一种铣钻复合加工刀具的制作方法

本发明涉及复合材料切削加工领域，尤其涉及一种铣钻复合加工刀具。

背景技术：

复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳、耐腐蚀等一系列优点，目前在航空航天领域的应用前景非常广阔，特别是纤维增强复合材料（frp），被大量应用于飞机机翼和尾舵。机翼和尾舵因要与飞机机身进行装配连接，需要加工成千上万的铆接或螺接孔。由于纤维复合材料制作工艺的特殊性，其力学性能呈各向异性，层间强度较低，钻削铆接或螺接孔的过程中，在轴向切削力作用易产生分层、撕裂等缺陷，降低了构件的强度和其他性能，严重时甚至导致复合材料制件报废。

目前，国内外学者针对纤维增强复合材料钻孔技术已开展了许多理论研究工作，并取得了显著成果。研究表明：用于金属材料加工的普通钻头在加工纤维增强复合材料时易产生材料分层、孔口撕裂、孔壁表面纤维拔出等现象，不适宜用于此类材料的加工。为提高纤维增强复合材料钻孔的质量，刀具制造企业重点针对钻头的结构进行改进和创新。

一些研究者设计出多顶角麻花钻，且由内到外各顶角越来越小，如公告号为cn204295019u和cn202845870u两个中国专利文献公开了这种多顶角麻花钻，通过设计较小的第二或第三顶角使得切削刃的单位负载减小，降低轴向切削力，从而避免孔出口产生分层、毛刺和劈裂现象。然而该结构钻头顶角最小的第二或第三切削刃只有一对，在大进给加工时较大的每齿进给量会产生较大的轴向切削力，仍有产生分层、劈裂和毛刺现象的风险。公告号为cn2654264y的中国专利文献则公开一种具有3个以上的切削刃和锥形过渡区的复合材料加工钻头，钻头过渡区带切削刃，能起到切削和修光的双重作用，从而保证孔加工质量。然而该发明第一顶角为60°～80°，且锥形过渡区角度为2°～8°，顶角和过渡区的锥度角均设计得较小，使得钻削部位很长，钻头不适宜于在厚零件上加工盲孔，而且加工通孔时也要求孔出口处必须有足够空间容纳钻尖钻出。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种在复合材料钻削加工条件下，能够降低轴向切削力，避免被加工孔的出口产生分层、劈裂和毛刺缺陷的铣钻复合加工刀具。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种铣钻复合加工刀具，包括刀体和刀柄，所述刀体包括依次设置的钻削部、铣削部和导向部，所述导向部与刀柄连接，所述钻削部位于铣削部的前端，所述铣削部具有一定锥度，所述导向部包括至少两个从钻削部延伸至刀柄的长螺旋排屑槽，所述刀体于相邻两个长螺旋排屑槽之间的部分构成刃瓣，所述刃瓣靠近长螺旋排屑槽背向刀体旋转方向的侧面设有圆柱导向刃带，所述铣削部与所述长螺旋排屑槽背向刀体旋转方向的侧面相交形成锥度长铣削刃，所述刃瓣上设有至少一个从钻削部延伸至导向部的短螺旋排屑槽，所述铣削部与所述短螺旋排屑槽背向刀体旋转方向的侧面相交形成锥度短铣削刃。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述铣削部的的锥度角为α，且5°＜α＜30°。

所述铣削部的小端直径为dmin，大端直径为dmax，长度为l，所述刀体直径为d，则l=0.5（dmax-dmin）/tanα，其中dmax=d，dmin=0.6d～0.9d。

所述短螺旋排屑槽的螺旋角为β1，所述长螺旋排屑槽的螺旋角为β0，β1和β0满足β1＞β0。

所述短螺旋排屑槽与长螺旋排屑槽相连通。

所述锥度短铣削刃的长度为l2，所述锥度长铣削刃的长度为l1，l1和l2满足l1＞l2，且l1=l。

所述钻削部包括至少两条主钻削刃和至少一条横刃，所述横刃由各主钻削刃的后刀面相交形成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的铣钻复合加工刀具，将铣削部设置一定锥度，同时铣削部内有短螺旋排屑槽和长螺旋排屑槽，以及锥度螺旋短铣削刃和锥度螺旋长铣削刃，一方面由于铣削部具有一定锥度，可以显著减小切屑的厚度，同时改变钻削力的分布状态，增大切削力的径向分量，而减小其轴向分量，从而实现抑制孔出口分层、劈裂和毛刺的目标；另一方面因该铣削部内具有多条锥度铣削刃，有利于减少每齿进给量，降低单个齿的切削负载，故能用于大进给加工，提升切削效率。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明实施例1中铣削部的结构示意图。

图4是本发明实施例2的结构示意图。

图5是图4的左视图。

图6是本发明实施例3的结构示意图。

图7是图6的左视图。

图中各标号表示：

1、刀柄；2、刀体；21、导向部；22、铣削部；23、钻削部；231、主钻削刃；232、横刃；3、长螺旋排屑槽；4、圆柱导向刃带；7、刃瓣；8、短螺旋排屑槽；81、第一短螺旋排屑槽；82、第二短螺旋排屑槽；9、锥度短铣削刃；91、第一锥度短铣削刃；92、第二锥度短铣削刃；10、锥度长铣削刃。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例的铣钻复合加工刀具（麻花钻），包括刀体2和刀柄1，刀体2包括依次设置的钻削部23、铣削部22和导向部21，导向部21与刀柄连接，钻削部23位于铣削部22的前端，铣削部22具有一定锥度，导向部21包括至少两个从钻削部23延伸至刀柄1的长螺旋排屑槽3，刀体2于相邻两个长螺旋排屑槽3之间的部分构成刃瓣7，刃瓣7靠近长螺旋排屑槽3背向刀体2旋转方向的侧面设有圆柱导向刃带4（即刃瓣7先进入旋转的一侧的边沿上设置圆柱导向刃带4），铣削部22与长螺旋排屑槽3背向刀体2旋转方向的侧面相交形成锥度长铣削刃10，刃瓣7上设有至少一个从钻削部23延伸至导向部21的短螺旋排屑槽8，铣削部22与短螺旋排屑槽8背向刀体2旋转方向的侧面相交形成锥度短铣削刃9，即短螺旋排屑槽8后进入旋转一侧的侧面与刃瓣7相交形成锥度短铣削刃9。

本实施例中，长螺旋排屑槽3设置为2个，短螺旋排屑槽8设置为2对（四个），即每个刃瓣7上设2个，靠近圆柱导向刃带4的为第一短螺旋排屑槽81，另一个为第二短螺旋排屑槽82。同时与第一短螺旋排屑槽81对应的为第一锥度短铣削刃91，与第二短螺旋排屑槽82对应的第二锥度短铣削刃92，如图3所示。本发明可适用于直径较大、刃瓣7宽度也较大的铣钻复合加工刀具（麻花钻）。

本实施例中，刀柄1和刀体2同轴设置，刀柄1是一段圆柱体，使用时通过夹头（图中未示出）固定于机床主轴（图中未示出）上以传递机床动力迫使刀具旋转而具备切削作用。

本实施例中，钻削部23包括两条主钻削刃231和一条横刃232，横刃232由两条主钻削刃231的后刀面相交形成。长螺旋排屑槽3主要用于容纳主钻削刃231和横刃232切削加工中形成的切屑，并为切屑提供排出通道，圆柱导向刃带4起导向作用，同时在加工中能够挤压孔内壁以提高孔表面质量和尺寸精度。为保证钻削过程的稳定性，长螺旋排屑槽3和圆柱导向刃带4通常设计为关于钻削部23轴线（刀体2轴线c）对称，主钻削刃231和横刃232用于钻削形成比成品孔尺寸稍小的圆孔，从而减小铣削刃的切削深度，同时横刃232具有定心作用，保证被加工孔的位置度。

本发明将铣削部22设置一定锥度，同时铣削部22内有两对短螺旋排屑槽8和一对长螺旋排屑槽3，以及四个锥度短铣削刃9和两个锥度长铣削刃10，一方面由于锥形铣削部22具有一定角度，可以显著减小切屑的厚度，同时改变钻削力的分布状态，增大切削力的径向分量，而减小其轴向分量，从而实现抑制孔出口分层、劈裂和毛刺的目标；另一方面因该锥形铣削部22内具有六条锥度铣削刃，有利于减少每齿进给量，降低单个齿的切削负载，故能用于大进给加工，提升切削效率。

铣削部22的的锥度角为α，α角既不宜过小，也不宜过大：一方面取值过小会造成铣削部22太长，增加了铣削部应用方面的一些限制；另一方面根据切屑厚度公式dc=fz*sinα，α取值越大，切屑厚度越大，则切削力轴向分量越大，难以实现显著降低轴向切削力的目标，故合理的锥度角α取值范围为5°～30°，在本实施例中，锥度角α=10°。

本实施例中，铣削部22的小端直径为dmin，大端直径为dmax，长度为l，刀体2直径为d，则l=0.5（dmax-dmin）/tanα，其中dmax=d，dmin=0.6d～0.9d。锥形铣削段22的尺寸参数对本发明的性能影响较大，其小端直径为dmin，大端直径dmax即刀具直径为为d，该式可以看出，当锥度角α确定后，dmin越大，则锥形铣削段22越短，通过铣削作用改变切削力分布的效果不明显；dmin越小，则铣削部22越长，增加了铣削部应用方面的一些限制，合理的dmin取值范围为dmin=0.6d~0.9d。本实施例中，dmax=d=10mm，dmin=0.76d，l=6.8mm。

本实施例中，短螺旋排屑槽8与长螺旋排屑槽3相连通。短螺旋排屑槽8的螺旋角为β1，长螺旋排屑槽3的螺旋角为β0，β1和β0满足β1＞β0。两对短螺旋排屑槽8与长螺旋排屑槽3相贯通，从而保证切屑能通过长螺旋排屑槽3顺畅地排出孔外，避免铣削部22中三对铣削刃（一对长刃、两对短刃）加工产生的切屑在刃瓣7与孔壁之间形成拥堵。正因如此，短螺旋排屑槽8的螺旋角β1必须大于长螺旋排屑槽3的螺旋角β0，即β1＞β0，在本实施例中，β1=33°，β0=30°

本实施例中，锥度短铣削刃9的长度为l2，锥度长铣削刃10的长度为l1，l1和l2满足l1＞l2，且l1=l。为保证铣削部22的整个长度均为有效切削刃，其长度l1=l，由于刃瓣7背部直径小于刀体2刃径d，故锥度短铣削刃9长度l2小于锥度长铣削刃10的长度l1。在本实施例中，l1=6.8mm，l2=4.6mm。

实施例2

如图4和5所示，本实施例与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，长螺旋排屑槽3设置为2个，短螺旋排屑槽8设置为2个，即每个刃瓣7上设1个。

本实施例适用于刀具直径较小，刃瓣7宽度较小的麻花钻，钻削部23包括两条主钻削刃231和一条横刃232。本实施例中，各设计参数分别为α=10°，β1=33°，β0=30°，d=10mm，dmin=0.76d，l=6.8mm，l1=6.8mm，l2=4.6mm。

实施例3

如图6和7所示，本实施例与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，长螺旋排屑槽3设置为3个，短螺旋排屑槽8设置为3个，即每个刃瓣7上设1个。

本实施例适用于三刃麻花钻，钻削部23包括三条主钻削刃231和三条横刃232，各设计参数分别为：α=10°，β1=33°，β0=35°，d=10mm，dmin=0.76d，l=6.8mm，l1=6.8mm，l2=4.6mm。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。