小专用刀具继续楔入时蜂窝复合材料孔壁2的振动幅度，保证曲线型窄盲槽的底面切口整齐；侧壁加工阶段，专用刀具的楔形磨粒环堆先对侧壁起到h向磨削作用，此时径向宽度极小的楔形磨粒环堆相当于带有排屑槽的薄壁套料钻，能够有效切断蜂窝复合材料孔壁2内部的纤维，而紧随其后的周刃起到辅助修剪作用，对蜂窝复合材料孔壁2进行多刃微切削加工，修整侧壁切口，保证窄盲槽的侧壁切口整齐。

所述竖向磨削区包括楔形磨粒环堆141，磨粒通过电镀法固定于周刃内侧。

如图4所示，作为优选的实施方式，所述微型刀盘圆周开有4-9个规格相同排屑槽143，形成4-9个圆心角相同的楔形周刃，所述排屑槽伸入内斜面预设距离，每段周刃内侧均电镀有规格相同的楔形磨粒，楔形磨粒设置位置相同，共同形成楔形磨粒环堆。所述楔形磨粒环堆径向宽度为0.1-0.2mm。

如图3所示，所述楔形磨粒环堆属于单面刃楔形结构，外边缘高内边缘低，楔形磨粒顶面为向内下降式斜面，楔形磨粒顶面与刀杆垂直面间的角度为10-20°。

所述微型刀盘半径通过公式确定，以保证在内斜面存在的基础上，楔形磨粒环堆与蜂窝复合材料孔壁为两侧接触式磨削，而不是全接触式磨削，如图5所示，具体为：

r2＝r-n

其中，m为楔形磨粒环堆的径向宽度；r2为楔形磨粒环堆外边缘半径；t为待切孔壁厚；n为楔形磨粒环堆外边缘到周刃的径向距离；ws是待切盲孔宽；r为微型刀盘半径.

由于本实施例采用逆向切削，上表面整体是一个凹面结构，这种倒置式结构能降低逆向切削时的刀盘畸变，避免刀盘在轴向受载时由于应力集中出现断裂，显著地提高刀具寿命。为了对刀具整体强度设计补偿，作为优选的实施方式，所述微型刀盘底面包括强度补偿结构，具体地，所述微型刀盘底面中心位置为底面中心平面145，刀盘下表面为环形平面147，底面中心平面和底面环形平面通过底面圆弧过渡段146相连，该结构能够增加轴向承载能力。所述内斜面144和连接段之13间通过顶面圆弧过渡段148相连。

所述刀柄部的直径为便于装夹的数值，且长度满足常用加工设备的装夹要求，本实施例中，刀柄半径2-5mm，长为30-50mm。所述连接部的主体部的直径小于刀柄部的直径，其间通过过渡段12相连，本实施例中，过渡段斜度为2，所述连接段的长度大于预开窄盲窗盲孔的深度，所述连接段半径为r1(mm)，通过计算确定，以避免逆向切削时蜂窝复合材料孔壁与刀杆间出现干涉。其中：

其中，ws是待切盲孔宽；r为微型刀盘半径；t为待切孔壁厚。

本实施例提供的专用刀具从根本上改变了现有的蜂窝复合材料孔壁切削思路，切削过程的主要特点如下：

1.侧壁切割路径由横向切削转移到蜂窝复合材料的主承力方向上(h向)，且刀具沿h向逆向运动使蜂窝复合材料孔壁受拉，避免蜂窝复合材料孔壁的屈曲变形；

2.平底加工完成于侧壁加工前，既避免了两个加工过程间的相互影响保证平底加工要求，又利用周刃对蜂窝复合材料孔壁的横向楔入为逆向切削侧壁提供了基础。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。