一种阶梯微齿双刃带钻锪一体钻头的制作方法

本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种实现叠层材料钻锪一体化高质量加工的阶梯微齿双刃刀具。

背景技术：

纤维增强复合材料有着质量轻、强度高、抗疲劳、耐腐蚀等优异性能，现已在航空、汽车等多个领域得到了广泛应用，如空客A350、宝马七系汽车中，都大量采用了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)材料来减轻结构重量，提高燃油经济性。然而复材构件层间方向承载能力差，不能承受多向复杂载荷，因此在一些部位只能采用轻质、高强的金属。为了最终的装配，复材与金属构件，特别是铝合金构件，通常采用搭接的形式，形成叠层结构零件，用于提高连接部位强度，并防止鸟撞等撞击事故。此类构件目前主要采用镙接、铆接的方式进行机械连接，这种连接方式的前提是必须进行整体制孔。而此类构件的制孔质量直接关系到产品的装配质量和服役寿命。由于CFRP是由碳纤维增强相和树脂基体组成，其材料本身各向异性，易在加工中产生分层、毛刺等损伤，且刀具磨损严重。而金属与CFRP材料性能差异大，即使如铝合金这类相对容易加工的金属材料，在加工时具有与复材不同的如入口毛刺、飞边，孔径不圆或倾斜等缺陷，刀具易出现黏刀等现象，在同时加工两种材料时，切削金属产生的切屑形貌及排出路径极难控制，极易划伤复材孔壁，导致撕裂、分层等损伤。同时由于适用于加工复材和金属的刀具角度不一致，现有刀具在制孔时经常出现难以匹配两种材料而导致损伤易发，且孔径精度难以控制的问题。可见，碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件的高质量整体制孔极其困难，是航空、航天装备制造中的技术瓶颈之一。

国内外研究发现刀具不同的几何结构将会对最终CFRP制孔质量产生不同影响，合理的刀具结构能够有效减小钻削复材出入口的分层、毛刺等加工损伤，以及金属的弯曲、扭拧、裂纹等损伤，并且有效提高刀具寿命。国内外研究人员现已开发各类针对不同结构进行优化的制孔刀具，存在着各自的优点和缺点。日本川崎重工在“SAE Technical Paper”上发表的《Development of a Drill Bit for CFRP/Aluminum-Alloy Stack:To Improve Flexibility,Economical Efficiency and Work Environment》中提出了一种阶梯结构钻叠层刀具，提出了采用较薄的横刃，变角度切削刃及多阶梯结构。此类型刀具主要采用分阶段钻削的思想，通过前段去除大部分材料，保证去除效率，后段少量去除材料，减小金属切屑尺寸，对复合材料和金属结合部位的损伤影响小。然而该种刀具在加工过程中不能保证复材毛刺的有效去除，并且也没有考虑到复材回弹的特性，很难保证加工后孔径的一致性，且阶梯段易磨损，将影响制孔质量。大连理工大学王福吉等人开发了“一种纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具”，专利号CN201510508097，它通过设计多级阶梯和多级微齿结构，同样采用分段钻削方式，可有效减小轴向力，降低损伤，并通过每级的微齿来去除已产生的钻削损伤，实现复材高质量加工。然而此类双刃刀具切削量仍较大，可能造成复材切削损伤超出孔公称直径，或产生较大的金属毛刺，同时对加工表面的修整作用较弱，工件加工表面光洁度低，且过渡刃处无刃带，影响变阶梯寿命。主切削刃修磨的一个前刀面，虽然有利于切削复材，但切削金属时，不利于切屑流动和断屑。与此同时，在一些加工工艺中，有着锪孔工序的要求，上述专利中没有设计锪孔结构，不能实现钻锪一体化加工的要求。

技术实现要素：
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本发明主要解决的技术难题是克服CFRP与铝合金组成的叠层材料进行一体化钻锪终孔时，CFRP易损伤，铝合金易产生毛刺，两种材料的孔径一致性差，光洁度低，刀具寿命低的问题，发明一种阶梯微齿双刃带钻锪一体钻头刀具，特别适合CFRP于铝合金叠层材料的一体化钻锪终孔加工，该刀具是一种具有多阶梯，多切削刃结构的钻锪一体刀具，各级副切削刃上具有微齿结构，可有效实现一体化钻锪高质量终孔，阶梯切削区和锪孔切削刃都具有刃带，能够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阶梯微齿双刃带钻锪一体钻头，其特征是，该钻头由主切削刃区A，阶梯微齿区B，副切削刃区C，锪孔区D，刀柄E五个部分组成；其中阶梯微齿区B包含在副切削刃区C中；

所述主切削刃区A的主切削刃具有双顶角结构：在靠近刃尖1/3-1/2位置修磨成平整前刀面16，并与由排屑槽形成的另一部分主切削刃前刀面17形成双顶角结构，第一顶角n1的角度为102°-105°，第二顶角n2的角度为90°-95°；

所述阶梯微齿区B采用多级阶梯结构，每级阶梯存在n个微齿结构；公称直径由刀尖向刀柄，逐级增大；微齿绕钻头轴线，螺旋分布于各级阶梯副切削刃上，每级阶梯副切削刃的轴向长度需要保证至少能够容纳n个微齿结构，n≥2，各级阶梯的微齿槽深在0.8-1mm之间，低级微齿需采用较小槽深，且不达到此处钻心；微齿最后一级阶梯的顶角γ值为130°-140°；

所述副切削刃区C修磨出两个主排屑槽14，15和两个副排屑槽18，19，形成一对第一副切削刃和一对第二副切削刃；主排屑槽宽度d为0.65-0.75倍的钻头直径，副排屑槽宽度e为1/2-2/3倍的主排屑槽宽度，终形成一对第一副切削刃4和一对第二副切削刃12共四条切削刃，第一副切削刃的螺旋前角β为14°-16°，第二副切削刃的螺旋前角θ为3°-10°，所述的微齿都分布在四个刀刃上。第一和第二副切削刃修磨刃带，宽度a，b为1-1.5mm，在锪孔刃9刃尖下方2.5-3.5mm修磨有缩颈，缩颈的单边尺寸为0.1-0.4mm，不达到钻心；

所述的锪孔区D具有满足实际加工要求的顶角β，四条排屑槽形成四个锪孔刃，四个锪孔刃的前角m1为15°-25°，后角m2为25°-35°，四个切削刃均修磨刃带，刃带宽度c为0.8-1.6mm；

本发明的效果和益处是在采用多阶梯微齿双刃带钻锪一体刀具加工复材和铝合金叠层材料时，多阶梯微齿能够有效切断纤维，减小钻削轴向力，降低分层损伤，提升刀具断屑能力，减小划痕，双刃结构能够提升加工效率，增强排屑能力，控制切屑流动，实现高质量加工，最终锪孔刃能够完成锪孔加工要求，实现钻锪一体化加工。

附图说明

图1为一种阶梯微齿双刃带钻锪一体钻头主视图，图2为图1中钻尖部位局部放大图，图3为一种阶梯微齿双刃带钻锪一体钻头左视图；其中：1.主切削刃，2.第一级阶梯微齿，3.最后一级阶梯微齿，4.第一副切削刃，5.第一副切削刃4修磨刃带，6.刀具轴向线，7.第一级微齿2螺旋线，8.第二级微齿3螺旋线，9.锪孔切削刃，10.锪孔切削刃9刃带11.最后一级阶梯微齿3顶角切线，12.第二副切削刃，13.第二副切削刃，13修磨刃带，14.第一螺旋主分屑槽，15.第二螺旋主分屑槽，16.主切削刃1前刀面修磨第一部分，17.主切削刃1前刀面修磨第二部分，18.第一螺旋副分屑槽，19.第二螺旋副分屑槽；A第一主切削刃区，B微齿切削区，C副切削区，D锪孔区，E刀柄；a.第一副切削刃修磨刃带5宽度，b.第二副切削刃修磨刃带14宽度，c.锪孔切削刃带10宽度，d.主分屑槽14，15宽度，e.副分屑槽18，19宽度，α.第一副切削刃螺旋前角，β.锪孔切削刃9倾角θ，第二副切削刃螺旋前角，γ.最后一级阶梯微齿顶角切线与刀具轴向线夹角，n1.主切削刃大顶角切线与刀具轴向线夹角，n2.主切削刃大顶角切线与刀具轴向线夹角，m1.为锪孔刃前角，m2.为锪孔刃后角。

具体实施方式：

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。

如图1、图2、图3所示的一种阶梯微齿双刃带钻锪一体钻头,该钻头可分为主切削刃区(A)，阶梯微齿区(B)，副切削刃区(C)，锪孔区(D)，刀柄(E)五个部分，其中阶梯微齿区B包含在副切削刃区C中。刀具通过阶梯微齿结构以及双刃带切削，有效减小了在加工CFRP和铝合金组成的叠层材料时产生的轴向力，提高里刀具切削性能，减小了CFRP的损伤和铝合金产生的金属毛刺，有效提高加工质量，延长了刀具寿命。

在本实例中，所述主切削刃区A的主切削刃靠近刃尖1/3位置修磨成平整前刀面16，并与由排屑槽形成的另一部分主切削刃前刀面17形成双顶角结构，主切削刃的第一顶角n1的角度选取102°，主切削刃的第二顶角n2的角度选取为90度，在所述阶梯微齿区B采用多级阶梯结构，公称直径由刀尖向刀柄，逐级增大；微齿绕钻头轴线，螺旋分布于各级阶梯副切削刃上，每级阶梯副切削刃的轴向长度需要保证至少能够容纳n个微齿结构，n≥2，各级阶梯的微齿槽深选取为0.8mm，低级微齿采用0.8mm槽深时不会达到此处钻心，能够保证刚度要求。最后一级阶梯的顶角γ值选取130°。所述副切削刃区C修磨出两个主排屑槽和两个副排屑槽，主排屑槽宽度值为3mm，副排屑槽宽度值为1mm，可以提高排屑能力，保证加工质量，并在此基础上形成一对第一副切削刃和一对第二副切削刃共四条切削刃，第一副切削刃的螺旋前角β选取为14°，第二副切削刃的螺旋前角θ选取为3°。所述的微齿都分布在四个刀刃上。第一和第二副切削刃修磨刃带，选取其宽度为1mm。在锪孔刃刃尖下方2.5mm处修磨有缩颈，缩颈的单边尺寸选取0.1mm，可以满足不达到钻心的要求，保证刀具刚度，减小加工振动引起的孔径误差。所述的锪孔区D具有满足实际加工要求的顶角β，本实例中选取β等于100°，四条排屑槽形成四个锪孔刃，四个锪孔刃的前角m1选取值为15°，后角m2值为25°。四个切削刃均修磨刃带，刃带宽度c定为0.8mm，可以保证刀刃的锋锐度和刚度。

本发明的钻头为钻具#1，可商购的钻头为钻具#2，采用相同的工艺参数和装夹方式，连续钻削20个孔，在制孔结束之后，观察复材板和铝合金板出口面和入口面的加工孔质量，并观测加工过程中断屑效果，结果具体说明如下：

(1)出口孔质量

采用钻具#2加工第一个孔时出现微小分层现象，随着加工的进行，复材板分层现象逐渐加剧，并在第五个孔时铝合金板即开始出现肉眼可见的毛刺。采用钻具#1加工的20个孔没有分层现象产生，加工完毕尚未出现肉眼可见的毛刺和撕裂损伤，加工质量明显优于钻具#2。

(2)入口孔质量

采用钻具#2加工第一个孔时复材板入口即出现微小分层现象，随着加工的进行，分层现象逐渐加剧，并在第五个孔时铝合金板开始出现肉眼可见的毛刺。采用钻具#1加工的20个孔没有分层现象产生，加工完毕尚未出现肉眼可见的毛刺和撕裂损伤，加工质量明显优于钻具#2。

(3)断屑效果

采用钻具#2加工时，当钻头开始切削铝合金板后，会产生大量长切屑缠在刀具上，且在不采用人工断屑的情况下，刀具无法自行断屑，切屑划擦工件表面，产生明显的划痕。采用钻具#1加工时，当切屑在刀具上缠绕较少数量时即可由刀具自行切断，不会划擦工件表面，加工质量更好。

(4)刀具寿命

钻具#2在加工第3个孔后已经复材板产生了明显的分层现象，之后愈加严重，且铝合金板出入口出会产生大量金属毛刺，钻头寿命较短。而钻具#1加工20个孔后质量依旧较好，可见钻具#1有着较长的刀具寿命。