本發(fā)明屬于機(jī)械加工中鉆削工具技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種實(shí)現(xiàn)疊層材料鉆锪一體化高質(zhì)量加工的階梯微齒雙刃刀具。

背景技術(shù)：

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有著質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)異性能，現(xiàn)已在航空、汽車(chē)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如空客A350、寶馬七系汽車(chē)中，都大量采用了碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)材料來(lái)減輕結(jié)構(gòu)重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。然而復(fù)材構(gòu)件層間方向承載能力差，不能承受多向復(fù)雜載荷，因此在一些部位只能采用輕質(zhì)、高強(qiáng)的金屬。為了最終的裝配，復(fù)材與金屬構(gòu)件，特別是鋁合金構(gòu)件，通常采用搭接的形式，形成疊層結(jié)構(gòu)零件，用于提高連接部位強(qiáng)度，并防止鳥(niǎo)撞等撞擊事故。此類(lèi)構(gòu)件目前主要采用鏍接、鉚接的方式進(jìn)行機(jī)械連接，這種連接方式的前提是必須進(jìn)行整體制孔。而此類(lèi)構(gòu)件的制孔質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的裝配質(zhì)量和服役壽命。由于CFRP是由碳纖維增強(qiáng)相和樹(shù)脂基體組成，其材料本身各向異性，易在加工中產(chǎn)生分層、毛刺等損傷，且刀具磨損嚴(yán)重。而金屬與CFRP材料性能差異大，即使如鋁合金這類(lèi)相對(duì)容易加工的金屬材料，在加工時(shí)具有與復(fù)材不同的如入口毛刺、飛邊，孔徑不圓或傾斜等缺陷，刀具易出現(xiàn)黏刀等現(xiàn)象，在同時(shí)加工兩種材料時(shí)，切削金屬產(chǎn)生的切屑形貌及排出路徑極難控制，極易劃傷復(fù)材孔壁，導(dǎo)致撕裂、分層等損傷。同時(shí)由于適用于加工復(fù)材和金屬的刀具角度不一致，現(xiàn)有刀具在制孔時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)難以匹配兩種材料而導(dǎo)致?lián)p傷易發(fā)，且孔徑精度難以控制的問(wèn)題。可見(jiàn)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)零件的高質(zhì)量整體制孔極其困難，是航空、航天裝備制造中的技術(shù)瓶頸之一。

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)刀具不同的幾何結(jié)構(gòu)將會(huì)對(duì)最終CFRP制孔質(zhì)量產(chǎn)生不同影響，合理的刀具結(jié)構(gòu)能夠有效減小鉆削復(fù)材出入口的分層、毛刺等加工損傷，以及金屬的彎曲、扭擰、裂紋等損傷，并且有效提高刀具壽命。國(guó)內(nèi)外研究人員現(xiàn)已開(kāi)發(fā)各類(lèi)針對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的制孔刀具，存在著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。日本川崎重工在“SAE Technical Paper”上發(fā)表的《Development of a Drill Bit for CFRP/Aluminum-Alloy Stack:To Improve Flexibility,Economical Efficiency and Work Environment》中提出了一種階梯結(jié)構(gòu)鉆疊層刀具，提出了采用較薄的橫刃，變角度切削刃及多階梯結(jié)構(gòu)。此類(lèi)型刀具主要采用分階段鉆削的思想，通過(guò)前段去除大部分材料，保證去除效率，后段少量去除材料，減小金屬切屑尺寸，對(duì)復(fù)合材料和金屬結(jié)合部位的損傷影響小。然而該種刀具在加工過(guò)程中不能保證復(fù)材毛刺的有效去除，并且也沒(méi)有考慮到復(fù)材回彈的特性，很難保證加工后孔徑的一致性，且階梯段易磨損，將影響制孔質(zhì)量。大連理工大學(xué)王福吉等人開(kāi)發(fā)了“一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高效制孔的專(zhuān)用刀具”，專(zhuān)利號(hào)CN201510508097，它通過(guò)設(shè)計(jì)多級(jí)階梯和多級(jí)微齒結(jié)構(gòu)，同樣采用分段鉆削方式，可有效減小軸向力，降低損傷，并通過(guò)每級(jí)的微齒來(lái)去除已產(chǎn)生的鉆削損傷，實(shí)現(xiàn)復(fù)材高質(zhì)量加工。然而此類(lèi)雙刃刀具切削量仍較大，可能造成復(fù)材切削損傷超出孔公稱(chēng)直徑，或產(chǎn)生較大的金屬毛刺，同時(shí)對(duì)加工表面的修整作用較弱，工件加工表面光潔度低，且過(guò)渡刃處無(wú)刃帶，影響變階梯壽命。主切削刃修磨的一個(gè)前刀面，雖然有利于切削復(fù)材，但切削金屬時(shí)，不利于切屑流動(dòng)和斷屑。與此同時(shí)，在一些加工工藝中，有著锪孔工序的要求，上述專(zhuān)利中沒(méi)有設(shè)計(jì)锪孔結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)鉆锪一體化加工的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明主要解決的技術(shù)難題是克服CFRP與鋁合金組成的疊層材料進(jìn)行一體化鉆锪終孔時(shí)，CFRP易損傷，鋁合金易產(chǎn)生毛刺，兩種材料的孔徑一致性差，光潔度低，刀具壽命低的問(wèn)題，發(fā)明一種階梯微齒雙刃帶鉆锪一體鉆頭刀具，特別適合CFRP于鋁合金疊層材料的一體化鉆锪終孔加工，該刀具是一種具有多階梯，多切削刃結(jié)構(gòu)的鉆锪一體刀具，各級(jí)副切削刃上具有微齒結(jié)構(gòu)，可有效實(shí)現(xiàn)一體化鉆锪高質(zhì)量終孔，階梯切削區(qū)和锪孔切削刃都具有刃帶，能夠提高鉆頭的使用壽命，降低使用成本。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種階梯微齒雙刃帶鉆锪一體鉆頭，其特征是，該鉆頭由主切削刃區(qū)A，階梯微齒區(qū)B，副切削刃區(qū)C，锪孔區(qū)D，刀柄E五個(gè)部分組成；其中階梯微齒區(qū)B包含在副切削刃區(qū)C中；

所述主切削刃區(qū)A的主切削刃具有雙頂角結(jié)構(gòu)：在靠近刃尖1/3-1/2位置修磨成平整前刀面16，并與由排屑槽形成的另一部分主切削刃前刀面17形成雙頂角結(jié)構(gòu)，第一頂角n1的角度為102°-105°，第二頂角n2的角度為90°-95°；

所述階梯微齒區(qū)B采用多級(jí)階梯結(jié)構(gòu)，每級(jí)階梯存在n個(gè)微齒結(jié)構(gòu)；公稱(chēng)直徑由刀尖向刀柄，逐級(jí)增大；微齒繞鉆頭軸線(xiàn)，螺旋分布于各級(jí)階梯副切削刃上，每級(jí)階梯副切削刃的軸向長(zhǎng)度需要保證至少能夠容納n個(gè)微齒結(jié)構(gòu)，n≥2，各級(jí)階梯的微齒槽深在0.8-1mm之間，低級(jí)微齒需采用較小槽深，且不達(dá)到此處鉆心；微齒最后一級(jí)階梯的頂角γ值為130°-140°；

所述副切削刃區(qū)C修磨出兩個(gè)主排屑槽14，15和兩個(gè)副排屑槽18，19，形成一對(duì)第一副切削刃和一對(duì)第二副切削刃；主排屑槽寬度d為0.65-0.75倍的鉆頭直徑，副排屑槽寬度e為1/2-2/3倍的主排屑槽寬度，終形成一對(duì)第一副切削刃4和一對(duì)第二副切削刃12共四條切削刃，第一副切削刃的螺旋前角β為14°-16°，第二副切削刃的螺旋前角θ為3°-10°，所述的微齒都分布在四個(gè)刀刃上。第一和第二副切削刃修磨刃帶，寬度a，b為1-1.5mm，在锪孔刃9刃尖下方2.5-3.5mm修磨有縮頸，縮頸的單邊尺寸為0.1-0.4mm，不達(dá)到鉆心；

所述的锪孔區(qū)D具有滿(mǎn)足實(shí)際加工要求的頂角β，四條排屑槽形成四個(gè)锪孔刃，四個(gè)锪孔刃的前角m1為15°-25°，后角m2為25°-35°，四個(gè)切削刃均修磨刃帶，刃帶寬度c為0.8-1.6mm；

本發(fā)明的效果和益處是在采用多階梯微齒雙刃帶鉆锪一體刀具加工復(fù)材和鋁合金疊層材料時(shí)，多階梯微齒能夠有效切斷纖維，減小鉆削軸向力，降低分層損傷，提升刀具斷屑能力，減小劃痕，雙刃結(jié)構(gòu)能夠提升加工效率，增強(qiáng)排屑能力，控制切屑流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工，最終锪孔刃能夠完成锪孔加工要求，實(shí)現(xiàn)鉆锪一體化加工。

附圖說(shuō)明

圖1為一種階梯微齒雙刃帶鉆锪一體鉆頭主視圖，圖2為圖1中鉆尖部位局部放大圖，圖3為一種階梯微齒雙刃帶鉆锪一體鉆頭左視圖；其中：1.主切削刃，2.第一級(jí)階梯微齒，3.最后一級(jí)階梯微齒，4.第一副切削刃，5.第一副切削刃4修磨刃帶，6.刀具軸向線(xiàn)，7.第一級(jí)微齒2螺旋線(xiàn)，8.第二級(jí)微齒3螺旋線(xiàn)，9.锪孔切削刃，10.锪孔切削刃9刃帶11.最后一級(jí)階梯微齒3頂角切線(xiàn)，12.第二副切削刃，13.第二副切削刃，13修磨刃帶，14.第一螺旋主分屑槽，15.第二螺旋主分屑槽，16.主切削刃1前刀面修磨第一部分，17.主切削刃1前刀面修磨第二部分，18.第一螺旋副分屑槽，19.第二螺旋副分屑槽；A第一主切削刃區(qū)，B微齒切削區(qū)，C副切削區(qū)，D锪孔區(qū)，E刀柄；a.第一副切削刃修磨刃帶5寬度，b.第二副切削刃修磨刃帶14寬度，c.锪孔切削刃帶10寬度，d.主分屑槽14，15寬度，e.副分屑槽18，19寬度，α.第一副切削刃螺旋前角，β.锪孔切削刃9傾角θ，第二副切削刃螺旋前角，γ.最后一級(jí)階梯微齒頂角切線(xiàn)與刀具軸向線(xiàn)夾角，n1.主切削刃大頂角切線(xiàn)與刀具軸向線(xiàn)夾角，n2.主切削刃大頂角切線(xiàn)與刀具軸向線(xiàn)夾角，m1.為锪孔刃前角，m2.為锪孔刃后角。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施。

如圖1、圖2、圖3所示的一種階梯微齒雙刃帶鉆锪一體鉆頭,該鉆頭可分為主切削刃區(qū)(A)，階梯微齒區(qū)(B)，副切削刃區(qū)(C)，锪孔區(qū)(D)，刀柄(E)五個(gè)部分，其中階梯微齒區(qū)B包含在副切削刃區(qū)C中。刀具通過(guò)階梯微齒結(jié)構(gòu)以及雙刃帶切削，有效減小了在加工CFRP和鋁合金組成的疊層材料時(shí)產(chǎn)生的軸向力，提高里刀具切削性能，減小了CFRP的損傷和鋁合金產(chǎn)生的金屬毛刺，有效提高加工質(zhì)量，延長(zhǎng)了刀具壽命。

在本實(shí)例中，所述主切削刃區(qū)A的主切削刃靠近刃尖1/3位置修磨成平整前刀面16，并與由排屑槽形成的另一部分主切削刃前刀面17形成雙頂角結(jié)構(gòu)，主切削刃的第一頂角n1的角度選取102°，主切削刃的第二頂角n2的角度選取為90度，在所述階梯微齒區(qū)B采用多級(jí)階梯結(jié)構(gòu)，公稱(chēng)直徑由刀尖向刀柄，逐級(jí)增大；微齒繞鉆頭軸線(xiàn)，螺旋分布于各級(jí)階梯副切削刃上，每級(jí)階梯副切削刃的軸向長(zhǎng)度需要保證至少能夠容納n個(gè)微齒結(jié)構(gòu)，n≥2，各級(jí)階梯的微齒槽深選取為0.8mm，低級(jí)微齒采用0.8mm槽深時(shí)不會(huì)達(dá)到此處鉆心，能夠保證剛度要求。最后一級(jí)階梯的頂角γ值選取130°。所述副切削刃區(qū)C修磨出兩個(gè)主排屑槽和兩個(gè)副排屑槽，主排屑槽寬度值為3mm，副排屑槽寬度值為1mm，可以提高排屑能力，保證加工質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上形成一對(duì)第一副切削刃和一對(duì)第二副切削刃共四條切削刃，第一副切削刃的螺旋前角β選取為14°，第二副切削刃的螺旋前角θ選取為3°。所述的微齒都分布在四個(gè)刀刃上。第一和第二副切削刃修磨刃帶，選取其寬度為1mm。在锪孔刃刃尖下方2.5mm處修磨有縮頸，縮頸的單邊尺寸選取0.1mm，可以滿(mǎn)足不達(dá)到鉆心的要求，保證刀具剛度，減小加工振動(dòng)引起的孔徑誤差。所述的锪孔區(qū)D具有滿(mǎn)足實(shí)際加工要求的頂角β，本實(shí)例中選取β等于100°，四條排屑槽形成四個(gè)锪孔刃，四個(gè)锪孔刃的前角m1選取值為15°，后角m2值為25°。四個(gè)切削刃均修磨刃帶，刃帶寬度c定為0.8mm，可以保證刀刃的鋒銳度和剛度。

本發(fā)明的鉆頭為鉆具#1，可商購(gòu)的鉆頭為鉆具#2，采用相同的工藝參數(shù)和裝夾方式，連續(xù)鉆削20個(gè)孔，在制孔結(jié)束之后，觀察復(fù)材板和鋁合金板出口面和入口面的加工孔質(zhì)量，并觀測(cè)加工過(guò)程中斷屑效果，結(jié)果具體說(shuō)明如下：

(1)出口孔質(zhì)量

采用鉆具#2加工第一個(gè)孔時(shí)出現(xiàn)微小分層現(xiàn)象，隨著加工的進(jìn)行，復(fù)材板分層現(xiàn)象逐漸加劇，并在第五個(gè)孔時(shí)鋁合金板即開(kāi)始出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的毛刺。采用鉆具#1加工的20個(gè)孔沒(méi)有分層現(xiàn)象產(chǎn)生，加工完畢尚未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的毛刺和撕裂損傷，加工質(zhì)量明顯優(yōu)于鉆具#2。

(2)入口孔質(zhì)量

采用鉆具#2加工第一個(gè)孔時(shí)復(fù)材板入口即出現(xiàn)微小分層現(xiàn)象，隨著加工的進(jìn)行，分層現(xiàn)象逐漸加劇，并在第五個(gè)孔時(shí)鋁合金板開(kāi)始出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的毛刺。采用鉆具#1加工的20個(gè)孔沒(méi)有分層現(xiàn)象產(chǎn)生，加工完畢尚未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的毛刺和撕裂損傷，加工質(zhì)量明顯優(yōu)于鉆具#2。

(3)斷屑效果

采用鉆具#2加工時(shí)，當(dāng)鉆頭開(kāi)始切削鋁合金板后，會(huì)產(chǎn)生大量長(zhǎng)切屑纏在刀具上，且在不采用人工斷屑的情況下，刀具無(wú)法自行斷屑，切屑劃擦工件表面，產(chǎn)生明顯的劃痕。采用鉆具#1加工時(shí)，當(dāng)切屑在刀具上纏繞較少數(shù)量時(shí)即可由刀具自行切斷，不會(huì)劃擦工件表面，加工質(zhì)量更好。

(4)刀具壽命

鉆具#2在加工第3個(gè)孔后已經(jīng)復(fù)材板產(chǎn)生了明顯的分層現(xiàn)象，之后愈加嚴(yán)重，且鋁合金板出入口出會(huì)產(chǎn)生大量金屬毛刺，鉆頭壽命較短。而鉆具#1加工20個(gè)孔后質(zhì)量依舊較好，可見(jiàn)鉆具#1有著較長(zhǎng)的刀具壽命。