分段式环行钻头

申请号 CN201210033501.0 申请日 2012-02-15 公开(公告)号 CN102649175B 公开(公告)日 2016-05-11
申请人 钴碳化钨硬质合金公司; 发明人 K·A·克雷格;
摘要 一种分段式环行 钻头 包括一个分段的部分,该分段的部分具有一个半精切削部分,以及多个精切削部分。这个半精切削部分以及这些精切削部分是由多个槽分隔开的,这些槽是由前壁和后壁形成的。当该环行钻头在轴向方向磨损时,该分段的部分允许将一个新的切削刃(即该槽的后壁)露出。该分段的部分还导致与该 工件 的 接触 更少,这降低了功率消耗并且使该环行钻头的偏斜最小化。这种分段式环行钻头还包括在该钻头一端的一个任选的引导件以及在一个柄部与该分段的部分之间的一个余隙颈部的部分。在此还披露了一种使用该分段式环行钻头对工件进行机加工的方法。
权利要求

1.一种分段式环行钻头,包括:
一个分段的部分,该分段的部分包括一个半精切削部分以及多个精切削部分,该半精切削部分具有的直径不同于该多个精切削部分的直径;以及
在该分段的部分与一个柄部之间的一个余隙颈部的部分,其中,该半精切削部分以及该多个精切削部分是由一个基本上V形的槽分隔开的,该槽是由一个前壁、一个后壁以及在它们之间的一个半径形成的。
2.如权利要求1所述的分段式环行钻头,其中该半精切削部分的直径是小于该多个精切削部分的直径。
3.如权利要求1所述的分段式环行钻头,其中该后壁与该前壁彼此相对形成一个
4.如权利要求3所述的分段式环行钻头,其中该角是大约九十度。
5.如权利要求1所述的分段式环行钻头,其中由该前壁相对于垂直于该分段式环行钻头的中央纵向轴线的一条轴线所形成的一个角是大于由该后壁相对于垂直于该中央纵向轴线的该轴线所形成的一个角。
6.如权利要求1所述的分段式环行钻头,进一步包括在该分段的部分与该分段式环行钻头的一端之间的一个引导件。
7.如权利要求6所述的分段式环行钻头,其中该引导件具有一个比该分段的部分的直径更小的直径。
8.如权利要求6所述的分段式环行钻头,进一步包括在该引导件与该分段的部分之间的一个凹切部。
9.如权利要求8所述的分段式环行钻头,进一步包括在该凹切部与该分段的部分之间的一个楔形表面。
10.一种对工件进行机加工的方法,该方法使用一个分段式环行钻头,该分段式环行钻头包括一个引导件和分段的部分以及在该分段的部分与一个柄部之间的一个余隙颈部的部分,该方法包括:
利用该分段式环行钻头的分段的部分在一个第一材料层中钻一个孔;
利用该引导件在一个第二材料层中钻一个孔,同时利用该分段的部分在该第一材料层中钻该孔直到该分段的部分已经完全钻通该第一材料层;并且
在不使用该引导件的情况下,利用该分段的部分在一个第三材料层中钻一个孔直到该分段的部分已经完全钻通该第三材料层。
11.如权利要求10所述的方法,进一步包括以下步骤:使用环行钻头的一个楔形表面,采用一种螺旋式内插钻孔操作或一种圆形钻孔操作将毛刺从所述孔中去除,该楔形表面(48)位于引导件(14)与分段的部分(18)之间,并且该楔形表面是相对于一条轴线(52)以10度的一个角(50)形成的,该轴线垂直于该环行钻头(10)的纵向轴线(28)。

说明书全文

分段式环行钻头

技术领域

[0001] 本发明涉及一种分段式环行钻头。

背景技术

[0002] 纤维增强塑料(FRP)材料因其高强度系数以及高刚度系数而被广泛地用于航空工业中。FRP材料是由软树脂基体和高强度纤维增强物所组成的复合材料。典型的纤维增强物包括纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、芳纶(Kevlar)纤维、以及类似物。FRP材料通常被加工成叠层结构。FRP材料具有优异的共面强度,但是层间强度低。
[0003] 多功能末端执行器、便携式环行机以及计算机数字化控制(CNC)机床在复合叠层材料中产生多个环行(螺旋式内插)孔和/或常规钻出的孔。
[0004] 机加工复合叠层材料的主要问题是发生在刀具刃上的加速磨损。即使具有高级的基底材料和涂层,刀具的寿命也是很短的。

发明内容

[0005] 当机加工复合叠层材料时,刀具刃的加速磨损的问题是通过提供一种分段式环行钻头(segmented orbital drill)来解决的,这种分段式环行钻头使用多种几何形状来增加刀具寿命。
[0006] 一方面,一种分段式环行钻头包括:一个分段的部分,该分段的部分包括一个半精切削部分以及至少一个精切削部分,该半精切削部分具有与该至少一个精切削部分的直径不同的直径;以及在该分段的部分与一个柄部之间的一个余隙颈部的部分。
[0007] 另一方面,使用一种分段式环行钻头(该环行钻头包括一个引导件和分段的部分以及在该分段的部分与一个柄部之间的一个余隙颈部的部分)对工件进行机加工的一种方法包括:利用该分段式环行钻头的分段的部分在一个第一材料层中钻一个孔;利用该引导件在一个第二材料层中钻一个孔,同时利用该分段的部分在该第一材料层中钻该孔直到该分段的部分已经完全钻通该第一材料层;并且利用该分段的部分在一个第三材料层中钻一个孔而不使用该引导件直到该分段的部分已经完全钻通该第三材料层。附图说明
[0008] 虽然展示了本发明的不同的实施方案,但所示的这些具体实施方案不应被解释为限制了权利要求。在此预期可以做出不同的变化和修改而不脱离本发明的范围。
[0009] 图1是根据本发明的一个实施方案的分段式环行钻头的一个示例性实施方案的平面图;
[0010] 图2是沿图1的线2-2截取的该环行钻头的分段的部分的一个放大截面图;并且[0011] 图3(a)至图3(f)是使用本发明的切削刀具来机加工工件的一种方法的等距视图,该工件具有一个CFRP材料顶层以及一个金属材料底层。

具体实施方式

[0012] 以下是关于一款复合式端铣钻/推进式钻切刀具以及用于机加工一个工件的一种方法的展示和解释。然而,注意的是这种复合式切削刀具及机加工方法可以被配置成适合于具体的应用并且不仅仅限于这些图示中的实例。
[0013] 参见图1至图3,其中同样的参考符号代表同样的要素,用于在工件上执行机加工操作的一种分段式环行钻头总体上是以10示出的。在一个实施方案中,工件60(图3)是一种复合叠层材料,该复合叠层材料具有一个顶层62、一个中间层64以及一个底层66。顶层62和底层66可以包括例如一种金属,如、以及类似物。中间层64可以包括不同于顶层62和底层66的一种材料。例如,中间层64可以包括一种碳纤维增强塑料(CFRP)材料、以及类似物。如在此所使用的,在机加工操作过程中,“顶部”指的是有待由环行钻头10机加工的第一种材料,中间材料指的是有待由环行钻头10机加工的第二种材料,并且“底部”指的是有待由环行钻头10机加工的第三种材料。
[0014] 总体上讲,环行钻头10包括一个主体12以及在环行钻头10的一端16处的一个引导件14。引导件14是根据有待由环行钻头10机加工的复合叠层材料而任选的。在一个实例中,引导件14可以被用作一个第一切削部分以便在工件60中钻CFRP材料层64(如果存在)。
[0015] 环行钻头10还包括以18总体示出一个分段的部分(该分段的部分具有多个切削部分),以及在引导件14与分段的部分18之间的一个凹切部20。环行钻头10在相反的另一端24处还包括一个柄部22。环行钻头10还包括在分段的部分18与柄部22之间的一个余隙颈部的部分26。余隙颈部的部分26的目的是在机加工操作过程中允许环行钻头10的间隙。余隙颈部的部分26也是这些切屑被排出之处。余隙颈部的部分26的长度的大小被确定为大于工件60(图3)的整个厚度。环行钻头10还包括一个中央纵向轴线28,该中央纵向轴线延伸环行钻头10的整个长度。可以将多个冷却剂孔38(图2)定位在引导件14附近以便协助冷却环行钻头10。环行钻头10的引导件14、分段的部分18以及余隙颈部的部分22的一部分可以包括现有技术所熟知的类型的一个或多个槽(未示出)用于协助去除切屑。
[0016] 总体上讲,引导件14具有比分段的部分18的总直径32更小的直径30。引导件14的直径30(该直径是任选的)的大小被确定用于在工件60中钻CFRP材料,并且被指定用于一种具体应用。直径30的不同参数包括(但不限于)最终孔的尺寸、环行偏移量、钻头10的主体12的直径、以及保留在有待钻的孔中的复合叠层材料的量。
[0017] 余隙颈部的部分26具有一个直径34,该直径略小于分段的部分18的总直径32但大于引导件14的直径30。环行钻头10的分段的部分18的总直径32基本上等于有待由环行轨钻头10钻的孔68(图3)的最终直径。在所展示的实施方案中,柄部22具有一个直径36,该直径比余隙颈部的部分26和引导件14大,并且大致等于分段的部分18的总直径32。应该认识到本发明不受具体直径的限制,并且可以根据环行钻头10的这些设计参数采用任何希望的直径来实践本发明。
[0018] 现在参见图2,本发明的一个方面是环行钻头10的分段的部分18包括多个切削部分。具体而言,分段的部分18包括一个半精切削部分40以及多个精切削部分42。在所展示的实施方案中,环行钻头10的分段的部分18包括总计三(3)个精切削部分42。然而应该认识到本发明不受精切削部分42的数目的限制,并且根据环行钻头10的应用可以采用任何希望数目的精切削部分42来实践本发明。
[0019] 如以上所提到的,分段的部分18具有一个总直径32。这是因为半精切削部分40具有与这些精切削部分42的直径不同的直径。具体而言,半精切削部分40具有直径44,该直径略小于这些精切削部分42的直径46。例如,半精切削部分40可以具有约0.390英寸(9.9毫米)的直径44而这些精切削部分42可以具有约为0.394英寸(10.0毫米)的直径46。半精切削部分40的直径44确定了这些精切削部分42的切屑的尺寸。
[0020] 应该认识到本发明不受半精切削部分40与这些精切削部分42之间的相对直径的限制,并且根据环行钻头10的应用可以采用任何希望的相对直径来实践本发明。此外,应该认识到本发明不受一个单个的半精切削部分40的限制,并且根据环行钻头10的应用可以采用任何希望的数目的半精切削部分来实践本发明。例如,可以采用两个或三个半精切削部分(而且每个半精切削部分具有不同的直径)来实践本发明,这些直径可以不同于这些精切削部分42的直径46。
[0021] 环行钻头10包括一个楔形表面48,该楔形表面在引导件14与分段的部分18之间。楔形表面48的目的是在利用引导件14在CFRP材料64中钻一个导向孔之后,允许环行钻头10的分段的部分18易于进入工件60的金属层66中。此外,如果需要的话,在一个螺旋插入操作或一个圆形操作中,可以使用楔形表面48来去除工件60(图3)的孔68中的毛刺。在所展示的实施方案中,楔形表面48是相对于一条轴线52以大致十(10)度的一个50形成的,该轴线是垂直于该环行钻头10的纵向轴线28形成的。然而,应当理解本发明不受楔形表面48所形成的角度的限制,并且可以采用任何希望的角度来实践本发明,该任何希望的角度允许该切削刀具易于在环行钻头10的引导件14与分段的部分18之间过渡。
[0022] 分段的部分18的精切削部分42包括由基本上V形的槽54a、54b和54c分隔开的多个段或区段42a、42b和42c。环行钻头10可以包括一个半径53,该半径用于在区段42c与余隙颈部的部分26之间进行过渡。精切削部分42的每个区段42a、42b和42c具有大致相同的直径46,该直径不同于半精切削部分40的直径44。槽54a使得区段42a与半精切削部分40分隔开,槽54b使得区段42a与区段42b分隔开,并且槽54c使得区段42b与区段42c分隔开。每个槽
54a、54b和54c具有一个前壁55、一个后壁56以及在它们之间的一个半径57。后壁56形成了用于环行钻头10的一个切削刃。
[0023] 在所展示的实施方案中,前壁55与后壁56彼此相对形成一个约九十(90)度的角58。然而,前壁55相对于轴线52形成一个角55a,该角不同于后壁56相对于轴线52形成的一个角56a。具体而言,由前壁55相对于轴线52形成的角55a大于由后壁56相对于轴线52形成的角56a。应该认识到本发明不受前壁55与后壁56之间的相对角度的限制,并且根据环行钻头10的应用可以采用任何希望的角度来实践本发明。
[0024] 本发明的分段式环行钻头10的区段42a、42b和42c起到几种不同的作用。第一,区段42a、42b和42c致使与该工件60的接触更少,这减小了功率消耗并且使环行钻头10的偏转最小化。第二,当环行钻头10在该轴向方向(沿该纵向轴线28)上磨损时,在区段42a、42b和42c之间的槽54a、54b和54c允许露出一个新的切削刃(即,后壁56),例如,在该半精切削部分40的前刃的位置49处。第三,在机加工操作过程中,当环行钻头10在箭头51(图2)的方向上向前移动时,这些新的切削刃与这些被磨损的刃相比更好地适合于切屑形成。第四,由于使每个区段42a、42b和42c分隔开的槽54a、54b和54c,一个前述区段(例如,区段42a)的一个切削刃(即,后壁56)的锛刃或损坏将不会影响其他区段(42b和42c)。第五,增加了环行钻头
10的寿命,这是因为如与常规环行钻头相比,可能沿槽54a、54b和54c发展的损坏受到了更多的控制。
[0025] 现在参见图3(a)至图3(f),在此将说明一种对复合工件60进行机加工的方法,该复合工件具有一个金属顶层62、一个CFRP材料的中间层64以及一个金属底层66。在图3(a)至图3(f)中,为了清晰起见,环行钻头10是以立体示出的而工件60是以截面示出的。应该认识到,由环行钻头10进行机加工的复合工件60仅仅用于说明的目的,并且本发明的这些原理可以应用于机加工具有一个材料层或多个材料层的工件,这些材料可能是或者可能不是不同的而具有不同的材料特性。
[0026] 图3(a)示出了刀具环行运动的截面并且表现了一种双重钻头,它展示了环行钻头10的整个环行范围。图3(b)至图3(g)展示了环行钻头10处于有待被钻的孔68中整个左侧位置中。在图3(b)中,环行钻头10被插入一个预先钻好的孔70中并且采用一个环行钻孔周期(螺旋插入或环形)利用环行钻头10的半精切削部分40开始钻一个孔68而进入金属顶层62中。在机加工周期中在这个点处,该环行钻头10的中央纵向轴线28是围绕该孔68的中央轴线72在一个螺旋或环形方向上移动的。换而言之,环行钻头10的中央纵向轴线28是按照一种螺旋状或环形运动、围绕孔68的中央轴线72移动一个总的距离74。孔68可以仅在入口处是全直径、或者被完全精加工至全直径,或者可以在孔68的内径(ID)上具有某一精加工余量。
[0027] 在图3(c)中,环行钻头10是在箭头51的方向上移动的这样使得分段的部分18的半精切削部分40以及精切削部分42二者都接合金属层62,并且引导件14在CFRP材料的中间层64中钻一个孔76。注意的是这个周期过程中,CFRP材料层64的去除是通过只使用环行钻头
10的引导件14来完成的,而根本没有使用分段的部分18。因此,在这个周期过程中环行钻头
10的分段的部分18没有磨损。
[0028] 在图3(d)中,环行钻头10已经完成了顶层62的钻孔并且使用引导件14来继续钻中间层64。在图3(e)中,环行钻头10的分段的部分18和引导件14二者都继续钻工件60的中间层64。注意的是,在图3(d)和图3(e)中示出的钻孔操作过程中,环行钻头10的引导件14此时起到一个“台阶钻头”的作用,以便对于该环行钻头10的分段的部分18钻一个导向孔。
[0029] 在图3(f)中,环行钻头10的分段的部分18几乎完全钻通了中间层64并且不再使用该引导件14。
[0030] 在图3(g)中,环行钻头10在箭头方向上进行移动以便完全钻通该底层66直到环行钻头10的分段的部分18已经完全钻通该工件60。如所能看到的,该余隙颈部的部分26在环行钻头10与工件60之间提供了间隙。在这点处,该环行钻孔操作已经完成。
[0031] 如上所述,当与常规的切削刀具相比较时,本发明的分段式环行钻头10提供了许多独特的优点。例如,当该环行钻头10在轴向方向上磨损时,该分段式环行钻头10允许露出一个新的切削刃(即,后壁56)。此外,该分段式环行钻头10致使与工件60的接触更少,这减小了功率消耗并且使环行钻头10的偏转最小化。此外,增加了环行钻头10的寿命,这是因为与常规的环行钻头相比,沿槽54a、54b和54c发展的损坏受到了更多的控制。
[0032] 在此提及的这些专利以及公开文件通过引用被结合在此。
[0033] 在已经说明了目前优选的实施方案之后,本发明可以在所附权利要求的范围之内以其他方式来实施。
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