一种用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具

摘要

本发明公开了一种用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具，包括依次连接的螺纹段、刚度增强块、类梯形台过渡块和薄片状开放式刀身，螺纹段、刚度增强块、类梯形台过渡块和薄片状开放式刀身的轴线均位于所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的轴线上。本发明在超声振动作用下对蜂窝芯材料的曲线轮廓进行插切。本发明的切削圆弧底刃在超声作用下可以顺利切削蜂窝芯材料，降低蜂窝芯材料的加工损伤，提高剩余材料的加工刚度，且超声作用减小了切削圆弧底刃与蜂窝芯加工表面间的摩擦，从而减少蜂窝芯曲线轮廓的加工缺陷，降低刀具磨损，延长刀具寿命，实现蜂窝芯曲线轮廓的高质量加工。

说明书

技术领域

本发明涉及一种蜂窝芯加工刀具，具体涉及一种用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具。

背景技术

蜂窝材料因密度小、质量轻、高的比强度与比刚度、抗冲击能力强等特点作为夹层复合材料的芯层材料，广泛应用于航空航天、高速列车等诸多领域，实际应用中需要根据加工需求在蜂窝芯上加工出曲线轮廓。由于蜂窝芯材料是一种由蜂窝芯纸粘接拉伸形成的弱刚度多孔材料，在切削成型过程中材料变形较大，尤其对于曲线轮廓加工，切削过程中材料受力与变形情况复杂，是蜂窝芯加工的一个难题。

针对蜂窝芯曲线轮廓的加工需求，目前常采用高速铣削和传统插切两种方法。

高速铣削加工蜂窝芯曲线轮廓时，加工刀具采用专用的带有切削刃和粉碎刃的蜂窝芯高速铣刀，刀具在机床主轴的带动下高速旋转切削，刀具转速一般在10000r/min到20000r/min；高速铣削过程中，高速铣刀在垂直于蜂窝芯孔格轴线的平面上，按照所需的蜂窝芯曲线轮廓进给切削，加工过程中刀具对蜂窝芯材料施加侧向力，而蜂窝芯材料的侧向刚度较弱，同时由于材料的各向异性，加工曲线轮廓过程中受力情况复杂，在刀具的粉碎和切削作用下经常出现蜂窝芯变形压溃等现象，使得蜂窝芯曲线轮廓加工质量不易保证。

传统插切加工蜂窝芯曲线轮廓时，采用专用的蜂窝芯插切刀具，该类刀具为带有整个圆弧切削刃的圆筒形刀具。刀具在机床主轴的带动下做旋转运动，转速在1000r/min左右，并沿蜂窝芯孔格的轴线方向进给插切，其主要切削作用依靠刀刃的旋转切削实现。这种加工方法沿蜂窝芯孔格轴向即材料刚度最大的方向加工，虽然可以有效避免蜂窝芯垂直于孔格轴线方向的变形，但是由于所需加工的曲线轮廓是由插切轮廓逼近形成的，插切加工后，会在一系列插切轮廓之间留下零散的需要下一步切削去除的材料，这部分材料整体刚度较弱，为后续材料的加工去除带来困难；同时由于转速的存在，回转的刀具与蜂窝芯之间相互接触摩擦，使蜂窝芯产生倒伏、压塌与撕裂现象，严重影响了插切轮廓的质量。并且传统插切刀具的切削刃为一个整圆，而刀具在蜂窝芯曲线轮廓的加工过程中真正起到加工作用的只是整圆上的一小段圆弧，其余的圆弧在加工过程中未全部起到切削作用，反而对于非加工区域的蜂窝芯孔格进行插切，产生较大的插切损伤区域，导致相邻区域的蜂窝芯刚度急剧下降，使蜂窝芯材料在后续加工过程中更容易变形和倒伏，出现切削让刀等现象，无法实现预期轮廓的加工。现有的筒状蜂窝芯轮廓插切刀具存在的问题还有：排屑困难，切屑聚集在筒形刀具内部排除不畅，刀具内部堵塞后无法进行后续加工，而频繁清理刀具会使加工效率降低；此外，蜂窝芯材料由芳纶纤维构成，其加工特性较差，轮廓插切加工时刀具的磨损严重。除了传统的切削加工方法之外，超声切削作为蜂窝芯切削的一种新技术，采用超声作用实现蜂窝芯材料的高质量切削。目前采用的直刃尖刀和圆片刀虽然可以实现蜂窝芯材料的直线轮廓的超声切削加工，但对于曲线轮廓加工还存在诸多困难：直刃尖刀和圆片刀加工曲线轮廓时，需要始终保证刀刃与曲线轮廓的切线方向一致，因此需要实时调整刀具的角度和位置。由于刀具有一定宽度，不参与切削的一侧切削刃在调整过程中会对已加工的蜂窝芯材料产生挤压刮擦，导致蜂窝芯出现变形和压溃等现象。而对于参与切削的一侧切削刃在空间上会同时切削不同位置的蜂窝壁，尤其在切削曲线轮廓时，刀具切削区域在水平和竖直方向上的位置不一致很容易导致切削过程中的过切现象。因此，在现有条件下，蜂窝芯曲线轮廓的高质量加工是蜂窝芯加工的一个难点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具。本发明的原理是，所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具在超声振动作用下对蜂窝材料的曲线轮廓进行插切，超声作用在有效减少刀具和蜂窝芯材料的切削力的同时，减小了刀具与蜂窝壁之间的摩擦力，减小蜂窝芯加工缺陷，延长刀具寿命，实现蜂窝芯轮廓的高质量加工。本发明采用的技术手段如下：

一种用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具，包括依次连接的螺纹段、刚度增强块、类梯形台过渡块和薄片状开放式刀身，所述螺纹段、所述刚度增强块、所述类梯形台过渡块和所述薄片状开放式刀身的轴线均位于所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的轴线上，保证超声振动沿所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的轴线纵向传递至下述所述的切削圆弧底刃；

所述刚度增强块有增强所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具刚度的作用，并且与所述薄片状开放式刀身通过所述类梯形台过渡块平滑过渡，超声能量在沿所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的轴向传递的过程中，由于所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的截面面积平稳减小，超声能量在传输中随截面积的减小稳定增加，最终在下述所述的切削圆弧底刃处输出较大的振幅。

所述类梯形台过渡块的大端与所述刚度增强块的前端连接，所述类梯形台过渡块的大端与所述刚度增强块的前端的尺寸相一致，所述类梯形台过渡块的小端与所述薄片状开放式刀身的后端连接，所述类梯形台过渡块的小端与所述薄片状开放式刀身的后端的尺寸相一致，位于所述类梯形台过渡块的大端和所述类梯形台过渡块的小端之间的外壁由所述类梯形台过渡块的大端向所述类梯形台过渡块的小端圆弧过渡，圆弧过渡结构避免了超声作用下的应力集中，提高了超声作用下刀具的使用寿命；

所述薄片状开放式刀身的外表面为圆弧面，所述薄片状开放式刀身的前端具有由扇环圆弧面前刀面和扇环圆弧面后刀面构成的切削圆弧底刃，所述切削圆弧底刃向所述薄片状开放式刀身的外表面倾斜(减小所述扇环圆弧面后刀面与已加工蜂窝芯材料表面的摩擦)，所述薄片状开放式刀身的两侧具有由所述薄片状开放式刀身的后端向所述切削圆弧底刃延伸的侧刃；

所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的内表面设有由所述刚度增强块的后端延伸至所述切削圆弧底刃的导料槽，所述导料槽包括位于所述刚度增强块内表面的刚度增强块导料槽、位于所述类梯形台过渡块内表面的类梯形台过渡块导料槽和位于所述薄片状开放式刀身内表面的圆弧状刀身导料槽，所述圆弧状刀身导料槽与所述薄片状开放式刀身的外表面相对应。

所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具为左右对称的，所述薄片状开放式刀身的外表面、所述切削圆弧底刃和所述导料槽均关于经过所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的轴线且垂直于所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的内表面的对称平面左右对称。

所述扇环圆弧面前刀面和所述扇环圆弧面后刀面分别位于两个同轴的锥台面上(即两个所述锥台面构成喇叭形)，所述薄片状开放式刀身的外表面和所述圆弧状刀身导料槽分别位于两个同轴的圆柱面上，两个所述锥台面和两所述圆柱面同轴且轴线足够远离所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具时，所述扇环圆弧面前刀面、所述扇环圆弧面后刀面、所述薄片状开放式刀身的外表面和所述圆弧状刀身导料槽趋近于平面。

所述切削圆弧底刃的刃尖(所述扇环圆弧面前刀面和所述扇环圆弧面后刀面相交处)所在圆弧的圆心角大于0°小于360°。

根据不同曲率半径曲线轮廓的蜂窝芯插切加工要求，所述切削圆弧底刃的刃尖所在圆弧半径小于等于所需加工蜂窝芯曲线轮廓的最小曲率半径；对于蜂窝芯内外曲线轮廓的插切，插切刀具的朝向有所区别，并且需要绕其自身轴线进行转角调整：加工蜂窝芯外曲线轮廓时，使切削圆弧底刃的刃尖所在的圆柱面与所需插切加工的曲线轮廓路径相外切；加工蜂窝芯内曲线轮廓时，切削圆弧底刃的刃尖所在的圆柱面与所需插切加工的曲线轮廓路径相内切；刀具角度调整后，沿轴向进给进行蜂窝芯材料插切，通过一系列小段插切轮廓逼近需要的曲线轮廓。

所述切削圆弧底刃的刀具前角为45°～85°，所述切削圆弧底刃的刀具后角为0°～15°，所述切削圆弧底刃的楔角为5°～30°。

所述切削圆弧底刃的刀具前角指的是：在所述对称平面内，所述扇环圆弧面前刀面与蜂窝芯曲线轮廓侧壁的垂面间的夹角，用于使切削刃顺利切入工件材料，同时保证切屑的顺利导出；

所述切削圆弧底刃的刀具后角指的是：在所述对称平面内，所述扇环圆弧面后刀面与所述蜂窝芯曲线轮廓侧壁间的夹角(即与超声插切刀具轴线间的夹角)，避免了刀具刀身在切削的同时对于蜂窝芯轮廓侧壁材料的挤压和划擦；

所述切削圆弧底刃的楔角指的是：在所述对称平面内，所述扇环圆弧面前刀面和所述扇环圆弧面后刀面的夹角，用于提高刀具切削刃部分的刚度。

所述圆弧状刀身导料槽内靠近所述切削圆弧底刃的槽底沿所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的轴向设有轴向腰形槽，所述轴向腰形槽贯穿所述薄片状开放式刀身。所述轴向腰形槽设置的目的在于改变超声能量在所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具上传播的路径，吸收超声作用在所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具上产生的横向振动能量，使振动能量沿轴向传播。

所述薄片状开放式刀身的宽度根据蜂窝芯孔格尺寸进行设计，所述薄片状开放式刀身的长度尺寸大于所需切削蜂窝芯的深度。

所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具沿其轴线进给超声插切蜂窝芯后，所述薄片状开放式刀身在蜂窝芯上留下的切削缝的宽度为0.5～5mm。

所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的材料为硬质合金或高速钢，以获得较好的超声振动效果，所述切削圆弧底刃和所述侧刃做涂层处理，用于降低磨损。

本发明在轴线方向施加超声振动，并且沿轴向进给进行蜂窝芯材料的插切，其转角调整在退出蜂窝芯后的安全平面之上完成。本发明的超声插切刀具在超声作用下可以顺利切削蜂窝芯材料，且切削圆弧底刃在超声作用下进一步减小与蜂窝芯加工表面的摩擦，从而减少蜂窝芯加工缺陷，减小刀具磨损，延长刀具寿命，实现蜂窝芯轮廓的高质量加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

①超声作用减少了切削力和蜂窝芯孔格变形及蜂窝壁的损伤，提高蜂窝芯曲线轮廓加工的加工质量和加工精度。

②本发明在插切进给的同时不做旋转运动，其刀具转角调整在退出蜂窝芯后的安全平面之上完成，本发明的超声插切刀具在超声作用下可以顺利切削蜂窝芯材料，且切削圆弧底刃在超声作用下进一步上减小与蜂窝芯加工表面的摩擦，从而减少蜂窝芯加工缺陷，减小刀具磨损，延长刀具寿命，实现蜂窝芯轮廓的高质量加工。

③本发明的薄片状开放式刀身，能减少对加工曲线轮廓附近的蜂窝芯结构的破坏，解决了插切加工使蜂窝芯刚度下降导致的下一步材料切除困难、切削表面质量差的问题。

④本发明的薄片状开放式刀身解决了传统圆筒形轮廓插切刀具排屑和散热困难的问题。

⑤本发明的薄片状开放式刀身的宽度根据蜂窝芯孔格尺寸进行设计，薄片状开放式刀身的长度尺寸大于所需切削蜂窝芯的深度，能有效避免接刀处的蜂窝芯孔格损伤，提高蜂窝芯插切加工曲线轮廓的加工质量。

基于上述理由本发明可在加工技术等领域广泛推广。

附图说明

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。

图1是本发明的具体实施方式中超声插切过程示意图。

图2是本发明的实施例1中用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的主视图。

图3是图2中A-A向剖视图。

图4是本发明的实施例1中用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的三维结构示意图。

图5是现有的圆筒形轮廓插切刀具加工蜂窝芯外曲线轮廓的路径示意图。

图6是本发明的实施例1中用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具切削蜂窝芯外曲线轮廓的路径示意图。

图7是本发明的实施例1中用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具切削蜂窝芯内曲线轮廓的路径示意图。

图8是本发明的实施例2中用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具的主视图。

图9是图8中B-B向剖视图。

图10是本发明的实施例2中用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具切削蜂窝芯外曲线轮廓的路径示意图。

图11是本发明的实施例2中用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具用做直线轮廓切削的示意图。

具体实施方式

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。

如图1所示，超声插切加工曲线轮廓的加工过程为：(1)用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1根据曲线轮廓在安全平面之上进行坐标调整，包括绕刀具轴心的转角调整及水平方向的坐标调整(如图1中V2方向)，以确定用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1与蜂窝芯的初始插切位置；(2)用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1在超声作用下产生轴向振动A，并沿V1方向做整体轴向进给，对蜂窝芯进行插切，超声作用能有效减少切削力，同时减少刀具和蜂窝芯材料间的摩擦力，从而提高加工质量，延长刀具寿命；(3)插切蜂窝芯达到指定深度后，用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1沿V1反方向退出蜂窝芯到安全平面之上；(4)用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1在安全平面之上根据加工路径进行下一步坐标调整，包括绕刀具轴心的转角调整及水平方向的坐标调整(如图1中V2方向)，到下一个插切位置后再次进行轴向进给插切。

实施例1

如图2-图7所示，一种用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1，包括依次连接的螺纹段2、刚度增强块3、类梯形台过渡块4和薄片状开放式刀身5，所述螺纹段2、所述刚度增强块3、所述类梯形台过渡块4和所述薄片状开放式刀身5的轴线均位于所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1的轴线上；

所述类梯形台过渡块4的大端与所述刚度增强块3的前端连接，所述类梯形台过渡块4的大端与所述刚度增强块3的前端的尺寸相一致，所述类梯形台过渡块4的小端与所述薄片状开放式刀身5的后端连接，所述类梯形台过渡块4的小端与所述薄片状开放式刀身5的后端的尺寸相一致，位于所述类梯形台过渡块4的大端和所述类梯形台过渡块4的小端之间的外壁由所述类梯形台过渡块4的大端向所述类梯形台过渡块4的小端圆弧过渡；

所述薄片状开放式刀身5的外表面为圆弧面，所述薄片状开放式刀身5的前端具有由扇环圆弧面前刀面6和扇环圆弧面后刀面7构成的切削圆弧底刃，所述切削圆弧底刃向所述薄片状开放式刀身5的外表面倾斜，所述薄片状开放式刀身5的两侧具有由所述薄片状开放式刀身5的后端向所述切削圆弧底刃延伸的侧刃8；

所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1的内表面设有由所述刚度增强块3的后端延伸至所述切削圆弧底刃的导料槽，所述导料槽包括位于所述刚度增强块3内表面的刚度增强块导料槽9、位于所述类梯形台过渡块4内表面的类梯形台过渡块导料槽10和位于所述薄片状开放式刀身5内表面的圆弧状刀身导料槽11，所述圆弧状刀身导料槽11与所述薄片状开放式刀身5的外表面相对应。

所述切削圆弧底刃的刃尖12所在圆弧的圆心角大于0°小于360°。

所述切削圆弧底刃的刀具前角γ₀为45°～85°；所述切削圆弧底刃的刀具后角α₀为0°～15°，所述切削圆弧底刃的楔角β₀为15°～30°。

所述圆弧状刀身导料槽11内靠近所述切削圆弧底刃的槽底沿所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1的轴向设有轴向腰形槽13，所述轴向腰形槽13贯穿所述薄片状开放式刀身5。

所述薄片状开放式刀身5的宽度根据蜂窝芯孔格尺寸进行设计，所述薄片状开放式刀身5的长度尺寸大于所需切削蜂窝芯的深度。

所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1沿其轴线进给超声插切蜂窝芯后，所述薄片状开放式刀身5在蜂窝芯上留下的切削缝的宽度为0.5～5mm。

所述用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1的材料为硬质合金或高速钢，所述切削圆弧底刃和所述侧刃8做涂层处理。

如图5所示，圆筒形轮廓插切刀具沿加工曲线轮廓路径14对蜂窝芯进行插切，除了插切加工出需要的曲线轮廓外，对加工曲线轮廓路径14周围区域也进行了加工，使环形区域附近的蜂窝芯结构被切削，材料刚度下降，为后续蜂窝芯材料去除带来困难。另一方面，圆筒形轮廓插切刀具一边旋转一边轴向进给，刀具内外表面与蜂窝芯产生摩擦，使加工的蜂窝芯产生变形、压溃、毛刺、撕裂等缺陷，曲线轮廓的加工质量难以保障。

如图6所示，在加工蜂窝芯外曲线轮廓时，用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1在超声作用下产生纵向振动，并根据加工曲线轮廓路径14在安全平面之上进行水平方向的坐标调整，并且绕其自身轴线进行转角调整，使切削圆弧底刃所在的圆柱面与所需插切加工的加工曲线轮廓路径14外切，然后刀具整体沿轴向进给进行插切，通过一系列小段插切轮廓逼近需要的外曲线轮廓。

如图7所示，在加工蜂窝芯内曲线轮廓时，用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1在超声作用下产生纵向振动，并根据加工曲线轮廓路径14在安全平面之上进行水平方向的坐标调整，并且绕其自身轴线进行转角调整，使切削圆弧底刃所在的圆柱面与所需插切加工的加工曲线轮廓路径14内切，然后刀具整体沿轴向进给进行插切，通过一系列小段插切轮廓逼近需要的内曲线轮廓，减少对加工表面附近蜂窝芯材料的破坏。

实施例2

如图8-图11所示，一种用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1，所述扇环圆弧面前刀面6、所述扇环圆弧面后刀面7、所述薄片状开放式刀身5的外表面和所述圆弧状刀身导料槽11趋近于平面。

如图10所示，在加工蜂窝芯外曲线轮廓时，用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1在超声作用下产生纵向振动，并根据加工曲线轮廓路径14在安全平面之上进行水平方向的坐标调整，并且绕其自身轴线进行转角调整，使切削圆弧底刃所在的近似平面与所需插切加工的加工曲线轮廓路径14相切，然后刀具整体沿轴向进给进行插切，通过一系列小段近直线插切轮廓逼近得到需要的外曲线轮廓。

此种近似平面的用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具1，当其轴线垂直于沉槽槽底时，可以用于蜂窝芯材料的外曲线轮廓和内外直线轮廓的超声插切加工；由于刀体具有一定宽度，该实施例中的刀体趋近于平面，尤其针对大曲率半径的蜂窝芯插切加工，可以通过加大插切步距的方法，有效提高曲线轮廓时的加工效率；

如图11所示，当其轴线不垂直于沉槽的槽底时，此种近似平面的用于蜂窝芯曲线轮廓加工的超声插切刀具还具有直线超声切削功能：刀具沿蜂窝孔格轴线垂直进给插切至蜂窝芯材料内部指定深度，并沿水平方向进给运动，在轴向超声作用下可用于蜂窝芯材料的直线切削。

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。