一种超声插切加工刀具 |
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| 申请号 | CN201810157271.6 | 申请日 | 2018-02-24 | 公开(公告)号 | CN108356298B | 公开(公告)日 | 2019-04-12 |
| 申请人 | 大连理工大学; | 发明人 | 康仁科; 董志刚; 王毅丹; 朱祥龙; 马义新; 孟倩; 高尚; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种超声插切加工刀具，包括刀具主体；刀具主体的一端具有 定位 面，定位面上设有与 超声变幅杆 相连的 螺纹 段，刀具主体的另一端具有凹槽，凹槽包括锥形槽底、圆柱形孔和锥台形孔，锥台形孔和所述刀具主体远离所述定位面一端的外壁构成喇叭形切削刃，位于定位面与锥形槽底之间的刀具主体外壁上设有 扳手 槽，靠近锥形槽底的圆柱形孔的一端设有至少一个从刀具主体外壁穿出的出屑口，圆柱形孔的靠近锥台形孔的孔段内壁设有至少一个从刀具主体外壁穿出的斜槽。本发明减小了蜂窝芯插切加工的切削 力 ，有效抑制了蜂窝芯孔格压溃 变形 损伤，保证加工 质量 和加工 精度 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超声插切加工刀具，其特征在于，包括刀具主体； |
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| 说明书全文 | 一种超声插切加工刀具技术领域背景技术[0002] NOMEX蜂窝芯复合材料因密度小质轻、高的比强度与比刚度、抗冲击能力强、良好的自熄性等特点而被广泛应用于航空航天、高速列车等诸多领域。构成蜂窝芯构件，需要对蜂窝芯进行机械加工。蜂窝芯复杂型面加工中，涉及大量小曲率半径圆弧和孔的加工。目前主要有2种方法加工蜂窝芯材料，一种是在高速机床上采用铣刀高速铣削方法加工，采用高速铣削加工小曲率蜂窝芯结构特征时，由于整体蜂窝孔格结构被破坏，半孔格蜂窝强度非常低，在铣刀铣削力的作用下经常出现蜂窝壁压溃缺陷，加工质量差。第二种是采用超声波机床以直刃尖刀或圆盘刀切削加工蜂窝芯，超声波切削加工蜂窝芯切削力小，表面质量很高，但对于小曲率半径圆弧的加工则只能采用直刃尖刀，而直刃尖刀在切除材料过程中由于回转半径小，刀面两侧对被加工材料的推挤严重，也会导致压溃等质量问题。因此，对蜂窝芯小曲率圆弧特征的加工目前是航空制造领域的一个难题。 [0003] 插切加工是采用中空的管状刀具插入被加工材料，切除中心圆柱材料，完成中心孔的加工。目前已有采用高速回转的插切刀具加工蜂窝芯的技术报道，加工过程中，中空刀具绕其轴线旋转的同时垂直于蜂窝芯单元格轴线进给，从而进行蜂窝芯材料的去除。但加工效果并不理想，存在的主要问题为：①蜂窝芯材料由较难加工的芳纶纤维等材料构成，加工过程中刀具磨损严重。为了保证加工质量，需要频繁更换刀具，而此类刀具成本较高，增加了蜂窝芯材的制造成本；②已有的中空蜂窝芯插切刀具不具备排屑功能，蜂窝芯切屑很快堆积在刀具内孔，需要频繁停机清理切屑，加工效率极低，可用性差；③蜂窝芯插切材料去除仍为高速铣削原理，筒状刀具内外表面与已切削表面及切削的摩擦严重，切削力大，也容易导致蜂窝芯塌边等缺陷，加工的圆弧特征精度和质量差。 发明内容[0004] 为了解决上述问题，本发明提出了一种用于蜂窝芯小曲率圆弧特征加工的超声插切加工刀具。本发明的原理是，将超声切削加工与插切加工相结合，利用超声振动能够极大减小摩擦力和切削力的优势，在插切工具上施加超声振动，实现蜂窝芯小曲率圆弧特征的高精度加工。为了实现上述原理，需要解决的难点包括：①考虑刀具材料和结构，综合运用超声波的传递原理和规律，发明一种能够传递超声振动的插切刀具；②超声振动经刀体传播至前端切削刃，保证切削刃出的振幅最大；③为了有效减小超声振动的界面衰减，保证超声振动效果，刀具必需与刀柄可靠连接；④解决插切加工的排屑问题。本发明采用的技术手段如下： [0005] 一种超声插切加工刀具，包括刀具主体； [0006] 所述刀具主体的一端具有定位面(以实现刀具与超声变幅杆同轴)，所述定位面上设有与超声变幅杆相连的螺纹段，所述刀具主体的另一端具有凹槽，所述凹槽包括锥形槽底、圆柱形孔和位于所述凹槽槽口的锥台形孔(以减小所述超声插切加工刀具外壁与蜂窝芯材料的摩擦)，所述锥形槽底和所述圆柱形孔之间设有圆弧过渡孔(以避免超声作用下的应力集中)，所述锥台形孔的小端与所述圆柱形孔连通； [0007] 所述锥台形孔和所述刀具主体远离所述定位面一端的外壁构成喇叭形切削刃，所述刀具主体远离所述定位面一端的外壁呈锥台形，所述刀具主体远离所述定位面一端的外壁的小端位于所述圆柱形孔两端之间； [0008] 位于所述定位面与所述锥形槽底之间的所述刀具主体外壁上设有扳手槽，靠近所述锥形槽底的所述圆柱形孔的一端设有至少一个从所述刀具主体外壁穿出的出屑口，所述圆柱形孔的靠近所述锥台形孔的孔段内壁设有至少一个从所述刀具主体外壁穿出的斜槽。 [0009] 所述锥形槽底的槽口直径小于所述圆柱形孔的直径。 [0010] 所述螺纹段与超声变幅杆安装固定后，所述超声插切加工刀具与超声变幅杆同轴。所述超声变幅杆将轴向高频振动传递给所述超声插切加工刀具。 [0011] 所述圆柱形孔的内壁设有向所述出屑口排屑的排屑槽，所述排屑槽与所述超声插切加工刀具的轴线平行或绕所述超声插切加工刀具的轴线由所述锥台形孔向所述出屑口螺旋上升。 [0012] 根据实际应用中蜂窝芯材料的低、中、高三种不同硬度，所述排屑槽选择无槽结构、平直结构和螺旋结构。 [0013] 所述定位面到所述锥台形孔的大端之间的长度为声波在所述超声插切加工刀具材料传播波长的0.25～0.5倍，太短则不能满足超声振动要求，太长则不能保证所述超声插切加工刀具轴向刚度。 [0014] 所述喇叭形切削刃的切削刃楔角为2～10°。 [0015] 所述斜槽向所述定位面方向倾斜，所述斜槽的个数为三个或三个以上，所述斜槽互相平行且沿所述超声插切加工刀具轴线等间距排列，所述斜槽之间的间距小于声波在所述超声插切加工刀具材料中传播的波长，所述斜槽的作用是将从超声变幅杆传递而来的纵振转变成扭振和纵振叠加的形式传递给喇叭形切削刃，有利于旋转插切加工时材料的去除。 [0016] 所述超声插切加工刀具的周向均布有两个或两个以上的所述出屑口，所述出屑口为长边平行于所述超声插切加工刀具轴线的矩形口或长轴平行或倾斜于所述超声插切加工刀具轴线的椭圆形口，也可以为便于切屑排出的其他的形状。 [0017] 所述扳手槽为长方形扳手槽且其所在平面平行于所述超声插切加工刀具的轴线。 [0019] 所述定位面为锥面或阶梯面。 [0020] 与现有的高速铣削插切加工技术相比，本发明的有益效果是： [0021] ①超声振动的引入减小了蜂窝芯插切加工的切削力，有效抑制了蜂窝芯孔格压溃变形损伤，保证加工质量和加工精度； [0022] ②超声振动可有效减小超声插切加工刀具磨损，降低了加工成本； [0023] ③超声振动具有良好的减摩作用，可以保证超声插切加工刀具加工完成在提升过程中心部切屑自动滑出超声插切加工刀具，不会堆积在凹槽内部，不需要停机清理切削，保证加工连续性，极大提高加工效率；同时，凹槽内未及时排出的蜂窝芯切屑在加工过程中还可通过排屑槽经出屑口排出，进一步解决蜂窝芯插切加工排屑困难的问题。 [0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0026] 图1是本发明的实施例1中超声插切加工刀具的结构示意图。 [0027] 图2是本发明的实施例1中超声插切加工刀具的剖视图。 [0028] 图3是本发明的实施例2中超声插切加工刀具的剖视图。 [0029] 图4是本发明的实施例3中超声插切加工刀具的剖视图。 [0030] 图5是本发明的实施例4中超声插切加工刀具的剖视图。 [0031] 图6是普通插切刀具加工蜂窝芯后的圆弧特征。 [0032] 图7是本发明的具体实施方式中超声插切加工刀具加工蜂窝芯后的圆弧特征。 具体实施方式[0033] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0034] 实施例1 [0035] 如图1和图2所示，一种超声插切加工刀具，包括刀具主体； [0036] 所述刀具主体的一端具有定位面1，所述定位面1上设有与超声变幅杆相连的螺纹段2，所述刀具主体的另一端具有凹槽，所述凹槽包括锥形槽底3、圆柱形孔4和位于所述凹槽槽口的锥台形孔5，所述锥形槽底3和所述圆柱形孔4之间设有圆弧过渡孔6，所述锥台形孔5的小端与所述圆柱形孔4连通； [0037] 所述锥台形孔5和所述刀具主体远离所述定位面一端的外壁11构成喇叭形切削刃，所述刀具主体远离所述定位面一端的外壁11呈锥台形，所述刀具主体远离所述定位面一端的外壁11的小端位于所述圆柱形孔两端之间； [0038] 位于所述定位面1与所述锥形槽底3之间的所述刀具主体外壁上设有扳手槽7，靠近所述锥形槽底3的所述圆柱形孔4的一端设有至少一个从所述刀具主体外壁穿出的出屑口8，所述圆柱形孔4的靠近所述锥台形孔5的孔段内壁设有至少一个从所述刀具主体外壁穿出的斜槽9。 [0039] 所述圆柱形孔4的内壁设有向所述出屑口8排屑的排屑槽10，所述排屑槽10绕所述超声插切加工刀具的轴线由所述锥台形孔5向所述出屑口8螺旋上升。 [0040] 所述定位面1到所述锥台形孔5的大端之间的长度为声波在所述超声插切加工刀具材料传播波长的0.25～0.5倍。 [0041] 所述锥台形孔5构成的喇叭形切削刃的切削刃楔角为2～10°。 [0042] 所述斜槽9向所述定位面1方向倾斜，所述斜槽9的个数为三个，所述斜槽9互相平行且沿所述超声插切加工刀具轴线等间距排列，所述斜槽9之间的间距小于声波在所述超声插切加工刀具材料中传播的波长。 [0043] 所述超声插切加工刀具的周向均布有两个所述出屑口8，所述出屑口8为长边平行于所述超声插切加工刀具轴线的矩形口。 [0044] 所述扳手槽7为长方形扳手槽且其所在平面平行于所述超声插切加工刀具的轴线。 [0045] 所述超声插切加工刀具的材料为高速钢或硬质合金。 [0046] 所述定位面1为锥面。 [0047] 本实施例用于高硬度蜂窝芯，所述排屑槽10的螺旋方向与所述超声插切加工刀具回转方向相反。由于蜂窝芯硬度较高，加工变形较小，每一次走刀后的切屑芯回转方向与所述超声插切加工刀具回转方向相反，沿所述排屑槽10上升，下一次走刀产生的切屑芯将其顶至所述出屑口8处排出，如此往复，实现自动排屑。 [0048] 图6和图7分别为普通和本发明中超声插切加工刀具插切刀具加工蜂窝芯后的圆弧特征，可以对比看出本发明对蜂窝芯圆弧特征加工质量的明显改善。 [0049] 实施例2 [0050] 如图3所示，一种超声插切加工刀具，其与实施例1所述的超声插切加工刀具的区别特征为所述定位面1为阶梯面。 [0051] 实施例3 [0052] 如图4所示，一种超声插切加工刀具，其与实施例1所述的超声插切加工刀具的区别特征为所述超声插切加工刀具无排屑槽。 [0053] 本实施例用于低硬度蜂窝芯，由于低硬度蜂窝芯的硬度较低，加工变形较大，所述凹槽内壁与蜂窝芯切屑之间摩擦力较小，加上超声振动作用及超声减磨作用，一次切削完成后切屑芯会从所述凹槽中脱离，从而实现自动排屑。 [0054] 实施例4 [0055] 如图5所示，一种超声插切加工刀具，其与实施例1所述的超声插切加工刀具的区别特征为所述排屑槽10与所述超声插切加工刀具的轴线平行。 [0056] 本实施例用于中硬度蜂窝芯，所述排屑槽10与所述超声插切加工刀具的轴线平行，加工过程中，所述排屑槽10内的切屑在旋转作用下会有小部分分离，并沿所述排屑槽10至所述出屑口8排出，而未被切碎的残余切屑由于直径比凹槽的直径小，在超声振动及超声减磨作用下会慢慢从所述凹槽中脱离，从而实现自动排屑。 [0057] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |
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