一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头

1.本发明属于复合材料加工技术领域，涉及一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头。


背景技术：

2.碳纤维-芳纶纤维共同增强的树脂基叠层复合材料(以下简称c-afrp)，由高强度、抗剪切性能好的碳纤维复材与高延伸率、抗冲击性能好的芳纶纤维复材经过一层一层的铺放固化制得，碳纤维层和芳纶纤维层厚度大约是6mm。这种复合材料可充分发挥碳纤维和芳纶纤维的优势性能，已成为航空航天与武器装甲防护等领域的优选材料之一。c-afrp零部件在制造过程中不可避免的要进行连接和装配，因此制孔加工已成为其制造的必要工序。目前，这些连接孔多采用手工加工，然而由于两种材料属性差异较大，一把刀具难以将二者有效切断，因此，在加工过程中纤维复材极易产生毛刺、撕裂损伤，芳纶纤维复材极易产生毛边、分层损伤，目前只能通过多次钻扩铰的方式进行加工，质量差、效率低，严重制约了c-afrp零件的承载能力与服役寿命。
3.为了解决上述问题，大连理工大学贾振元等人针对碳纤维复材加工公开了“一种具有回勾刃的手工钻头”，专利申请号201811199427.3，该钻头采用由反向刃和刮切刃构成的回勾刃结构，对已产生的纤维毛刺损伤进行二次去除，利用小后角的副切削刃完成孔壁的最终铰削修整，但此刀具主要针对碳纤维复合材料设计，而芳纶纤维韧性极高，钻削时会发生挤压变形但不断裂，难以有效切断。沈阳飞机工业(集团)有限公司唐臣升等人公开了“一种加工芳纶复合材料鱼鳞钻”，专利申请号201220064465.x，该钻头具有三顶尖及多侧刃结构，侧刃以铣代磨可以实现高速切削，适合加工薄壁工件，但用于加工碳纤维复合材料时热量累积严重，刀具磨损过快极易崩刃。
4.因此，上述专利针对单独一种复合材料设计的钻削刀具已经取得了一定成效，但是由于碳纤维和芳纶纤维之间巨大的属性差异，上述发明无法实现对c-afrp叠层复合材料的高质高精加工。


技术实现要素：

5.本发明针对碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料(以下简称c-afrp)钻削制孔时，叠层孔径偏差较大以及碳纤维易产生毛刺、撕裂损伤而芳纶纤维易产生毛边、分层损伤等问题，提出了一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，可实现c-afrp高质量高精度钻削加工。本发明设计刀具以大、小顶角组合的双顶角钻头为基础钻型，采取先定心后钻削的加工策略，在提升制孔稳定性的同时有效降低轴向力，避免碳纤维复材产生毛刺、撕裂损伤。在刀具刃带上修磨出具有负顶角的多级切削刃结构，其中负顶角结构可改变芳纶纤维受到的挤压作用，利用剪切去除的方式将芳纶纤维复材有效切断，避免芳纶纤维复材产生毛边、分层损伤同时解决未切断纤维堵塞排屑槽的问题，通过多级切削刃多次扩铰孔的方式以提升制孔精度，减小叠层复材的孔径偏差，大幅提升制孔质量与精度。
6.本发明的技术方案：
7.一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，其特征在于，该适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头包括四个区域，从钻头到钻柄依次为双顶角钻尖区a、负顶角多级刃带扩铰孔区b、铰孔区c和刀柄夹持区d；
8.所述的双顶角钻尖区a，主要由大顶角与小顶角两部分组成，大顶角部分的顶角为n1＝70
°‑
120
°
，大顶角区直径为d1＝0.36d6，修磨出大顶角区主切削刃2、大顶角区前刀面9、大顶角区后刀面10和大顶角区副后刀面11，主切削刃2的前角为γ＝10
°‑
30
°
，主切削刃2的第一后角为α1＝12
°‑
20
°
，主切削刃2的第二后角为α2＝15
°‑
30
°
；小顶角部分的顶角为n2＝15
°‑
30
°
、小顶角区直径为d2＝0.8d6，修磨小顶角区前刀面4、小顶角区后刀面5和小顶角区副后刀面6得到小顶角区主切削刃3，小顶角区主切削刃3的前角、第一后角和第二后角的角度范围与大顶角区主切削刃2的角度范围相同；横刃1的宽度为b4＝0.1d6，钻芯直径为d7＝0.48d6；
9.所述的负顶角多级刃带扩铰孔区b，通过修磨刀具刃带形成多级切削刃，由一级切削刃12、二级切削刃13、三级切削刃14、四级切削刃15组成，对应刀具直径分别为d3＝0.92d6、d4＝0.96d6、d5＝0.98d6、d6，各级切削刃的径向宽度分别为w1、w2、w3、w4，其中w1＝3w2＝6w3＝6w4，一级切削刃12和二级切削刃13之间长度为l1，二级切削刃13和三级切削刃14之间长度为l2，三级切削刃14和四级切削刃15之间长度为l3，其中l1＝2l2＝2l3，上述多级切削刃的顶角均为n3＝30
°‑
75
°
；
10.所述的铰孔区c的后刀面宽度为b1，刃带宽度为b2，排屑槽宽度为b3，排屑槽螺旋角为β，需满足排屑流畅并且保证刀具各阶段结构的刚度；
11.所述的刀柄夹持区d，夹持方式设置为直柄、锥柄、螺纹结构，夹持长度根据实际装夹要求确定。
12.本发明的有益效果：本发明提出了一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，该刀具以大、小顶角组合的双顶角钻头为基础钻型，在提升制孔稳定性的同时有效降低轴向力，避免碳纤维复材产生毛刺、撕裂损伤。刀具刃带具有负顶角的多级切削刃结构，利用剪切去除的方式将芳纶纤维复材有效切断，避免芳纶纤维复材产生毛边、分层损伤，可解决切屑堵塞排屑槽的问题，通过多级切削刃多次扩铰孔的方式以提升制孔精度，减小叠层复材的孔径偏差，大幅提升制孔质量与精度。
附图说明
13.图1为一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头主视图。
14.图2为图1中双顶角钻尖区的放大图。
15.图3为图1中负顶角多级刃带扩铰孔区的放大图。
16.图4为一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头的刀具剖面。
17.图中：a-双顶角钻尖区，b-负顶角多级刃带扩铰孔区，c-铰孔区，d-刀柄夹持区；1-横刃，2-大顶角区主切削刃，3-小顶角区主切削刃，4-小顶角区前刀面，5-小顶角区后刀面，6-小顶角区副后刀面，7-刀具排屑槽，8-刀柄，9-大顶角区前刀面，10-大顶角区后刀面，11-大顶角区副后刀面，12-一级切削刃，13-二级切削刃，14-三级切削刃，15-四级切削刃；b
1-后刀面宽度，b
2-刃带宽度，b
3-排屑槽宽度，b
4-横刃宽度；d
1-大顶角区直径，d
2-小顶角区直
径，d
3-一级切削刃直径，d
4-二级切削刃直径，d
5-三级切削刃直径，d
6-四级切削刃直径；d
7-钻芯直径；n
1-大顶角，n
2-小顶角，n
3-多级切削刃的顶角，γ-主切削刃前角，α
1-主切削刃第一后角，α
2-主切削刃第二后角，β-排屑槽螺旋角。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
19.如图1、2、3、4所示的一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，该刀具包括四个区域：双顶角钻尖区a、负顶角多级刃带扩铰孔区b、铰孔区c和刀柄夹持区d。双顶角钻尖区a以大顶角、小顶角组合的双顶角钻头为基础钻型，在提升制孔稳定性的同时有效降低轴向力，避免碳纤维复材产生撕裂、分层等损伤。多级刃带扩铰孔区b在刀具刃带上修磨出具有负顶角的多级切削刃结构，其中负顶角结构可改变芳纶纤维受到的挤压作用，利用剪切去除的方式将芳纶纤维复材有效切断，避免芳纶纤维复材产生毛边、分层损伤，解决切屑堵塞排屑槽的问题，通过多级切削刃多次扩铰孔的方式以提升制孔精度，减小叠层复材的孔径偏差，大幅提升制孔质量与精度。在本实施例中，最终目标是加工直径为5mm的终孔。
20.所述的双顶角钻尖区a位于刀具最前段，为使钻头具有良好的定心作用且能减少轴向力以避免在出口处产生损伤，设置大顶角n1＝120
°
，小顶角n2＝20
°
；横刃1宽度b4＝0.1d6＝0.5mm，大顶角区域末端直径d1＝0.36d6＝1.8mm，小顶角区域末端直径d2＝0.8d6＝4mm；为保证刀具结构强度，钻芯直径设置为d7＝0.48d6＝2.4mm，考虑切削碳纤维与芳纶纤维适用的角度，修磨小顶角区前刀面4、小顶角区后刀面5、小顶角区副后刀面6、大顶角区前刀面9、大顶角区后刀面10、大顶角区副后刀面11，使得切削刃前角γ＝30
°
，后角α1＝20
°
，副后角α2＝30
°
，在保证切削刃强度的前提下提升刀具的切削效率，并且有效降低后刀面磨损增加刀具寿命。
21.所述的多级刃带扩铰孔区b包括四级切削刃，采用负顶角结构通过剪切去除的方式将挤压在排屑槽中的芳纶纤维切断，避免由于切屑堵塞排屑槽引发的卡刀问题，负顶角均修磨为n3＝75
°
；通过多级刃带实现扩铰孔加工，提升孔径精度并减少加工工序，避免由于换刀而引起的加工误差，各级切削刃对应直径分别为d3＝0.92d6＝4.6mm，d4＝0.96d6＝4.8mm，d5＝0.98d6＝4.9mm，d6＝5mm；各级切削刃轴向阶跃长度为l1＝2l2＝2l3＝2mm，径向宽度w1＝3w2＝6w3＝6w4＝0.3mm；为保证排屑的连续性，刃带宽度、排屑槽宽度及螺旋角与铰孔区c保持一致。
22.所述的铰孔区c对已完成制孔的材料进一步加工，提高孔壁光洁度，后刀面宽度b1＝2mm，刃带宽度b2＝0.5mm，排屑槽宽度b3＝4.5mm，排屑槽螺旋角β＝10
°
，便于切屑快速排出。
23.所述的刀柄夹持区d直径为5mm，夹持长度根据实际装夹要求确定。
24.使用气动钻做麻花钻、回勾匕首钻及本实施例设计刀具的钻孔质量对比实验，钻头材质均为硬质合金，加工时无冷却，钻削碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料，其中碳纤维层厚度2mm为单向交叉铺层，芳纶纤维层厚度3mm为编织铺层。从碳纤维复材侧向芳纶纤维复材侧钻入，使用麻花钻制孔时入口处发生纤维撕裂，出口处产生大量毛边；使用回勾匕首钻
制孔时入口处无明显损伤但钻至芳纶纤维时会发生切屑堵塞排屑槽导致卡刀问题的发生；使用本实施例设计的刀具能有效避免卡刀，入口处无明显损伤且出口处仅存在少量毛边，综合切削质量优于其他两款刀具。
25.本发明提出了一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，该刀具以大、小顶角组合的双顶角钻头为基础钻型，在提升制孔稳定性的同时有效降低轴向力，避免碳纤维复材产生撕裂、分层等损伤。在刀具刃带上修磨出具有负顶角的多级切削刃结构，利用剪切去除的方式将芳纶纤维复材切断，有效解决切屑堵塞排屑槽造成的卡刀问题，并通过多级切削刃多次铰孔的方式以提升制孔精度，减小叠层复材的孔径偏差，大幅提升制孔质量，提高加工效率。经实验对比，切削质量优于麻花钻与回勾匕首钻。本发明提出的刀具结构及设计方法不限于上述实施例的结构，可进行多种修改变型，总之，在不脱离本发明创新范围内的所有改型都属于本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，其特征在于，该适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头包括四个区域，从钻头到钻柄依次为双顶角钻尖区a、负顶角多级刃带扩铰孔区b、铰孔区c和刀柄夹持区d。2.根据权利要求1所述的适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，其特征在于，所述的双顶角钻尖区a，主要由大顶角与小顶角两部分组成，大顶角部分的顶角为n1＝70
°‑
120
°
，大顶角区直径为d1＝0.36d6，修磨出大顶角区主切削刃2、大顶角区前刀面9、大顶角区后刀面10和大顶角区副后刀面11，主切削刃2的前角为γ＝10
°‑
30
°
，主切削刃2的第一后角为α1＝12
°‑
20
°
，主切削刃2的第二后角为α2＝15
°‑
30
°
；小顶角部分的顶角为n2＝15
°‑
30
°
、小顶角区直径为d2＝0.8d6，修磨小顶角区前刀面4、小顶角区后刀面5和小顶角区副后刀面6得到小顶角区主切削刃3，小顶角区主切削刃3的前角、第一后角和第二后角的角度范围与大顶角区主切削刃2的角度范围相同；横刃1的宽度为b4＝0.1d6，钻芯直径为d7＝0.48d6。3.根据权利要求1所述的适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，其特征在于，所述的负顶角多级刃带扩铰孔区b，通过修磨刀具刃带形成多级切削刃，由一级切削刃12、二级切削刃13、三级切削刃14、四级切削刃15组成，对应刀具直径分别为d3＝0.92d6、d4＝0.96d6、d5＝0.98d6、d6，各级切削刃的径向宽度分别为w1、w2、w3、w4，其中w1＝3w2＝6w3＝6w4，一级切削刃12和二级切削刃13之间长度为l1，二级切削刃13和三级切削刃14之间长度为l2，三级切削刃14和四级切削刃15之间长度为l3，其中l1＝2l2＝2l3，上述多级切削刃的顶角均为n3＝30
°‑
75
°
。4.根据权利要求1所述的适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，其特征在于，所述的铰孔区c的后刀面宽度为b1，刃带宽度为b2，排屑槽宽度为b3，排屑槽螺旋角为β，需满足排屑流畅并且保证刀具各阶段结构的刚度。5.根据权利要求1所述的适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，其特征在于，所述的刀柄夹持区d，夹持方式设置为直柄、锥柄、螺纹结构，夹持长度根据实际装夹要求确定。

技术总结
本发明属于复合材料加工技术领域，公开了一种适用于碳纤维与芳纶纤维叠层复合材料加工的手工钻头，包括四个区域，从钻头到钻柄依次为双顶角钻尖区、负顶角多级刃带扩铰孔区、铰孔区和刀柄夹持区。本发明的手工钻头，该刀具以大、小顶角组合的双顶角钻头为基础钻型，在提升制孔稳定性的同时有效降低轴向力，避免碳纤维复材产生毛刺、撕裂损伤。刀具刃带具有负顶角的多级切削刃结构，利用剪切去除的方式将芳纶纤维复材有效切断，避免芳纶纤维复材产生毛边、分层损伤，可解决切屑堵塞排屑槽的问题，通过多级切削刃多次扩铰孔的方式以提升制孔精度，减小叠层复材的孔径偏差，大幅提升制孔质量与精度。孔质量与精度。孔质量与精度。


技术研发人员：付饶 赵宏伟 赵猛 尹德昆 史雪鹏 王福吉 李恩
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/10/8