一种用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻的制作方法

一种用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻
1.技术领域
2.本发明提出一种用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，属于钻削加工技术领域。


背景技术：

3.陶瓷基复合材料因其具有强度高，密度低，耐高温，抗腐蚀等优异物理化学等特点，在航空航天、汽车及新能源等领域等到广泛应用（[1] m'saoubi r, axinted, soo sl, nobel c, attia h, kappmeyer g, et al. high performance cutting ofadvanced aerospace alloys and composite materials. cirp annals. 2015;64(2):557-80. [2]li l. synergistic effects of interface slip and fiber fracture on stress-dependent mechanical hysteresis of sic/sic minicomposites. compositeinterfaces. 2020;27(10):937-51）。由于该材料的基体和纤维增强相具有高脆性，高硬度和各向异性特点，传统钻削加工刀具，例如硬质合金、pcd刀具，在加工过程中容易出现套料钻磨损快、已加工材料表面质量差和孔出口撕裂严重等问题([3]hrechuk a, bushlya v, m’saoubi r, et al. experimental investigations into tool wear of drilling cfrp. procedia manuf 2018; 25: 294
–
301. 24. [4]jia z, bai y, wang f, et al. effect of tool wear on drilling unidirectional cfrp laminatesin different fiber cutting angles. int j adv manuf technol 2020; 110: 89
–
99. 25. [5]zhang b, sui t, lin b, et al. drilling process of cf/sic ceramic matrix composites: cutting force modeling, ma-chiningquality and pcd tool wear analysis. j mater process technol 2022; 304: 117566.)，不能满足陶瓷基复合材料小孔高质量和低成本加工需求。
[0004]
钎焊金刚石套料钻具有磨粒出露高度大，容屑空间大，耐磨性强等优势，可改善套料钻在钻削陶瓷基复合材料时磨损快的缺点，被广泛的运用于陶瓷基复合材料的钻孔加工中。钎焊金刚石套料钻的钻削能力主要取决于附着基体表面的金刚石磨粒，金刚石磨粒与基体外圆直径、焊料厚度之和为钻孔孔径，小孔加工中，受制于刀具刚度的限制，基体尺寸不能过小，附着于基体表面的磨粒只能选用较小的尺寸以保证钻孔精度。因此在钻削加工中，当顶端的磨粒磨损去除后，套料钻壁厚处在旋转过程中始终没有磨粒，会一直与材料之间进行摩擦，使套料钻突发失效。传统结构的小孔加工套料钻寿命低、加工质量差，无法满足陶瓷基复合材料小孔加工需求。
[0005]
cn207432521u涉及一种用于蓝宝石掏棒的套料钻头，公开了相似开槽结构的套料钻，其套料钻的开槽结构主要是针对加工中存在的排屑能力差的问题，通过开槽提高套料钻的排屑排水能力，且其套料钻头用途是用套料钻头把蓝宝石从晶柱中套出，形成一根根的蓝宝石柱体。


技术实现要素：

[0006]
发明目的：本发明针对陶瓷基复合材料小孔加工质量差、刀具寿命低的问题，提出了一种用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，能显著提高钻孔质量。通过在套料钻工作端内外圆面设置槽型结构降低了刀具基体骨架的横截面积，能在保证套料钻整体刚度的同时，增加套料钻横截面上的有效磨粒数，使套料钻具有强自锐，高锋利度的特点；槽型结构与套料钻工作端内外圆面不同磨粒粒径的设计，能在保证制孔精度的同时增强套料钻的切削能力。
[0007]
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案：本发明公开了一种用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，包括：设有槽型结构的刀具基体骨架，和钎焊在基体骨架上的复合粒径金刚石磨粒，磨粒粒径通过加工过程要求设计；所述刀具基体骨架为中空圆柱结构，工作端设有多个容纳磨粒的槽型结构，槽型结构在工作端内外圆面上交叉均匀分布；所述套料钻工作端内外圆面排布基于钻孔尺寸选用的第一粒径金刚石磨粒，套料钻槽型结构内排布基于槽型尺寸选用的第二粒径金刚石磨粒。
[0008]
所述槽型结构包括设置于所述刀具基体骨架工作端外圆面的外槽和内圆面的内槽。
[0009]
所述槽形结构横截面为梯形或者弧形，所述外槽和内槽数量各为n（n≥2）。所述槽型结构深度小于基体壁厚且大于0.5倍基体壁厚，保证内外槽金刚石磨粒在轴向上相互交叉。所述槽型结构宽度大于金刚石磨粒直径，长度小于套料钻工作端长度。所述内槽与外槽之间互不连通。
[0010]
所述槽型结构内的金刚石磨粒粒径大于等于套料钻内外圆面磨粒粒径，所述第一粒径金刚石磨粒尺寸等于待加工孔径减去刀具基体骨架外圆面直径和钎焊层厚度，所述第二粒径金刚石磨粒尺寸大于第一粒径金刚石磨粒尺寸，小于等于第一粒径金刚石磨粒尺寸加上槽型结构深度。
[0011]
所述高锋利强自锐套料钻直径为0.7 ~ 2 mm。
[0012]
有益效果：1、本发明中的高锋利强自锐套料钻的骨架结构设计降低了刀具基体骨架的横截面积，增加了套料钻的磨粒容纳空间，一方面保障了套料钻基体刚度和强度，另一方面保证了充分的有效磨粒数参与加工。
[0013]
2、在端面磨粒磨损导致钻头锋利度下降后，硬而脆的陶瓷基复合材料会去除基体和钝磨粒，然后槽型结构内磨粒开始出落参与加工。这种设计增强了套料钻的自锐效果，保障了套料钻的高锋利度。
[0014]
3、槽型结构与套料钻工作端内外圆面使用不同粒径的金刚石磨粒，槽型结构内的大粒径磨粒能增强切削能力，内外圆面上的小粒径磨粒则能保证制孔精度。
附图说明
[0015]
图1是本发明中一种用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻的示意图。
[0016]
图2是本发明中刀具基体骨架的示意图。
[0017]
图3是本发明中钻削后孔径的示意图。
[0018]
图4是本发明的孔径测量结果。
[0019]
图5是本发明中刀具基体骨架的示意实物图。
[0020]
主要附图标记的说明：1-刀具基体骨架；2-第一粒径金刚石磨粒；3-第二粒径金刚石磨粒；4-槽型结构；5-外槽；6-内槽。
具体实施方式
[0021]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明专利申请中的技术方案，下面结合本技术中的附图，对本技术书中的技术方案进行清楚地，完整地描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本技术一部分实施方式，而不是全部实施方式。基于本技术中的实施方式，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方式，都应该属于本技术保护的范围。
[0022]
实施例1该实施例中，加工陶瓷基复合材料1.4mm小孔。
[0023]
图1是本发明中一种用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻的示意图。图2是本发明中刀具基体骨架的示意图。
[0024]
如图1所示，一种用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，包括设有槽型结构的高容粒空间刀具基体骨架1和针对基体结构特点选用的多种粒径金刚石磨粒。磨粒粒径通过加工过程要求设计；如图2所示，所述刀具基体骨架1为中空圆柱结构，工作端设有多个增加磨粒容纳空间的槽型结构4，这种结构可以有效降低去除材料的体积，增加磨粒容纳空间。套料钻工作端外圆面上的第一粒径金刚石磨粒2粒径为80/100目，外圆面上选择较小粒径的砂轮可以提高钻孔精度。结合加工孔径与磨粒尺寸，基体骨架1的外圆直径等于待加工孔径尺寸减去磨粒与钎焊层厚度，为0.9 mm，考虑到套料钻中间孔应留有一定的空间，套料钻壁厚设置为0.25 mm，内圆柱面直径为0.4 mm。
[0025]
所述槽型结构4包括设置于所述刀具基体骨架工作端外圆面的外槽5和内圆面的内槽6。所有槽形结构横截面为梯形或者弧形，套料钻工作端沿圆周交叉均匀设置了6个槽型结构，其中内外槽各三个。考虑到槽深度应小于壁厚，同时为了容纳更多磨粒空间，所有槽型结构深度设置为0.2 mm。槽与槽之间不连通，因此设置外槽最大宽度为0.4 mm，内槽最大宽度为0.35 mm，长度为5 mm。
[0026]
槽型结构4（外槽）内的第二粒径金刚石磨粒3使用大粒度的磨粒可以保证套料钻具有较强的切削能力；外槽内的金刚石磨粒出落高度小于外圆面上的金刚石磨粒出落高度，能够保证孔径大小由外圆面上的磨粒决定，结合槽深为0.2 mm，因此设置槽内的第二粒径金刚石磨粒粒径为40/45目，可以在获得较大切削能力的同时不影响制孔精度。磨粒排布长度应大于槽长，设置磨粒排布为7mm，第一、二金刚石磨粒2,3与基体骨架1的固结方式均采用真空高温钎焊工艺。
[0027]
对比例1（无槽的情况）传统的小孔加工套料钻基体通常为中空圆柱棒料，为了保证一定的刀具刚度，基体直径为0.9mm，磨粒粒径为80/100目，磨粒钎焊在刀具基体内外圆面与端面上。由于磨粒
粒径较小，因此在钻削中容易被磨损。且在端面磨粒失效后，套料钻即失去钻削能力，刀具寿命低，加工质量差。
[0028]
实施例2采用实施例1制备好的高锋利强自锐套料钻，开展陶瓷基复合材料小孔钻削。设置加工参数为主轴转速30000 r/min，进给速度5 mm/min，钻削深度为两倍板厚6 mm，对陶瓷基复合材料工件进行钻孔。在加工过程中，机床主轴带动高锋利强自锐套料钻进行旋转和匀速向下进给运动，对工件进行钻孔加工。
[0029]
加工一定数量小孔后，高锋利强自锐套料钻最前端的金刚石磨粒磨损失效后，由于刀具基体骨架1硬度与耐磨性远低于陶瓷基复合材料，随着持续钻削过程，套料钻顶部基体出现磨耗现象，埋藏在槽型结构4内第二粒径金刚石磨粒3开始出露，使得套料钻不断保持锋利状态，形成强自锐效果。加工完成后，拍摄了小孔的新貌图（图3），测量了加工后的小孔孔径（图4），在20个孔的钻削行程内，孔径能保持较好的一致性，说明本发明的套料钻与传统的pcd钻头及硬质合金钻头相比，具有更高的套料钻寿命。
[0030]
与对比例1中的普通小孔加工套料钻相比，高锋利度强自锐套料钻具有专门设计的槽型结构和磨粒排布方式，能有效提高刀具的锋利度和，因此在加工中磨损较慢，能有效的保持孔径精度。对比例1中的普通小孔加工套料钻在钻削中孔径尺寸下降幅度较大，且在钻削至第五个孔后，端面磨粒就完全磨损并使套料钻失去钻削能力而失效。与普通套料钻相比，本发明的套料钻具有强自锐能力，能大幅提高刀具寿命，保证加工质量，证明了本发明的优势。
[0031]
与cn207432521u的结构相比较，具有以下区别：1、本发明的槽型结构是为了增加套料钻的磨粒容纳空间，降低基体横截面积，槽型结构也非通槽，不能够提供上述专利所述的排屑排水能力。2、本发明的槽型结构设计增加了套料钻的磨粒容纳空间，在端面磨粒磨损导致套料钻锋利度下降后，硬而脆的陶瓷基复合材料会去除基体和钝磨粒，然后槽型结构内磨粒开始出露参与加工。这种设计增强了套料钻的自锐效果，保障了套料钻的高锋利度，而上述相似专利中的开槽结构并不能在刀具磨损后起到自锐的效果。

技术特征：
1.一种用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，其特征在于，包括：（1）刀具基体骨架；（2）钎焊在刀具基体骨架工作端内外面的复合粒径金刚石磨粒；所述刀具基体骨架为中空圆柱结构，工作端设有多个槽型结构，该槽型结构包括轴向设置于所述刀具基体骨架工作端外圆面的外槽和内圆面的内槽，内外槽在工作端内外圆面上交叉均匀分布，且互不连通，保证基体刚度；所述的复合粒径金刚石磨粒钎焊于内槽、外槽、工作端外圆面、工作端内圆面。2.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，其特征在于，所述内、外槽的金刚石磨粒粒径一致；工作端内、外圆面的金刚石磨粒粒径一致。3.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，其特征在于，所述槽形结构的横截面为梯形或者弧形，所述外槽和内槽数量各为n，n≥2。4.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，其特征在于，所述钎焊于工作端内外圆面的复合粒径金刚石磨粒为第一粒径金刚石磨粒，其排布基于钻孔尺寸设计，以保证制孔精度；所述钎焊于内外槽内的金刚石磨粒为第二粒径金刚石磨粒，其排布基于槽型尺寸选用，增强切削能力；第一粒径金刚石磨粒粒径小于第二粒径金刚石磨粒；当第一粒径金刚石磨粒磨损导致钻头锋利度下降后，槽型结构内磨粒开始出落参与加工，增强了套料钻的自锐效果，保障了套料钻的高锋利度。5.根据权利要求1或2所述的用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，其特征在于，0.5倍基体壁厚＜槽型结构的深度＜基体壁厚，以保证外槽内和工作端外圆面的金刚石磨粒在轴向上相互交叉；所述槽型结构宽度大于金刚石磨粒直径，长度小于套料钻工作端长度。6.根据权利要求3所述的用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，其特征在于，所述第一粒径金刚石磨粒尺寸=待加工孔径-刀具基体骨架外圆面直径-钎焊层厚度；第一粒径金刚石磨粒尺寸＜第二粒径金刚石磨粒尺寸≤（第一粒径金刚石磨粒尺寸+槽型结构深度）。7.根据权利要求1所述的用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，其特征在于，套料钻直径为0.7 ~ 2 mm，槽型结构的长度小于工作端的长度。

技术总结
本发明公开了一种用于陶瓷基复合材料小孔加工的高锋利强自锐套料钻，包括：设有槽型结构的刀具基体骨架和钎焊在基体骨架上的复合粒径金刚石磨粒，刀具基体骨架主体为中空圆柱结构，工作端设计多个交叉均匀分布的内外槽，内外槽均钎焊有金刚石磨粒，其中，内外槽内的金刚石磨粒可增强切削能力，其粒径大于工作段外周面的金刚石磨粒（保证制孔精度）的粒径，当金刚石磨粒磨损导致钻头锋利度下降后，槽型结构内磨粒开始出落参与加工。所述套料钻结构设计能保持刀具高锋利状态，提高钻孔质量和套料钻寿命，满足陶瓷基复合材料小孔高效高质量低成本加工需求。低成本加工需求。低成本加工需求。


技术研发人员：钱宁 许鹏飞 何静远 苏宏华 殷景飞 昂给拉玛 王兴超 赵彪 丁文锋 徐九华
受保护的技术使用者：中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/9/11