专利名称：碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种螺旋铣孔专用刀具，本实用新型尤其涉及碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具。
背景技术：
航空航天技术的发展带动着新材料的发展与应用，飞机的设计要求速度更快、重量更轻而且有更大的承载能力，与此同时，还要使用更少的燃料，最大化的降低成本与污染。先进的航空产品必然要求航空零部件具有更加优异的性能，复合材料和钛合金的低密度、高强度、耐腐蚀等优良性能使其越来越广泛的应用于航空航天领域，因此CFRP/钛合金等难切削材料的加工效率和质量成为航空航天领域发展的关键技术之一。而传统的钻孔已经不能满足现在航空产业对制孔质量的要求。传统的航空装配·孔的制孔工艺一般包括钻底孔、扩孔、铰孔、锪沉孔等工序，在两种材料一体化装配制孔过程中，一般还在扩孔完成后，拆开两种材料进行清理，重新定位，再铰孔，这导致加工效率极低。制孔成为航空装配制造过程最繁重的机械加工工序之一。螺旋铣孔是一种新型制孔工艺，是用一把小于孔直径刀具通过自身自转的同时围绕着制孔中心以一定偏移量做公转的螺旋制孔工艺。螺旋铣孔实质是一个“以铣代钻”过程，利用螺旋进给的方式实现钻削运动。PCT申请PCT/US2010/020018公开了一种用于轨道式钻孔的端铣刀。该专利包括一个柄直径的柄部，一个颈直径的颈部和一个切削直径的头部，一个圆角半径，一个凹角及一条纵向轴线，其中切削头部包含一个前切削端，该前切削端具有位于该纵向轴线与圆角半径之间的一个凸出弯曲的区段，其中该凸出弯曲的区段致使由工件上去除的材料从一个初始接触区域径向向外地朝向该圆角半径而流动，由此使在该前切削端的一个中央部分中的材料积聚最小化。上述专利只给出了刀具大体结构及参数范围，而且也没指出适用于何种材料的加工，更没有专门针对碳纤维复合材料和钛合金加工中所需要的内冷孔，没有具体涂层匹配的介绍，没有具体最优刀具参数。以上专利只是一个概念性的介绍，并没有适用于特定加工材料的针对性。
发明内容本实用新型的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种一把刀具加工不同直径的孔，且一次成型，大大提高了刀具的使用寿命和孔的加工质量，减少了换刀时间，而且不需要再进行精加工，就能得到很高的加工质量的孔的碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具。本实用新型的碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具，它包括由切削头部、颈部和刀柄组成的刀体，所述的切削头部和颈部为阶梯状，在所述的切削头部侧壁上对称的开有四个延伸至颈部的螺旋槽，所述的四个螺旋槽以刀体中心轴线对称，在所述的刀颈的切削头部沿周向均匀设置有四个周边铣齿，每个铣齿的径向前角的角度为4-6° ;每个铣齿的径向第一后角的角度为14-16° ;每个铣齿的径向第二后角的角度为18-22°，每个铣齿的切削底刃和侧刃之间依次通过第一圆弧、圆角以及第二圆弧相连，所述的切削底刃与竖直线的夹角为3-5°，在所述的刀体内开有两个以刀体中心轴线对称的通孔。本刀具应用于CFRP/钛合金一体化制孔中，尤其应用到航空航天领域的制造装配中。它与传统的钻孔工具相比，明显提高了加工效率和孔的加工质量、提高刀具的使用寿命一把刀具加工不同直径的孔，且一次成型。I.刀具头部和颈部阶梯状设计，相对于 传统的钻孔技术，螺旋铣孔能显著的提高孔的质量。由于刀具专门用于孔的加工，刀具整体在孔中运动的行程较长，为了防止刀体本身对已加工孔表面的影响，该专利刀具结构采用颈部直径和切削头部直径阶梯状设计，有效提高了刀具的排屑效果，并且保护已加工表面不受切屑的二次损伤。2.刀具切削头部采用双圆角过渡由于螺旋铣孔的特殊工艺，刀具不仅具有侧向进给，还有轴向进给，因此，刀具的底刃强度很大程度上影响刀具的寿命，为了提高刀具的底刃强度，底刃与侧刃采用双圆角(图3中17和18所示)过渡。侧刃处圆角(如图3中17所示)还有助于对碳纤维复合材料的纤维的切断，有利于提高复合材料加工孔的质量。3.针对钛合金和复合材料的加工特点，由于钛合金的导热系数小，切削过程中切削温度高，降低刀具的使用寿命，再者，复合在切削过程中产生粉末状切屑，容易堵塞在加工孔的底部，刀具在绕轴心处开有两个对称的内冷孔(如图I中6所示)，对于有效降低切削温度有重要作用。本刀具经过大量CFRP/钛合金螺旋铣孔试验，切削力结果如图5所示，实验结果表明采用用本刀具时切削的轴向力明显小于钻孔，大约在150N(切削碳纤维复合材料)和500N(切削钛合金)，而采用传统刀具钻孔的轴向力大约为800N(如图4所示)。试验对本刀具加工的孔表面质量进行测量，结果表明，螺旋铣孔钛合金孔表面粗糙度Ra值为0. 4um 0. 5um，孔表面质量达到精铰水平，碳纤维复合材料加工孔表面粗糙度值也能达到4um。本专利刀具CFRP/钛合金一体化制孔精度能达到IT8 ITlO级。
图I为本实用新型的碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具的总体结构示意图；图2所示为图I所示的刀具端视图；图3为图I所示的刀具的头部轮廓放大图；图4为采用传统刀具钻削钛合金过程切削力信号图；图5为采用本新型刀具螺旋铣孔过程轴向力信号图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作以详细描述。如附图所示本实用新型的碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具，它包括由切削头部I、颈部2和刀柄3组成的刀体，所述的切削头部和颈部为阶梯状，在所述的切削头部侧壁上对称的开有四个延伸至刀具底部的螺旋槽10、11，12、13，所述的四个螺旋槽以刀体中心轴线5为对称中心线，在所述的刀颈的切削头部沿周向均匀设置有四个周边统齿，每个统齿的径向前角7的优化角度为4-6° ;每个统齿的径向第一后角8的角度为14-16° ;每个铣齿的径向第二后角9的角度为18-22°，每个铣齿的切削底刃20和侧刃16之间依次通过第一圆弧19、圆角18以及第二圆弧17相连，所述的切削底刃与竖直线的夹角21为3-5°，该设计使切削底刃有一个尖角，利于切断碳纤维复合材料材料中的碳纤维。在所述的刀体内开有两个绕刀体中心轴线对称的通孔6。图3中15为刀颈和刀头的过渡圆角，其优选半径为2mm。图I中4为螺旋角，本刀具优化螺旋角的范围为34-36°。优选的所述的刀柄的长度LI为30mm,刀柄直径Dl为IOmm ;颈部2直径D2为5. 4mm,颈部长度L2为20mm ;头部参与切削的区域的轴向长度L3为5mm ;每个铣齿的螺旋排屑槽轴向长度L4为6mm，头部直径D3为6mm。这样能在保证刀具刚度的基础上使刀具更有利于排屑，同时也能防止切削刃及切屑对已加工表面造成二次损伤。优选的所述的通孔6的孔直径为0. 8mm。这两个通孔作为内冷孔能有效降低切削 区温度，保证刀具寿命，提高加工质量。优选的所述的第一圆弧19半径为13mm、圆角18半径为0. 4mm,第二圆弧17半径为13mm。各半径的圆心根据相切约束来确定。底刃的分布用角度a和P来确定，如图2所示，四个切削底刃中的两个切削底刃的角度a为95-97°，另外两个切削底刃的角度P为83-85°。图4为采用传统刀具钻削钛合金过程切削力信号，由图可以看出切削轴向力(Fz)较大，约为700-800N，并且波动较大，不利于稳定切削。图5为采用本新型刀具螺旋铣孔过程轴向力信号图。和钻削轴向力相比，用该刀具进行螺旋铣孔时轴向力约为100N(碳纤维复合材料)和500N (钛合金)，小于采用传统刀具钻削过程切削力，且切削力较为平稳，有利于提高刀具寿命，保证加工质量。
权利要求1.碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具，它包括由切削头部、颈部和刀柄组成的刀体，其特征在于所述的切削头部和颈部为阶梯状，在所述的切削头部侧壁上対称的开有四个延伸至颈部的螺旋槽，所述的四个螺旋槽以刀体中心轴线对称，在所述的刀颈的切削头部沿周向均匀设置有四个周边铣齿，每个铣齿的径向前角的角度为4-6° ;每个铣齿的径向第一后角的角度为14-16° ;每个铣齿的径向第二后角的角度为18-22°，每个铣齿的切削底刃和侧刃之间依次通过第一圆弧、圆角以及第ニ圆弧相连，所述的切削底刃与竖直线的夹角为3-5°，在所述的刀体内开有两个绕刀体中心轴线对称的通孔。
2.根据权利要求I所述的碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具，其特征在于所述的螺旋槽的螺旋角为34-36°，所述的刀柄的长度为30mm，刀柄直径为IOmm ;所述的颈部直径为5. 4mm,颈部长度为20mm。
3.根据权利要求I或2所述的碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具，其特征在于切削头部參与切削的区域的轴向长度为5mm ;每个铣齿的螺旋排屑槽轴向长度为6mm,切削头部直径为6mm。
4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具，其特征在于所述的通孔的孔直径为0. 8mm。
5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具，其特征在于所述的第一圆弧半径为13mm,圆角半径为0. 4mm,第二圆弧半径为13mm。
6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具，其特征在干四个切削底刃中的两个切削底刃的角度为95-97°，另外两个切削底刃的角度为83-85。。
专利摘要本实用新型公开了碳纤维复合材料以及钛合金螺旋铣孔专用刀具，它包括由切削头部、颈部和刀柄组成的刀体，切削头部和颈部为阶梯状，在切削头部侧壁上对称的开有四个延伸至颈部的螺旋槽，四个螺旋槽以刀体中心轴线对称，在刀颈的切削头部沿周向均匀设置有四个周边铣齿，每个铣齿的径向前角的角度为4-6°；每个铣齿的径向第一后角的角度为14-16°；每个铣齿的径向第二后角的角度为18-22°，每个铣齿的切削底刃和侧刃之间依次通过第一圆弧、圆角以及第二圆弧相连，切削底刃与竖直线的夹角为3-5°，在刀体内开有两个以刀体中心轴线对称的通孔。采用本刀具明显提高了加工效率和孔的加工质量、提高刀具的使用寿命。
文档编号B23C5/10GK202571427SQ201220148618
公开日2012年12月5日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者秦旭达, 李皓, 孙晓太, 贵林景, 贾昊 申请人:天津大学