本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种用于复合材料及其叠层结构高质量制孔的竖刃双阶梯微齿刀具。
背景技术：
复合材料由于具有轻质、高强和可整体制造等优点，已广泛应用于先进飞机零件的制造，成为实现飞机结构轻量化的优选材料。如空客a350，其复合材料用量高达52％，大幅减轻了飞机结构重量，提高了飞机的燃油经济性。此外，为保证飞机能够承受冲击、交变等复杂载荷，复合材料和高性能金属组成的叠层结构常应用于飞机支撑和连接部位。为实现复合材料零件及其叠层结构零件的连接装配，需要进行一系列的机械加工，制孔加工是其中工作量最繁重的机械加工方法之一。
然而，复合材料主要是由纤维增强相和树脂基体相构成的混合形态，宏观上呈现明显的各向异性和层叠特征，且其层间结合强度较低。单独钻削复合材料时，产生的轴向力较大，入口和出口位置约束作用弱，最外面几层材料极易被顶开，产生分层损伤，并因无法切断纤维导致纤维弯曲，引发撕裂和毛刺等损伤。此外，在复合材料/金属叠层材料一体化制孔中，常采用复材在上、金属在下的安装方式。此种安装方式下，金属材料出口侧支撑作用较弱，易产生毛刺损伤，而且金属在切削过程中易产生连续带状切屑，金属切屑沿螺旋槽排出过程中，易对上层的复合材料产生划伤，导致复合材料叠层结构的高质高效加工难以实现。因此，急需自主研发出既能实现复合材料高质量制孔、又能实现复合材料叠层结构高质量制孔的刀具。
目前，已有部分学者分别针对复合材料制孔刀具及复合材料叠层结构制孔刀具进行了研发。对于复合材料制孔刀具，大连理工大学贾振元等人公开了“一种用于碳纤维复合材料制孔的高效专用钻头”，专利申请号201510408743.7，它涉及用于碳纤维复合材料的制孔的带有齿状微刃的双顶角结构钻头，通过主切削刃的双顶角结构，主切削刃和副切削刃连接部位的微齿结构，实现了钻-扩-铰一体化加工的功能，获得高尺寸精度的孔。然而，由于微齿结构处于最终切削成型的切削刃部位，容易在出口和入口引发微小的撕裂损伤，并降低孔壁的光洁度。苏州阿诺精密切削技术股份有限公司发明了一种低横刃钻头，专利申请号201310104178.6，这种钻头的头部开有两个排屑槽，其与刀背在轴向方向上的交线分别形成两个主切削刃，主要特点是三个顶尖，中间的顶尖比两边的低，这样的设计可以兼顾刀具强度和定心能力，两个外顶尖可有效的刮断孔周边的纤维，减少毛刺，但是在加工高强度纤维和低层间强度的复合材料时，容易产生撕裂损伤。对于复合材料叠层结构制孔刀具，日本川崎重工在“saetechnicalpaper”上发表的《developmentofadillbitforcfrp/aluminum-alloystack:toimproveflexibility,economicalefficiencyandworkenvironment》中，提出了一种采用较薄的横刃变角度切削的复合材料/铝合金叠层阶梯钻。该刀具通过减少单次切削量，一定程度上提升了一体化制孔质量。然而，金属的高可靠断屑问题依然未被充分考虑，致使在钻削过程中大量金属切屑累积并缠绕在刀具上，进而导致刀具在回转过程中产生偏心，严重影响制孔精度及刀具的使用寿命。
技术实现要素：
本发明要解决的技术难题是降低钻削复合材料及其叠层结构时产生的复合材料出口分层、金属出口毛刺和金属孔壁划伤等损伤，发明用于复合材料及其叠层结构高质量制孔的竖刃双阶梯微齿刀具。该刀具是一种具有竖刃结构、双阶梯结构和微齿结构的右旋钻头，竖刃结构可有效弯折金属切屑，抑制连续带状切屑划伤上层复合材料及金属孔壁，同时双阶梯结构的阶梯角度为负值，从根部去除金属出口毛刺和复合材料出口毛刺，微齿结构绕钻头轴线呈较大螺旋角分布，可有效抑制复合材料入口、出口的分层、毛刺等损伤，最终实现复合材料及其叠层结构高质量制孔加工。
本发明的技术方案：
用于复合材料及其叠层结构高质量制孔的竖刃双阶梯微齿刀具，由主切削刃区a、副切削刃区b、刀柄区c三部分构成，副切削刃区b中包含阶梯竖刃区d和微齿切削区e；
主切削刃区a的主切削刃1通过部分修磨初始前刀面8，获得第二前刀面9，初始前刀面8与第二前刀面9形成双顶角结构，其中，第一顶角n1为100°-106°，第二顶角n2为90°-95°；
副切削刃区b分布有双阶梯结构，靠近钻尖侧为第一阶梯，靠近刀柄侧为第二阶梯；副切削刃区b有两个排屑槽6，形成两条副切削刃5，副切削刃5的螺旋前角γ1为14°-16°，排屑槽宽度c为0.6-0.8倍的刀具第一阶梯直径d；竖直切削刃4的刃带宽度a和副切削刃5的刃带宽度b均为1-1.5mm，且竖直切削刃4的刃带宽度a大于副切削刃5的刃带宽度b；
阶梯竖刃区d采用双阶梯负阶梯角结构，第二阶梯主切削刃10与刀具轴线7夹角n3大于90°；在每条副切削刃5上均修磨出竖直断屑刃4，竖直断屑刃4的轴向长度e至少为2倍的刀具每齿进给量，竖直断屑刃4的螺旋前角γ2为13°-15°；
微齿切削区e位于阶梯竖刃区d与主切削刃区a之间的位置，由若干个分布于钻头切削刃上的微齿3和齿槽2组成，微齿3和齿槽2绕钻头轴线呈螺旋分布，微齿螺旋角β为大于60°的锐角；微齿3的上齿边11作为齿切削刃，并对上齿边11刃磨出正前角；微齿3的齿槽宽度wg不小于所加工纤维增强材料两层预浸料的厚度且至少为0.3mm；微齿3的齿宽wt至少为0.5mm；齿槽2的深度dt至少为0.8mm，且齿槽深度dt的两倍与钻心厚度之和小于该位置的刀具直径d，以期在不影响钻心刚度的前提下满足微齿3剪切加工的目的。
本发明的用于复合材料及其叠层结构高质量制孔的竖刃双阶梯微齿刀具，具有阶梯结构，在第一阶梯分布微齿结构，具有在入口的再次切削功能以及在出口与主切削运动方向相反的反向剪切功能，实现了复合材料入口、出口的分层、毛刺等损伤的有效抑制；第二阶梯分布竖刃结构，且第二阶梯角度为负值，实现了断屑、碎屑，减小了上层复合材料及金属孔壁划伤，从根部去除了金属出口毛刺和复合材料出口毛刺，提高了金属和复合材料的出口质量。
附图说明
图1为用于复合材料及其叠层结构高质量制孔的竖刃双阶梯微齿刀具主视图。
图2为图1中微齿切削区e的局部放大图。
图中：1主切削刃；2齿槽；3微齿；4竖直断屑刃；5副切削刃；6排屑槽；
7刀具轴线；8初始前刀面；9第二前刀面；10第二阶梯主切削刃；
11上齿边；
a主切削刃区；b副切削刃区；c刀柄区；d阶梯竖刃区；e微齿切削区；
a竖直断屑刃4的刃带宽度；b副切削刃5的刃带宽度；c排屑槽宽度；
d第一阶梯直径；e竖直断屑刃4的轴向长度；n1主切削刃1的第一顶角；
n2主切削刃1的第二顶角；n3第二阶梯主切削刃10与刀具轴线7夹角；
γ1副切削刃5的螺旋前角；γ2竖直断屑刃4的螺旋前角；wt微齿齿宽；
wg齿槽宽度；dt齿槽深度；β微齿螺旋角。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，详细说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2所示，本发明的用于复合材料及其叠层结构高质量制孔的竖刃双阶梯微齿刀具，该刀具由主切削刃区a、副切削刃区b、刀柄区c三部分构成，其中副切削刃区b中包含阶梯竖刃区d和微齿切削区e；主切削刃区a的主切削刃1通过部分修磨初始前刀面8，可获得第二前刀面9，进而形成双顶角结构，可实现渐进式切削，进而降低轴向力，提高复合材料钻削质量，其中，第一顶角n1为102°，第二顶角n2为90°；副切削刃区b有两个排屑槽6，形成两条副切削刃5，副切削刃5的螺旋前角γ1为15°，刀具公称直径为6mm，第一阶梯直径d为4.88mm，排屑槽宽度c为3mm，排屑槽宽度c与刀具第一阶梯直径d的比值为0.61，可保证刀具刚度满足加工要求，竖直断屑刃4的刃带宽度a为1.5mm，副切削刃5的刃带宽度b为1mm，竖直断屑刃4的刃带宽度a取值略大，以保证竖直断屑刃4的强度。
阶梯竖刃区d采用双阶梯负阶梯角结构，采用双阶梯结构可实现分段切除，降低轴向力，以达到减少复合材料损伤的目的；第二阶梯采用负阶梯角可从出口根部直接去除金属出口毛刺及复合材料出口毛刺，第二阶梯主切削刃10与刀具轴线7夹角n3为110°；在每条副切削刃5上均修磨出竖直断屑刃4，以改变金属切屑原有运动方向，使金属切屑发生弯折，实现金属高效断屑、碎屑，使切屑能够顺利沿排屑槽排出，减少切屑与复合材料和金属孔壁的接触，提高孔壁光洁度和孔径精度，竖直断屑刃4的轴向长度e为4mm，远大于刀具每齿进给量，竖直断屑刃4的螺旋前角γ2为13°。
微齿切削区e由若干个分布于钻头切削刃上的微齿3和齿槽2组成，其中微齿3和齿槽2绕钻头轴线呈螺旋分布，微齿螺旋角β为79°；微齿上齿边11作为齿切削刃，并刃磨出正前角，为20°；微齿结构位于阶梯竖刃区d与主切削刃区a中间的位置，微齿3的数量为3个，微齿3的齿槽宽度wg为0.7mm，微齿3的齿宽wt为0.5mm，齿槽深度dt为0.8mm，刀具钻心厚度为2.2mm，齿槽深度dt的两倍与钻心厚度之和小于该位置的刀具直径d。钻削复合材料时，在钻削出、入口实现产生的毛刺回弹入微齿结构，并在向下钻削过程中，对回弹入微齿的毛刺实施切削，将毛刺剪断，达到在钻削过程中有效去除出、入口毛刺，降低了形成终孔时的撕裂损伤的效果，大幅提高刀具的切削能力。
本发明是用于复合材料及其叠层结构高质量制孔的竖刃双阶梯微齿刀具，阶梯结构可实现分部切削，降低加工损伤，同时阶梯角度为负值，可从根部去除金属出口毛刺和复合材料出口毛刺，提高出口质量；竖刃结构改变了金属切屑的原有运动方向，能够实现金属切屑的弯折、断屑，降低金属切屑对上层复合材料及金属孔壁的划伤；微齿结构可有效抑制复合材料钻削入口、出口的分层、毛刺等损伤。最终，实现了复合材料及其叠层结构高质量制孔的高质高效加工。