一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具的制作方法
【专利摘要】本发明属于机械加工制造【技术领域】，涉及一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具。该刀具是一种组合式可换刀片式拉刀，刀具由刀杆、校准单元、切削单元、前导向单元和两个外六角紧固螺母组成，两个外六角螺母拧入刀杆的螺纹段锁紧前导向单元，并固定右面的切削单元和校准单元。刀具由多级不同的刀组组合，每层刀组逐级加工，单层刀刃的加工余量小，切削力小，产生热量少，刀片上有通气孔，加工时通入冷却气体，大幅降低切削温度低，减小刀刃的磨损，刀具寿命长，刀具成本低，加工效率高，加工质量高的特点。具有在难加工材料如复合材料，尤其是树脂基碳纤维复合材料表面高效率加工高质量通孔的功能。
【专利说明】一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具
【技术领域】
[0001]本发明属于机械加工制造【技术领域】，涉及一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具，该刀具是一种组合式可换刀片式拉刀，具有在难加工材料如复合材料，尤其是树脂基碳纤维复合材料表面高效率加工高质量通孔的功能。
技术背景
[0002]现今世界范围内的大型飞机如波音787，空客A380等广泛采用碳纤维复合材料作为其制造的基础材料。这是由于碳纤维复合材料具有，复合材料具有高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀等特性，能有效减轻飞机结构重量，其应用和发展是大幅度提高飞机经济性、舒适性和环保性的重要保证。然而在飞机制造过程需要加工极其大量的通孔作连接孔使用，由于碳纤维复合材料在加工过程中层间剪切强度低，极易产生分层、撕裂等损伤，且基底相导热性不好，碳纤维硬度高，对刀具的磨损严重的特性，导致使用常规材质的传统制孔刀具如高速钢钻头，硬质合金钻头无法高质量、高效率的加工碳纤维复合材料。目前，多数企业为了在碳纤维复合材料上加工一个通孔，一般使用昂贵的金刚石涂层刀具，采用“钻孔-扩孔-粗铰孔-精铰孔”多道工序加工，才能保证孔的质量。
[0003]国外针对碳纤维复合材料通孔加工的刀具，如山高公司的SD205系列钻削工具，其基体材料为硬质合金，钻的头部镶嵌有金刚石涂层的刀片，切削过程由头部的锥型的金刚石涂层刀片起主要的切削作用，利用金刚石锋利，耐磨的特性，减小了碳纤维复合材料加工时产生的缺陷，能够获得质量较高的通孔。然而，此种刀具价格昂贵，钻的头部的金刚石涂层磨损后无法修复，刀具立即报废，同时人工使用此刀具加工时，不同的推进力会直接影响切削质量和钻的寿命，另外刀具前后的材质不同，后部硬质合金刀具在加工中仍存在磨损严重，导致孔壁温度上升，造成制孔缺陷的问题。山特维克可乐满公司生产的COToDrill系列钻削刀具，通过钻尖的十字刃设计，左旋韧带设计等方式能够有效的减小钻削过程中的轴向力，此系列钻为金刚石涂层钻，耐磨性很高。然而单个钻的其制造成本相当昂贵，大规模使用必将大幅度提高飞机的制造成本，且其钻的刃尖部一旦涂层脱落或磨损整只钻头立即报废。
[0004]国内大连理工大学，高航等人的专利，《一种钻/磨孔一体化组合刀具》，申请号200610048063.X，采用以磨带钻的方式，将粒度不同的磨粒电镀到钻的切削刃上，可实现高质量通孔钻、扩、铰一体化加工，减少加工工序，提高加工效率。但其磨粒固结在钻的切削刃上的分布情况很难控制，若分布不均将直接影响加工孔的质量，同时，人工使用此刀具的过程中，很难控制适当的切削参数，磨削热量加大很难排出，容易造成孔内壁烧伤。
[0005]拉刀是通孔类特征半精精加工一体化的专用刀具，其特点是低速拉削，发热量小，散热快，加工精度高，加工效率高，单把拉刀制造成本相对较贵，适合于大批量加工。现今使用的各类拉刀，很少适合加工碳纤维复合材料，扬州市邮谊工具制造有限公司的专利《圆孔拉刀》，申请号201210159621.5，采用多级刀齿，微量逐级加工圆孔，能够一次性完成圆孔的粗、精加工。然而此种整体式刀具，单级刀具磨损将影响整个刀具的加工质量，且刀具切削刃材料不适合加工碳纤维复合材料，刀具没有专用的冷却结构，容易造成加工中热量集中导孔内壁致热损伤。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术难题是克服现有复合材料制孔刀具和传统拉削刀具，切削刃磨损快，刀具容易损坏报废，加工效率低，加工成本高和加工表面质量低的技术缺陷，发明一种针对难加工材料，尤其是树脂基碳纤维复合材料的制孔刀具，该刀具是一种组合式可换刀片式拉刀，刀片具有冷却孔，能够通过气体冷却的形式减小加工处的温升，进而减小刀具磨损，消除树脂基碳纤维复合材料孔壁的热损伤。具有在加工难加工材料尤其是树脂基碳纤维复合材料的通孔的过程中，刀刃磨损小，刀具寿命长，刀具成本低，加工效率高，加工质量高的特点。
[0007]本发明采用的技术方案如下:一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具，其特征是:刀具是一种组合式可换刀片式拉刀，该刀具由刀杆1、校准单元10、切削单元、前导向单元8和两个外六角紧固螺母11组成；两个外六角螺母11拧入刀杆I的螺纹段，锁紧前导向单元8并固定右面的切削单元和校准单元10。
[0008]所述的切削单元由至少6对切削刀组、至少I个精切刀块9和定位销12组成；每对切削刀组都由至少2个刀架13和安装在刀架13上的刀片组成，每对切削刀组中的各个刀架13相隔一定角度交错排布，每对切削刀组的刀架13上的刀片的外刀刃圆弧相错拼接，形成的切削面是一个完整的圆；刀架13的外圆有至少2个凸台，内侧有定位销孔，中间有大的通孔；刀架13通过大的通孔安装在刀杆I上；刀架13的每个凸台上都加工有冷却气孔A和刀片安装螺纹孔，凸台的一边有定位台肩；每个凸台上安装一个刀片，刀片的一侧紧贴在凸台的定位台肩上，刀片的内侧圆弧面，紧贴在凸台的内侧圆弧面上定位；每一个刀片上都有冷却气孔A和阶梯通孔C ;刀片通过紧固螺栓14固定在刀架13的每一个凸台上；每对切削刀组安装的刀片相同，从刀杆I的头部到刀杆I的尾部，不同对切削刀组上安装的刀片尺寸逐渐增大；其中最右端的一对刀组的切削刃组成的形成的切削圆面与所加工孔的尺寸完全相同；最右端的一对刀组的右侧安装有精切刀块9 ;精切刀块9的内侧有定位销孔B和冷却气孔A ;精切刀块9通过大的通孔插入刀杆1，精切刀块9的整个外圆弧都是切削刃，切削刃形成的切削圆的尺寸与所加工孔的尺寸相同；切削单元中每对切削刀组内部以及刀组间的定位销孔相互对齐，精切刀块9的定位销孔和通气孔与各个切削刀组的定位销孔和通气孔位置对齐；定位销12插入切削单元中刀架13、精切刀块9的定位销孔中，并穿过校准单元10的定位销孔，插入到刀杆I中的定位销孔中；示例中的切削单元由6对切削刀组，I个精切刀块9和定位销12组成，每对刀组包括2个刀架13组成及相应的刀片，刀架13的外圆有4个凸台，每个刀架13上安装有4个刀片，每对切削刀组的2个刀架13按照90°交错排布，刀杆I的头部到刀杆I的尾部固定的6对切削刀组中的12个刀架13上，按照刀片尺寸由小到大的顺序分别安装七、六、五、四、三、二号刀片7、6、5、4、3、2号刀片；
[0009]所述的刀杆I的头部后有装夹槽，装夹槽后有安装外六角紧固螺母11的螺纹段；螺纹段和后导向部分之间是安装切削单元和校准单元10的光杆；后导向部分是刀杆I的一部分，与加工的孔的尺寸相同，后导向部分外圈有冷却气孔A，内圈加工有定位销孔A ;后导向部分右侧是刀杆尾部，尾部的前端有装夹槽；[0010]所述的校准单元10，是由至少3个带锥面的圆柱段组成的一整块零件，每个带锥面的圆柱段都在外侧的相同位置加工有冷却气孔A，在内侧的相同位置加工有定位销孔A，在中间加工有大的通孔；校准单元10通过大的通孔安装在刀杆I上，紧靠在后导向部分左侧的台肩面上；示例中的校准单元10是由3个带锥面的圆柱段组成的一整块零件；
[0011]所述前导向单元8的左端带有锥度，中间为圆柱型，右端有尺寸较小的圆柱型的凸台，中间有大的通孔；前导向单元8通过中间的大的通孔插入刀杆I中，并通过圆柱型的凸台与切削单元接触；
[0012]一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具，该刀具安装在刀架13上的各个刀片是硬质合金刀片、硬度和耐磨性极高的PVD涂层刀片或金刚石涂层刀片。
[0013]本发明的效果和益处是:一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具是一种组合式可换刀片式拉刀。此刀具由多级不同的刀组组合，每层刀组逐级加工，单层刀刃的加工余量小，切削力小，产生热量少，刀片上有通气孔，加工时通入冷却气体，大幅降低切削温度低，减小刀刃的磨损。任何刀组的刀片与刀架13都可以分离刀片磨损后可以在位更换刀片，方便快捷，只有刀片使用硬质合金或金刚石涂层，刀具整体制造和使用成本低廉。前导向单元
8、切削单元和校准单元10全部可以拆卸，方便维、维修和检验。刀具在有粗加工孔的树脂基碳纤维复合材料上能够一次性完成通孔的精加工，通孔加工质量高，加工效率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具的主视图；图2是图1刀具的A-A剖视图；图3表示一对切削刀组的排布是刀具的B-B剖视图；图4是一对刀组其中一级切削刀的主视图；图5是一对刀组其中一级切削刀的左视局部剖视图；图6是七号刀片的主视图；图7表示精切刀块9，是刀具的C-C剖视图。其中，1-刀杆，2-二号刀片，3-三号刀片，4-四号刀片，5-五号刀片，6-六号刀片，7-七号刀片，8-前导向单元，9-精切刀块，10-校准单元，11-外六角螺母，12-定位销，13-刀架，14-紧固螺栓，A-冷却气孔，B-定位销孔，C-阶梯通孔。
【具体实施方式】
[0015]以下结合技术方案，具体实施例及附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具的工作原理是:此刀具是一种组合式可换刀片式拉刀。该刀具以拉刀刀杆为固定零件，刀杆上分别安装加工孔的校准单元，切削单元和前导向单元见图1、2，校准单元10是由3个带锥面的圆柱段组成的一整块零件；本实施例中切削单元由6对切削刀组、I个精切刀块9组成；每对刀组由90°交错排布的具有四个凸台的2个刀架13和刀片组成，每个刀架13上安装有4枚带有冷却孔的硬质合金或涂层的刀片，见图
3、4、5。图6是七号刀片的主视图，其他刀片与七号刀片的结构相似，尺寸略微有差别；不同尺寸的切削刀组之间有非常微量的尺寸偏差，每组刀片只切削微量材料，硬质合金或涂层刀具刃口圆弧半径极小，切削刃极其锋利，单刃切削力小，不易造成树脂基碳纤维复合材料分层、撕裂等损伤，孔的加工质量高。通过不同刀组的逐级切削，一次性得到最终的通孔尺寸，加工效率高。拉削过程中拉削速度低，产生的热量少，且刀片具有冷却孔，能够通过气体冷却的形式减小加工处的温升，进而减小刀具磨损，消除树脂基碳纤维复合材料孔壁的热损伤。
[0016]此刀具的校准单元10，切削单元和前导向单元8都是安装在刀杆I上的可拆卸单元，通过定位销12定位，通过外六角螺母11拧紧在刀杆上。切削单元中有6对切削刀组，从刀杆I的头部到刀杆I的尾部的刀架13上分别安装有七号刀片7，六号刀片6、五号刀片5、四号刀片4、三号刀片3和二号刀片2，不同对切削刀组的刀片尺寸逐渐增大。每个切削刀组的刀架13上通过紧固螺栓14机械安装有四枚带有冷却孔的硬度和耐磨性极高的锋利的涂层刀片，每一对切削刀组上安装的刀片可以完整的切削一个圆形，其中所有刀片都可以在线更换，且可以只更换磨损的刀片，刀具不会整体报废，大幅降低了加工成本。通过拉削机床或手工拉削工具加持刀杆的头部和尾部，拉动或推动拉刀。加工工件初始通孔的尺寸与前导向单元8圆柱段的尺寸相同，通过前导向单元8导向拉刀，刀具的一部分穿过所要加工的通孔。切削单元中多对不同的切削刀组组合，每对切削刀组只加工很小的余量，逐级切削加工。一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具逐步运动，加工通孔，直至精切刀块9切削穿过通孔，通孔达到要求的尺寸，切削过程结束，校准单元10进入通孔，校对通孔尺寸。最后，后导向部分进入通孔，刀具通过，拉削过程结束。
[0017]整个切削过程，冷却空气通过一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具上的冷却气孔通入加工表面，对所有拉刀刀片进行冷却，大幅降低拉削过程中刀片刀刃处的温度。当切削过程中出现刀片磨损，可以在线在位拧下固定刀片的紧固螺栓14，卸下磨损的刀片，更换新刀片。当加工后发现刀具大量刀片磨损或精切刀块磨损，可以拧下外六角螺母11，对磨损部位进行更换。
[0018]本发明的一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具是一种组合式可换刀片式拉刀。此刀具单层刀刃的加工余量小，切削力小，产生热量少，加工时通入冷却气体，大幅降低切削温度低，减小刀刃的磨损。刀片使用锋利耐磨的硬质合金刀片或PVD涂层和金刚石涂层刀片，磨损后可以在位更换刀片，刀具整体制造和使用成本低廉。刀具在有粗加工孔的树脂基碳纤维复合材料上能够一次性完成通孔的精加工，通孔加工质量高，加工效率高。
【权利要求】
1.一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具，其特征是:刀具是一种组合式可换刀片式拉刀，该刀具由刀杆(I)、校准单元(10)、切削单元、前导向单元(8)和两个外六角紧固螺母(11)组成；两个外六角螺母(11)拧入刀杆(I)的螺纹段，锁紧前导向单元(8)，并固定右面的切削单元和校准单元(10)； 所述的切削单元由至少6对切削刀组、至少I个精切刀块(9)和定位销(12)组成；每对切削刀组都由至少2个刀架(13)和安装在刀架(13)上的刀片组成，每对切削刀组中的各个刀架(13)相隔一定角度交错排布，每对切削刀组的刀架(13)上的刀片的外刀刃圆弧相错拼接，形成的切削面是一个完整的圆；刀架(13)的外圆有至少2个凸台，内侧有定位销孔，中间有大的通孔；每个刀架(13)通过大的通孔安装在刀杆(I)上；每个刀架(13)的每个凸台上都加工有冷却气孔(A)和刀片安装螺纹孔，凸台的一边有定位台肩；每个凸台上安装一个刀片，刀片的一侧紧贴在凸台的定位台肩上，刀片的内侧圆弧面，紧贴在凸台的内侧圆弧面上定位；每一个刀片上都有冷却气孔(A)和阶梯通孔(C);刀片通过紧固螺栓(14)固定在刀架(13)的每一个凸台上；每对切削刀组安装的刀片相同，从刀杆(I)的头部到刀杆(I)的尾部，不同对切削刀组上安装的刀片尺寸逐渐增大；其中最右端的一对刀组的切削刃组成的形成的切削圆面与所加工孔的尺寸完全相同；最右端的一对刀组的右侧安装有精切刀块(9);精切刀块(9)的内侧有定位销孔(B)和冷却气孔(A);精切刀块(9)通过大的通孔插入刀杆(I )，精切刀块(9)的整个外圆弧都是切削刃，切削刃形成的切削圆的尺寸与所加工孔的尺寸相同；切削单元中每对切削刀组内部以及刀组间的定位销孔相互对齐，精切刀块(9)的定位销孔和通气孔与各个切削刀组的定位销孔和通气孔位置对齐；定位销(12)插入切削单元中刀架(13 )、精切刀块(9 )的定位销孔中，并穿过校准单元(10 )的定位销孔，插入到刀杆(I)中的定位销孔中； 所述的刀杆(1)，在其头部后有装夹槽，装夹槽后有安装外六角紧固螺母(11)的螺纹段；螺纹段和后导向部分之间是安装切削单元和校准单元(10)的光杆；后导向部分是刀杆(I)的一部分，与被加工孔的尺寸相同，后导向部分外圈有冷却气孔(A),内圈加工有定位销孔(B);后导向部分右侧是刀杆尾部，尾部的前端有装夹槽； 所述的校准单元(10)是由至少3个带锥面的圆柱段组成的一整块零件，每个带锥面的圆柱段都在外侧的相同位置加工有冷却气孔(A)，在内侧的相同位置加工有定位销孔(B)，在中间加工有大的通孔；校准单元(10)通过大的通孔安装在刀杆(I)上，紧靠在后导向部分左侧的台肩面上； 所述前导向单元(8)的左端带有锥度，中间为圆柱型，右端有尺寸较小的圆柱型的凸台，中间有大的通孔；前导向单元(8)通过中间的大的通孔插入刀杆(I)中，并通过圆柱型的凸台与切削单元接触。
2.如权利要求1所述的一种对树脂基碳纤维复合材料制孔的刀具，其特征是，该刀具安装在刀架(13)上的各个刀片是硬质合金刀片、硬度和耐磨性极高的PVD涂层刀片或金刚石涂层刀片。
【文档编号】B23D43/00GK103817374SQ201410066658
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】贾振元, 王福吉, 付饶, 高航, 刘巍, 马建伟 申请人:大连理工大学