抑制复材制孔时刀具磨损的侧向内冷孔设计方法与流程

本发明属于机械加工制造领域，涉及一种抑制复材制孔时刀具磨损的侧向内冷孔设计方法,通过在制孔刀具上增添该结构，能够有效降低复材制孔刀具切削成型区的磨损。

背景技术：

目前，纤维增强相复合材料由于其比强度高、比模量高等诸多优越的机械特性，在航空航天、化工、汽车制造等多个领域取得了不可替代的位置，例如在空客a380大型飞机上，其机身重量的22％是由复合材料制造，波音公司生产的787型客机更是主要结构的50％都采用了复合材料制作。在这些复合材料加工出的各类结构件上，其最主要的加工方式是钻孔加工，例如一架f-16飞机上就有着多达40000个连接孔，一架波音747飞机上更是有多达300万个连接孔。然而，由于纤维增强相复合材料具有层间强度低、硬度高、脆性大等力学性能，在钻孔时极易产生分层、毛刺、撕裂等缺陷，从而引起质量问题，甚至导致零件报废，因此，需要保证制孔刀具在加工过程中有着足够的锋锐度，能够维持较长时间的优秀切削性能，即保证刀具的磨损速度较慢。然而纤维增强相复合材料内部的纤维增强相由于其本身强烈的硬脆性和较高的磨蚀性，在加工过程中纤维和刀具表面会发生剧烈的摩擦，从而在切削区产生大量的热量，造成刀具材料软化，磨损加剧，切削性能发生急剧退化。此外，大量的研究表明，制孔刀具的切削成型位置对终孔质量起着决定性作用，例如钱宝伟等人在论文“双顶角钻头钻削cfrp复合材料的刀具磨损机制”[j].复合材料学报，2017，(04):521-529)中提出，在加工cfrp复合材料时，双顶角类型钻头的第二主切削刃最外沿切削刃的锋锐度对终孔的质量起决定性作用，外沿切削刃锋锐度降低将使复材孔壁和出口出现严重的损伤。因此，对加工刀具外延成型位置的切削刃进行磨损抑制，可保证刀具切削性能，提升刀具寿命。目前，已有研究提出了钻削刀具磨损的抑制方法如喷射大量切削液、改变刀具结构形式、增设内冷孔等方法。其中增设内冷孔并在其中通入冷却液或冷却气的方案是方便且有效的，例如黄东杰等人提出的“一种内部自动制冷深孔钻”，专利号cn205851939u，陈涛等人公开的“碳纤维复合材料专用钻头”，专利号cn105689765a，二者均采用在刀尖处开设双直内冷孔的方法降低加工时的切削热，何耿煌等人公开的“一种多内冷孔通用刀片槽可转位钻头刀体”，专利号cn201420706558.7，通过多开内冷孔的方式，提升冷却效果。然而上述专利，其提出的内冷孔开设方法均未有针对性地将冷却液喷射在复材制孔刀具的切削成型位置上，不能有效抑制复材加工时切削成型区的磨损，达不到大幅提升刀具寿命的要求。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术的不足，发明一种抑制复材制孔时刀具磨损的侧向内冷孔设计方法，该方法包括侧向内冷孔开设位置、侧向内冷孔形状、侧向内冷孔角度设计三个部分。通过在制孔刀具的切削成型位置开设圆形内冷孔，在后续钻削过程中，使冷却液从侧向喷出，有效降低该部分的切削温度，并提供了一定的润滑，降低了加工时刀具上的温度，避免了刀具材料软化，减小了刀具的磨损，且该方法能够应用于绝大多数制孔刀具上。

本发明采用的技术方案是一种抑制复材制孔时刀具磨损的侧向内冷孔结构，通过在刀具切削成型刃1的后刀面或附后刀面上开设侧方内冷孔2，喷射冷却剂，大幅降低刀具该部位在复材加工时的切削温度，抑制刀具刃圆和后刀面磨损。该方法包括侧向内冷孔开设位置、侧向内冷孔形状、侧向内冷孔角度设计三个部分。

所述侧向内冷孔开设位置设计，针对不同的制孔刀具有着不同的要求，对单级制孔刀具，侧方内冷孔2位于单级刀具的最终切削成型刃1末端的后刀面或附后刀面上，对多级制孔刀具，侧方内冷孔2位于多级刀具的倒数第一级或倒数第二级最终切削成型刃1的后刀面或附后刀面上；且侧方内冷孔出口中心距本级起始端距离h2等于0.6-0.8倍最终切削成型刃高度h1；当侧方内冷孔2开在后刀面上时，侧方内冷孔出口中心距最终切削成型刃1的距离n等于切削成型刃开孔区域后刀面最小宽度m的0.3-0.6倍；当侧方内冷孔开在附后刀面时，侧方内冷孔出口孔心距最终切削成型刃1的距离n等于切削成型刃开孔区域后刀面最小宽度m的1.5-3倍；每一级侧方内冷孔2相对于刀具刃尖轴向位置相同，周向相对于刀具轴线均匀分布，使开设的侧方内冷孔2在喷射冷却剂后，获得的反作用力合力中心在刀具轴线上，保证刀具动平衡。

所述侧向内冷孔形状设计，为保证冷却液在各方向均匀喷出，侧向内冷孔2均为圆形，其侧向内冷孔2的直径d2为切削成型刃开孔区域后刀面最小宽度m的0.3-0.5倍范围内，不大于原刀具刀体内轴向内冷孔4的直径。

所述侧向内冷孔角度设计，为保证对切削成型刃1有效、均匀的冷却，在开设侧向内冷孔2时，取侧向内冷孔轴线与刀具轴线的夹角α在80°-100°之间，与此同时，在侧向内冷孔所在截面内，侧向内冷孔轴线与法线夹角β在5°-20°范围内，且指向与刀具旋转方向相反。

本发明的有益效果是该方法通过在刀具切削成型刃的后刀面或附后刀面上开设侧方内冷孔，喷射冷却剂，大幅降低刀具该部位在复材加工时的切削温度，抑制刀具刃圆和后刀面磨损。该方法包括侧孔开设位置、侧孔形状、侧孔角度设计三个部分，能够适用于各类复合材料制孔刀具，有针对性地抑制该区域温度升高，从而避免刀具材料软化，降低刀具磨损，提升刀具寿命，保证终孔加工质量。

附图说明：

图1为制孔刀具的主视图，图2为制孔刀具的左视图，图3为制孔刀具的仰视图，图4为图2中a区的局部放大图。其中，1-最终切削成型刃；2-侧向内冷孔；3-侧向内冷孔轴线；4-轴向内冷孔；d1-刀具直径；d2-侧向内冷孔直径；h1-最终切削成型刃高度；h2-侧向内冷孔出口中心距本级起始端距离；l-刀具全长，m-切削成型刃开孔区域后刀面最小宽度；n-侧向内冷孔出口中心距最终切削成型刃的距离；α-侧向内冷孔轴线与刀具轴线的夹角；β-侧向内冷孔轴线与法线夹角。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本实施例的一种抑制复材制孔时刀具磨损的侧向内冷孔设计方法，如图1、图2和图3所示，该方法主要由侧向内孔开设位置、侧向内孔形状和侧孔角度设计三部分组成。以双顶角钻头为具体实施对象进行加工，该钻头为多级结构，直径d1为8mm，刀具全长l为80mm，在其倒数第二级即第二主切削刃区域对其进行侧方内冷孔2的加工，以降低该类刀具在加工纤维增强相复合材料时的切削区温度，减小磨损，从而提升刀具切削寿命，保证加工质量。

侧向内孔开设位置设计：针对双顶角钻头，其切削成型刃1的末端决定着最终孔的尺寸和加工质量，在图1中，刀具最终切削成型刃高度h1为4.5mm，取侧向内冷孔出口中心距起始端距离h2为0.8*h1＝3.6mm，取图4中，侧向内冷孔出口中心距切削成型刃的距离n数值为1mm，保证切削刃的刚度，避免因开孔造成加工时发生切削刃崩刃等损伤。实例中双顶角钻头四个刃沿刀具圆周均匀分布，在一对相对刃的最终切削成型刃1后刀面上开孔，当冷却液从这一对侧方内冷孔2喷出后，作用在刀具上的力的径向分力能够互相抵消，合转矩中心位于刀具轴线上，避免了因喷射冷却液造成的刀具振动，保证了刀具旋转时的动平衡，也保证了终孔的加工质量。

进行侧向内孔形状设计：侧向内孔形状为规则圆形，如图4所示，实例中双顶角钻头的切削成型刃开孔区域后刀面最小宽度m为1.5mm，取侧内冷孔直径d2尺寸为0.3*m＝0.45mm，

进行侧向内孔角度设计：如图1和图3中所示，为保证对切削成型刃1有效、均匀的冷却，在开设侧向内冷孔2时，取侧向内冷孔轴线3与刀具轴线的夹角α为100°，既方便侧向内冷孔2的加工，又能保证冷却液喷出后绝大部分作用在切削成型区。在侧向内冷孔所在截面内，取侧向内冷孔轴线与法线夹角β为20°，且指向与刀具旋转方向相反，使喷出冷却剂与刀具切削刃形成剪切效应，更有效地切断纤维。

通过上述要求加工出的侧向内冷孔刀具，经过验证能够有效降低制孔刀具在切削时的切削区温度，尤其是对终孔质量有着决定性作用的切削成型刃部位的温度有了明显地下降。在测量中也发现该部位的磨损有了明显的降低，刀具寿命得到大幅提升。该方法能够适用于各类复合材料制孔刀具，通过在切削成型区增设侧向内冷孔，有针对性地抑制该区域温度升高，从而避免刀具材料软化，降低刀具磨损，提升刀具寿命，保证终孔加工质量，具有很高的应用价值。