CN218168818U - 一种针对复合材料进行加工的钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种针对复合材料进行加工的钻头，包括切削功能段、以及与所述切削功能段相连的连接段，在所述切削功能段上设置有钻尖、微齿槽、刃带、排屑槽，所述钻尖上设置有主切削刃，所述刃带为一个或多个，所述刃带延伸至所述连接段，所述排屑槽延伸至所述连接段，所述刃带上分布有所述微齿槽。本实用新型的有益效果是：本实用新型基于钻头结构的改进实现钻头的制造性能、加工质量、加工效率、使用寿命的有效提升。

Description

一种针对复合材料进行加工的钻头

技术领域

本实用新型涉及钻削工具技术领域，尤其涉及一种针对复合材料进行加工的钻头。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRP)为代表的先进复合材料，因具有优异的物理、机械性能，广泛被应用于航空航天、汽车、轨道交通、体育器材等领域。复合材料一般由两种或两种以上的材料组成，由于组分材料的物理、机械性能差异，表层纤维由于约束体条件较差，在钻入、钻出阶段易发生毛刺未有效剪短、层间材料发生撕裂与分层损伤的问题。因此在CFRP上加工连接孔、装配孔时，对孔的加工精度与加工质量均提出了更高的加工要求。

当前CFRP孔加工常见的加工方式为钻、扩、铰及锪等多刀工序。该工艺方案刀具规格与种类涉及较多，为刀具管理带来了困难，同时由于工序较多，导致加工效率较低。为此业界学者通过改进刀具结构，或将钻、铰等结构设计在一把刀具上，可有效地精简CFRP为代表的典型复合材料的加工工序，从而提升生产效率，解决了传统金属麻花钻难以高质量加工复合材料的难题。

湖南科技大学公开的《具有圆弧刃刀片的碳纤维增强复合材料专用钻头》(专利申请号，201711047792.8)、《具有直刃型刀片的碳纤维增强复合材料专用钻头》(专利申请号，201711042733.1)介绍了两种可用于抑制碳纤维加工损伤产生的刀具结构，钻尖部分整合了钻尖、扩孔及多刃结构。该方案依靠三尖钻型由孔边缘向孔中心的加工趋势，以减轻毛刺、分层撕裂损伤的产生，但由于结构的局限性，其终孔的扩孔段结构限制了其应用的参数范围偏低，在较高的进给量加工条件下，仍然会容易产生分层、撕裂等加工损伤，限制了生产效率的提升。

湖南科技大学公开的另一专利：《一种直线型三尖—细齿状钻铣复合刀具》(专利申请号，201920554790.6)，通过采用先钻后铣的方式，将制孔时产生的缺陷铣削去除。该方案通过增加铣削结构的方式有效地消除了制孔产生的损伤，但在刀具结构上，提升了结构的复杂度，使该结构刀具的制造难度增大，且在加工中小径的孔时，需要制作长径比较大的刀具，刀具的刚性下降易发生断刀，为CFRP小孔的高质量加工带来了难度。在加工工艺上，虽然进一步地提高了加工质量，但使单刀制孔工艺变成了先钻后铣工艺，降低了生产效率。

株式会社宫城田野井公开的《钻头及穿孔的形成方法》(专利申请号，201380003276.9)中采用了一种多沟槽切削刃结构，通过多级不断递增的沟槽切削刃，分散了CFRP材料加工过程的轴向力，降低了CFRP层间的撕裂、分层损伤，逐级增大的扩径螺旋切削刃有效地精铰了孔加工毛刺与孔壁。但明显的不足是，该结构需要有足够的下刀避空，在部分箱体等限制了下刀深度的结构加工时，为该结构刀具的应用带来了困难。同时由于刀具结构较为复杂，也提升了刀具的生产、制造难度。

大连理工大学公开的《一种碳纤维增强复合材料制孔的多阶梯多微刃钻头》(专利申请号，201610412512.8)采用了一种双阶梯、双微齿结构麻花钻结构，一方面通过阶梯微齿结构实现了加工损伤的分级铰除，另一方面减少了层间切削轴向力，抑制了材料的层间损伤产生，实现了CFRP的高质量制孔加工。但同样地，其多阶梯、多微齿的结构使其具有较为复杂的钻尖结构，增加了刀具的制造成本，同时延长了下刀深度、降低了加工效率。

因此现有的CFRP制孔加工刀具结构仍存在结构复杂、钻头制造难度大、切削作用段过长、加工效率低等问题，因此需要开发一种钻尖结构简单、更便于生产制造与应用的通用CFRP制孔钻头。

实用新型内容

本实用新型提供了一种针对复合材料进行加工的钻头，包括切削功能段、以及与所述切削功能段相连的连接段，在所述切削功能段上设置有钻尖、微齿槽、刃带、排屑槽，所述钻尖上设置有主切削刃，所述刃带延伸至所述连接段，所述排屑槽延伸至所述连接段，所述刃带上分布有所述微齿槽。

作为本实用新型的进一步改进，所述切削功能段具有阶梯结构，所述刃带上分布有所述微齿槽。

作为本实用新型的进一步改进，所述阶梯结构包括多个阶梯，每个阶梯设有一个微齿槽。

作为本实用新型的进一步改进，所述刃带数量为多个。

作为本实用新型的进一步改进，所述切削功能段的单面设置有双刃带，所述双刃带包括第一刃带、第二刃带，由于切削功能段的单面设置有双刃带，所以切削功能段的双面设置有四刃带。

作为本实用新型的进一步改进，所述排屑槽包括主排屑槽、副排屑槽。

作为本实用新型的进一步改进，所述阶梯结构包括第一阶梯、第二阶梯。

作为本实用新型的进一步改进，所述钻尖为双顶角结构，分别为第一顶角、第二顶角，顶角度大小范围为80～120°；主切削刃的后角为10～30°。

作为本实用新型的进一步改进，所述微齿槽的槽宽尺寸为0.1～2.0mm，所述微齿槽的槽深尺寸为槽宽+(0.1～1.0)mm，微齿槽与钻头轴线夹角设置为60～110°。

作为本实用新型的进一步改进，所述主排屑槽宽为(0.5～0.8)mm*D，所述副排屑槽宽取(0.2～0.4)*D mm，D为钻头刃径尺寸。

作为本实用新型的进一步改进，所述连接段设置为倒锥形式。

作为本实用新型的进一步改进，该钻头还包括夹持段，所述夹持段与所述连接段相连。

作为本实用新型的进一步改进，所述刃带采用凸刃结构。

作为本实用新型的进一步改进，所述刃带宽为0.3～0.5mm，刃带与外圆铲背高度差为0.1～0.3mm。

作为本实用新型的进一步改进，刃带上副切削刃前角设置为10～30°，刃带上副切削刃后角设置为10～30°。

本实用新型还提供了一种针对复合材料进行加工的钻头，包括切削功能段、以及与所述切削功能段相连的连接段，在所述切削功能段上设置有钻尖、微齿槽、刃带、排屑槽，所述钻尖上设置有主切削刃，所述刃带延伸至所述连接段，所述排屑槽延伸至所述连接段，所述刃带上分布有所述微齿槽；所述切削功能段具有阶梯结构，阶梯数量为2～3个；所述刃带数量为2～8个；所述钻尖具有双顶角结构，其顶角范围为80～120°；主切削刃后角为10～30°；所述微齿槽槽宽尺寸为0.1～2.0mm，槽深尺寸为槽宽尺寸+(0.1～1.0)mm，微齿槽与钻头轴线夹角可设置为60～110°；所述排屑槽包括主排屑槽、副排屑槽，所述主排屑槽宽为(0.5～0.8)*D mm，所述副排屑槽宽取(0.2～0.4)*D mm，D为钻头刃径尺寸；所述刃带采用凸刃结构，所述刃带的宽为0.3～0.5mm，刃带与外圆铲背高度差为0.1～0.3mm；刃带上副切削刃前角设置为10～30°，刃带上副切削刃后角设置为 10～30°。

本实用新型还提供了一种针对复合材料进行加工的钻头，包括切削功能段、以及与所述切削功能段相连的连接段，在所述切削功能段10上设置有钻尖、微齿槽、刃带、排屑槽，所述钻尖上设置有主切削刃，所述刃带延伸至所述连接段，所述排屑槽延伸至所述连接段，所述刃带上分布有所述微齿槽；所述切削功能段具有阶梯结构，阶梯数量为2个；所述刃带数量为4个；所述钻尖具有双顶角结构，其一顶角为100°、二顶角为90°；所述排屑槽包括主排屑槽、副排屑槽，主切削刃后角为15°；所述微齿槽槽宽为1.0mm，槽深为1.2mm，微齿槽与钻头轴线夹角可设置为90°；所述主排屑槽宽为0.7*D mm，所述副排屑槽宽取0.3*D mm，D为钻头刃径尺寸；所述刃带采用凸刃结构，所述刃带的宽为0.3mm，刃带与外圆铲背高度差为0.3mm；刃带上副切削刃前角设置为10°，刃带上副切削刃后角设置为10°。

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于钻头结构的改进，阶梯结构采用多阶梯，解决大孔制孔加工轴向力大的问题，通过多个阶梯分级制孔减少制孔轴向力，抑制分层损伤；采用每阶梯单微齿槽、多刃带设计，减少了切削功能段的轴向距离，同时通过多刃带上错开布置微齿槽，增加微齿作用长度，提升了微齿对CFRP毛刺的铰除效果；从而实现钻头的制造性能、加工质量、加工效率、使用寿命的有效提升。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是切削功能段结构示意图；

图3是钻尖的顶角结构示意图；

图4是主切削刃的角度示意图；

图5是微齿槽结构示意图；

图6是刃带截面示意图；

图7是凸刃形式(阶梯避空)结构示意图；

图8是OD形式(角度避空)结构示意图；

图9是副切削刃角度示意图；

图10是单阶梯四刃带结构示意图；

图11是三阶梯四刃带结构示意图；

图12是双阶梯六刃带结构示意图；

具体实施方式

本实用新型公开了一种钻头,是一种针对碳纤维增强复合材料(CFRP) 为代表的复合材料的钻头。

如图1、2所示，本实用新型针对复合材料进行加工的钻头，包括切削功能段10、以及与所述切削功能段10相连的连接段20，在所述切削功能段10上设置有钻尖11、微齿槽12、刃带、排屑槽，所述钻尖11上设置有主切削刃，所述刃带延伸至所述连接段20，所述排屑槽延伸至所述连接段20，所述刃带上分布有所述微齿槽12。

所述切削功能段10可以设置阶梯结构，也可以不设置阶梯结构，所述刃带上分布有所述微齿槽12。当切削功能段10上设置阶梯结构时，阶梯结构可以包括两个阶梯或多个阶梯，例如阶梯数量是2～3个，作为本实用新型的优选实施例，阶梯结构包括两个阶梯，分别为第一阶梯17和第二阶梯18，每个阶梯设有一个微齿槽12。

刃带的数量可以是单个或多个，例如，单刃带、双刃带、三刃带、八刃带，作为本实用新型的优选实施例，切削功能段10的单面设置有双刃带，双刃带包括第一刃带13、第二刃带14，切削功能段10为双面，所以切削功能段10的双面设置有四刃带，所述排屑槽包括主排屑槽15、副排屑槽 16，第一阶梯刃径与第二阶梯刃径的比值范围为0.3～0.9。

本实用新型优选采用双阶梯四刃带的结构，当然，本实用新型还可以采用其他结构，例如，图10所示的单阶梯四刃带结构，图11所示的三阶梯四刃带结构，图12所示的双阶梯六刃带结构。

如图10所示，切削功能段10的单面设置有双刃带，双刃带包括第一刃带13、第二刃带14，切削功能段10的双面设置有四刃带。

如图11所示，切削功能段10的单面设置有双刃带，双刃带包括第一刃带13、第二刃带14，切削功能段10的双面设置有四刃带；三阶梯包括第一阶梯17、第二阶梯18和第三阶梯19。

如图12所示，切削功能段10的单面设置有三刃带，三刃带包括第一刃带13、第二刃带14和第三刃带31，切削功能段10的双面设置有六刃带；双阶梯包括第一阶梯17、第二阶梯18。

如图3所示，所述钻尖11为双顶角结构，分别为第一顶角A、第二顶角B，顶角度大小范围为80～120°，优选为，其一顶角为100°、二顶角为90°。钻尖11上设置有主切削刃，如图4所示，主切削刃的后角C为 10～30°(优选为15°)，主切削刃的前角用E表示。

如图5所示，微齿槽12的槽宽L1与槽深L2由钻头刃径大小决定，槽宽L1一般取0.1～2.0mm(优选为1.0mm)，槽深L2取L1+(0.1～1.0)mm，槽深L2优选为1.2mm；微齿槽12与钻头轴线夹角K一般可设置为60～110°(优选为90°)。

如图6所示，一个刃带上共含有与阶梯数量相等的微齿槽数量。通过阶梯微齿结构实现加工损伤的分级去除，有效提升加工质量；每阶梯单微齿槽、多刃带的分布设计，节约了单个刃带上的轴向长度，通过两刃带上的微齿轴向高度差，实现了微齿反剪效果的紧凑布置效用。

如图7所示，刃带形式采用凸刃形式(阶梯避空)，刃带宽f取 0.3～0.5mm(优选为0.3mm)，刃带与外圆铲背高度差h一般取0.1～0.3mm (优选为0.3mm)。相比OD形式(角度避空)，凸刃形式与已加工表面形成的空间更大，且若刃带磨擦下沉时，避免了参与磨擦的刃带面积进一步增大，更有利于切削热的减少，保证了孔的加工质量。

如图9所示，刃带上副切削刃(周刃)前角F设置为10～30°(优选为10°)，后角G设置为10～30°(优选为10°)。

切削功能段10与连接段20上设置有主排屑槽15和副排屑槽16，主排屑槽15宽为(0.5～0.8)*Dmm(D为钻头刃径)，主排屑槽15宽优选为 0.7*D mm；副排屑槽15宽一般取(0.2～0.4)*Dmm，副排屑槽15宽优选为0.3*D mm。

连接段20设置为倒锥形式，使末端刃径逐渐减小，避免了已加工表面与连接段刃带的磨擦作用。倒锥一般取1：1000～5：1000，即轴向距离每延长1000mm，双边径向下降1～5mm。

该钻头还包括夹持段30，所述夹持段30与所述连接段20相连，夹持段30的作用为便于刀夹夹持。

本实用新型针对复合材料进行加工的钻头具有较为简单、紧凑的钻尖功能结构，便于钻头的生产制造，提升可制造性；能够解决CFRP为代表的复合材料在制孔加工过程中易产生加工毛刺、分层与撕裂损伤的问题；同时具有较短的下刀深度，可有效提升钻头的加工效率；通过钻头结构的调整，使其可适配更高的切削参数范围；通过结构改进，降低切削过程的钻头磨损，提升钻头的使用寿命。

综上，基于钻头结构的改进实现钻头的制造性能、加工质量、加工效率、使用寿命的有效提升。

本实用新型的有益效果如下：

1.阶梯微齿结构设计：实现了CFRP加工损伤的分级有效去除。

2.本实用新型的阶梯结构采用多阶梯：解决大孔制孔加工轴向力大的问题，通过多个阶梯分级制孔减少制孔轴向力，抑制分层损伤。

3.每阶梯单微齿槽、多刃带设计：减少了切削功能段10的轴向距离，同时通过多刃带上错开布置微齿槽12，增加微齿作用长度，提升了微齿对 CFRP毛刺的铰除效果。紧凑的钻尖角度、微齿布置方式，使下刀深度下降，有效提升了加工效率。

4.刃带采用凸刃结构，避免了刃带磨损面面积的增大，降低了加工过程切削热的产生，由于加工切削发热较大时，复合材料中的树脂材料易于玻璃化，导致对纤维的约束下降，加工过程更容易发生加工损伤，从而提升了孔加工质量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (17)

1.一种针对复合材料进行加工的钻头，其特征在于：包括切削功能段(10)、以及与所述切削功能段(10)相连的连接段(20)，在所述切削功能段(10)上设置有钻尖(11)、微齿槽(12)、刃带、排屑槽，所述钻尖(11)上设置有主切削刃，所述刃带延伸至所述连接段(20)，所述排屑槽延伸至所述连接段(20)，所述刃带上分布有所述微齿槽(12)。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述切削功能段(10)具有阶梯结构，所述刃带上分布有所述微齿槽(12)。

3.根据权利要求2所述的钻头，其特征在于：所述阶梯结构包括多个阶梯，每个阶梯设有一个微齿槽(12)。

4.根据权利要求1至3任一项所述的钻头，其特征在于：所述刃带数量为多个。

5.根据权利要求4所述的钻头，其特征在于：所述切削功能段(10)的单面设置有双刃带，所述双刃带包括第一刃带(13)、第二刃带(14)，由于切削功能段(10)的单面设置有双刃带，所以切削功能段(10)的双面设置有四刃带。

6.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述排屑槽包括主排屑槽(15)、副排屑槽(16)。

7.根据权利要求3所述的钻头，其特征在于：所述阶梯结构包括第一阶梯(17)、第二阶梯(18)。

8.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述钻尖(11)为双顶角结构，分别为第一顶角(A)、第二顶角(B)，顶角度大小范围为80～120°；主切削刃的后角为10～30°。

9.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述微齿槽(12)的槽宽(L1)尺寸为0.1～2.0mm，所述微齿槽(12)的槽深(L2)尺寸为槽宽(L1)+(0.1～1.0)mm，微齿槽(12)与钻头轴线夹角(K)设置为60～110°。

10.根据权利要求6所述的钻头，其特征在于：所述主排屑槽(15)宽为(0.5～0.8)*Dmm，所述副排屑槽(16)宽取(0.2～0.4)*D mm，D为钻头刃径尺寸。

11.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述连接段(20)设置为倒锥形式。

12.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：该钻头还包括夹持段(30)，所述夹持段(30)与所述连接段(20)相连。

13.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于：所述刃带采用凸刃结构。

14.根据权利要求13所述的钻头，其特征在于：所述刃带宽(f)为0.3～0.5mm，刃带与外圆铲背高度差(h)为0.1～0.3mm。

15.根据权利要求13所述的钻头，其特征在于：刃带上副切削刃前角设置为10～30°，刃带上副切削刃后角设置为10～30°。

16.一种针对复合材料进行加工的钻头，其特征在于：包括切削功能段(10)、以及与所述切削功能段(10)相连的连接段(20)，在所述切削功能段(10)上设置有钻尖(11)、微齿槽(12)、刃带、排屑槽，所述钻尖(11)上设置有主切削刃，所述刃带延伸至所述连接段(20)，所述排屑槽延伸至所述连接段(20)，所述刃带上分布有所述微齿槽(12)；所述切削功能段(10)具有阶梯结构，阶梯数量为2～3个；所述刃带数量为2～8个；所述钻尖(11)具有双顶角结构，其顶角范围为80～120°；主切削刃后角为10～30°；所述微齿槽(12)槽宽尺寸为0.1～2.0mm，槽深尺寸为槽宽尺寸+(0.1～1.0)mm，微齿槽(12)与钻头轴线夹角(K)可设置为60～110°；所述排屑槽包括主排屑槽(15)、副排屑槽(16)，所述主排屑槽(15)宽为(0.5～0.8)*Dmm，所述副排屑槽(16)宽取(0.2～0.4)*D mm，D为钻头刃径尺寸；所述刃带采用凸刃结构，所述刃带的宽为0.3～0.5mm，刃带与外圆铲背高度差为0.1～0.3mm；刃带上副切削刃前角设置为10～30°，刃带上副切削刃后角设置为10～30°。

17.一种针对复合材料进行加工的钻头，其特征在于：包括切削功能段(10)、以及与所述切削功能段(10)相连的连接段(20)，在所述切削功能段(10)上设置有钻尖(11)、微齿槽(12)、刃带、排屑槽，所述钻尖(11)上设置有主切削刃，所述刃带延伸至所述连接段(20)，所述排屑槽延伸至所述连接段(20)，所述刃带上分布有所述微齿槽(12)；所述切削功能段(10) 具有阶梯结构，阶梯数量为2个；所述刃带数量为4个；所述钻尖(11)具有双顶角结构，其一顶角为100°、二顶角为90°；主切削刃后角为15°；所述微齿槽(12)槽宽为1.0mm，槽深为1.2mm，微齿槽(12)与钻头轴线夹角(K)可设置为90°；所述排屑槽包括主排屑槽(15)、副排屑槽(16)，所述主排屑槽(15)宽为0.7*D mm，所述副排屑槽(16)宽取0.3*D mm，D为钻头刃径尺寸；所述刃带采用凸刃结构，所述刃带的宽为0.3mm，刃带与外圆铲背高度差为0.3mm；刃带上副切削刃前角设置为10°，刃带上副切削刃后角设置为10°。

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