用于叠层结构零件整体制孔的多阶梯多刃刀具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种叠层结构零件高质量整体制 孔的多阶梯多刃刀具。
【背景技术】
[0002] 减轻重量是航空飞机、航天飞行器提高巡航、运载能力的必要手段，碳纤维增强复 合材料(复材)具有轻质、高强等优点，其应用可以减轻结构重量，减少制造周期，被广泛应 用于航空、航天装备的构件制造。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，复材与金属构件通常采 用搭接的形式，形成叠层结构零件，并采用镙接、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。
[0003] 然而碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件中，材料性能差异巨大，其中碳纤维 增强复合材料的碳纤维增强相极硬，而层间结合力弱，钻削加工时易造成碳纤维增强复合 材料的撕裂、分层等损伤，且刀具磨损严重;而金属，特别是钛合金，其强度高、热导率低、高 温化学活性高，加工时易出现入口毛刺、飞边，孔径不圆或倾斜等缺陷，刀具易出现黏刀、崩 刃等现象；另外，切削金属产生的切肩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，切削金属产生的高温以及高温切肩，易造成材料结合部位的复材 和复材孔壁的烧伤。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。
[0004] 切削制孔中，切削刀具的几何结构是影响制孔质量的关键因素之一，为克服上述 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质量差的问题，国内外开发了 多种不同结构几何形式的叠层结构材料的制孔刀具。江西杰浩硬质合金工具有限公司公开 申请了一种"加工碳素纤维增强复合材料与钛合金叠层板的钻头"，【申请号】 201220592135.8,它涉及用于叠层材料的制孔的具有多顶角的切削刀具，提出在钻尖部的 钻尖角为三顶角设计，刀具通过径向大前角开槽，非常锋利，较好的解决了复材加工中由于 轴向力过大引发的分层、撕裂等损伤问题，然而，这种刀具存在在加工过程中不能保证金属 孔壁的粗糙度与孔径尺寸。日本川崎重工等企业在"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 肩尺寸，对复合材料和金属结合部位的损伤影响小。此类刀具在无冷却的情况下，依然可以 保证刀具寿命，并且可以在任意方向都可以一次加工成型，有效的提高了加工效率。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。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术难题是克服整体钻削加工碳纤维增强复合材料/金属叠层结 构零件孔时，碳纤维增强复合材料入口易产生分层、毛刺、撕裂等损伤，金属孔壁粗糙度差， 复材与金属的孔径一致性差、刀具寿命低等问题，发明一种叠层结构零件高质量整体制孔 的多阶梯多刃刀具。该刀具是一种具有钻、扩、铰功能为一体的多阶梯多刀刃钻头，其具有 直径较小的预钻孔切削区，直径稍大的扩孔切削区，扩孔切削区与金属铰孔切削区的圆弧 过渡段，以及直径的复材铰孔切削区与金属铰孔切削区，形成多级阶梯结构，每级阶梯具有 特定的刃型、螺旋角和刀径，特别适合于碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件的高质 量、高效率整体低损伤制孔加工，提高加工效益，降低生产成本。
[0006] 本发明采用的技术方案是一种碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件制孔的多 阶梯多刃刀具，其特征是此刀具具有由预钻孔主切削刃1包络线形成的预钻孔切削区A、扩 孔主切削刃2包络线形成的扩孔切削区B、包络线为金属终孔尺寸的金属铰孔切削区C、包络 线为复材终孔尺寸的复材铰孔切削区D、变径区E和夹持区F 6个区域构成了多阶梯多刃结 构，每级阶梯具有特定的刃型、螺旋角和刀径。
[0007] 在预钻孔切削区A有2条预钻孔主切削刃1和2条预钻孔副切削刃2,其螺旋角为第 一螺旋角α，直径为D1;预钻孔切削区A的刀具直径Di是扩孔切削区B的刀具直径0 2的0.5~ 0.7 倍；
[0008] 扩孔切削区B，有2条扩孔主切削刃3,2条扩孔副切削刃4,其螺旋角也为第一螺旋 角α，直径为D2;扩孔副切削刃4后段采用圆弧曲线与金属铰孔切削刃5连接，这段区域为过 渡区H，扩孔切削区B的刀具直径D 2是金属铰孔切削区C的刀具直径D3的0.97~0.99倍；
[0009] 金属铰孔切削区C有3~4条金属铰孔切削刃5,并采用较小的螺旋角β，直径为D3; 金属铰孔切削区C的刀具直径D 3为金属部分终孔尺寸，该区域长度为所加工金属厚度的1.1 ~1.5倍，金属铰孔切削C加工时不会进入复材部分；
[0010] 复材铰孔切削区D有5~8条复材铰孔副切削刃6,其螺旋角为印，直径为D4,复材铰 孔切削区D的螺旋角φ小于金属铰孔切削区C的螺旋角β，复材铰孔切削区D在加工时不会进 入金属部分；
[0011] 复材铰孔切削区D的刀具直径D4大于复材部分终孔尺寸，即刀具直径D4大于金属铰 孔切削区C的刀具直径D 3,这种结构设计可以消除加工碳纤维增强复合材料/金属叠层结 构零件时由于复材回弹带来的孔径误差;复材铰孔切削区D的长度为上层被切削复材厚度 的0.8~0.9倍。
[0012] 变径区E在复材铰孔切削区D的尾端设计为变径结构，变径区E的轴向长度为复材 铰孔切削区D轴向长度的1/2，变径区E的直径为D 5;
[0013] 本发明的效果和益处是多阶梯多刃刀具的预钻孔切削区A在复材段实现快速加工 出底孔，并保证孔壁留有余量;扩孔切削区B在金属段通过先钻后扩同时结合圆弧过渡段， 控制切肩形态及流动方向，实现叠层部位的高质量加工;金属铰孔切削区C，精加工金属，保 证金属孔的表面质量，减小划痕，降低粗糙度;复材铰孔切削区D，精加工复材，消除孔壁上 的烧伤和划伤，有效去除毛刺，降低形成终孔时的撕裂损伤，考虑到复材的高回弹特点，该 部分直径略大于终孔尺寸，以保证各部分孔径一致;复材铰孔切削刃尾端的变径结构，有效 控制钻削时的振动，提高了入口孔壁的质量。最终实现不同阶梯段对叠层结构零件的分阶 加工。
【附图说明】
[0014] 图1为一种碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件高效制孔的专用刀具的主视 图，图2为图1中I-Ι剖面图，图3为图1中J-J剖面图，图4为图1中K-K剖面图。其中，A-预钻孔 切削区，B-扩孔切削区，C-金属铰孔切削区