專利名稱：釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用金剛石鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機械加工刀具，特別是一種加工碳纖維復(fù)合材料的鉆孔刀具。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)80年代后服役的戰(zhàn)機均大量采用碳纖維增強復(fù)合材料，復(fù)合材料的用量已成為衡量飛機性能的重要指標(biāo)之一。例如，法國陣風(fēng)戰(zhàn)機的復(fù)合材料用量占40%，瑞典JAS39戰(zhàn)機占30%，歐洲“臺風(fēng)”戰(zhàn)機大于40%，美國的殺手锏武器B-2戰(zhàn)略轟炸機占到50%，美國空軍最新的F-22 “猛禽”戰(zhàn)斗機復(fù)合材料用量達到了 35%。1984年，日本東麗公司成功研制出高強度、大伸長量的碳纖維T800H，1986年，又研發(fā)成功T1000。隨后，日本東邦、三菱人造絲公司和美國Hexcel公司相繼研制出同類高性能碳纖維，為制造大飛機提供了新型復(fù)合材料。從此，碳纖維增強復(fù)合材料在大飛機上的用量直線上升碳纖維增強復(fù)合材料具有比強度高、比模量高、減振性好等優(yōu)點，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在汽車、醫(yī)療器械、體育器械等行業(yè)的應(yīng)用也日益增多。隨著碳纖維增強復(fù)合材料用領(lǐng)域的擴大，解決碳纖維增強復(fù)合材料的高精度、高效加工問題也日益迫切。碳纖維增強復(fù)合材料上鉆孔加工時，容易產(chǎn)生分層、劈裂、燒傷等缺陷，其中尤以分層、劈裂對加工質(zhì)量影響最大。據(jù)介紹，在AV-8B飛機的制造中，由于碳纖維增強復(fù)合材料鉆孔分層、劈裂導(dǎo)致的零件不合格率占全機碳纖維增強復(fù)合材料零件不合格率的60%以上。 出現(xiàn)分層、劈裂現(xiàn)象的主要原因為
(I)碳纖維增強復(fù)合材料疊層板由碳纖維層鋪疊而成，層與層之間用樹脂粘結(jié)。由于碳纖維增強復(fù)合材料是一種各向異性材料，其機械性能在不同方向各不相同，材料沿纖維鋪層方向強度較高，而垂直于纖維鋪層方向的強度則取決于樹脂粘結(jié)強度，一般情況下，層間結(jié)合強度僅為纖維方向強度的2. 2%。(2)鉆孔加工時,存在垂直于纖維鋪層方向的軸向力Fz，從而在疊層板內(nèi)產(chǎn)生正應(yīng)力，當(dāng)切削力產(chǎn)生的正應(yīng)力超過樹脂結(jié)合強度，則會出現(xiàn)樹脂斷裂、纖維層分層或劈裂等現(xiàn)象，軸向力越大，分層、劈裂現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，解決分層、劈裂問題的一個有效途徑是減小鉆削軸向力。在鉆削加工中，軸向力主要受鉆削參數(shù)、刀具材料和鉆型等因素影響。 我國目前還沒有鉆削碳纖維增強復(fù)合材料的專用刀具。復(fù)合材料應(yīng)用部門目前主要采用YG類硬質(zhì)合金麻花鉆，如YG6X、YG8和Y330。這種刀具制造簡單，成本低，易于刃磨，對機床設(shè)備要求低。但使用壽命低，一般鉆削3(T40個孔后，就需要進行刃磨。為了提高刀具的使用壽命，一些刀具廠商對刀具進行表面涂層處理，如氮鋁化鈦涂層和金剛石涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用金剛石鉆頭，有效解決碳纖維增強復(fù)合材料分層、劈裂問題。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
一種釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，其組成包括刀柄、連接所述的刀柄的刀體，在所述的刀體側(cè)壁上開有清屑孔，在所述的刀體的頭部連接鉆頭，所述的鉆頭帶有一組槽口。所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，所述的刀體的頭部通過高溫釬焊連接所述的鉆頭，所述的槽口為4個，金剛石粒度為40-45目，均布在切削刃的位置，錐頂角45-48°
所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，所述的清屑孔為長圓孔。所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，所述的鉆頭外徑為3-14mm，壁厚1.1mm導(dǎo)孔鉆直徑為鉆頭外徑的25%_32%。所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，所述的鉆頭外徑為6mm或者8mm或者IOmm或者12mm或者14mm,壁厚1.1mm導(dǎo)孔鉆直徑為鉆頭外徑的30%,并且所述的導(dǎo)孔鉆的每一級之間的直徑差以及所述的導(dǎo)孔鉆與所述的鉆頭之間的直徑差不大于6mm，最終鉆頭外徑大于9mm時采用階梯導(dǎo)孔鉆，。有益效果
本發(fā)明的錐體部分開有兩條對稱螺旋狀的分屑槽，起容屑、排屑作用，可避免切屑堵塞、燒傷工件。導(dǎo)孔鉆起預(yù)鉆孔作用，以避免鉆芯處因切削速度為零而導(dǎo)致切削條件惡化。小直徑導(dǎo)孔鉆也會產(chǎn)生微小切削缺陷，但由于其直徑范圍小于最終孔徑，可在金剛石鉆頭鉆削過程中被切除。本發(fā)明的金剛石刀具具有刀尖鋒利、多刃切削、耐磨性優(yōu)異等優(yōu)點，因此十分適宜于難加工材料的切削加工。由于金剛石鉆頭鉆削時為多刃切削，軸向力被分散，加工表面所受正應(yīng)力也顯著下降。此外，由于鉆尖鋒利，鉆削時碳纖維增強復(fù)合材料纖維斷裂變形小，從而減輕了分層、劈裂程度。實際使用中如頂角太小，鉆削時間將延長，工件易燒傷；如頂角過大，則鉆削軸向力增大，工件易分層、劈裂。本發(fā)明的基體錐頂角選用45° -48，具有最佳效果。
本發(fā)明的采用階梯鉆的方式導(dǎo)鉆部分取工件孔徑的I / 3，實驗證明直徑太大將加重分層和劈裂。鉆削軸向力隨著刀具的直徑增大而增大。這是因為隨著刀具直徑的增大，鉆頭切削刃切削面積增大，從而導(dǎo)致切削力增大。碳纖維增強復(fù)合材料與鈦合金都是的典型難加工材料，碳纖維增強復(fù)合材料鉆削要求高轉(zhuǎn)速和小進給量，鉆削過程中一般采用干切削。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，彈性恢復(fù)大，冷硬、粘結(jié)、擴散現(xiàn)象嚴(yán)重，易于氧化，鉆削中有回彈，尺寸不穩(wěn)定。采用本發(fā)明的電鍍金剛石復(fù)合鉆頭鉆削時，軸向力和扭矩均較小，分別約為普通硬質(zhì)合金鉆頭的30%和70%，因此孔加工質(zhì)量明顯提高。鉆削試驗結(jié)果表明，在高速、低進給的切削條件下，用本發(fā)明的電鍍金剛石復(fù)合鉆頭可獲得非常理想的加工表面。本發(fā)明制造工藝簡單，刀具成本低；由于具有刀尖鋒利、多刃切削等優(yōu)點，該鉆頭在高速、低進給條件下鉆削碳纖維增強復(fù)合材料板材時，基本無分層、劈裂現(xiàn)象，可明顯提
高生產(chǎn)率。本發(fā)明采用涂層技術(shù)，隨著鉆孔數(shù)的增加，鉆頭的軸向力逐漸增大。這是因為隨著鉆孔數(shù)的增加，鉆頭磨損量增大，從而導(dǎo)致軸向力增大。涂層之后，刀具切削刃變鈍。但在鉆過一定孔數(shù)量(20孔)之后，涂層材質(zhì)很好的提高了刀具的耐磨性。涂層鉆頭磨損最小。本發(fā)明的釬焊金剛石套料鉆加工孔的入口質(zhì)量明顯比硬質(zhì)合金麻花鉆好，但出口質(zhì)量不如后者。入口處，由于釬焊金剛石套料鉆的金剛石磨粒切削刃很短，在磨粒同時切入材料的時候，產(chǎn)生的面外剪切應(yīng)力較小，不易使纖維層被掀起而產(chǎn)生撕裂缺陷；而硬質(zhì)合金麻花鉆切削刃較長，當(dāng)鉆頭切入材料時，主切削刃外側(cè)正前角部分對表層材料有一較大的面外剪切應(yīng)力，導(dǎo)致表層材料被掀起從而產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象；但在出口處，由于釬焊金剛石套料鉆從鉆入層合板到鉆出層合板，其鉆削力是從零急速增加到最大，保持穩(wěn)定后，急速降為零。因此在鉆削底層纖維時，材料抵抗拉應(yīng)力變形的能力很弱，而鉆削力并未減小，大于此時材料的層間強度，故容易產(chǎn)生撕裂缺陷。這種表現(xiàn)與傳統(tǒng)技術(shù)中的情況恰恰相反，對于傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金麻花鉆，其切削刃較長，在出口處參與切削的切削刃長度逐漸減小，鉆削力也逐漸變小，因此會產(chǎn)生相反的效果。碳纖維復(fù)合材料加工特性之一就是刀具磨損嚴(yán)重，刀具耐用度低。利用普通的硬質(zhì)合金麻花鉆加工后前刀面出現(xiàn)嚴(yán)重的崩刃和磨損。另外，主切削刃和副切削刃及橫刃都出現(xiàn)不同程度的磨損和崩刃。采用本發(fā)明的金剛石套料鉆加工同樣數(shù)量的孔之后，刀具上的金剛石磨粒均未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，只是鉆頭斷面內(nèi)側(cè)倒角處的釬料被磨掉很多。這是因為試驗所用釬焊金剛石套料鉆是利用高溫釬焊工藝使金剛石與基體材料實現(xiàn)結(jié)合的，由于此高溫釬焊技術(shù)實現(xiàn)了金剛石、釬料和金屬基體界面上的化學(xué)冶金結(jié)合，可以認(rèn)定本發(fā)明采用的金剛石磨粒具有高結(jié)合強度和耐磨性。


附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是本發(fā)明釬焊套料鉆端面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式 實施例1 :
一種釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，其組成包括刀柄1、連接所述的刀柄的刀體2，在所述的刀體側(cè)壁上開有清屑孔3，在所述的刀體的頭部連接鉆頭4，所述的鉆頭帶有一組槽口 5。實施例2:
實施例1所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，所述的刀體的頭部通過高溫釬焊連接所述的鉆頭，所述的槽口為4個，金剛石粒度為40-45目，均布在切削刃的位置，錐頂角45-48°之間。實施例3:
實施例1或2所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，所述的清屑孔為長圓孔。實施例4
實施例1或2或3所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，所述的鉆頭外徑為3-14mm，壁厚1. 1mm，所述的鉆頭前部為導(dǎo)孔鉆，導(dǎo)孔鉆直徑為鉆頭外徑的25%-32%。實施例5:
實施例1或2或3或4所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，所述的鉆頭外徑為6mm或者8mm或者IOmm或者12mm或者14mm,壁厚1.1mm導(dǎo)孔鉆直徑為鉆頭外徑的30%，并且所述的導(dǎo)孔鉆的每一級之間的直徑差以及所述的導(dǎo)孔鉆與所述的鉆頭之間的直徑差不大于6mm，最終鉆頭外徑大于9mm時采用多階梯的階梯導(dǎo)孔鉆。
權(quán)利要求
1.一種釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，其組成包括:刀柄、連接所述的刀柄的刀體，其特征是:在所述的刀體側(cè)壁上開有清屑孔，在所述的刀體的頭部連接鉆頭，所述的鉆頭帶有一組槽口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，其特征是:所述的刀體的頭部通過高溫釬焊連接所述的鉆頭，所述的槽口為4個，金剛石粒度為40-45目，均布在切削刃的位置，錐頂角45-48°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，其特征是:所述的清屑孔為長圓孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，其特征是:所述的鉆頭外徑為3-14mm，壁厚1.1mm導(dǎo)孔鉆直徑為鉆頭外徑的25%_32%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用套料金剛石鉆頭，其特征是:所述的鉆頭外徑為6mm或者8mm或者IOmm或者12mm或者14mm,壁厚1.1mm導(dǎo)孔鉆直徑為鉆頭外徑的30%，并且所述的導(dǎo)孔鉆的每一級之間的直徑差以及所述的導(dǎo)孔鉆與所述的鉆頭之間 的直徑差不大于6mm，最終鉆頭外徑大于9mm時采用階梯導(dǎo)孔鉆。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種釬焊結(jié)構(gòu)的碳纖維增強復(fù)合材料的專用金剛石鉆頭，我國目前還沒有鉆削碳纖維增強復(fù)合材料的專用刀具。復(fù)合材料應(yīng)用部門目前主要采用YG類硬質(zhì)合金麻花鉆，如YG6X、YG8和Y330。這種刀具制造簡單，成本低，易于刃磨，對機床設(shè)備要求低。但使用壽命低，一般鉆削30~40個孔后，就需要進行刃磨。本發(fā)明組成包括刀柄(1)、連接所述的刀柄的刀體(2)，在所述的刀體側(cè)壁上開有清屑孔(3)，在所述的刀體的頭部連接鉆頭(4)，所述的鉆頭帶有一組槽口(5)。本發(fā)明用于航天、競技機車等碳纖維符合材料的鉆孔加工。
文檔編號B23B51/00GK103071833SQ20131004779
公開日2013年5月1日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者于廣濱, 戴冰, 孫永國, 趙磊 申請人:哈爾濱理工大學(xué)