一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于機(jī)械加工制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具。該刀具是一種組合式可換刀片式拉刀，刀具由刀桿、校準(zhǔn)單元、切削單元、前導(dǎo)向單元和兩個外六角緊固螺母組成，兩個外六角螺母擰入刀桿的螺紋段鎖緊前導(dǎo)向單元，并固定右面的切削單元和校準(zhǔn)單元。刀具由多級不同的刀組組合，每層刀組逐級加工，單層刀刃的加工余量小，切削力小，產(chǎn)生熱量少，刀片上有通氣孔，加工時通入冷卻氣體，大幅降低切削溫度低，減小刀刃的磨損，刀具壽命長，刀具成本低，加工效率高，加工質(zhì)量高的特點。具有在難加工材料如復(fù)合材料，尤其是樹脂基碳纖維復(fù)合材料表面高效率加工高質(zhì)量通孔的功能。
【專利說明】一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械加工制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具，該刀具是一種組合式可換刀片式拉刀，具有在難加工材料如復(fù)合材料，尤其是樹脂基碳纖維復(fù)合材料表面高效率加工高質(zhì)量通孔的功能。
技術(shù)背景
[0002]現(xiàn)今世界范圍內(nèi)的大型飛機(jī)如波音787，空客A380等廣泛采用碳纖維復(fù)合材料作為其制造的基礎(chǔ)材料。這是由于碳纖維復(fù)合材料具有，復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕等特性，能有效減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，其應(yīng)用和發(fā)展是大幅度提高飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性的重要保證。然而在飛機(jī)制造過程需要加工極其大量的通孔作連接孔使用，由于碳纖維復(fù)合材料在加工過程中層間剪切強(qiáng)度低，極易產(chǎn)生分層、撕裂等損傷，且基底相導(dǎo)熱性不好，碳纖維硬度高，對刀具的磨損嚴(yán)重的特性，導(dǎo)致使用常規(guī)材質(zhì)的傳統(tǒng)制孔刀具如高速鋼鉆頭，硬質(zhì)合金鉆頭無法高質(zhì)量、高效率的加工碳纖維復(fù)合材料。目前，多數(shù)企業(yè)為了在碳纖維復(fù)合材料上加工一個通孔，一般使用昂貴的金剛石涂層刀具，采用“鉆孔-擴(kuò)孔-粗鉸孔-精鉸孔”多道工序加工，才能保證孔的質(zhì)量。
[0003]國外針對碳纖維復(fù)合材料通孔加工的刀具，如山高公司的SD205系列鉆削工具，其基體材料為硬質(zhì)合金，鉆的頭部鑲嵌有金剛石涂層的刀片，切削過程由頭部的錐型的金剛石涂層刀片起主要的切削作用，利用金剛石鋒利，耐磨的特性，減小了碳纖維復(fù)合材料加工時產(chǎn)生的缺陷，能夠獲得質(zhì)量較高的通孔。然而，此種刀具價格昂貴，鉆的頭部的金剛石涂層磨損后無法修復(fù)，刀具立即報廢，同時人工使用此刀具加工時，不同的推進(jìn)力會直接影響切削質(zhì)量和鉆的壽命，另外刀具前后的材質(zhì)不同，后部硬質(zhì)合金刀具在加工中仍存在磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致孔壁溫度上升，造成制孔缺陷的問題。山特維克可樂滿公司生產(chǎn)的COToDrill系列鉆削刀具，通過鉆尖的十字刃設(shè)計，左旋韌帶設(shè)計等方式能夠有效的減小鉆削過程中的軸向力，此系列鉆為金剛石涂層鉆，耐磨性很高。然而單個鉆的其制造成本相當(dāng)昂貴，大規(guī)模使用必將大幅度提高飛機(jī)的制造成本，且其鉆的刃尖部一旦涂層脫落或磨損整只鉆頭立即報廢。
[0004]國內(nèi)大連理工大學(xué)，高航等人的專利，《一種鉆/磨孔一體化組合刀具》，申請?zhí)?00610048063.X，采用以磨帶鉆的方式，將粒度不同的磨粒電鍍到鉆的切削刃上，可實現(xiàn)高質(zhì)量通孔鉆、擴(kuò)、鉸一體化加工，減少加工工序，提高加工效率。但其磨粒固結(jié)在鉆的切削刃上的分布情況很難控制，若分布不均將直接影響加工孔的質(zhì)量，同時，人工使用此刀具的過程中，很難控制適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)，磨削熱量加大很難排出，容易造成孔內(nèi)壁燒傷。
[0005]拉刀是通孔類特征半精精加工一體化的專用刀具，其特點是低速拉削，發(fā)熱量小，散熱快，加工精度高，加工效率高，單把拉刀制造成本相對較貴，適合于大批量加工?，F(xiàn)今使用的各類拉刀，很少適合加工碳纖維復(fù)合材料，揚州市郵誼工具制造有限公司的專利《圓孔拉刀》，申請?zhí)?01210159621.5，采用多級刀齒，微量逐級加工圓孔，能夠一次性完成圓孔的粗、精加工。然而此種整體式刀具，單級刀具磨損將影響整個刀具的加工質(zhì)量，且刀具切削刃材料不適合加工碳纖維復(fù)合材料，刀具沒有專用的冷卻結(jié)構(gòu)，容易造成加工中熱量集中導(dǎo)孔內(nèi)壁致熱損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有復(fù)合材料制孔刀具和傳統(tǒng)拉削刀具，切削刃磨損快，刀具容易損壞報廢，加工效率低，加工成本高和加工表面質(zhì)量低的技術(shù)缺陷，發(fā)明一種針對難加工材料，尤其是樹脂基碳纖維復(fù)合材料的制孔刀具，該刀具是一種組合式可換刀片式拉刀，刀片具有冷卻孔，能夠通過氣體冷卻的形式減小加工處的溫升，進(jìn)而減小刀具磨損，消除樹脂基碳纖維復(fù)合材料孔壁的熱損傷。具有在加工難加工材料尤其是樹脂基碳纖維復(fù)合材料的通孔的過程中，刀刃磨損小，刀具壽命長，刀具成本低，加工效率高，加工質(zhì)量高的特點。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具，其特征是:刀具是一種組合式可換刀片式拉刀，該刀具由刀桿1、校準(zhǔn)單元10、切削單元、前導(dǎo)向單元8和兩個外六角緊固螺母11組成；兩個外六角螺母11擰入刀桿I的螺紋段，鎖緊前導(dǎo)向單元8并固定右面的切削單元和校準(zhǔn)單元10。
[0008]所述的切削單元由至少6對切削刀組、至少I個精切刀塊9和定位銷12組成；每對切削刀組都由至少2個刀架13和安裝在刀架13上的刀片組成，每對切削刀組中的各個刀架13相隔一定角度交錯排布，每對切削刀組的刀架13上的刀片的外刀刃圓弧相錯拼接，形成的切削面是一個完整的圓；刀架13的外圓有至少2個凸臺，內(nèi)側(cè)有定位銷孔，中間有大的通孔；刀架13通過大的通孔安裝在刀桿I上；刀架13的每個凸臺上都加工有冷卻氣孔A和刀片安裝螺紋孔，凸臺的一邊有定位臺肩；每個凸臺上安裝一個刀片，刀片的一側(cè)緊貼在凸臺的定位臺肩上，刀片的內(nèi)側(cè)圓弧面，緊貼在凸臺的內(nèi)側(cè)圓弧面上定位；每一個刀片上都有冷卻氣孔A和階梯通孔C ;刀片通過緊固螺栓14固定在刀架13的每一個凸臺上；每對切削刀組安裝的刀片相同，從刀桿I的頭部到刀桿I的尾部，不同對切削刀組上安裝的刀片尺寸逐漸增大；其中最右端的一對刀組的切削刃組成的形成的切削圓面與所加工孔的尺寸完全相同；最右端的一對刀組的右側(cè)安裝有精切刀塊9 ;精切刀塊9的內(nèi)側(cè)有定位銷孔B和冷卻氣孔A ;精切刀塊9通過大的通孔插入刀桿1，精切刀塊9的整個外圓弧都是切削刃，切削刃形成的切削圓的尺寸與所加工孔的尺寸相同；切削單元中每對切削刀組內(nèi)部以及刀組間的定位銷孔相互對齊，精切刀塊9的定位銷孔和通氣孔與各個切削刀組的定位銷孔和通氣孔位置對齊；定位銷12插入切削單元中刀架13、精切刀塊9的定位銷孔中，并穿過校準(zhǔn)單元10的定位銷孔，插入到刀桿I中的定位銷孔中；示例中的切削單元由6對切削刀組，I個精切刀塊9和定位銷12組成，每對刀組包括2個刀架13組成及相應(yīng)的刀片，刀架13的外圓有4個凸臺，每個刀架13上安裝有4個刀片，每對切削刀組的2個刀架13按照90°交錯排布，刀桿I的頭部到刀桿I的尾部固定的6對切削刀組中的12個刀架13上，按照刀片尺寸由小到大的順序分別安裝七、六、五、四、三、二號刀片7、6、5、4、3、2號刀片；
[0009]所述的刀桿I的頭部后有裝夾槽，裝夾槽后有安裝外六角緊固螺母11的螺紋段；螺紋段和后導(dǎo)向部分之間是安裝切削單元和校準(zhǔn)單元10的光桿；后導(dǎo)向部分是刀桿I的一部分，與加工的孔的尺寸相同，后導(dǎo)向部分外圈有冷卻氣孔A，內(nèi)圈加工有定位銷孔A ;后導(dǎo)向部分右側(cè)是刀桿尾部，尾部的前端有裝夾槽；[0010]所述的校準(zhǔn)單元10，是由至少3個帶錐面的圓柱段組成的一整塊零件，每個帶錐面的圓柱段都在外側(cè)的相同位置加工有冷卻氣孔A，在內(nèi)側(cè)的相同位置加工有定位銷孔A，在中間加工有大的通孔；校準(zhǔn)單元10通過大的通孔安裝在刀桿I上，緊靠在后導(dǎo)向部分左側(cè)的臺肩面上；示例中的校準(zhǔn)單元10是由3個帶錐面的圓柱段組成的一整塊零件；
[0011]所述前導(dǎo)向單元8的左端帶有錐度，中間為圓柱型，右端有尺寸較小的圓柱型的凸臺，中間有大的通孔；前導(dǎo)向單元8通過中間的大的通孔插入刀桿I中，并通過圓柱型的凸臺與切削單元接觸；
[0012]一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具，該刀具安裝在刀架13上的各個刀片是硬質(zhì)合金刀片、硬度和耐磨性極高的PVD涂層刀片或金剛石涂層刀片。
[0013]本發(fā)明的效果和益處是:一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具是一種組合式可換刀片式拉刀。此刀具由多級不同的刀組組合，每層刀組逐級加工，單層刀刃的加工余量小，切削力小，產(chǎn)生熱量少，刀片上有通氣孔，加工時通入冷卻氣體，大幅降低切削溫度低，減小刀刃的磨損。任何刀組的刀片與刀架13都可以分離刀片磨損后可以在位更換刀片，方便快捷，只有刀片使用硬質(zhì)合金或金剛石涂層，刀具整體制造和使用成本低廉。前導(dǎo)向單元
8、切削單元和校準(zhǔn)單元10全部可以拆卸，方便維、維修和檢驗。刀具在有粗加工孔的樹脂基碳纖維復(fù)合材料上能夠一次性完成通孔的精加工，通孔加工質(zhì)量高，加工效率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具的主視圖；圖2是圖1刀具的A-A剖視圖；圖3表示一對切削刀組的排布是刀具的B-B剖視圖；圖4是一對刀組其中一級切削刀的主視圖；圖5是一對刀組其中一級切削刀的左視局部剖視圖；圖6是七號刀片的主視圖；圖7表示精切刀塊9，是刀具的C-C剖視圖。其中，1-刀桿，2-二號刀片，3-三號刀片，4-四號刀片，5-五號刀片，6-六號刀片，7-七號刀片，8-前導(dǎo)向單元，9-精切刀塊，10-校準(zhǔn)單元，11-外六角螺母，12-定位銷，13-刀架，14-緊固螺栓，A-冷卻氣孔，B-定位銷孔，C-階梯通孔。
【具體實施方式】
[0015]以下結(jié)合技術(shù)方案，具體實施例及附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具的工作原理是:此刀具是一種組合式可換刀片式拉刀。該刀具以拉刀刀桿為固定零件，刀桿上分別安裝加工孔的校準(zhǔn)單元，切削單元和前導(dǎo)向單元見圖1、2，校準(zhǔn)單元10是由3個帶錐面的圓柱段組成的一整塊零件；本實施例中切削單元由6對切削刀組、I個精切刀塊9組成；每對刀組由90°交錯排布的具有四個凸臺的2個刀架13和刀片組成，每個刀架13上安裝有4枚帶有冷卻孔的硬質(zhì)合金或涂層的刀片，見圖
3、4、5。圖6是七號刀片的主視圖，其他刀片與七號刀片的結(jié)構(gòu)相似，尺寸略微有差別；不同尺寸的切削刀組之間有非常微量的尺寸偏差，每組刀片只切削微量材料，硬質(zhì)合金或涂層刀具刃口圓弧半徑極小，切削刃極其鋒利，單刃切削力小，不易造成樹脂基碳纖維復(fù)合材料分層、撕裂等損傷，孔的加工質(zhì)量高。通過不同刀組的逐級切削，一次性得到最終的通孔尺寸，加工效率高。拉削過程中拉削速度低，產(chǎn)生的熱量少，且刀片具有冷卻孔，能夠通過氣體冷卻的形式減小加工處的溫升，進(jìn)而減小刀具磨損，消除樹脂基碳纖維復(fù)合材料孔壁的熱損傷。
[0016]此刀具的校準(zhǔn)單元10，切削單元和前導(dǎo)向單元8都是安裝在刀桿I上的可拆卸單元，通過定位銷12定位，通過外六角螺母11擰緊在刀桿上。切削單元中有6對切削刀組，從刀桿I的頭部到刀桿I的尾部的刀架13上分別安裝有七號刀片7，六號刀片6、五號刀片5、四號刀片4、三號刀片3和二號刀片2，不同對切削刀組的刀片尺寸逐漸增大。每個切削刀組的刀架13上通過緊固螺栓14機(jī)械安裝有四枚帶有冷卻孔的硬度和耐磨性極高的鋒利的涂層刀片，每一對切削刀組上安裝的刀片可以完整的切削一個圓形，其中所有刀片都可以在線更換，且可以只更換磨損的刀片，刀具不會整體報廢，大幅降低了加工成本。通過拉削機(jī)床或手工拉削工具加持刀桿的頭部和尾部，拉動或推動拉刀。加工工件初始通孔的尺寸與前導(dǎo)向單元8圓柱段的尺寸相同，通過前導(dǎo)向單元8導(dǎo)向拉刀，刀具的一部分穿過所要加工的通孔。切削單元中多對不同的切削刀組組合，每對切削刀組只加工很小的余量，逐級切削加工。一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具逐步運動，加工通孔，直至精切刀塊9切削穿過通孔，通孔達(dá)到要求的尺寸，切削過程結(jié)束，校準(zhǔn)單元10進(jìn)入通孔，校對通孔尺寸。最后，后導(dǎo)向部分進(jìn)入通孔，刀具通過，拉削過程結(jié)束。
[0017]整個切削過程，冷卻空氣通過一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具上的冷卻氣孔通入加工表面，對所有拉刀刀片進(jìn)行冷卻，大幅降低拉削過程中刀片刀刃處的溫度。當(dāng)切削過程中出現(xiàn)刀片磨損，可以在線在位擰下固定刀片的緊固螺栓14，卸下磨損的刀片，更換新刀片。當(dāng)加工后發(fā)現(xiàn)刀具大量刀片磨損或精切刀塊磨損，可以擰下外六角螺母11，對磨損部位進(jìn)行更換。
[0018]本發(fā)明的一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具是一種組合式可換刀片式拉刀。此刀具單層刀刃的加工余量小，切削力小，產(chǎn)生熱量少，加工時通入冷卻氣體，大幅降低切削溫度低，減小刀刃的磨損。刀片使用鋒利耐磨的硬質(zhì)合金刀片或PVD涂層和金剛石涂層刀片，磨損后可以在位更換刀片，刀具整體制造和使用成本低廉。刀具在有粗加工孔的樹脂基碳纖維復(fù)合材料上能夠一次性完成通孔的精加工，通孔加工質(zhì)量高，加工效率高。
【權(quán)利要求】
1.一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具，其特征是:刀具是一種組合式可換刀片式拉刀，該刀具由刀桿(I)、校準(zhǔn)單元(10)、切削單元、前導(dǎo)向單元(8)和兩個外六角緊固螺母(11)組成；兩個外六角螺母(11)擰入刀桿(I)的螺紋段，鎖緊前導(dǎo)向單元(8)，并固定右面的切削單元和校準(zhǔn)單元(10)； 所述的切削單元由至少6對切削刀組、至少I個精切刀塊(9)和定位銷(12)組成；每對切削刀組都由至少2個刀架(13)和安裝在刀架(13)上的刀片組成，每對切削刀組中的各個刀架(13)相隔一定角度交錯排布，每對切削刀組的刀架(13)上的刀片的外刀刃圓弧相錯拼接，形成的切削面是一個完整的圓；刀架(13)的外圓有至少2個凸臺，內(nèi)側(cè)有定位銷孔，中間有大的通孔；每個刀架(13)通過大的通孔安裝在刀桿(I)上；每個刀架(13)的每個凸臺上都加工有冷卻氣孔(A)和刀片安裝螺紋孔，凸臺的一邊有定位臺肩；每個凸臺上安裝一個刀片，刀片的一側(cè)緊貼在凸臺的定位臺肩上，刀片的內(nèi)側(cè)圓弧面，緊貼在凸臺的內(nèi)側(cè)圓弧面上定位；每一個刀片上都有冷卻氣孔(A)和階梯通孔(C);刀片通過緊固螺栓(14)固定在刀架(13)的每一個凸臺上；每對切削刀組安裝的刀片相同，從刀桿(I)的頭部到刀桿(I)的尾部，不同對切削刀組上安裝的刀片尺寸逐漸增大；其中最右端的一對刀組的切削刃組成的形成的切削圓面與所加工孔的尺寸完全相同；最右端的一對刀組的右側(cè)安裝有精切刀塊(9);精切刀塊(9)的內(nèi)側(cè)有定位銷孔(B)和冷卻氣孔(A);精切刀塊(9)通過大的通孔插入刀桿(I )，精切刀塊(9)的整個外圓弧都是切削刃，切削刃形成的切削圓的尺寸與所加工孔的尺寸相同；切削單元中每對切削刀組內(nèi)部以及刀組間的定位銷孔相互對齊，精切刀塊(9)的定位銷孔和通氣孔與各個切削刀組的定位銷孔和通氣孔位置對齊；定位銷(12)插入切削單元中刀架(13 )、精切刀塊(9 )的定位銷孔中，并穿過校準(zhǔn)單元(10 )的定位銷孔，插入到刀桿(I)中的定位銷孔中； 所述的刀桿(1)，在其頭部后有裝夾槽，裝夾槽后有安裝外六角緊固螺母(11)的螺紋段；螺紋段和后導(dǎo)向部分之間是安裝切削單元和校準(zhǔn)單元(10)的光桿；后導(dǎo)向部分是刀桿(I)的一部分，與被加工孔的尺寸相同，后導(dǎo)向部分外圈有冷卻氣孔(A),內(nèi)圈加工有定位銷孔(B);后導(dǎo)向部分右側(cè)是刀桿尾部，尾部的前端有裝夾槽； 所述的校準(zhǔn)單元(10)是由至少3個帶錐面的圓柱段組成的一整塊零件，每個帶錐面的圓柱段都在外側(cè)的相同位置加工有冷卻氣孔(A)，在內(nèi)側(cè)的相同位置加工有定位銷孔(B)，在中間加工有大的通孔；校準(zhǔn)單元(10)通過大的通孔安裝在刀桿(I)上，緊靠在后導(dǎo)向部分左側(cè)的臺肩面上； 所述前導(dǎo)向單元(8)的左端帶有錐度，中間為圓柱型，右端有尺寸較小的圓柱型的凸臺，中間有大的通孔；前導(dǎo)向單元(8)通過中間的大的通孔插入刀桿(I)中，并通過圓柱型的凸臺與切削單元接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的一種對樹脂基碳纖維復(fù)合材料制孔的刀具，其特征是，該刀具安裝在刀架(13)上的各個刀片是硬質(zhì)合金刀片、硬度和耐磨性極高的PVD涂層刀片或金剛石涂層刀片。
【文檔編號】B23D43/00GK103817374SQ201410066658
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】賈振元, 王福吉, 付饒, 高航, 劉巍, 馬建偉 申請人:大連理工大學(xué)