一种用于减小碳纤维复材表面加工切削力的带微槽结构球头铣刀

1.本发明属于难加工材料的切削加工技术领域，涉及一种用于减小碳纤维复材表面铣削加工切削力的带微槽结构球头铣刀


背景技术：

2.碳纤维增强复合材料(cfrp)由于具有高比强度、高比刚度且性能可设计等优点，使得其应用从高端装备中的简单平板结构逐渐延伸到复杂曲面结构。这些曲面结构在制造过程中由于尺寸大、壁薄等特点往往需要拆分成多个曲面构件单独成型再装配。为了保证此类复杂曲面构件之间的连接装配精度，在装配前需要对待连接表面进行铣削加工。然而cfrp本身具有强各向异性和层叠特性，属于典型的难加工材料。特别是曲面cfrp构件多具有壁薄等特点，材料去除过程中在铣削力作用下极易产生加工变形。球头铣刀由于自身法矢自适应性强等特点，被广泛应用于曲面构件的表面铣削。然而，球头铣刀复杂的切削刃结构和需设置加工倾角这种独特的加工方式也会对cerp材料去除过程产生复杂的影响。加工变形严重影响了曲面cfrp构件间的装配性能,甚至整个装备报废。
3.唐臣升等人发明的“整体硬质合金鱼鳞铣刀”,专利申请号200910013142.0，它涉及一种用于碳纤维、玻璃纤维等复合材料的铣削加工的铣刀,通过增加切削刃数至24条，在一定程度上相对于双刃、四刃等铣刀提高了切削效率,降低了铣削力。程谟力等人发明的“一种微齿铣刀的切削刃及微齿铣刀”，专利申请号202210458770.5，该系列微齿铣刀的刃数、左旋螺旋角度、右旋螺旋角度、刃长之间存在明确的逻辑关系，参数的调整存在着制约关系，实现以铣代磨的加工方式，从而降低材料的损伤。以上专利都是直刃铣刀应用于金属或复材平板类构件侧铣，不适用于cfrp曲面构件表面铣削。而且曲面cfrp构件与平面cfrp相比，切削刃与材料接触状态更加复杂，上述刀具切削刃微齿结构无法适用于球头铣刀复杂曲刃结构针对cfrp的表面铣削，难以实现变形的有效控制。


技术实现要素：

4.本发明要解决的难题是难加工薄壁cfrp曲面构件表面铣削过程中，构件整体刚度较弱，并且结构复杂难以实现全约束装夹，加工过程中构件易受铣削力影响，加工变形难以控制。为此，在研究球头铣刀对cfrp材料去除行为的基础上,总结并提出了“切割宽度离散化”的切削力控制思想，考虑刀具结构与有效去除cfrp材料的临界条件之间的关系，提出了一种能充分发挥“切割宽度离散化”设计思想的带微槽结构的球头铣刀设计方法，设计了具有微槽结构的高精度低损伤cfrp曲面铣削专用球头铣刀，通过减小加工过程铣削力从而有效减小了加工过程变形。
5.本发明的技术方案：
6.一种用于减小碳纤维复材表面加工切削力的带微槽结构球头铣刀，包括刀柄l1、固定半径连续切削刃l2、固定半径带微槽切削刃l3和球头带微槽切削刃l4；
7.在球头铣刀整条切削刃的球头部分及靠近球头的固定半径连续切削刃l2开n个微槽，形成固定半径带微槽切削刃l3和球头带微槽切削刃l4；微槽相对切削刃具有一定偏转角α，α的取值范围为以微槽中心为旋转点，逆时针方向偏转5～15
°
；固定半径带微槽切削刃l3和球头带微槽切削刃l4的总长度l不小于2r0tanβ0，以保证加工过程全部使用带微槽的切削刃切削；其中，r0为刀具的半径，其取值范围为4mm～20mm；β0为切削刃螺旋角，其取值范围为5
°
～35
°
；为保证刀具切削稳定性及动平衡，每条切削刃上微槽数量相同；根据球头铣刀的加工特点，设置加工前倾角β取值范围为5～30
°
，固定半径带微槽切削刃l3的排屑槽宽度w0取值范围为1mm～4mm，球头带微槽切削刃l4的排屑槽宽度w1取值范围为1mm～4mm，球头半径r＝r0，切削刃个数nj≥2；
8.固定半径带微槽切削刃l3的微槽长为l
a1
，微槽宽为l
b1
，相邻微槽之间的切削刃长度等于微槽长，微槽长和宽满足以下计算公式：
[0009][0010][0011]
球头带微槽切削刃l4的微槽长为l
a2
，微槽宽为l
b2
，相邻微槽之间的切削刃长度等于微槽长，微槽长和宽满足以下计算公式：
[0012][0013][0014]
需保证在加工前倾角β作用下，纤维能被切削刃进行去除，固定半径带微槽切削刃l3的相邻切削刃的微槽垂向最小距离h
1min
满足计算公式：
[0015][0016]
球头带微槽切削刃l4的相邻切削刃的微槽垂向最小距离h
2min
满足计算公式：
[0017][0018]
本发明的有益效果：一种用于减小碳纤维复材表面加工切削力的带微槽结构球头铣刀，考虑切削过程球头铣刀切削刃结构与cfrp之间的作用关系，基于“切削宽度离散化”切削力抑制原理，设计了带微槽结构球头铣刀相关结构参数，如固定半径连续切削刃部分和带微槽结构切削刃部分的整体长度、微槽长度、微槽宽度、微槽偏转角度、相邻切削刃的微槽垂向最小距离等，并给出了相关的计算方法。根据需求对主要参数调整后，即可形成一系列适应不同的加工工况的带微槽结构球头铣刀。带微槽结构球头铣刀可以在保证cfrp铣削加工质量的前提下，有效降低加工铣削力，从而抑制加工变形，满足cfrp低损伤、高精度加工需求。
附图说明
[0019]
图1为带微槽结构球头铣刀结构。其中，(a)为主视图，(b)为仰视图。其中：l1刀柄部分，l2固定半径连续切削刃，l3固定半径带微槽切削刃，l4球头带微槽切削刃，β0固定半径切削刃部分螺旋角，w固定切削半径部分排屑槽宽度，w1变切削半径部分排屑槽宽度，nj切削刃个数，n微槽个数，r0刀具半径，r球头半径，偏心距为0.04
±
0.01mm。
[0020]
图2为图1的a-a剖视图，其中：芯厚为
[0021]
图3为图1b位置微槽局部放大图。
[0022]
图4为带微槽结构球头铣刀微槽排布示意图。其中，(a)为固定切削半径部分，(b)为球头切削刃部分。其中：固定切削半径部分的微槽长为l
a1
，微槽宽为l
b1
，相邻微槽之间的切削刃长度等于微槽长，球头部分的微槽长为l
a2
，微槽宽为l
b2
，相邻微槽之间的切削刃长度等于微槽长，微槽偏转角度α。相邻主切削刃微槽的垂向最小距离分别为h
1min
和h
2min
。
具体实施方式
[0023]
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明都具体实施方式。
[0024]
以t800级cfrp曲面构件表面铣削为例，刀柄部分l1长度为50mm，固定半径连续切削刃长度为17mm，固定半径带微槽切削刃l3长度为10mm，球头带微槽切削刃l4长度为5mm。固定切削刃部分螺旋角β0为25
°
～30
°
，固定切削半径部分排屑槽宽度w为3mm，球头切削部分排屑槽宽度w1为2mm，切削刃个数nj为4个，微槽个数n为13个，刀具半径r0为5mm，球头半径r为5mm。
[0025]
根据技术方案里的计算方法，固定半径带微槽切削刃部分：微槽长度l
a1
为2mm，微槽宽度1
b1
为1mm，相邻微槽间切削刃长度为2mm，微槽偏转角度α为8
°
。相邻主切削刃上微槽的垂向最小距离h
1min
为0.5mm。球头切削刃部分：微槽长l
a2
为1.8mm，微槽宽度1
b2
为0.8mm，相邻微槽间切削刃长度l
b2
为1.8mm，微槽偏转角度α
d2
为8
°
～12
°
。相邻主切削刃上微槽的垂向最小距离h
2min
为0.3mm。加工前倾角β为15
°
。
[0026]
进行薄壁cfrp曲面构件表面铣削，构件厚度为5mm，工艺参数为：3000rpm，进给速度为300mm/min。加工刀具为普通连续刃球头铣刀和根据薄壁cfrp曲面构件特征曲率设计的带微槽结构球头铣刀，两种刀具材料均选择耐磨性和韧性较好的k44uf硬质合金，保证实验以刀具结构(带微槽切削刃与连续切削刃)作为单一变量，两种刀具其余所有结构均相同。结果表明带微槽球头铣刀在切削过程中刀具整体所受的最大切削力降低率约为43％，加工变形减小了39％。带微槽球头铣刀在保持切削深度不变的前提下，将连续的材料去除过程拆分为多个微元式切削，以减小有效切削宽度的方式减小了加工铣削力，从而减小加工变形，可实现薄壁cfrp曲面构件的低损伤高精度加工，具有良好的工程前景。

技术特征：
1.一种用于减小碳纤维复材表面加工切削力的带微槽结构球头铣刀，其特征在于，该带微槽结构球头铣刀包括刀柄(l1)、固定半径连续切削刃(l2)、固定半径带微槽切削刃(l3)和球头带微槽切削刃(l4)；在球头铣刀整条切削刃的球头部分及靠近球头的固定半径连续切削刃(l2)开n个微槽，形成固定半径带微槽切削刃(l3)和球头带微槽切削刃(l4)；微槽相对切削刃具有一定偏转角α，α的取值范围为以微槽中心为旋转点，逆时针方向偏转5～15
°
；固定半径带微槽切削刃(l3)和球头带微槽切削刃(l4)的总长度l不小于2r0tanβ0，以保证加工过程全部使用带微槽的切削刃切削；其中，r0为刀具的半径，其取值范围为4mm～20mm；β0为切削刃螺旋角，其取值范围为5
°
～35
°
；为保证刀具切削稳定性及动平衡，每条切削刃上微槽数量相同；根据球头铣刀的加工特点，设置加工前倾角β取值范围为5～30
°
，固定半径带微槽切削刃(l3)的排屑槽宽度w0取值范围为1mm～4mm，球头带微槽切削刃(l4)的排屑槽宽度w1取值范围为1mm～4mm，球头半径r＝r0，切削刃个数n
j
≥2；固定半径带微槽切削刃(l3)的微槽长为l
a1
，微槽宽为l
b1
，相邻微槽之间的切削刃长度等于微槽长，微槽长和宽满足以下计算公式：等于微槽长，微槽长和宽满足以下计算公式：球头带微槽切削刃(l4)的微槽长为l
a2
，微槽宽为l
b2
，相邻微槽之间的切削刃长度等于微槽长，微槽长和宽满足以下计算公式：微槽长，微槽长和宽满足以下计算公式：需保证在加工前倾角β作用下，纤维能被切削刃进行去除，固定半径带微槽切削刃(l3)的相邻切削刃的微槽垂向最小距离h
1min
满足计算公式：球头带微槽切削刃(l4)的相邻切削刃的微槽垂向最小距离h
2min
满足计算公式：

技术总结
一种用于减小碳纤维复材表面加工切削力的带微槽结构球头铣刀，包括刀柄、固定半径连续切削刃，固定半径带微槽切削刃和球头带微槽切削刃。基于“切割宽度离散化”的切削力控制思想，切削刃带微槽球头铣刀结构将整个连续刃分割为多个切削单元，从而有效减小加工过程切削力大小。固定半径带微槽切削刃和球头带微槽切削刃部分总长度为l，微槽带有偏转角α，微槽长为l


技术研发人员：王福吉 邓俊 付饶 李跃 林永权 何青松 马兴
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/20