本发明属于机械加工中钻削工具，涉及一种纤维增强复合材料/钛合金叠层结构高质量长寿命制孔刀具。
背景技术：
1、减轻结构重量以获得更长的飞行里程和更高的燃油/能源效率是航空航天领域追求的永恒目标，纤维增强树脂基复合材料(简称复合材料)具有轻质高强的特性，是减重增效的优选材料，常用于制作飞机蒙皮、梁等大型结构件，此外高比强度的钛合金也广泛应用于承受交变载荷的部位，如机翼肋板、机身框体等，由这两种材料制成的零件在装配连接时需先在装配工位进行堆叠安装，然后进行一体化加工连接孔，并通过铆接或螺接等方式进行连接，因此，加工孔的质量和精度直接影响构件的装配质量和性能。然而复合材料本身是难加工材料，钻孔加工时易出现分层、撕裂、毛刺等损伤，又由于复合材料与钛合金两种材料性能差异显著，钛合金产热高，而复材受热易分解，导致加工时力热交互影响严重，且产生的长金属切屑易划伤复合材料孔壁，导致复合材料加工质量差。此外，在连续钻孔加工过程中，刀具受到复合材料与金属的交替摩擦，加剧刀具切削刃磨损，大幅降低刀具使用寿命，严重影响叠层结构件批产。
2、钻孔加工过程中，材料受刀具切削作用而被去除，因此刀具的结构将直接影响材料的去除以及钻孔质量。为解决上述复合材料与钛合金叠层结构制孔问题，学者们对刀具的结构进行了研发，如江西杰浩硬质合金工具有限公司发明了“一种加工碳纤维增强复合材料与钛合金叠层板的钻头”的专利(专利号为cn201220592135.8)，通过将钻尖角设计为三顶角结构以及径向大前角，获得非常锋利的三段切削刃，并将横刃设计为s型横刃，从而解决复合材料加工中由于轴向力过大引发的分层、撕裂等损伤问题，但仍难解决叠层中金属制孔孔径一致性差的问题。大连理工大学贾振元等人发明了“用于叠层结构零件整体制孔的多阶梯多刃刀具”的专利(专利号为cn 201610010005.1)，此专利是一种具有钻、扩、铰一体加工叠层结构的刀具，通过在钻孔的轴向和径向上分阶段多次切削去除材料，抑制切削热累积，减小复合材料分层撕裂等损伤，提高制孔质量和精度，但多刃切削金属可能堵屑，影响制孔质量。贵州航天乌江机电设备有限责任公司发明了“一种在钛合金材料上钻孔的方法”的专利(专利号为cn 106216728 a)，此专利设计了一种钛合金钻孔刀具，通过将标准麻花钻头修磨成群钻形式，减小钻孔轴向力，并通过冷却润滑液降低切削温度，以提高钛合金制孔精度，但此种方法和刀具不适用于复合材料加工。
3、以上内容为复合材料/钛合金叠层结构制孔刀具设计提供了思路，但现阶段加工复合材料/钛合金叠层结构的刀具仍存在复材入口分层撕裂、孔壁划伤以及刀具寿命短等问题，急需开发一种高质量长寿命的制孔刀具。
技术实现思路
1、本发明针对复合材料/钛合金叠层结构钻孔过程中，复合材料易产生入口分层、撕裂，金属切屑划伤复合材料孔壁，以及刀具寿命短等问题，发明了一种纤维增强复合材料/钛合金叠层结构高质量长寿命制孔刀具。该刀具是一种具有小前角、双阶梯、阶梯刃带、负刃倾角以及圆弧后刀面多特征融合的钻削刀具。其中，前刀面设计为小前角，并通过设计小前角前刀面的大小，可在不增加钻孔轴向力的条件下实现金属断屑，且双阶梯结构可减小金属切屑尺度，从而有效降低大尺度长切屑对复合材料孔壁的损伤。阶梯刃带是将排屑区刃带和刃背的直径修磨缩小，形成阶梯刃带，使刀具与孔壁间留有间隙，避免刀具、切屑与孔壁的接触，进一步减小孔壁划擦，提高复合材料孔壁质量。双阶梯结构可分阶段去除材料，有效降低钻削轴向力和切削热，减小复合材料分层和撕裂损伤，此外，将第二阶梯扩孔切削刃设计为负刃倾角，可使切削力指向材料内部强约束侧，从而抑制复合材料入口分层、撕裂损伤。圆弧后刀面和阶梯刃带结构可减小后刀面与工件的摩擦以及加工中的力热影响，提高刀具寿命。钝化处理的第一阶梯切削刃及刃带和锋利的第二阶梯切削刃可在保证制孔质量的同时进一步提高刀具使用寿命。综合以上优势，最终实现复合材料与钛合金叠层结构高质量长寿命制孔。
2、本发明的技术方案：
3、一种纤维增强复合材料/钛合金叠层结构高质量长寿命制孔刀具，主要由两个阶梯组成，包含3个功能区：初孔钻削区a，终孔扩铰区b以及排屑保护区c，第一阶梯对应初孔钻削区a，第二阶梯对应终孔扩铰区b和排屑保护区c；
4、所述的初孔钻削区a包括横刃1、主切削刃后刀面2、主切削刃3、平面前刀面4、螺旋前刀面5和排屑槽6；初孔钻削区a的直径为d1，钻尖部分采用a型钻尖修磨，第一阶梯切削刃部分自下而上依次是横刃1和主切削刃3，其中横刃1的宽度为b1，主切削刃3进行钝化处理，刃圆半径r为7-15μm，两条主切削刃3间夹角为第一阶梯顶角其为130°-140°；位于主切削刃3前后两侧分别是主切削刃前刀面和主切削刃后刀面2，其中，主切削刃后刀面2为圆弧形后刀面，起始后角α1为6°-10°，主切削刃前刀面自钻心向外依次为平面前刀面4和螺旋前刀面5，平面前刀面4具有较小的前角γ1，前角范围为0°-5°，平面前刀面4的宽度a1与主切削刃3的宽度a2之比为0.7-0.8，螺旋前刀面5是磨削排屑槽6时形成的前刀面，是排屑槽6的一部分；排屑槽6沿轴向方向贯穿整个初孔钻削区a，终孔扩铰区b以及排屑保护区c，其螺旋角β为20°-30°；第一阶梯长度l1小于复合材料的厚度h1。
5、所述的终孔扩铰区b包括排屑槽6、扩孔切削刃7、刃带8、圆弧刃背9和圆形刃背10；第二阶梯切削刃自下而上依次是扩孔切削刃7和刃带8，其中两条扩孔切削刃7之间夹角为第二阶梯顶角其为130°-140°，扩孔切削刃7的刃倾角为ψ，扩孔切削刃7保持锋利，刃圆半径小于5μm；扩孔切削刃7的前后两侧分别为螺旋前刀面5和平面后刀面4；终孔扩铰区的孔径d2等于终孔的孔径，初孔钻削区的孔径d1与终孔扩铰区的孔径d2之比为0.6-0.8；刃带8设计为阶梯结构，在刃带8的后侧沿螺旋方向依次为圆弧刃背9和圆形刃背10，两者由圆角r1过渡连接，刃带8与排屑槽6的交线设计有刃带倒棱11，倒棱前角γ3为-8°～-10°，倒棱宽度k为0.1-0.2mm，刃带8仅在圆弧刃背9区间段上，且其在轴向上的投影长度l2小于纤维增强复合材料/钛合金叠层结构总厚度h1+h2。
6、所述的排屑保护区c包括排屑槽6和圆形刃背10；其中圆形刃背10的直径d3与终孔扩铰区的直径d2的比为0.9，排屑槽6的宽度w与圆形刃背10的宽度t之比为1-1.2，钻芯的直径为d5。
7、本发明的有益效果：本发明通过阶梯结构分阶段钻孔，降低钻孔过程中的力热影响，同时减小大尺度金属切屑的影响；通过第一阶梯的小前角前刀面增加金属切屑的变形，使金属切削断屑，并通过阶梯刃带结构进一步隔绝刀具、切屑与孔壁的接触，减小长切屑划伤复合材料孔壁，提高孔壁质量；通过将扩孔切削刃的刃倾角设计为负值，使切削复材时表层材料受到向材料内部强约束侧的切削力作用，实现复合材料的有效切断，抑制复合材料入口分层、撕裂等损伤，提高钻孔质量；通过圆弧后刀面以及阶梯刃带结构减小刀具与工件的摩擦作用，同时通过钝化处理第一阶梯主切削刃以及刃带，提高刀具的使用寿命，最终实现复合材料/钛合金叠层结构高质量长寿命制孔。
1.一种纤维增强复合材料/钛合金叠层结构高质量长寿命制孔刀具，其特征在于，该纤维增强复合材料/钛合金叠层结构高质量长寿命制孔刀具主要由两个阶梯组成，包含3个功能区：初孔钻削区(a)、终孔扩铰区(b)以及排屑保护区(c)，第一阶梯对应初孔钻削区(a)，第二阶梯对应终孔扩铰区(b)和排屑保护区(c)；
