抑制纤维类复合材料加工表面缺陷的鱼鳞铣刀设计方法

1.本发明是纤维类复合材料切削加工领域，涉及纤维类复合材料铣削加工鱼鳞铣刀的错位连续鱼鳞齿和错位重叠鱼鳞齿排列方式，实现相邻鱼鳞齿交错排列抑制前鱼鳞齿顶刃和两微刃表面残留缺陷问题。


背景技术：

2.纤维复合材料已经被广泛应用于航空航天、军工、汽车等领域。虽然纤维复合材料都采用近净成型的方法制备，但是为了达到飞机蒙皮边缘和大型盲槽构件的精度及满足其连接装配的需要，仍需要对这些复合材料进行铣边加工。磨削一直以来是加工复合材料的主要方式，但是磨削效率极其低下，需要耗费大量的人力物力。铣削反而是提高加工效率最合适的选择，但是其铣削性能较差。由于复合材料是一种具有多向纤维的复合材料，当刀具与多向纤维相互作用时，会造成纤维被前刀面挤压弯曲脱粘、纤维由于损伤传递产生纤维拔出及z向针刺纤维被整根挤压剥离。目前为止，对于复合材料加工过程中损伤的抑制主要集中于两方面：第一种是铣削过程中加工参数的优化、第二种是新型几何结构刀具的应用及改进。表面质量是影响零件尺寸精度、机械能和生产成本的重要参数。因此，有必要通过优化刀具加工参数来获得所需的表面质量，而表面质量同时又需要检验表面粗糙度、表面损伤以及亚表面损伤。而影响加工表面的原因有很多，通过观察加工表面的最大未变形切屑厚度、材料微残留、表面粗糙度和表面残余应力来体现鱼鳞铣刀微刃排列方式对加工表面质量的影响。多微刃刀具是独特的断续切削结构，由相互交错的容屑槽切割成鱼鳞齿分布在刀具的切削部位，构成断续的切削刃。在加工过程中，前鱼鳞齿对材料进行切削，经过分屑槽残留的未能去除的材料将由后条切削刃上与前条分屑槽位置相对应的鱼鳞齿去除。但是经过我们对材料加工表面的观察，发现材料表面存在着微凹槽，而出现凹槽的根本原因是鱼鳞齿顶刃切削造成的，倾斜面是由鱼鳞齿左右两微刃剐蹭造成的。鱼鳞齿在一条切削刃上的排布策略是整把多微刃刀具最关键的因素，同时是影响相邻两个鱼鳞齿之间材料残余量的主要原因，改变鱼鳞齿的排布进而优化刀具结构抑制顶刃和两微刃切削后的表面残留问题。
3.唐臣升等人发明的“整体硬质合金鱼鳞铣刀”，专利申请号200910013142.0，采用左、右旋对称交错的构成切削单元，刀具的切削力降低，达到了比较好的铣削效果。大连理工大学王福吉等人发明了“用于碳纤维复合材料高速铣切的多刃微齿铣刀”，申请专利号201610806761.5，该铣刀增大了微齿的长度，带钻尖结构可以有效加工通孔，后续又发明了“用于碳纤维复合材料高速铣削的带端刃立铣刀”，专利申请号201710808999.6，但是以上多微刃刀具设计的研究人员均未提到微刃排列方式对加工表面质量的影响，在这种背景下，大连理工大学贾振元等人提出了“抑制多刃微齿铣刀切削刃边缘破损的微齿排布设计方法”，王福吉等人提出了“一种能够实现左、右旋切削刃交替切削的多齿设计方法”通过定量的对比微刃间的数值关系来确定微齿排列的方法，但以上两种排列方式针对普通结构下的多微刃铣刀，因鱼鳞铣刀的切削刃由顶刃和左右两弧形微刃组成与前两种铣刀的切削机
理存在差异，且对于多微刃鱼鳞铣刀来说很难测量鱼鳞齿槽间的长度，通过具体数值的方法定义排列结构不适用于确定鱼鳞齿铣刀的排列方式，因此在不改变鱼鳞铣刀左右螺旋角及其它结构参数的情况下，定义相邻鱼鳞齿上特征点在沿铣刀母线展开方向的空间分布情况，设计了两种鱼鳞齿排列方式。


技术实现要素：

4.本发明要解决的是在使用鱼鳞铣刀铣削纤维类复合材料的过程中，加工表面会产生材料微残留的问题，因此要减小单齿的最大切屑未变形厚度，降低去除材料所需的切削力，优化铣削加工表面。就此问题，在断续鱼鳞齿的基础上做出改进，设计了错位连续鱼鳞齿和错位重叠鱼鳞齿，此设计方法是在不改变左右螺旋角和单齿形状尺寸的情况下，通过定义顶刃和左右两微刃上的特征点，将离散的鱼鳞齿错位排布。
5.鱼鳞铣刀的特征是由鱼鳞齿、端刃、柄部和左右螺旋分屑槽。其中右旋分屑槽是连续的，而左旋分屑槽是断续的，多个左右螺旋分屑槽将铣刀的微刃分割成离散的鱼鳞齿；鱼鳞齿上有三种切削刃，即担任主切削刃的顶刃、左微刃和右微刃；错位连续鱼鳞齿沿铣刀母线展开时，其结构特征为左侧鱼鳞齿的特征点c与相邻右侧鱼鳞齿的顶尖a在同一水平直线上，而左侧鱼鳞齿顶尖a和其他特征点为与右侧鱼鳞齿的特征点在同一水平直线上；错位重叠鱼鳞齿沿铣刀母线展开时，其结构特征为，左侧鱼鳞齿的顶尖a和其它特征点均未与右侧鱼鳞齿顶尖a和其他特征点在同一水平直线上。
6.鱼鳞齿的特殊结构再加上其3条微刃，切削机理错综复杂，顶刃是去除材料的主要切削刃，左右两弧形微刃主要起修磨加工表面的作用，导致表面存在材料微残留。在计算一条切削刃每一点的瞬时切削厚度时，多微刃刀具分为切削区域及螺旋槽空切区域，而改进的错位连续及错位重叠刀具一条切削刃类似于传统铣刀一条切削刃，不存在螺旋槽的空切区域。本发明很好的解决了断续鱼鳞齿螺旋分屑槽附近的材料残留问题，降低了加工表面的残余应力，显著改善了加工表面的状态。
附图说明
7.图1为错位连续鱼鳞铣刀三维图；
8.图2为错位连续鱼鳞铣刀三维图；
9.图3a)为错位连续鱼鳞齿沿铣刀母线展开图；
10.图3b)为错位重叠鱼鳞齿沿铣刀母线展开图；
11.图4为材料去除示意图；
12.图5a)为断续鱼鳞齿加工表面残余应力曲线；
13.图5b)为错位连续鱼鳞齿加工表面残余应力曲线；
14.图5c)为错位重叠鱼鳞齿加工表面残余应力曲线。
15.图中1-鱼鳞齿、2-顶刃、3-左微刃、4-右微刃、5-右螺旋槽、6-左螺旋槽、7-端刃、8-柄部、a-顶刃尖端、b-特征点、c-特征点、d-齿根尖、e-特征点、
具体实施方式
16.下面结合附图和技术方案对本发明的实施例做进一步详细说明。
17.本实施例的用于铣削纤维复合材料表面的错位连续鱼鳞齿、错位重叠鱼鳞齿，图1为错位连续鱼鳞齿铣刀示意图，图2为错位重叠鱼鳞齿铣刀示意图，刀具直径为4mm，图中1为鱼鳞齿微刃，是由左右螺旋槽切割而成，其中右螺旋槽有10条，展开角度θ1＝27
°
；左螺旋槽右12条，展开角度θ2＝25
°
。在铣削过程中，参与切削的有顶刃2、左微刃3和右微刃4，顶尖a会首先接触到加工材料的表面，形成多条微沟，左微刃3切下的切屑会由左螺旋槽6排出，右微刃4产生的切屑由右螺旋槽5排出。
18.在鱼鳞齿的后刀面，有顶刃尖端a，顶刃2和左微刃3交于特征点b，顶刃2和右微刃4交于特征点c，齿根尖d，左右螺旋槽切割后的刃线de；当沿铣刀母线展开时，断续鱼鳞齿的特性为前一齿的尖端a和后一齿的刃线de在同一直线上，而前一齿的两个特征点b和c均未与后一齿上任何特征点处于同一直接上，因此对断续鱼鳞齿进行改进如下实例。
19.实例一为错位连续鱼鳞齿铣刀，错位连续鱼鳞齿沿铣刀母线展开如图3a)所示，其特征为左侧鱼鳞齿特征点c与相邻右侧鱼鳞齿顶尖a处于同一直线上，而前一齿左侧鱼鳞齿顶尖a和特征点b均未与相邻右侧鱼鳞齿上任何特征点处于同一直接上。
20.实例二为错位重叠鱼鳞齿，错位连续鱼鳞齿沿铣刀母线展开如图3b)所示，其特征为左侧鱼鳞齿顶尖a和两个特征点b、c均未与相邻右侧鱼鳞齿上顶尖a和任何特征点处于同一直接上。
21.验证分析
22.图4显示原始鱼鳞刀具及两种改进鱼鳞刀具(错位连续、错位重叠形式)的一条切削刃上相邻齿的材料去除对比。在一条切削刃上分布有鱼鳞齿和螺旋槽，因此使得切削刃由多个断续的鱼鳞齿组成。在切削复合材料过程中，螺旋分屑槽附近未被切削的材料被称为“材料残余”，而通过调整一条切削刃上的鱼鳞齿排布位置，将鱼鳞齿调整成为错位连续和错位重叠形式，可以很好的解决这个材料残留问题。
23.图5显示了刀具几何结构对加工表面提取的残余应力的影响。由于复合材料的各向异性及该材料的不均匀性，因此残余拉应力会导致复合材料加工表面裂纹的生成和扩展速率增快，降低零件的疲劳强度；残余压应力会提高加工表面的疲劳强度和抗应力腐蚀性。残余应力曲线取值有正有负，正值代表残余拉应力，负值代表残余压应力，如图5b)所示，错位连续鱼鳞齿的加工方式中，残余压应力区域占比明显大于残余拉应力区域；如图5c)所示，错位重叠鱼鳞齿的加工方式中，残余应力曲线较为平稳，且相对于图5a)、5b)来说，残余压应力区域几乎与残余拉应力区域达到平衡，因此在材料去除和表面残余应力方面都验证了设计的两种鱼鳞铣刀的加工效果。

技术特征：
1.涉及纤维类复合材料切削加工领域，一种纤维类复合材料铣削加工鱼鳞铣刀的错位连续鱼鳞齿和错位重叠鱼鳞齿的结构设计。其结构特征是由鱼鳞齿(1)、右螺旋槽(5)、左螺旋槽(6)、端刃(7)、柄部(8)组成。铣刀材料为直径为4mm，右螺旋槽有10条，螺旋角θ1＝27
°
；左螺旋槽有12条，螺旋角θ2＝25
°
；每个鱼鳞齿上由顶刃(2)、左微刃(3)、右微刃(4)、顶尖a和特征点b、c、d、e组成，该刀具在已知结构参数下对鱼鳞齿结构进行改进。2.所述错位连续鱼鳞齿，根据沿铣刀母线展开图，其特征为左侧鱼鳞齿的特征点c与相邻右侧鱼鳞齿的顶尖a在同一水平直线上，而左侧鱼鳞齿顶尖a和其他特征点未与右侧鱼鳞齿的特征点在同一水平直线上。3.所述错位重叠鱼鳞齿，根据沿铣刀母线展开图，其特征为左侧鱼鳞齿的顶尖a和其它特征点均未与右侧鱼鳞齿顶尖a和其他特征点在同一水平直线上。

技术总结
本发明用于纤维类复合材料铣削的多刃鱼鳞铣刀属于难加工材料领域，涉及鱼鳞齿微刃两种不同排列方法的设计，实现相邻鱼鳞齿交错排列抑制前鱼鳞齿顶刃和两微刃表面残留缺陷问题。鱼鳞齿微刃由顶刃、顶尖和左右微刃组成，顶刃起主要的切削作用，左右两弧形微刃起到修磨加工表面的作用。顶尖在扫过材料表面时会形成微沟壑产生材料微残留影响加工表面质量，而鱼鳞齿在一条切削刃上的排布策略是多微刃鱼鳞铣刀铣削性能最关键的因素，根据鱼鳞铣刀铣削纤维类复合材料的切削机理，设计了错位连续鱼鳞齿和错位重叠鱼鳞齿。针对鱼鳞齿特殊的结构，通过鱼鳞铣刀沿母线展开图上顶尖和特征点是否处于同一直线来判定不同的排列方式，此设计方法是在不改变左右螺旋角和单齿的形状尺寸的情况下，将离散的鱼鳞齿错位排布。此外，从鱼鳞齿不同排布方式单齿的材料去除情况和加工表面的残余应力分析验证了两种鱼鳞齿排列方式在加工表面微材料残留的抑制效果。方式在加工表面微材料残留的抑制效果。方式在加工表面微材料残留的抑制效果。


技术研发人员：刘畅 张嘉伟 候兆鑫
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/10/7