[0001] 本发明涉及基于工业机器人的叠层构件螺旋铣加工大深度(20mm以上)、大直径(19mm以上)孔专用复合刀具，特别涉及加工碳纤维复合材料(CFRP)和钛合金等航空航天难加工材料叠层构件的大深度大直径孔螺旋铣孔专用复合刀具。

[0002] 随着我国航空航天事业的发展，CFRP和钛合金等难加工材料大量的应用，传统的钻孔技术已经不能够满足现今航空制造产业对制孔质量的实际要求。螺旋铣孔是一种新的制孔加工技术，是用一把小于孔直径刀具通过自身自转的同时围绕着制孔中心以一定偏移量做公转的螺旋制孔工艺，其仅用一把刀即可加工出不同直径的孔，并且其加工质量更好，效率更高，这些突出的优点使其在CFRP/钛合金叠层构件制孔加工中的应用越来越多。近年来，在航空制造业中，柔性化机器人加工成为先进飞机制造技术的发展方向，工业机器人制孔技术也得到了广泛的应用。然而，由于工业机器人自身结构特点决定了其相对于传统机床较低刚度，这致使在机器人加工过程中因受较大的切削力而产生颤振，尤其在进行大深度、大直径叠层构件制孔时会产生更大的切削力，从而易造成加工质量、加工精度不高等不良后果，如孔径误差、毛刺、复合材料的分层和撕裂等。

[0003] 因此，从刀具结构优化设计方面出发减小切削力以保证制孔质量是实现机器人高效率、高质量、低损伤的叠层构件一体化制孔的必要措施和重要手段。面对国内航空制造业对大深度大直径机器人加工的迫切需求，国内目前对于适合机器人的叠层构件大深度大直径螺旋铣孔并没有专用刀具。

[0004] 本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种能够有效减小机器人加工颤振，保证制孔表面精度和整体制孔质量，同时能够有效减小CFRP的分层、撕裂等损伤的出现的适于工业机器人叠层构件螺旋铣孔专用复合刀具。

[0005] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

[0006] 本发明的一种适于工业机器人叠层构件螺旋铣孔专用复合刀具，包括前端和第一刀刃部分的后端相连的第二刀刃部分，所述的第二刀刃部分通过缩颈结构与刀柄相连，所述的第一刀刃部分直径小于第二刀刃部分直径，所述的第一刀刃部分芯厚小于第二刀刃部分的芯厚，第一刀刃部分芯体和第二刀刃部分芯体之间采用锥形平滑过渡连接，所述的第一刀刃部分包括沿刀体外缘周向上设置的四个不等间距的第一螺旋切削刃、第二螺旋切削刃、第三螺旋切削刃和第四螺旋切削刃，所述第一螺旋切削刃部分的第一螺旋切削刃的底刃和第三螺旋切削刃的底刃有两个刃带，第二螺旋切削刃的底刃和第四螺旋切削刃的底刃有一个刃带，所述第二刀刃部分包括设置在刀体外缘周向上并且与所述的第一螺旋切削刃、第二螺旋切削刃、第三螺旋切削刃和第四螺旋切削刃分别通过圆弧过渡底刃一一对应平滑连接的四个不等间距的螺旋切削刃，所述的第一刀刃部分的四个螺旋切削刃之间的成型容屑槽与第二刀刃部分的四个螺旋切削刃之间的容屑槽一一对应设置，并且第一刀刃部分的成型容屑槽与第二刀刃部分的成型容屑槽的相交部分为阶梯式过渡容屑槽，第二刀刃部分的各螺旋切削刃夹角、侧刃前角、侧刃第一后角、侧刃第二后角、底刃第一后角、底刃第二后角以及螺旋角均与第一刀刃部分的四个螺旋切削刃的各切削刃夹角、侧刃前角、侧刃第一后角、侧刃第二后角、底刃第一后角、底刃第二后角以及螺旋角分别相同设置。

[0007] 与现有发明相比，本发明具有以下优势：

[0008] 本发明刀具采用阶梯式复合刀具，在大深度大直径CFRP/钛合金叠层构件(钛合金在上层，CFRP在下层)螺旋铣孔时，钛合金切削力远大于CFRP切削力。第一刀刃部分对钛合金先进行初切削铣孔，之后第二刀刃部分在第一刀刃部分已加工的基础上再进行大孔边缘铣削，此时第一刀刃部分已经在叠层构件的上层铣削完成，进入下层CFRP铣削，此时第一刀刃部分承受切削力较小，此时只有第二刀刃部分在进行钛合金孔边缘少量切削。之后当第二刀刃部分进入CFRP切削时，第一刀刃部分已经完成初切削铣孔或小厚度切削，此时第二刀刃部分再进行CFRP孔边缘少量切削。此外，根据实际加工需求可调整复合刀具结构尺寸，如加长第一刀刃部分长度，当第二刀刃部分进入钛合金先进行大孔边缘铣削时，第一刀刃部分已经完成在叠层构件的初始孔铣削，此时只有第二刀刃部分在进行叠层孔边缘少量切削。因此，综合不同方案本发明结构能够有效减小第二刀刃部分最终切削铣孔的切削力，以减小机器人加工颤振，保证第二刀刃部分制孔表面精度和整体制孔质量，同时能够有效减小CFRP的分层、撕裂等损伤的出现。

[0009] 采用在第一刀刃部分与第二刀刃部分的锥形平滑过渡芯体处设有阶梯过渡容屑槽，便于复合刀具排屑，有利于散热；

[0010] 采用在第一刀刃部分与第二刀刃部分阶梯连接处设有过渡圆弧底刃，可有效减小刀具加工冲击力；

[0011] 切削刃采用不等距设计，第一螺旋切削刃部分的第一螺旋切削刃的底刃和第三螺旋切削刃的底刃有两个刃带，第二螺旋切削刃的底刃和第四螺旋切削刃的底刃有一个刃带的设计方法，能够有效避免机器人加工时刀具的颤振和不稳定；

[0012] 采用四切削刃结构，可以分散切削刃工作压力，有效延长刀具寿命；

[0013] 采用缩颈结构，利于切屑排出，同时避免加工时切屑、刀体与孔壁摩擦对加工表面造成二次损伤，从而影响加工质量。附图说明

[0014] 图1为本发明的适于工业机器人叠层构件螺旋铣孔专用复合刀具整体结构示意图；

[0015] 图2为图1所示的本发明复合刀具刀刃处的A-A剖面图；

[0016] 图3为图2的所示的刀具侧刃后角D处的局部放大图；

[0017] 图4为复合刀具第一刀刃部分的端面视图；

[0018] 图5为图4所示的复合刀具的B-B剖面图；

[0019] 图6是图4所示的复合刀具的C-C剖面图；

[0020] 图7-1为本发明复合刀具类第一种方案的叠层构件螺旋铣孔过程示意图；

[0021] 图7-2为本发明复合刀具类第二种方案的叠层构件螺旋铣孔过程示意图。

[0022] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

[0023] 如附图所示，本发明的一种适于工业机器人叠层构件螺旋铣孔专用复合刀具，包括前端和第一刀刃部分2的后端相连的第二刀刃部分3，所述的第二刀刃部分3通过缩颈结构4与刀柄1相连，所述的第一刀刃部分2直径D1小于第二刀刃部分3直径D2，所述的第一刀刃部分芯厚小于第二刀刃部分的芯厚，第一刀刃部分芯体和第二刀刃部分芯体之间采用锥形平滑过渡连接，所述的第一刀刃部分2包括沿刀体外缘周向上设置的四个不等间距的第一螺旋切削刃z1、第二螺旋切削刃z2、第三螺旋切削刃z3和第四螺旋切削刃z4，所述第一螺旋切削刃部分2的第一螺旋切削刃z1的底刃和第三螺旋切削刃z3的底刃有两个刃带，第二螺旋切削刃z2的底刃和第四螺旋切削刃z4的底刃有一个刃带，所述第二刀刃部分3包括设置在刀体外缘周向上并且与所述的第一螺旋切削刃z1、第二螺旋切削刃z2、第三螺旋切削刃z3和第四螺旋切削刃z4分别通过圆弧过渡底刃7一一对应平滑连接的四个不等间距的螺旋切削刃，所述的第一刀刃部分2的四个螺旋切削刃之间的成型容屑槽与第二刀刃部分3的四个螺旋切削刃之间的容屑槽一一对应设置，并且第一刀刃部分2的成型容屑槽与第二刀刃部分3的成型容屑槽的相交部分为阶梯式过渡容屑槽8。第二刀刃部分3的各螺旋切削刃夹角、侧刃前角、侧刃第一后角、侧刃第二后角、底刃第一后角、底刃第二后角以及螺旋角均与第一刀刃部分2的四个螺旋切削刃的各切削刃夹角、侧刃前角、侧刃第一后角、侧刃第二后角、底刃第一后角、底刃第二后角以及螺旋角分别相同设置。

[0024] 作为本发明的一种实施方式，所述的第一螺旋切削刃z1与第二螺旋切削刃z2夹角a取93°，第二螺旋切削刃z2与第三螺旋切削刃z3夹角b取85°,第三螺旋切削刃z3与第四螺旋切削刃z4夹角c取87°，第四螺旋切削刃z4与第一螺旋切削刃z1夹角d取95°。所述的第一螺旋切削刃z1和第三螺旋切削刃z3的侧刃前角9取7°，第二螺旋切削刃z2和第四螺旋切削刃z4的侧刃前角10取9°；第一刀刃部分2的四个螺旋切削刃的侧刃第一后角13取15°,侧刃第二后角14取19°；所述的侧刃第一后角的长度11为0.7mm，所述的侧刃第一后角与侧刃第二后角的总长度12为1.6mm；第一刀刃部分2的四个螺旋切削刃的螺旋角5为40°，第一刀刃部分2的四个螺旋切削刃的刃倾角6为5°，第一刀刃部分2刀体芯厚15为5mm，直径D1为8mm；所述的第一螺旋切削刃z1和第三螺旋切削刃z3的底刃有两个刃带，其中第一刃带宽18取
0.8mm；所述的第一螺旋切削刃z1和第三螺旋切削刃z3的底刃第一后角19取6°，并且第一螺旋切削刃z1和第三螺旋切削刃z3的底刃第二后角20取10°；所述的第二螺旋切削刃z2和第四螺旋切削刃z4的底刃后角21取7°；所述第一刀刃部分2刀刃长度L1为10mm。

[0025] 所述刀具第二刀刃部分3同样设置四个切削刃，各切削刃夹角、侧刃前角、侧刃第一后角、侧刃第二后角、底刃第一后角、底刃第二后角以及螺旋角与第一刀刃部分2设置相同；第二刀刃部分3的侧刃第一后角与侧刃第二后角的总长度为2.4mm；第二刀刃部分3刀体芯厚7.8mm，直径D2为12mm；所述第二刀刃部分3刀刃长度L2为20mm。

[0026] 所述第一刀刃部分2与第二刀刃部分3之间的圆弧过渡底刃7的半径为2mm。所述第二刀刃部分3与刀柄部分1之间采用缩颈结构4连接，颈部结构直径D3为11mm。第一刀刃部分与第二刀刃部分的芯厚不同，两部分之间采用锥形平滑过渡连接。

[0027] 所述刀具总长L4为90mm，刀柄长度L3为50mm。

[0028] 所述刀具基体材料采用WF25型超细粒硬质合金，其Co含量为11.1％～12.1％，此种材料具有耐高温、硬度高、易散热、不易变形、不易破损等特点，具有较好的韧性和耐磨性，可以提高刀具寿命，采用此种基体材料更易对刀具刀尖进行尖角化处理，适于机器人加工钛合金/CFRP叠层构件。

[0029] 图7-1、7-2是具有不同的第一、第二刀刃部分长度的本发明的复合铣刀结构的铣孔过程示意图；图7-1中的第一刀刃部分长度小于第二刀刃部分长度，在加工时第一刀刃部分和第二刀刃部分有处于不同构件层同时切削时刻，能够有效减小切削力；图7-2第一刀刃部分长度大于第二刀刃部分长度，在铣削加工时第一刀刃部分先进行整个构件层切削，初始铣孔完成后第二刀刃部分再进入切削完成最终铣孔，不进行同时切削，此结构更能凸显本复合刀具能有效减小切削力保证加工质量的优点。

[0030] 以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型均属于本发明的保护范围。