用于碳纤维板上制孔的成型台阶钻的制作方法

本发明涉及制孔刀具领域，特别是指一种在加工碳纤维板过程中用于制孔和孔肩倒角的成型台阶钻。

背景技术：

当前，国内外通用飞机越来越多地采用复合材料，特别是在轻型通用飞机上的应用更加广泛。飞机的机翼(包括翼梁、桁条和蒙皮)、机身、尾翼、蒙皮、油箱、发动机舱都是采用复合材料，而制孔是纤维增强复合材料制造过程中最重要的加工工序之一，且现有工艺为手动气动工具进行加工。

由于纤维增强复合材料是由质软而粘性大的基体材料和强度高、硬度大的纤维增强材料混合而成的二相或多相结构材料，其各向异性、低热传导率、低层间结合强度使其成为典型的难加工材料。

现今生产中用途广泛的复合材料主要分为玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料，而碳纤维复合材料所具有的高强度、高刚度、抗疲劳性能好、耐高温性好等优点，使其在飞机设计、制造上具有更好的优势和应用。随着碳纤维的广泛应用，随之也带来了碳纤维复合材料在加工和装配上的问题。此时，碳纤维复合材料的缺点更加的凸显出来，成为了钻孔、装配的主要问题来源。在碳纤维复合材料钻孔时主要克服碳纤维复合材料结构的高强度、高硬度、导热性差、各向异性、层间强度低等难题，因此，在纤维增强复合材料制孔过程中，除传统金属材料制孔缺陷(尺寸误差、圆度误差、位置误差和垂直度误差等)外，还表现为分层、出入口撕裂与毛刺、孔壁表面纤维拔出等，且加工效率不高。

国内原有在碳纤维板上加工制孔，并对孔肩进行倒角，如图1所示，使用的是用匕首钻a制孔，然后如图2所示的使用鍃钻b对孔肩进行倒角，因此整个工艺需要两把刀来进行加工，加工方式为手用气动工具，这样效率低且容易出现尺寸不好控制的弊端；现有的工艺分成两把刀具来完成的原因是能够保证倒角面精度更好，而且两次加工的切削阻力小，所以在此之前的制孔工艺一直没有使用一刀两用的整体方案的原因是会造成倒角面不直，且刃口容易崩刃。

技术实现要素：

本发明提供一种用于碳纤维板上制孔的成型台阶钻，其所要解决的主要技术问题是：传统的对碳纤维板等增强复合材料上进行加工制孔时，钻孔以及孔肩倒角分别是依靠两把刀具来完成的，因此加工工艺相对复杂，需要中途换刀，而且采购成本高。

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于碳纤维板上制孔的成型台阶钻，其包括钻头、倒角刀以及刀柄，所述钻头、倒角刀以及刀柄同轴依次连接，所述钻头为麻花钻，其包括两个呈螺旋形且以刀柄的中心轴线呈中心对称设置的钻刃部，两个所述钻刃部上相互对应的前刀面与刀背面之间均围绕出螺旋状的钻孔排屑槽，所述钻刃部包括钻尖锥面刃、螺旋周刃以及依次连接在所述钻尖锥面刃与螺旋周刃之间的第二锥面刃及第三锥面刃；所述倒角刀包括两个呈螺旋形且以刀柄的中心轴线呈中心对称设置的倒角刃部，两个所述倒角刃部上相互对应的前刀面与刀背面之间均围绕出螺旋状的倒角排屑槽，所述倒角刃部包括倒角锥刃以及圆周副刃，所述倒角锥刃与所述螺旋周刃相连接形成台阶状，所述钻孔排屑槽与所述倒角排屑槽连通。

优选于：所述钻尖锥面刃的半顶角为65.5°-66.5°，所述第二锥面刃的半顶角为42°-43°，所述第三锥面刃的半顶角为26.5°-27.5°；所述倒角锥刃的半顶角为49.5°-50.5°。

优选于：所述钻刃部以及倒角刃部均为右螺旋结构，所述钻孔排屑槽及倒角排屑槽均为右螺旋结构，所述钻刃部及钻孔排屑槽的螺旋角度为18°-19°，所述倒角刃部及倒角排屑槽的螺旋角度为27°-28°。

优选于：所述螺旋周刃上与所述倒角锥刃连接的一端开设有清根槽口，所述清根槽口的宽度为0.8mm、深度小于0.15mm。

优选于：所述钻尖锥面刃的第一后刀面的宽度为0.7-0.75mm、后角为19°-21°，所述钻尖锥面刃的第二后刀面的宽度为2.2-2.4mm、后角为35°-39°，所述钻尖锥面刃的第三后刀面的后角为60°；所述第二锥面刃及第三锥面刃的第一后刀面的后角均为19°-21°、第二后刀面的后角均为35°-39°；所述倒角锥刃的后刀面的后角为18°-19°。

优选于：所述钻尖锥面刃与所述第二锥面刃相交形成的刀尖围绕所述刀柄的中心轴线旋转形成的扫略圆弧轨迹的直径为4.47-4.49mm，所述钻尖锥面刃的圆跳度公差不超过0.01mm，所述第二锥面刃与所述第三锥面刃相交形成的刀尖围绕所述刀柄的中心轴线旋转形成的扫略圆弧轨迹的直径为6.24-6.26mm，所述螺旋周刃围绕所述刀柄的中心轴线旋转形成的扫略圆弧面的直径为7.90-7.92mm，所述圆周副刃围绕所述刀柄的中心轴线旋转形成的扫略圆弧面的直径为11.989-12mm，所述刀柄的直径为9.98-10mm，所述螺旋周刃及圆周副刃的圆跳度公差均不超过0.003mm。

优选于：所述钻头上位于所述钻孔排屑槽的槽底部的直径为1.95-2.05mm，所述螺旋周刃的后刀面的宽度为2.20-2.30mm，所述螺旋周刃的后刀面的铲背落差为0.25mm，所述螺旋周刃的后刀面至所述钻刃部的刀背面之间设置呈翻背结构，且所述螺旋周刃至所述钻刃部的刀背面之间的宽度为4.3mm。

优选于：所述圆周副刃至所述倒角刃部的刀背面之间的宽度为5.7mm。

优选于：两个所述钻刃部上的钻尖锥面刃之间形成的横刃为X型，所述钻头上位于所述横刃的两端开设有切出口，且所述切出口的切出方向与所述钻头的径向面之间的夹角为57°，所述切出口的槽底夹角为90°，所述切出口的一侧槽壁与所述钻尖锥面刃相交形成的边与所述横刃之间的夹角为130°，两个所述切出口分别与两个所述钻尖锥面刃相交形成的边在轴向投影上的距离为0.15-0.19mm，两个所述切出口分别与两个所述钻尖锥面刃的后刀面相交形成的边的在轴向投影上的距离为0.233mm。

优选于：所述钻头的长度为27.175-27.215mm，所述钻孔排屑槽与倒角排屑槽的长度之和为45-45.5mm，所述钻头与倒角刀的长度之和为54.5-55.5mm，所述钻头、倒角刀以及刀柄的长度之和为85-85.5mm。

优选于：钻头以及倒角刀的表面均具有CVD粗金刚石涂层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、提出的一种将制孔以及孔肩倒角作为一刀加工的整体方案，能够简化加工工序，不用中途换刀，而且缩减了采购成本；另外通过钻头与倒角刀之间二次开槽变螺旋角的结构设计，倒角锥刃增大螺旋角使倒角面更直，精度能得到更好保证，解决了倒角尺寸、精度不能保证、刃口容易崩缺以及阻力大的问题；

二、在钻头的锥面上采用依次设置的多个顶角逐渐减小的锥面刃逐渐扩孔的方式来克服碳纤维板的高强度、高硬度、导热性差、各向异性、层间强度低等问题，而不至于对复合材料板造成垂直冲击，消除了复合材料板的制孔出口分层的现象，防止进、出口劈裂的问题。

附图说明

图1为传统的匕首钻制孔示意图。

图2为传统的鍃钻倒角示意图。

图3为本发明的成型台阶钻结构示意图。

图4为本发明的成型台阶钻一刀制孔、倒角示意图。

图5为本发明的钻头结构示意图。

图6为本发明的钻头前端面结构示意图。

图7为本发明的钻尖锥面刃的结构参数标注示意图。

图8为本发明的第二、三锥面刃的结构参数标注示意图。

图9为本发明的倒角锥刃的结构参数标注示意图。

图10为本发明的清根槽结构示意图。

图11为图6中A的局部放大结构示意图。

图12为本发明的圆周副刃的局部横截面结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图3至12以及较佳实施例对本发明提出的一种用于碳纤维板上制孔的成型台阶钻作更为详细说明。

本发明提供一种用于碳纤维板上制孔的成型台阶钻，其包括钻头1、倒角刀2以及刀柄3，所述钻头1、倒角刀2以及刀柄3同轴依次一体成型的连接，并采用粗金刚石工艺进行涂层，使刀具的寿命得到明显提升，所述钻头1为麻花钻，其包括两个呈螺旋形且以刀柄3的中心轴线呈中心对称设置的钻刃部11，两个所述钻刃部11上相互对应的前刀面与刀背面之间均围绕出螺旋状的钻孔排屑槽12，所述钻刃部11包括钻尖锥面刃13、螺旋周刃14以及依次连接在所述钻尖锥面刃13与螺旋周刃14之间的第二锥面刃15及第三锥面刃16；所述倒角刀2包括两个呈螺旋形且以刀柄3的中心轴线呈中心对称设置的倒角刃部21，两个所述倒角刃部21上相互对应的前刀面与刀背面之间均围绕出螺旋状的倒角排屑槽22，所述倒角刃部21包括倒角锥刃23以及圆周副刃24，所述倒角锥刃23与所述螺旋周刃14相连接形成台阶状，所述钻孔排屑槽12与所述倒角排屑槽22连通；所述钻尖锥面刃13的半顶角为65.5°-66.5°，所述第二锥面刃15的半顶角为42°-43°，所述第三锥面刃16的半顶角为26.5°-27.5°；所述倒角锥刃23的半顶角为49.5°-50.5°；所述钻刃部11以及倒角刃部21均为右螺旋结构，所述钻孔排屑槽12及倒角排屑槽22均为右螺旋结构，所述钻刃部11及钻孔排屑槽12的螺旋角度为18°-19°，所述倒角刃部21及倒角排屑槽22的螺旋角度为27°-28°。

本发明在具体实施时，如图4所示，所述钻刃部11上具有顶角逐渐减小的三顶角的锥面刃，进而能够便于在制孔过程中逐渐扩孔，防止对碳纤维板造成冲击，防止制孔的进出口劈裂分层，另外通过在钻刃部11的轴向后端连接有台阶状的倒角刃部21，进而借助所述倒角刃部21在所述钻头1冲入制出的孔中后对孔肩进行同步倒角，无需额外的定位，倒角精准，并且借助两个所述倒角刃部21之间二次开槽结构形成的比所述钻刃部11更大的螺旋角，使所述倒角锥刃23的前角更大，能够有利于所述倒角锥刃23的切削，能够增加到倒角面的精确度。

进一步，如图10所示，所述螺旋周刃14上与所述倒角锥刃23连接的一端开设有清根槽口4，由于所述清根槽口4为常见结构，因此功能不再赘述，所述清根槽口4的宽度为0.8mm、深度小于0.15mm。

所述钻尖锥面刃13的第一后刀面131的宽度为0.7-0.75mm、后角为19°-21°，所述钻尖锥面刃13的第二后刀面132的宽度为2.2-2.4mm、后角为35°-39°，所述钻尖锥面刃13的第三后刀面133的后角为60°；如图8所示，所述第二锥面刃15及第三锥面刃16(图中标注的为第二锥面刃15)的第一后刀面的后角均为19°-21°、第二后刀面的后角均为35°-39°；如图9所示，所述倒角锥刃23的后刀面231的后角为18°-19°。

如图5所示，所述钻尖锥面刃11与所述第二锥面刃15相交形成的刀尖围绕所述刀柄3的中心轴线旋转形成的扫略圆弧轨迹的直径为4.47-4.49mm，所述钻尖锥面刃11的圆跳度公差不超过0.01mm，所述第二锥面刃15与所述第三锥面刃16相交形成的刀尖围绕所述刀柄3的中心轴线旋转形成的扫略圆弧轨迹的直径为6.24-6.26mm，如图3所示，所述螺旋周刃14围绕所述刀柄3的中心轴线旋转形成的扫略圆弧面的直径为7.90-7.92mm，所述圆周副刃24围绕所述刀柄3的中心轴线旋转形成的扫略圆弧面的直径为11.989-12mm，所述刀柄3的直径为9.98-10mm，所述螺旋周刃14及圆周副刃24的圆跳度公差均不超过0.003mm。

如图6所示，所述钻头1上位于所述钻孔排屑槽12的槽底部的直径为1.95-2.05mm，所述螺旋周刃14的后刀面141的宽度为2.20-2.30mm，所述螺旋周刃14的后刀面141的铲背落差为0.25mm，所述螺旋周刃14的后刀面141至所述钻刃部11的刀背面之间设置呈翻背结构，且如图3所示，所述螺旋周刃14至所述钻刃部11的刀背面之间的宽度为4.3mm，本实施例通过在螺旋周刃14的后刀面141与刀背面之间设置铲背落差，能够实现在制孔过程中不会干扰孔内壁，并借助翻背结构使得所述钻孔排屑槽12中的屑丝能够在翻背结构的内钩引导下翻转，不会戳至孔的内壁。

如图12所示，所述圆周副刃24至所述倒角刃部21的刀背面之间的宽度为5.7mm。

如图11中所示，两个所述钻刃部11上的钻尖锥面刃13之间形成的横刃17为X型，所述钻头1上位于所述横刃17的两端开设有切出口18(如图3、5、6、11中所示)，且所述切出口18的切出方向与所述钻头1的径向面之间的夹角为57°，所述切出口18的槽底夹角为90°，所述切出口18的一侧槽壁与所述钻尖锥面刃13相交形成的边与所述横刃17之间的夹角为130°，两个所述切出口18分别与两个所述钻尖锥面刃13相交形成的边在轴向投影上的距离为0.15-0.19mm，两个所述切出口18分别与两个所述钻尖锥面刃13的后刀面相交形成的边的在轴向投影上的距离为0.233mm。

所述钻头1的长度为27.175-27.215mm，所述钻孔排屑槽12与倒角排屑槽22的长度之和为45-45.5mm，所述钻头1与倒角刀2的长度之和为54.5-55.5mm，所述钻头1、倒角刀2以及刀柄3的长度之和为85-85.5mm。

综合上所述，本发明的技术方案可以充分有效的完成上述发明目的，且本发明的结构原理及功能原理都已经在实施例中得到充分的验证，而能达到预期的功效及目的，且本发明的实施例也可以根据这些原理进行变换，因此，本发明包括一切在申请专利范围中所提到范围内的所有替换内容。任何在本发明申请专利范围内所作的等效变化，皆属本案申请的专利范围之内。