[发明专利]一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具及其加工方法

说明书

一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具及其加工方法，属于螺旋铣孔工具，解决了现有螺旋铣孔刀具加工时容易使碳纤维复合材料损坏及快速磨损刀具的问题。本发明切削部包括依次连接的前端铣孔区、过渡扩孔区和后段切削区；前端铣孔区直径小于后段切削区直径，前端铣孔区和后段切削区之间采用过渡扩孔区平滑过渡；前端铣孔区为端铣刀结构，前端铣孔区设置有多条沿刀具轴线方向进给切削的底部切削刃，过渡扩孔区的外表面、后段切削区外表面分别设有与底部切削刃等数量且依次平滑连接的过渡切削刃和侧切削刃。本发明首先由底部切削刃加工出一个孔，然后随着刀具轴向的进给过渡切削刃不断将孔的直径扩大，最后由侧切削刃将孔加工至最终孔径。

技术领域

本发明涉及层叠结构复合材料的螺旋铣孔工具，具体涉及碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具及其加工方法。

背景技术

碳纤维复合材料凭借其质量轻强度高等优秀特性，作为蒙皮及结构件广泛应用于航空航天领域中，因此需要加工大量的连接孔。在调研中发现在碳纤维复合材料常用的制孔方法为使用钻头钻孔，加工的过程中存在以下问题：

1、加工质量差：碳纤维复合材料一般是由碳纤维制作的预浸布经环氧树脂粘合而成的层叠材料。由于碳纤维及由碳纤维制作的预浸布具有明显的各向异性，造成了制孔过程中容易出现毛刺、撕裂及分层等加工损伤的产生，严重影响了加工质量，甚至导致工件报废，造成了加工成本增加、生产周期加长的严重后果。

2、刀具磨损严重：碳纤维硬度较高，与高速钢相近，因此一般应用硬质合金刀具加工碳纤维复合材料。切削碳纤维复合材料过程中产生了粉末状碳纤维颗粒，造成了加工中排屑不畅，硬度较高的碳纤维颗粒与刀具在孔中剧烈摩擦造成刀具的快速磨损。硬质合金钻头每加工20-30个孔后就需要重新刃磨。换刀及对刀的过程严重影响了加工效率，对加工质量及加工周期产生了严重影响。

3、基体烧伤：碳纤维复合材料一般是由树脂作为基体，其玻璃化温度较低，而应用最为广泛的环氧树脂其玻璃化温度仅为180℃左右，即当加工温度超过180℃时，基体就会发生融化甚至烧伤，造成工件的强度下降甚至报废。而切削液也会对基体的强度造成影响。因此在加工碳纤维复合材料时一般会使用较为保守的切削参数，这对加工效率也产生了明显的影响。

在使用立铣刀进行螺旋铣孔时其轴向力较钻孔虽然减小，但仍然无法避免各种加工损伤的产生，因此从刀具结构优化设计方面出发减小轴向力是提高加工效率、加工质量必要措施和重要手段。

公开号为CN107262796A的发明名称为《一种适用于工业机器人叠层构件螺旋铣孔专用复合刀具》，公开了以下内容：刀具包括前端和第一刀刃部分的后端相连的第二刀刃部分，第一刀刃部分直径小于第二刀刃部分直径，第一刀刃部分芯厚小于第二刀刃部分的芯厚，第一刀刃部分新体和第二刀刃部分芯体之间采用锥形平滑过渡连接，第一刀刃部分包括沿刀体外缘周向上设置的四个不等间距的螺旋切削刃，第二刀刃部分包括设置在刀体外缘周向上并且与第一刀刃部分的螺旋切削刃分别通过圆弧过渡底刃一一对应平滑连接的四个不等间距的螺旋切削刃。

首先，该刀具是针对工业机器人加工叠层材料时颤振问题所设计开发的刀具，通过采用的不等间距切削刃及圆弧形过渡底刃的结构减小工业机器人加工时的颤振问题，并未从复合材料加工质量方向对刀具结构进行改进，与刀具减小轴向力抑制加工损伤的设计初衷不同；其次，该刀具外形与阶梯铣刀外形相似，通过起连接作用的内凹的圆弧形过渡底刃将第一刀刃与第二刀刃相连接，过渡底刃对加工过程没有本质性的改变；最后，该刀具依然没有解决螺旋铣孔中刀具底刃快速磨损而侧刃利用率低的问题。

发明内容

针对现有螺旋铣孔刀具加工时容易使碳纤维复合材料分层、撕裂损伤及快速磨损刀具的问题，本发明提供一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具及其加工方法。

本发明的一种碳纤维复合材料螺旋铣孔专用复合刀具，所述刀具包括相连的切削部和柄部；

所述切削部包括依次连接的前端铣孔区1、过渡扩孔区2和后段切削区3；