一种用于纤维增强复合材料的孔加工刀具的制作方法

本发明属于刀具设计与应用技术领域，具体是指一种用于纤维增强复合材料的孔加工刀具。

背景技术

纤维增强复合材料是先进的复合材料，具有比强度高、比模量大、良好的尺寸稳定性、良好的耐腐蚀性和耐疲劳性、热传导系数低等诸多优点，被广泛应用于航空航天、生物医疗、交通运输和体育及军事用品中。

随着纤维增强复合材料在各行业的应用日益增多，其高效、精密加工也变得愈加重要。纤维增强复合材料在实际的工程应用中，需要在成型后进行机械加工以满足装配需求，但由于纤维强度高，硬度大，材料整体呈力学各向异性，导致其机械加工条件比较恶劣，是典型的难加工材料。一般情况下，在纤维增强复合材料孔加工中主要存在分层、撕裂、毛刺等质量问题及刀具耐用度低的问题。

现有的纤维增强复合材料孔加工刀具主要是硬质合金钻头或电镀套料钻，刀具磨损快，成本高，效率低；硬质合金钻头在轴向上的分力容易导致纤维增强复合材料出现分层的现象，从而很难满足复合材料优质高效的加工要求。电镀套料钻减小材料去除体积，能够减小轴向力，抑制分层缺陷，改善加工质量。但由于其电镀工艺磨粒结合强度低，易脱落，且磨粒出露高度低，容屑空间小，常导致套料钻堵塞，工件烧伤。此外，复合套料钻例如蚀心钻，其接触式定心易磨损失效，进一步限制了刀具寿命。因此需要发明一种适合于加工纤维增强复合材料的刀具。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种用于纤维增强复合材料的孔加工刀具，通过磨粒有序排布，容屑空间增大，且磨削刃螺旋角的设计，提高刀具排屑能力，提高加工质量；刀具外侧小粒径磨粒的使用提高了刀具等高性，进一步提高孔壁加工质量。本发明有效抑制碳纤维复合材料孔加工分层、撕裂和毛刺等缺陷的出现及提升刀具耐用度，且本发明的磨料结合强度高，解决了现有技术中存在的问题。

本发明是这样实现的：

一种用于纤维增强复合材料的孔加工刀具，所述的刀具自上而下依次包括磨削部分，光学定心部分以及刀具基体，且三部分依次连接形成本发明的刀具。其中，刀具磨削部分自外侧到内测依次包括外侧磨削刃、端面磨削刃、内侧磨削刃；磨削部分的磨粒有序排布，磨削刃磨粒都按照45°~60°的螺旋角依次排布，外侧磨削刃的磨粒粒径小于端面磨削刃与内侧磨削刃的磨粒粒径；磨削刃螺旋角为45°~60°，外侧磨削刃、端面磨削刃、内侧磨削刃的周向排布间距t为1.2mm~3.6mm之间。磨料的有序排布，提高刀具的排屑能力，降低磨削区温度，减少加工缺陷，提高复合材料加工表面完整性；磨粒的有序排布构成的磨削刃代替传统切削刃，提高了刀具寿命。此外，外侧磨削刃磨粒粒径小于端面与内侧磨削刃的磨粒粒径，提高孔壁磨削质量，能够避免出现加工过程中的分层、撕裂、毛刺等质量问题。

进一步，外侧磨削刃的磨粒粒径小于150μm，端面磨削刃与内侧磨削刃的磨粒粒径大于400μm，且端面磨削刃与内侧磨削刃的磨粒粒径相等。

进一步，磨削部分的各个磨削刃，即外侧磨削刃、端面磨削刃、内侧磨削刃磨粒固结方式均采用真空高温钎焊工艺，磨料为金刚石，钎料为agcuti。金刚石的超硬磨料形成的磨削刃采用真空高温钎焊工艺与刀具基体实现固结。

进一步，光学定心部分包括壁筒，在壁筒内部自下而上依次包括控制开关，光源，和凸透镜。

进一步，光学定心部分为可拆卸结构；壁筒外壁设置有外螺纹，通过外螺纹与刀具基体连接。通过壁筒外螺纹连接在刀具基体上，螺纹拧紧后，控制开关闭合，光源通电射出的光线通过壁筒内壁，可近似看为平行光，经壁筒端面的凸透镜聚焦于刀具外轴线上一点，实现光学定心。

进一步，壁筒的长径比大于5，且壁筒内壁覆有黑色吸光涂层，内壁采用黑色的涂层，可以将偏离壁筒轴线的光给吸收掉，保证射出的光线近似于平行光。

本发明与现有技术的有益效果在于：

1）本发明通过将磨粒有序排布构成的磨削刃代替传统切削刃，提高了刀具寿命。且外侧磨削刃磨粒粒径小于端面与内侧磨削刃的磨粒粒径，提高孔壁磨削质量；本发明的磨削刃螺旋角的设计，提高刀具排屑能力以及加工质量；刀具外侧磨削刃小粒径磨粒的使用提高了刀具等高性，可以进一步提高孔壁加工质量。

2）光学定心装置设置为可拆卸结构，通过螺纹连接在刀具基体上。通过将发光二极管发出的光线过滤为近似平行光线，再有固定焦距的凸透镜聚焦于刀具外轴线上一点，实现刀具的非接触式光学定心。其结构简单，价格低廉，且可重复利用，避免了传统套料钻工具由于定心钻磨损造成的刀具损耗，进一步提高了刀具寿命，降低生产成本，提高加工精度与效率。

3）本发明的磨削部分的磨削刃采用真空高温钎焊工艺，磨料为金刚石有序排布，可以提高刀具的排屑能力，降低磨削区温度，减少加工缺陷，提高复合材料加工表面完整性；磨削部分超硬磨料把持强度大，出露高度大，磨粒不易脱落，极大提高了刀具耐用度。

附图说明

图1本发明用于纤维增强复合材料的孔加工刀具的的结构示意图；

图2本发明用于纤维增强复合材料的孔加工刀具磨削刃展开图；

图3本发明用于纤维增强复合材料的孔加工刀具定心部分结构示意图；

其中，1-磨削部分，2-光学定心部分，3-刀具基体，1.1-内侧磨削刃，1.2-端面磨削刃，1.3-外侧磨削刃，2.1-壁筒，2.2-光源，2.3-控制开关，2.4-凸透镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种用于纤维增强复合材料的孔加工刀具，包括磨削部分1，光学定心部分2以及刀具基体3。磨削部分超硬金刚石磨料形成的外侧磨削刃1.3、端面磨削刃1.2、内侧磨削刃1.1均采用真空高温钎焊工艺与刀具基体实现固结，磨料有序排布。真空高温钎焊工艺，以及金刚石的磨料，可以提高刀具的排屑能力，降低磨削区温度，减少加工缺陷，提高复合材料加工表面完整性；磨削部分超硬磨料把持强度大，出露高度大，磨粒不易脱落，极大提高了刀具耐用度。

刀具磨削部分1，即外侧磨削刃1.3、端面磨削刃1.2、内侧磨削刃1.1的磨粒有序排布形成的磨削刃螺旋角设计均为45°，周向排布间距t为2.4mm。钎料为agcuti。

如图2所示，图2为刀具磨削刃展开图，磨削部分1自外侧到内测依次包括外侧磨削刃1.3、端面磨削刃1.2、内侧磨削刃1.1，外侧磨削刃1.3的磨粒粒径小于150μm；端面磨削刃1.2与内侧磨削刃1.1的磨粒粒径大于400μm。磨粒有序排布，外侧磨削刃1.3的磨粒粒径小于端面磨削刃1.2与内侧磨削刃1.1的磨粒粒径，端面磨削刃1.2以及内侧磨削刃1.1的磨粒粒径大小一致。

如图3所示，光学定心部分2包括壁筒2.1，光源2.2，控制开关2.3，凸透镜2.4。其设计为可拆卸结构，通过壁筒2.1通过外螺纹连接在刀具基体3上。光源2.2通电后，射出的光线通过长径比为5，且覆有褐色涂漆的内筒壁，可近似看为平行光，有套筒端面的凸透镜聚焦于刀具外轴线上一点，实现光学定心。

光学定心装置设置为可拆卸结构，通过螺纹连接在刀具基体上。通过将发光二极管发出的光线过滤为近似平行光线，再有固定焦距的凸透镜聚焦于刀具外轴线上一点，实现刀具的非接触式光学定心。其结构简单，价格低廉，且可重复利用，避免了传统套料钻工具由于定心钻磨损造成的刀具损耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，例如1：将外侧磨削刃、端面磨削刃、内侧磨削刃的磨粒粒径做出改变，使其满足外侧磨削刃的磨粒粒径小于150μm；端面磨削刃与内侧磨削刃的磨粒粒径大于400μm；2：将各磨削刃螺旋角设置在45°~60°之间；3：将各磨削刃周向排布间距t设置为1.2mm~3.6mm之间等数值的有效替换改变，这些改进也应视为本发明的保护范围。