本發明屬于機械加工中鉆削工具技術領域，涉及一種實現疊層材料鉆锪一體化高質量加工的階梯微齒雙刃刀具。

背景技術：

纖維增強復合材料有著質量輕、強度高、抗疲勞、耐腐蝕等優異性能，現已在航空、汽車等多個領域得到了廣泛應用，如空客A350、寶馬七系汽車中，都大量采用了碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)材料來減輕結構重量，提高燃油經濟性。然而復材構件層間方向承載能力差，不能承受多向復雜載荷，因此在一些部位只能采用輕質、高強的金屬。為了最終的裝配，復材與金屬構件，特別是鋁合金構件，通常采用搭接的形式，形成疊層結構零件，用于提高連接部位強度，并防止鳥撞等撞擊事故。此類構件目前主要采用鏍接、鉚接的方式進行機械連接，這種連接方式的前提是必須進行整體制孔。而此類構件的制孔質量直接關系到產品的裝配質量和服役壽命。由于CFRP是由碳纖維增強相和樹脂基體組成，其材料本身各向異性，易在加工中產生分層、毛刺等損傷，且刀具磨損嚴重。而金屬與CFRP材料性能差異大，即使如鋁合金這類相對容易加工的金屬材料，在加工時具有與復材不同的如入口毛刺、飛邊，孔徑不圓或傾斜等缺陷，刀具易出現黏刀等現象，在同時加工兩種材料時，切削金屬產生的切屑形貌及排出路徑極難控制，極易劃傷復材孔壁，導致撕裂、分層等損傷。同時由于適用于加工復材和金屬的刀具角度不一致，現有刀具在制孔時經常出現難以匹配兩種材料而導致損傷易發，且孔徑精度難以控制的問題。可見，碳纖維增強復合材料/金屬疊層結構零件的高質量整體制孔極其困難，是航空、航天裝備制造中的技術瓶頸之一。

國內外研究發現刀具不同的幾何結構將會對最終CFRP制孔質量產生不同影響，合理的刀具結構能夠有效減小鉆削復材出入口的分層、毛刺等加工損傷，以及金屬的彎曲、扭擰、裂紋等損傷，并且有效提高刀具壽命。國內外研究人員現已開發各類針對不同結構進行優化的制孔刀具，存在著各自的優點和缺點。日本川崎重工在“SAE Technical Paper”上發表的《Development of a Drill Bit for CFRP/Aluminum-Alloy Stack:To Improve Flexibility,Economical Efficiency and Work Environment》中提出了一種階梯結構鉆疊層刀具，提出了采用較薄的橫刃，變角度切削刃及多階梯結構。此類型刀具主要采用分階段鉆削的思想，通過前段去除大部分材料，保證去除效率，后段少量去除材料，減小金屬切屑尺寸，對復合材料和金屬結合部位的損傷影響小。然而該種刀具在加工過程中不能保證復材毛刺的有效去除，并且也沒有考慮到復材回彈的特性，很難保證加工后孔徑的一致性，且階梯段易磨損，將影響制孔質量。大連理工大學王福吉等人開發了“一種纖維增強復合材料高效制孔的專用刀具”，專利號CN201510508097，它通過設計多級階梯和多級微齒結構，同樣采用分段鉆削方式，可有效減小軸向力，降低損傷，并通過每級的微齒來去除已產生的鉆削損傷，實現復材高質量加工。然而此類雙刃刀具切削量仍較大，可能造成復材切削損傷超出孔公稱直徑，或產生較大的金屬毛刺，同時對加工表面的修整作用較弱，工件加工表面光潔度低，且過渡刃處無刃帶，影響變階梯壽命。主切削刃修磨的一個前刀面，雖然有利于切削復材，但切削金屬時，不利于切屑流動和斷屑。與此同時，在一些加工工藝中，有著锪孔工序的要求，上述專利中沒有設計锪孔結構，不能實現鉆锪一體化加工的要求。

技術實現要素：
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本發明主要解決的技術難題是克服CFRP與鋁合金組成的疊層材料進行一體化鉆锪終孔時，CFRP易損傷，鋁合金易產生毛刺，兩種材料的孔徑一致性差，光潔度低，刀具壽命低的問題，發明一種階梯微齒雙刃帶鉆锪一體鉆頭刀具，特別適合CFRP于鋁合金疊層材料的一體化鉆锪終孔加工，該刀具是一種具有多階梯，多切削刃結構的鉆锪一體刀具，各級副切削刃上具有微齒結構，可有效實現一體化鉆锪高質量終孔，階梯切削區和锪孔切削刃都具有刃帶，能夠提高鉆頭的使用壽命，降低使用成本。

本發明采用的技術方案是一種階梯微齒雙刃帶鉆锪一體鉆頭，其特征是，該鉆頭由主切削刃區A，階梯微齒區B，副切削刃區C，锪孔區D，刀柄E五個部分組成；其中階梯微齒區B包含在副切削刃區C中；

所述主切削刃區A的主切削刃具有雙頂角結構：在靠近刃尖1/3-1/2位置修磨成平整前刀面16，并與由排屑槽形成的另一部分主切削刃前刀面17形成雙頂角結構，第一頂角n1的角度為102°-105°，第二頂角n2的角度為90°-95°；

所述階梯微齒區B采用多級階梯結構，每級階梯存在n個微齒結構；公稱直徑由刀尖向刀柄，逐級增大；微齒繞鉆頭軸線，螺旋分布于各級階梯副切削刃上，每級階梯副切削刃的軸向長度需要保證至少能夠容納n個微齒結構，n≥2，各級階梯的微齒槽深在0.8-1mm之間，低級微齒需采用較小槽深，且不達到此處鉆心；微齒最后一級階梯的頂角γ值為130°-140°；

所述副切削刃區C修磨出兩個主排屑槽14，15和兩個副排屑槽18，19，形成一對第一副切削刃和一對第二副切削刃；主排屑槽寬度d為0.65-0.75倍的鉆頭直徑，副排屑槽寬度e為1/2-2/3倍的主排屑槽寬度，終形成一對第一副切削刃4和一對第二副切削刃12共四條切削刃，第一副切削刃的螺旋前角β為14°-16°，第二副切削刃的螺旋前角θ為3°-10°，所述的微齒都分布在四個刀刃上。第一和第二副切削刃修磨刃帶，寬度a，b為1-1.5mm，在锪孔刃9刃尖下方2.5-3.5mm修磨有縮頸，縮頸的單邊尺寸為0.1-0.4mm，不達到鉆心；

所述的锪孔區D具有滿足實際加工要求的頂角β，四條排屑槽形成四個锪孔刃，四個锪孔刃的前角m1為15°-25°，后角m2為25°-35°，四個切削刃均修磨刃帶，刃帶寬度c為0.8-1.6mm；

本發明的效果和益處是在采用多階梯微齒雙刃帶鉆锪一體刀具加工復材和鋁合金疊層材料時，多階梯微齒能夠有效切斷纖維，減小鉆削軸向力，降低分層損傷，提升刀具斷屑能力，減小劃痕，雙刃結構能夠提升加工效率，增強排屑能力，控制切屑流動，實現高質量加工，最終锪孔刃能夠完成锪孔加工要求，實現鉆锪一體化加工。

附圖說明

圖1為一種階梯微齒雙刃帶鉆锪一體鉆頭主視圖，圖2為圖1中鉆尖部位局部放大圖，圖3為一種階梯微齒雙刃帶鉆锪一體鉆頭左視圖；其中：1.主切削刃，2.第一級階梯微齒，3.最后一級階梯微齒，4.第一副切削刃，5.第一副切削刃4修磨刃帶，6.刀具軸向線，7.第一級微齒2螺旋線，8.第二級微齒3螺旋線，9.锪孔切削刃，10.锪孔切削刃9刃帶11.最后一級階梯微齒3頂角切線，12.第二副切削刃，13.第二副切削刃，13修磨刃帶，14.第一螺旋主分屑槽，15.第二螺旋主分屑槽，16.主切削刃1前刀面修磨第一部分，17.主切削刃1前刀面修磨第二部分，18.第一螺旋副分屑槽，19.第二螺旋副分屑槽；A第一主切削刃區，B微齒切削區，C副切削區，D锪孔區，E刀柄；a.第一副切削刃修磨刃帶5寬度，b.第二副切削刃修磨刃帶14寬度，c.锪孔切削刃帶10寬度，d.主分屑槽14，15寬度，e.副分屑槽18，19寬度，α.第一副切削刃螺旋前角，β.锪孔切削刃9傾角θ，第二副切削刃螺旋前角，γ.最后一級階梯微齒頂角切線與刀具軸向線夾角，n1.主切削刃大頂角切線與刀具軸向線夾角，n2.主切削刃大頂角切線與刀具軸向線夾角，m1.為锪孔刃前角，m2.為锪孔刃后角。

具體實施方式：

下面結合附圖和技術方案詳細說明本發明的具體實施。

如圖1、圖2、圖3所示的一種階梯微齒雙刃帶鉆锪一體鉆頭,該鉆頭可分為主切削刃區(A)，階梯微齒區(B)，副切削刃區(C)，锪孔區(D)，刀柄(E)五個部分，其中階梯微齒區B包含在副切削刃區C中。刀具通過階梯微齒結構以及雙刃帶切削，有效減小了在加工CFRP和鋁合金組成的疊層材料時產生的軸向力，提高里刀具切削性能，減小了CFRP的損傷和鋁合金產生的金屬毛刺，有效提高加工質量，延長了刀具壽命。

在本實例中，所述主切削刃區A的主切削刃靠近刃尖1/3位置修磨成平整前刀面16，并與由排屑槽形成的另一部分主切削刃前刀面17形成雙頂角結構，主切削刃的第一頂角n1的角度選取102°，主切削刃的第二頂角n2的角度選取為90度，在所述階梯微齒區B采用多級階梯結構，公稱直徑由刀尖向刀柄，逐級增大；微齒繞鉆頭軸線，螺旋分布于各級階梯副切削刃上，每級階梯副切削刃的軸向長度需要保證至少能夠容納n個微齒結構，n≥2，各級階梯的微齒槽深選取為0.8mm，低級微齒采用0.8mm槽深時不會達到此處鉆心，能夠保證剛度要求。最后一級階梯的頂角γ值選取130°。所述副切削刃區C修磨出兩個主排屑槽和兩個副排屑槽，主排屑槽寬度值為3mm，副排屑槽寬度值為1mm，可以提高排屑能力，保證加工質量，并在此基礎上形成一對第一副切削刃和一對第二副切削刃共四條切削刃，第一副切削刃的螺旋前角β選取為14°，第二副切削刃的螺旋前角θ選取為3°。所述的微齒都分布在四個刀刃上。第一和第二副切削刃修磨刃帶，選取其寬度為1mm。在锪孔刃刃尖下方2.5mm處修磨有縮頸，縮頸的單邊尺寸選取0.1mm，可以滿足不達到鉆心的要求，保證刀具剛度，減小加工振動引起的孔徑誤差。所述的锪孔區D具有滿足實際加工要求的頂角β，本實例中選取β等于100°，四條排屑槽形成四個锪孔刃，四個锪孔刃的前角m1選取值為15°，后角m2值為25°。四個切削刃均修磨刃帶，刃帶寬度c定為0.8mm，可以保證刀刃的鋒銳度和剛度。

本發明的鉆頭為鉆具#1，可商購的鉆頭為鉆具#2，采用相同的工藝參數和裝夾方式，連續鉆削20個孔，在制孔結束之后，觀察復材板和鋁合金板出口面和入口面的加工孔質量，并觀測加工過程中斷屑效果，結果具體說明如下：

(1)出口孔質量

采用鉆具#2加工第一個孔時出現微小分層現象，隨著加工的進行，復材板分層現象逐漸加劇，并在第五個孔時鋁合金板即開始出現肉眼可見的毛刺。采用鉆具#1加工的20個孔沒有分層現象產生，加工完畢尚未出現肉眼可見的毛刺和撕裂損傷，加工質量明顯優于鉆具#2。

(2)入口孔質量

采用鉆具#2加工第一個孔時復材板入口即出現微小分層現象，隨著加工的進行，分層現象逐漸加劇，并在第五個孔時鋁合金板開始出現肉眼可見的毛刺。采用鉆具#1加工的20個孔沒有分層現象產生，加工完畢尚未出現肉眼可見的毛刺和撕裂損傷，加工質量明顯優于鉆具#2。

(3)斷屑效果

采用鉆具#2加工時，當鉆頭開始切削鋁合金板后，會產生大量長切屑纏在刀具上，且在不采用人工斷屑的情況下，刀具無法自行斷屑，切屑劃擦工件表面，產生明顯的劃痕。采用鉆具#1加工時，當切屑在刀具上纏繞較少數量時即可由刀具自行切斷，不會劃擦工件表面，加工質量更好。

(4)刀具壽命

鉆具#2在加工第3個孔后已經復材板產生了明顯的分層現象，之后愈加嚴重，且鋁合金板出入口出會產生大量金屬毛刺，鉆頭壽命較短。而鉆具#1加工20個孔后質量依舊較好，可見鉆具#1有著較長的刀具壽命。