[发明专利]一种阶梯微齿双刃带钻锪一体钻头

说明书

本发明公开了一种阶梯微齿双刃带钻锪一体钻头，该钻头由主切削刃区，阶梯微齿区，副切削刃区，锪孔区，刀柄五个部分组成；主切削刃修磨成双顶角结构；阶梯微齿区有多个阶梯，每级阶梯存在n个微齿结构；副切削刃区包括两个主排屑槽，两个副排屑槽，形成一对第一副切削刃和一对第二副切削刃；锪孔区由四个排屑槽形成四刃结构。本发明的阶梯微齿双刃带钻锪一体刀具在加工复材和铝合金叠层材料时，多阶梯微齿能够有效切断纤维，减小钻削轴向力，降低分层损伤，提升刀具断屑能力，减小划痕，双刃结构能够提升加工效率，增强排屑能力，控制切屑流动，实现高质量加工，最终锪孔刃能够完成锪孔加工要求，实现钻锪一体化加工。

技术领域

本发明属于机械加工中钻削工具技术领域，涉及一种实现叠层材料钻锪一体化高质量加工的阶梯微齿双刃刀具。

背景技术

纤维增强复合材料有着质量轻、强度高、抗疲劳、耐腐蚀等优异性能，现已在航空、汽车等多个领域得到了广泛应用，如空客A350、宝马七系汽车中，都大量采用了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)材料来减轻结构重量，提高燃油经济性。然而复材构件层间方向承载能力差，不能承受多向复杂载荷，因此在一些部位只能采用轻质、高强的金属。为了最终的装配，复材与金属构件，特别是铝合金构件，通常采用搭接的形式，形成叠层结构零件，用于提高连接部位强度，并防止鸟撞等撞击事故。此类构件目前主要采用镙接、铆接的方式进行机械连接，这种连接方式的前提是必须进行整体制孔。而此类构件的制孔质量直接关系到产品的装配质量和服役寿命。由于CFRP是由碳纤维增强相和树脂基体组成，其材料本身各向异性，易在加工中产生分层、毛刺等损伤，且刀具磨损严重。而金属与CFRP材料性能差异大，即使如铝合金这类相对容易加工的金属材料，在加工时具有与复材不同的如入口毛刺、飞边，孔径不圆或倾斜等缺陷，刀具易出现黏刀等现象，在同时加工两种材料时，切削金属产生的切屑形貌及排出路径极难控制，极易划伤复材孔壁，导致撕裂、分层等损伤。同时由于适用于加工复材和金属的刀具角度不一致，现有刀具在制孔时经常出现难以匹配两种材料而导致损伤易发，且孔径精度难以控制的问题。可见，碳纤维增强复合材料/金属叠层结构零件的高质量整体制孔极其困难，是航空、航天装备制造中的技术瓶颈之一。

国内外研究发现刀具不同的几何结构将会对最终CFRP制孔质量产生不同影响，合理的刀具结构能够有效减小钻削复材出入口的分层、毛刺等加工损伤，以及金属的弯曲、扭拧、裂纹等损伤，并且有效提高刀具寿命。国内外研究人员现已开发各类针对不同结构进行优化的制孔刀具，存在着各自的优点和缺点。日本川崎重工在“SAE Technical Paper”上发表的《Development of a Drill Bit for CFRP/Aluminum-Alloy Stack:To ImproveFlexibility,Economical Efficiency and Work Environment》中提出了一种阶梯结构钻叠层刀具，提出了采用较薄的横刃，变角度切削刃及多阶梯结构。此类型刀具主要采用分阶段钻削的思想，通过前段去除大部分材料，保证去除效率，后段少量去除材料，减小金属切屑尺寸，对复合材料和金属结合部位的损伤影响小。然而该种刀具在加工过程中不能保证复材毛刺的有效去除，并且也没有考虑到复材回弹的特性，很难保证加工后孔径的一致性，且阶梯段易磨损，将影响制孔质量。大连理工大学王福吉等人开发了“一种纤维增强复合材料高效制孔的专用刀具”，专利号CN201510508097，它通过设计多级阶梯和多级微齿结构，同样采用分段钻削方式，可有效减小轴向力，降低损伤，并通过每级的微齿来去除已产生的钻削损伤，实现复材高质量加工。然而此类双刃刀具切削量仍较大，可能造成复材切削损伤超出孔公称直径，或产生较大的金属毛刺，同时对加工表面的修整作用较弱，工件加工表面光洁度低，且过渡刃处无刃带，影响变阶梯寿命。主切削刃修磨的一个前刀面，虽然有利于切削复材，但切削金属时，不利于切屑流动和断屑。与此同时，在一些加工工艺中，有着锪孔工序的要求，上述专利中没有设计锪孔结构，不能实现钻锪一体化加工的要求。

发明内容：