一种适用于叠层构件制孔的钻头的制作方法

本实用新型涉及切削刀具制造技术领域，尤其是一种适用于叠层构件制孔的钻头。

背景技术：

碳纤维复合材料(cfrp)以其优良的力学性能，被广泛地应用于飞机零件的制造，如宽体客机cr929，其用量已经高达50％，在确保结构强度的前提下，大幅地减轻了飞机结构重量。碳纤维复合材料需覆盖于构件的表面以形成叠层构件，而后还需对该叠层构件进行制孔操作以完成后续与其他相邻部件的装配。然而，对于两种或两种以材料组成的叠层构件进行一体化制孔一直都是航空制造中的一大挑战，尤其是不同材料之间的叠层。在现有技术中，通常借用高速钢或硬质合金刀具进行制孔，工艺步骤依序为：钻孔-扩孔-铰孔，如此一来，在加工过程中必不可免地需要进行换刀操作，从而增加了加工辅助时间，大大地降低了生产效率。另外，在制孔完成后还发现：孔的出口处极易出现毛刺，碳纤维复合材料叠层易出现分层、撕裂的现象，甚至还会导致孔出现劈裂以及缩孔现象，从而导致孔的成型质量不稳定。因而，亟待技术人员解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构设计简单，集钻孔、扩孔、铰孔功能为一体的适用于叠层构件制孔的钻头。

为了解决上述技术问题，本实用新型涉及了一种适用于叠层构件制孔的钻头，包括安装柄段、切削段。沿着远离安装柄段的方向，切削段由铰孔部、扩孔部以及钻孔部依序连接而成。在钻孔部上设置有定位刃、端切削刃以及第一外圆切削刃，其中，定位刃布置于钻孔部远离安装柄段的一端端部，且端切削刃由定位刃沿着径向外延而成。第一外圆切削刃围绕钻孔部的外侧壁进行螺旋延伸，且直至延伸至与端切削刃相交。在铰孔部上设置有第二外圆切削刃，其围绕铰孔部的外侧壁进行螺旋延伸。围绕扩孔部的外围设置有第三外圆切削刃，用来同时连接、过渡第一外圆切削刃与第二外圆切削刃。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，定位刃包括至少二条倾斜刃口，围绕钻孔部的中心轴线进行周向均布，且具有共同顶点。定位刃的顶角α控制在110～130°。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，第一外圆切削刃以及第二外圆切削刃具有相同的螺旋角β，且控制在30～40°。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，定位刃的前角γ控制在20～35°。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，定位刃的第一后角δ控制在20～25°，其第二后角ε控制在25～45°。端切削刃的第一后角ζ控制在8～10°，其第二后角η控制在10～18°。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，钻孔部的外径为d，其芯厚直径为d，则d＝25～30％d。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，定位刃的正芯高κ＝-0.1～0.1mm。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，在第三外圆切削刃上设置有修正阶梯面，其宽度ρ控制在0.2～0.4mm。

作为本实用新型技术方案的更进一步改进，沿着钻孔部的径向往外，端切削刃依序由第一切削段和第二切削段连接而成。第一切削段相对于钻孔部中心轴线的倾斜角度θ控制在80～85°，且其与定位刃之间设置有过渡圆弧。第二切削段相对于钻孔部中心轴线的倾斜角度ι控制在85～89°。

作为本实用新型技术方案的更进一步改进，第一切削段的长度l1控制在1.2～1.5mm。第二切削段的长度l2控制在0.1～0.3mm。

相较于传统设计结构，在本实用新型所公开的技术方案中，适用于叠层构件制孔的钻头上依序集合了钻孔部、扩孔部以及铰孔部，这样一来，在实际加工过程中，无需进行频繁换刀即可完成制孔的全部步骤，有效地降低了操作工人的劳动强度，且大大地提高了生产效率。另外，更为重要的是，在钻孔部的端部设置有端切削刃，从而降低了叠层构件各分层的轴向受力值，有效地防止了复合材料发生分层现象。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型中适用于叠层构件制孔钻头的主视图。

图2图1的局部放大图。

图3是图2的i局部放大图。

图4是图2的ii局部放大图。

图5是本实用新型中适用于叠层构件制孔钻头的侧视图。

1-安装柄段；2-切削段；21-铰孔部；211-第二外圆切削刃；22-扩孔部；221-第三外圆切削刃；2211-修正阶梯面；23-钻孔部；231-定位刃；2311-倾斜刃口；232-端切削刃；2321-第一切削段；2322-第二切削段；2323-过渡圆弧；233-第一外圆切削刃。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

下面结合具体实施例，对本实用新型的内容做进一步的详细说明，图1、图2分别示出了本实用新型中适用于叠层构件制孔钻头的主视图及其局部放大图，其沿着由右至左方向依序由安装柄段1和切削段2连接而成。沿着远离安装柄段1的方向，切削段2由铰孔部21、扩孔部22以及钻孔部23依序连接而成。在钻孔部23上设置有定位刃231、端切削刃232以及第一外圆切削刃233，其中，定位刃231布置于钻孔部23远离安装柄段1的一端端部，且端切削刃232由定位刃231沿着径向外延而成。第一外圆切削刃233围绕钻孔部23的外侧壁进行螺旋延伸，且直至延伸至与端切削刃232相交。在铰孔部21上设置有第二外圆切削刃211，其亦围绕铰孔部21的外侧壁进行螺旋延伸。围绕扩孔部22的外围设置有第三外圆切削刃221，用来同时连接、过渡第一外圆切削刃233与第二外圆切削刃211。这样一来，在实际加工过程中，无需进行换刀即可完成制孔的钻-扩-铰工艺步骤，一方面，降低了刀具的采购成本以及备库量，另一方面，亦有效地降低了操作工人的劳动强度，大大地提高了生产效率。另外，更为重要的是，在钻孔部23的端部设置有端切削刃232，从而有效地降低了叠层构件各分层的轴向受力值，防止了复合材料发生分层现象。

作为上述适用于叠层构件制孔钻头的进一步优化，定位刃231至少由二条倾斜刃2311口构成，且围绕钻孔部23的中心轴线进行周向均布(如图3中所示)，具有共同顶点，从而有效地消除了钻头的偏摆现象，在实际加工过程中起到了较好的定心作用，确保制孔的位置精度。一般来说，当定位刃231的顶角α控制在110～130°(如图2中所示)，且其前角γ控制在20～35°时(如图5中所示)，可以取得较好的切入效果。

出于确保刃口锋利方面考虑，钻头采用大螺旋角设计，即第一外圆切削刃233和第二外圆切削刃211的螺旋角β控制在30～40°(如图2中所示)。另外，第一外圆切削刃233和第二外圆切削刃211具有相同螺旋角，便于由砂轮一体磨削而成，从而降低了钻头制造成本。

已知，当钻头进入到叠层构件各层的初始阶段，最先参与到切削进程中的为定位刃231和端切削刃232，在一定程度上决定着制孔的最终成型质量，为此，还可以将上述定位刃231以及端切削刃232的结构作进一步的优化设计，具体如下：定位刃231的第一后角δ宜控制在20～25°，其第二后角ε宜控制在25～45°。端切削刃232的第一后角ζ宜控制在8～10°，其第二后角η宜控制在10～18°(如图2中所示)，如此一来，有效地优化了在制孔过程中叠层构件各构成层的受力状态，防止复合材料出现轴向撕裂现象。

出于排屑的流畅性以及钻头自身加工刚性等方面考虑，需要对芯厚相对于钻孔部23的占比进行控制，设定钻孔部23的外径为d，其芯厚直径设定为d，一般来说，d＝25～30％d(如图5中所示)。

另外，还可以在第三外圆切削刃221上设置有修正阶梯面2211(如图4中所示)，从而在一定程度上减小了成型后第三外圆切削刃221的前角，防止其在加工过程中发生崩刃现象，且优化了切屑的流动方向，确保排屑的流畅性。一般来说，修正阶梯面2211宽度ρ控制在0.2～0.4mm为宜(如图4中所示)。

已知，当定位刃231的正芯高κ值选择不合适时，可能会导致钻头成型困难，增大制造成本。另外，定位刃231的正芯高κ值还在一定程度上决定了钻头进入到初始切削阶段的受力状态，因此，需要对定位刃231的正芯高κ进行控制，一般设置在-0.1～0.1mm之间(如图5中所示)。

最后，为了进一步优化端切削刃232在实际加工过程中的受力状态，且减少制孔出口处的毛刺量，还可以将其设计为折线形刃口，具体如下：沿着钻孔部23的径向往外，端切削刃232依序由第一切削段2321和第二切削段2322连接而成。第一切削段2321相对于钻孔部23中心轴线的倾斜角度θ控制在80～85°。第二切削段2322相对于钻孔部23中心轴线的倾斜角度ι控制在85～89°(如图3中所示)。作为更进一步的优化，还可以在第一切削段2321与定位刃231之间设置有过渡圆弧2323(如图3中所示)，从而有效地杜绝了端切削刃232在实际切削制孔过程中发生应力集中现象，防止其发生崩刃现象。

一般来说，第一切削段2321的长度l1宜控制在1.2～1.5mm。第二切削段2322的长度l2宜控制在0.1～0.3mm(如图3中所示)。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。