一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀

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申请号CN202610219403.8
申请日2026.02.24
申请人所在国家/地区/组织CN

公开号（公开）CN121732873A
公开日期（公开）2026.03.27
申请人（公开）上海交通大学四川研究院; 上海工程技术大学
发明人（公开）李军利; 蒋常伟
IPC分类（公开）B23C5/10
发明名称（公开）
一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀
摘要（公开）
本发明属于超声铣削刀具技术领域，公开了一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀,包括刀柄部位和切削部位，切削部位包括周刃单元和端刃单元，周刃单元包括三个沿周向设置的第一切削刃，相邻两第一切削刃之间设置有排屑槽，排屑槽上部和排屑槽下部的螺旋方向相反，端刃单元和排屑槽下部连通；断屑结构，包括第一断屑单元和两第二断屑单元，其中两第一切削刃上分别设置有两第二断屑单元，另一第一切削刃上设置有第一断屑单元，第二断屑单元上部和下部的螺旋方向相反。本发明结合超声振动，有效强化断屑效果、加速切屑排出、降低切削热累积与刀具磨损速率，并抑制材料内部应力集中，显著减少分层、撕裂及毛刺缺陷，实现CFRP的高质量铣削加工。

权利要求
1.一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，包括刀柄（1）部位和切削部位，其特征在于：
所述切削部位包括周刃单元和端刃单元，所述周刃单元包括三个沿周向设置的第一切削刃（2），相邻两所述第一切削刃（2）之间设置有排屑槽，排屑槽上部（3）和排屑槽下部（4）的螺旋方向相反，所述端刃单元和所述排屑槽下部（4）连通；
断屑结构，包括第一断屑单元和两第二断屑单元，其中两所述第一切削刃（2）上分别设置有两所述第二断屑单元，另一所述第一切削刃（2）上设置有所述第一断屑单元，所述第二断屑单元上部和下部的螺旋方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，其特征在于：所述第二断屑单元包括两锯齿型断屑槽（5），两所述锯齿型断屑槽（5）分别设置在其中两所述第一切削刃（2）上，所述锯齿型断屑槽（5）的上部为V型左旋锯齿型螺旋断屑槽，所述锯齿型断屑槽（5）下部为V型右旋锯齿型螺旋断屑槽。
3.根据权利要求1所述的一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，其特征在于：所述第一断屑单元包括仿生鱼鳞齿结构（6），设置在另一所述第一切削刃（2）上。
4.根据权利要求1所述的一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，其特征在于：所述排屑槽上部（3）为右旋排屑槽，所述排屑槽下部（4）为左旋排屑槽。
5.根据权利要求1所述的一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，其特征在于：所述端刃单元包括三个沿周向等间距分布的第二切削刃（7），相邻两所述第二切削刃（7）之间设置有容屑槽，所述容屑槽与所述排屑槽连通，其中一所述第二切削刃（7）过刀具中心，其余两所述第二切削刃（7）不过刀具中心。
6.根据权利要求1所述的一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，其特征在于：所述周刃单元上部的切削长度为27.5mm，所述周刃单元下部的切削长度为10mm。
7.根据权利要求1所述的一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，其特征在于：所述排屑槽的螺旋角为25°。
8.根据权利要求2所述的一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，其特征在于：所述锯齿型断屑槽（5）的深度为0.5mm，宽度为1.5mm，底面圆弧半径为0.3mm，所述V型左旋锯齿型螺旋断屑槽为55°左旋，所述V型右旋锯齿型螺旋断屑槽为55°右旋。
9.根据权利要求3所述的一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，其特征在于：所述仿生鱼鳞齿结构（6）的单齿宽度为5mm，底面圆弧面半径为0.3mm。
10.根据权利要求5所述的一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，其特征在于：所述容屑槽的轴向前角为5°，所述第二切削刃（7）的刃宽为1mm,其中一所述第二切削刃（7）过刀具中心0.4mm。
说明书
一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀
技术领域
本发明属于超声铣削刀具技术领域，尤其涉及一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀。
背景技术
碳纤维增强复合材料（CFRP）因其优异的比强度、刚度和可设计性强等优异特点，被广泛应用于航空航天、交通运输等领域。碳纤维材料的加工也得到了广泛的关注,然而在传统铣削加工过程中，因CFRP的基体相与胶黏层性能相近，同属软塑难加工材料，切削过程中材料分离伴随显著大塑性变形且难以断裂，易粘附于刀具表面导致切削刃钝化，并引发排屑困难问题，也极易在材料界面处产生局部高温，引发树脂热降解、纤维拉出等损伤，严重影响加工质量和构件服役性能，而采用特定设计结构的刀具并配合超声辅助加工可以有效提升CFRP铣削加工的良品率。超声振动辅助加工可以提高加工表面质量、改善切屑排出、减少刀具磨损、降低轴向力、降低切削热累积，但缺少与超声振动加工较好结合使用的刀具。除此以外，普通螺旋立铣刀由于只有一个旋向，复合材料的上、下表面均受到斜向上的切削力作用，材料下表面的纤维层刚性较好，易被完全切断，而材料上表面的纤维层由于缺少上方材料的支撑作用，刚性降低，不易被完全切断，以致工件上表面易出现毛刺和撕裂现象。
因此，亟需一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，用来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，包括刀柄部位和切削部位，
所述切削部位包括周刃单元和端刃单元，所述周刃单元包括三个沿周向设置的第一切削刃，相邻两所述第一切削刃之间设置有排屑槽，排屑槽上部和排屑槽下部的螺旋方向相反，所述端刃单元和所述排屑槽下部连通；
断屑结构，包括第一断屑单元和两第二断屑单元，其中两所述第一切削刃上分别设置有两所述第二断屑单元，另一所述第一切削刃上设置有所述第一断屑单元，所述第二断屑单元上部和下部的螺旋方向相反。
优选的，所述第二断屑单元包括两锯齿型断屑槽，两所述锯齿型断屑槽分别设置在其中两所述第一切削刃上，所述锯齿型断屑槽的上部为V型左旋锯齿型螺旋断屑槽，所述锯齿型断屑槽下部为V型右旋锯齿型螺旋断屑槽。
优选的，所述第一断屑单元包括仿生鱼鳞齿结构，设置在另一所述第一切削刃上。
优选的，所述排屑槽上部为右旋排屑槽，所述排屑槽下部为左旋排屑槽。
优选的，所述端刃单元包括三个沿周向等间距分布的第二切削刃，相邻两所述第二切削刃之间设置有容屑槽，所述容屑槽与所述排屑槽连通，其中一所述第二切削刃过刀具中心，其余两所述第二切削刃不过刀具中心。
优选的，所述周刃单元上部的切削长度为27.5mm，所述周刃单元下部的切削长度为10mm。
优选的，所述排屑槽的螺旋角为25°。
优选的，所述锯齿型断屑槽的深度为0.5mm，宽度为1.5mm，底面圆弧半径为0.3mm，所述V型左旋锯齿型螺旋断屑槽为55°左旋，所述V型右旋锯齿型螺旋断屑槽为55°右旋。
优选的，所述仿生鱼鳞齿结构的单齿宽度为5mm，底面圆弧面半径为0.3mm。
优选的，所述容屑槽的轴向前角为5°，所述第二切削刃的刃宽为1mm,其中一所述第二切削刃过刀具中心0.4mm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明提供的一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，通过端刃与周刃表面制作断屑槽和仿生鱼鳞齿的三刃立铣刀结构设计、刀尖钝圆减磨优化及上下螺旋交错刃的轴向力平衡配置，配合超声振动辅助加工过程中产生的微切削效应与周期性冲击振动，能进一步强化断屑效果、加速切屑排出效率，有效降低切削热累积与刀具磨损速率，同时利用超声振动的能量渗透特性抑制材料内部应力集中，减少分层、撕裂及毛刺等缺陷，从而实现碳纤维增强复合材料的高效切削。本发明结合超声振动，有效强化断屑效果、加速切屑排出、降低切削热累积与刀具磨损速率，并抑制材料内部应力集中，显著减少分层、撕裂及毛刺缺陷，实现CFRP的高质量铣削加工。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明结构径向截面示意图；
图3为本发明锯齿型断屑槽结构示意图；
图4为本发明仿生鱼鳞齿结构示意图；
其中：1、刀柄部位；2、第一切削刃；3、排屑槽上部；4、排屑槽下部；5、锯齿型断屑槽；6、仿生鱼鳞齿结构；7、第二切削刃。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-图4，本发明提供一种铣削加工CFRP的超声左右螺旋交错刃铣刀，包括刀柄部位1和切削部位，
切削部位包括周刃单元和端刃单元，周刃单元包括三个沿周向设置的第一切削刃2，相邻两第一切削刃2之间设置有排屑槽，排屑槽上部3和排屑槽下部4的螺旋方向相反，端刃单元和排屑槽下部4连通；
断屑结构，包括第一断屑单元和两第二断屑单元，其中两第一切削刃2上分别设置有两第二断屑单元，另一第一切削刃2上设置有第一断屑单元，第二断屑单元上部和下部的螺旋方向相反。
本发明一个实施例中，排屑槽采用上下反向螺旋设计，这种结构能够在铣削时产生方向相反的轴向切削分力，从而显著降低整体轴向合力，减轻工件上表面因刚性不足而产生的毛刺与撕裂现象。同时，端刃单元与排屑槽下部的连通设计，确保切屑能够顺畅排出，避免堵塞。通过在不同切削刃上配置不同类型的断屑单元，实现了断屑功能的差异化与协同作用。第二断屑单元上下部螺旋方向相反，进一步增强了分屑与断屑效果，尤其在超声振动辅助下，能更有效地破碎CFRP切屑，减少长纤维缠绕，降低切削热积累。
本发明一个实施例中，参照图2，槽型曲线包括两段圆弧。圆弧R1的半径为1.5mm，圆弧R2的半径为3mm。铣刀齿数为3，齿间角θ为120°，芯厚Wt为6mm，铣刀加工部分直径D为8mm。
参照图3，沿螺旋线展开后的刃齿与凹槽，槽宽Lr为1.5mm，底面圆弧面半径R3为0.3mm，V型槽斜角θr为25°，切屑槽螺旋角θp为55°。螺旋切屑槽不但改进了凹槽交错重叠切削方式需要多个切削刃配合铣削的缺点，一个切削刃就可以完成材料切除，剩余的切削刃对材料进行复切使工件加工表面质量提高，而且可以设置与排屑槽相反的旋向使每个小排屑槽都有上下交错刃铣刀的作用，在超声辅助的作用下锯齿形的螺旋槽还可以达到更好的纤维切割效果，达到减少切削力与较小提高被加工工件表面质量与降低刀具磨损的作用。
参照图3，由左、右旋θa为25°对称交错的螺旋槽构成切削单元，每个切削单元切削宽度L4为5mm。由许多切削单元组成，切削刃锋利，极大地降低了切削阻力，而且可以配合超声加工实现高速切削，达到了以铣代磨的效果，提高了复合材料的加工效率和表面质量，延长了铣刀的使用寿命。
作为一种可选的实施方式，第二断屑单元包括两锯齿型断屑槽5，两锯齿型断屑槽5分别设置在其中两第一切削刃2上，锯齿型断屑槽5的上部为V型左旋锯齿型螺旋断屑槽，锯齿型断屑槽5下部为V型右旋锯齿型螺旋断屑槽。
本发明一个实施例中，具体限定了第二断屑单元为锯齿型断屑槽，并明确了其上下部分别为左旋和右旋的V型螺旋结构。这种设计不仅增强了断屑能力，还能在切削过程中形成交错剪切作用，进一步分散切削力，减少局部应力集中，尤其适合超声振动下的高频断续切削，提升表面加工质量。
作为一种可选的实施方式，第一断屑单元包括仿生鱼鳞齿结构6，设置在另一第一切削刃2上。
本发明一个实施例中，第一断屑单元为仿生鱼鳞齿结构，该结构具有多个微细切削刃，能实现更平顺的切削过程，显著降低切削阻力。在超声振动辅助下，仿生鱼鳞齿结构可发挥“微犁削”效应，有助于获得更光洁的已加工表面，适用于对表面质量要求较高的CFRP零件加工。
作为一种可选的实施方式，排屑槽上部3为右旋排屑槽，排屑槽下部4为左旋排屑槽。
本发明一个实施例中，右旋上部和左旋下部的组合，使刀具在旋转时形成涡流式排屑效应，有利于切屑向上顺利排出，同时减少切屑在槽内的滞留时间，降低二次切削风险，提高加工稳定性。
作为一种可选的实施方式，端刃单元包括三个沿周向等间距分布的第二切削刃7，相邻两第二切削刃7之间设置有容屑槽，容屑槽与排屑槽连通，其中一第二切削刃7过刀具中心，其余两第二切削刃7不过刀具中心。
本发明一个实施例中，过中心刃确保刀具具备一定的钻削能力，可进行小孔径或坡口加工；不过中心刃则增强刀尖强度，提高抗冲击性。容屑槽与排屑槽连通，形成连贯的排屑路径，有利于端铣时切屑的及时排出。
作为一种可选的实施方式，周刃单元上部的切削长度为27.5mm，周刃单元下部的切削长度为10mm。
本发明一个实施例中，长度配置既保证了足够的有效切削深度，又通过较短的下载荷长度优化了刀具刚性分布，有利于在深腔或侧壁铣削中保持良好的振动抑制和加工精度。
作为一种可选的实施方式，排屑槽的螺旋角为25°。
本发明一个实施例中，25°平衡了切削锋利度与排屑能力，既有利于切屑的卷曲与排出，又能保持足够的刃口强度，适用于CFRP这类既需锋利切削又需良好排屑的难加工材料。
作为一种可选的实施方式，锯齿型断屑槽5的深度为0.5mm，宽度为1.5mm，底面圆弧半径为0.3mm，V型左旋锯齿型螺旋断屑槽为55°左旋，V型右旋锯齿型螺旋断屑槽为55°右旋。
本发明一个实施例中，合理的槽深、槽宽与圆弧过渡设计，既能有效断屑，又避免了应力集中导致的刃口崩缺。55°的左旋与右旋设计增强了槽型的切削导向性与排屑流畅性，进一步提升断屑效率与刀具寿命。
作为一种可选的实施方式，仿生鱼鳞齿结构6的单齿宽度为5mm，底面圆弧面半径为0.3mm。
本发明一个实施例中，明确了仿生鱼鳞齿的微观几何参数，适当的齿宽与圆弧半径设计，使该结构在保证切削锋利度的同时，具备良好的耐磨性和抗冲击性，尤其适用于CFRP中纤维与树脂的复合切削，能有效减少毛刺与撕裂。
作为一种可选的实施方式，容屑槽的轴向前角为5°，第二切削刃7的刃宽为1mm,其中一第二切削刃7过刀具中心0.4mm。
本发明一个实施例中，限定了容屑槽的前角与端刃几何尺寸，5°的轴向前角提供了适中的切削锋利度与刃口强度；1mm的刃宽保证了足够的刀尖承载能力；过中心0.4mm的设计既实现了中心切削功能，又避免了因过中心量过大导致的刀具刚性下降与振动加剧，提升了铣削过程的平稳性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。