負(fù)壓逆向冷卻的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高質(zhì)量加工方法
【專利摘要】本發(fā)明負(fù)壓逆向冷卻的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高質(zhì)量加工方法屬于切削加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高質(zhì)量鉆削制孔的加工方法。該方法在鉆削由多層預(yù)浸料鋪放固化而成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件不同位置時(shí)，實(shí)施不同的冷卻工藝。首先利用負(fù)壓罩在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔過程中貼附于復(fù)合材料表面，利用氣泵在負(fù)壓罩及鉆削孔腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，迅速收集鉆削粉塵以及切屑，并通過刀具氣泵在鉆頭內(nèi)冷孔附近產(chǎn)生正壓，輔助切屑降溫。在鉆削至材料最后幾層時(shí)，鉆頭內(nèi)冷孔由正壓通氣改為負(fù)壓吸氣，對出口部位材料產(chǎn)生較大的負(fù)壓，為鉆削過程提供支撐，利于鉆頭切削刃切斷纖維。該方法有效降低了毛刺以及分層等缺陷，實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高質(zhì)量制孔加工。
【專利說明】
負(fù)壓逆向冷卻的纖維増強(qiáng)復(fù)合材料高質(zhì)量加工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于切削加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高質(zhì)量鉆削制孔的加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)異性能已經(jīng)逐漸代替金屬被廣泛應(yīng)用到多種工程領(lǐng)域中，如芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料現(xiàn)已被用于制造飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件。盡管纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常在制造過程中已經(jīng)近凈成形，但在制件最終裝配過程中仍需大量制孔，進(jìn)行鉚接、螺栓連接等。由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由基體和纖維增強(qiáng)相組成，材料本身各向異性，且基體和纖維增強(qiáng)相間結(jié)合強(qiáng)度低，在制孔加工中極易出現(xiàn)分層、毛刺等問題。此外，由于在制孔加工中產(chǎn)生加工熱量高，且切肩不易排出，當(dāng)切削溫度超過基體玻璃轉(zhuǎn)化溫度后，基體發(fā)生軟化、燒蝕，制孔后熱損傷頻發(fā)。目前碳纖維復(fù)合材料的制孔加工多采用外部吸塵的干式切削工藝或從刀具內(nèi)部向外噴射冷卻介質(zhì)的切削工藝。如哈爾濱理工大學(xué)劉利等人發(fā)明了 “碳纖維復(fù)合材料鉆削過程去除材料收集與除塵系統(tǒng)”專利，申請?zhí)朇N104385353A。該系統(tǒng)通過與機(jī)床主軸連接，通過抽吸空氣，從而收集復(fù)合材料加工過程中產(chǎn)生的切肩以及浮沉，然而上述方式僅吸附切肩，并未對切削過程中切削區(qū)域的高溫進(jìn)行抑制，因此無法解決加工熱損傷問題。美國肯塔基大學(xué)T.Xia等人在Xia T1KaynakY,Arvin C,et al.Cryogenic cooling-1nduced process performance and surfaceintegrity in drilling CFRP composite material[J].The Internat1nal Journal ofAdvanced Manufacturing Technology，2016,82( 1-4): 605-616.文中米用通過刀具內(nèi)冷孔向切削區(qū)通入低溫氮?dú)獾姆绞浇档颓邢鲄^(qū)溫度，排出切肩并有效降低刀具磨損。上述方法雖能有效實(shí)現(xiàn)切肩排出，降低切削區(qū)溫度，減小孔壁熱損傷產(chǎn)生的幾率，然而在制孔出口位置由于外部支撐較弱，剩余未切削材料剛度低，材料在高壓氣體的作用下，易變形，導(dǎo)致鉆頭難以切斷纖維，加劇了毛刺的產(chǎn)生。因此，采用現(xiàn)有的工藝方法難以實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高質(zhì)量制孔加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對現(xiàn)階段纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔過程中出口毛刺嚴(yán)重，排肩困難且切削區(qū)溫度過高的問題，發(fā)明了負(fù)壓逆向冷卻的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高質(zhì)量加工方法。該方法在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔加工中，通過在負(fù)壓罩及鉆削孔腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，將產(chǎn)生的材料切肩和粉塵迅速排出，降低孔壁溫度，并通過刀具氣栗在鉆頭內(nèi)冷孔附近產(chǎn)生正壓，加速切肩排出過程，進(jìn)一步降低刀具和切削區(qū)溫度，當(dāng)鉆頭鉆尖接近纖維增強(qiáng)復(fù)合材料出口幾層時(shí)，鉆頭內(nèi)冷孔由正壓通氣改為負(fù)壓吸氣，在鉆削最后出口一層過程中實(shí)現(xiàn)出口位置附近產(chǎn)生較大的負(fù)壓，為鉆削過程提供支撐，從而有效降低分層，減小毛刺缺陷，實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高質(zhì)量制孔加工。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是負(fù)壓逆向冷卻的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高質(zhì)量加工方法，其特征是，該方法在鉆削由多層預(yù)浸料鋪放固化而成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件不同位置時(shí)，實(shí)施不同的冷卻工藝;首先利用負(fù)壓罩在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔過程中貼附于復(fù)合材料表面，利用氣栗在負(fù)壓罩及鉆削孔腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，迅速收集鉆削粉塵以及切肩，并通過刀具氣栗在鉆頭內(nèi)冷孔附近產(chǎn)生正壓，輔助切肩降溫，在鉆削至材料最后幾層時(shí)，鉆頭內(nèi)冷孔由正壓通氣改為負(fù)壓吸氣，對出口部位材料產(chǎn)生較大的負(fù)壓，為鉆削過程提供支撐，利于鉆頭切削刃切斷纖維，方法具體步驟如下:
[0005]I)將負(fù)壓罩I緊貼附于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件2的工件上表面3，負(fù)壓罩I另一端與主軸10相連接;打開負(fù)壓排肩氣栗4，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥5控制負(fù)壓罩腔12以及鉆削孔腔13內(nèi)負(fù)壓的大?。煌瑫r(shí)打開刀具氣栗6，調(diào)整換向閥7，使氣流方向?yàn)閺牡毒邭饫?至鉆削孔腔13方向，并調(diào)節(jié)刀具氣體流量調(diào)節(jié)閥8控制鉆頭內(nèi)冷孔14正壓氣流流量的大?。淮蜷_負(fù)壓罩I兩側(cè)的左側(cè)單向閥18、右側(cè)單向閥19，保證排肩氣栗4順利抽吸負(fù)壓罩腔12內(nèi)的空氣并防止切肩、粉塵外泄；
[0006]2)設(shè)定鉆頭9的加工參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，開動(dòng)主軸10進(jìn)行鉆削加工;排出的切肩通過負(fù)壓罩孔11進(jìn)入切肩收集裝置15;
[0007]3)通過對設(shè)定的進(jìn)給速度和工件厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)鉆削至材料最后幾層16時(shí)，機(jī)床控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整換向閥7，使鉆頭內(nèi)冷孔由正壓通氣改為負(fù)壓吸氣，氣流方向?yàn)閺你@削孔腔13返回刀具氣栗6方向，對出口部位材料產(chǎn)生較大的負(fù)壓，并調(diào)節(jié)刀具氣體流量調(diào)節(jié)閥8加大負(fù)壓氣流流量；
[0008]4)在負(fù)壓排肩氣栗4與刀具氣栗6共同作用下，鉆削出口位置17附近產(chǎn)生較大的負(fù)壓，減小此位置材料向外的變形，直至鉆孔完成。
[0009]本發(fā)明的效果和益處是該方法在鉆削不同位置時(shí)，實(shí)施不同的冷卻工藝，可高效排出纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔加工過程中產(chǎn)生的切肩，降低切削區(qū)域溫度，減小加工過程中材料熱損傷產(chǎn)生的幾率，并在鉆削出口最后幾層材料時(shí)，采用負(fù)壓逆向冷卻加工工藝策略，減小此位置材料向外的變形，提高出口處材料剩余剛度，使纖維更易被切斷，有效地降低了毛刺以及分層等缺陷。
【附圖說明】
[0010]圖1是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工示意圖；圖2是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鉆削至最后幾層位置示意圖；圖3是鉆削纖維增強(qiáng)復(fù)合材料出口時(shí)纖維毛刺去除示意圖，圖4是普通干式鉆削加工后效果，圖5是采用本專利方法鉆削加工后效果。其中，1-負(fù)壓罩，2-纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件，3-工件上表面，4-負(fù)壓排肩氣栗，5-流量調(diào)節(jié)閥，6-刀具氣栗，7-換向閥，8-刀具氣體流量調(diào)節(jié)閥，9-鉆頭，10-主軸，11-負(fù)壓罩孔，12-負(fù)壓罩腔，13-鉆削孔腔，14-鉆頭內(nèi)冷孔，15-切肩收集裝置，16-材料最后幾層，17-出口位置，18-左側(cè)單向閥，19-右側(cè)單向閥。
【具體實(shí)施方式】
[0011]以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0012]負(fù)壓逆向冷卻的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高質(zhì)量加工方法采用如圖1所示的加工系統(tǒng)，選取纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件是由20層預(yù)浸料鋪放固化而成，厚度為4mm，每一層厚度約為
0.2mm。將負(fù)壓罩I緊貼附于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件2的工件上表面3，負(fù)壓罩I另一端與主軸10相連接。打開負(fù)壓排肩氣栗4，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥5控制負(fù)壓氣流流量為5L/min。同時(shí)打開刀具氣栗6，調(diào)整換向閥7，使氣流方向?yàn)閺牡毒邭饫?至鉆削孔腔13方向，并調(diào)節(jié)刀具氣體流量調(diào)節(jié)閥8控制正壓氣流流量為2L/min，打開負(fù)壓罩左側(cè)單向閥18、右側(cè)單向閥19，保證排肩氣栗4順利抽吸負(fù)壓罩腔12內(nèi)的空氣并防止切肩、粉塵外泄。
[0013]設(shè)定鉆頭9的加工參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，進(jìn)給100mm/min，開動(dòng)主軸10進(jìn)行鉆削加工，排出的切肩通過負(fù)壓罩孔11進(jìn)入切肩收集裝置15。從刀具接觸工件材料時(shí)刻起，通過進(jìn)給速度和工件厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，2.16秒后鉆頭9鉆削至材料最后幾層16時(shí)，機(jī)床控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整換向閥7，使氣流方向?yàn)閺你@削孔腔13返回刀具氣栗6方向，并調(diào)節(jié)刀具氣體流量調(diào)節(jié)閥8加大負(fù)壓氣流流量至3L/min，在負(fù)壓排肩氣栗4與刀具氣栗6同時(shí)作用下，鉆削出口位置17附近產(chǎn)生較大的負(fù)壓，為鉆削材料最后幾層16的過程提供支撐，減小此位置材料向外的變形，幫助鉆頭切削刃切斷纖維，如圖2、圖3所示。
[0014]普通干式鉆削加工工藝與本專利工藝對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示，圖4是普通干式鉆削加工后的效果，可以看到出口有明顯毛刺，且制孔整體質(zhì)量較差，圖5是采用本專利工藝方法鉆削加工后的效果，出口無毛刺等形式缺陷，加工后孔質(zhì)量好。
[0015]采用本發(fā)明對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行制孔加工，在鉆削過程中的不同位置，實(shí)施不同的冷卻工藝，可高效排出纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔加工過程中產(chǎn)生的切肩，降低切削區(qū)域溫度，減小加工過程中材料熱損傷產(chǎn)生的幾率，并在鉆削出口最后幾層材料時(shí)，采用負(fù)壓逆向冷卻加工工藝策略，減小此位置材料向外的變形，提高出口處材料剩余剛度，使纖維更易被切斷，有效地降低了毛刺以及分層等缺陷。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.負(fù)壓逆向冷卻的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高質(zhì)量加工方法，其特征是，該方法在鉆削由多層預(yù)浸料鋪放固化而成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件不同位置時(shí)，實(shí)施不同的冷卻工藝;首先利用負(fù)壓罩在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制孔過程中貼附于復(fù)合材料表面，利用氣栗在負(fù)壓罩及鉆削孔腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，迅速收集鉆削粉塵以及切肩，并通過刀具氣栗在鉆頭內(nèi)冷孔附近產(chǎn)生正壓，輔助切肩降溫，在鉆削至材料最后幾層時(shí)，鉆頭內(nèi)冷孔由正壓通氣改為負(fù)壓吸氣，對出口部位材料產(chǎn)生較大的負(fù)壓，為鉆削過程提供支撐，利于鉆頭切削刃切斷纖維;方法具體步驟如下: 1)將負(fù)壓罩(I)緊貼附于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工件(2)的工件上表面(3)，負(fù)壓罩(I)另一端與主軸(10)相連接;打開負(fù)壓排肩氣栗(4)，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥(5)控制負(fù)壓罩腔(12)以及鉆削孔腔(13)內(nèi)負(fù)壓的大??；同時(shí)打開刀具氣栗(6)，調(diào)整換向閥(7)，使氣流方向?yàn)閺牡毒邭饫?6)至鉆削孔腔(13)方向，并調(diào)節(jié)刀具氣體流量調(diào)節(jié)閥(8)控制鉆頭內(nèi)冷孔(14)正壓氣流流量的大小;打開負(fù)壓罩(I)兩側(cè)的左側(cè)單向閥(18)、右側(cè)單向閥(19)，保證排肩氣栗(4)順利抽吸負(fù)壓罩腔(12)內(nèi)的空氣并防止切肩、粉塵外泄； 2)設(shè)定鉆頭(9)的加工參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，開動(dòng)主軸(10)進(jìn)行鉆削加工;排出的切肩通過負(fù)壓罩孔(11)進(jìn)入切肩收集裝置(15); 3)通過對設(shè)定的進(jìn)給速度和工件厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)鉆削至材料最后幾層(16)時(shí)，機(jī)床控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整換向閥(7)，使鉆頭內(nèi)冷孔由正壓通氣改為負(fù)壓吸氣，氣流方向?yàn)閺你@削孔腔(13)返回刀具氣栗(6)方向，對出口部位材料產(chǎn)生較大的負(fù)壓，并調(diào)節(jié)刀具氣體流量調(diào)節(jié)閥(8)加大負(fù)壓氣流流量； 4)在負(fù)壓排肩氣栗(4)與刀具氣栗(6)共同作用下，鉆削出口位置(17)附近產(chǎn)生較大的負(fù)壓，減小此位置材料向外的變形，直至鉆孔完成。
【文檔編號】B26F1/16GK105835120SQ201610392258
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】賈振元, 王福吉, 錢寶偉, 付饒, 白玉, 郭會(huì)彬
【申請人】大連理工大學(xué)