CN103786265B - Cfrp的开孔方法和cfrp工件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了CFRP的开孔方法和CFRP工件，其中CFRP的开孔方法包括用具有金刚石涂层的第一钻头进行钻孔，钻孔时，所述第一钻头的转速为2500~3500r/min，进给量为200~280mm/min，吃刀量为5~9mm；用具有金刚石涂层的第二钻头进行扩孔，扩孔时，所述第二钻头的转速为1500~2500r/min，进给量为120~200mm/min，吃刀量为2~6mm。本发明所提供的CFRP的开孔方法采用具有金刚石涂层的钻头来进行钻孔，能够迅速将CFRP平滑切削，防止刀具温度过高，采用先钻孔，再扩孔的方式进行开孔，并根据孔径大小调整所用的钻头，使得开孔快速且所开的孔孔壁平滑，开孔质量好。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料加工工艺领域，特别涉及一种CFRP的开孔方法和CFRP工件。
背景技术
复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法在宏观上组成具有新性能的材料。复合材料中各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料。复合材料通常包括基体材料和增强材料，增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。
碳纤维增强复合材料(CFRP，CarbonFiberReinforcedPolymer/Plastic)具有轻质高强的特点，被广泛运用于如桥梁加固和维修等工程中。CFRP还被广泛应用在军事，航空，体育用品，赛车等领域，F1赛车的很多部件都用CFRP制成，比如单体壳。
但是，由于CFRP具有强度高、硬度高和耐磨的性质，使得其加工困难。特别是对CFRP的开孔。公开日为2009年6月3日的中国专利申请公开文献CN101445383A公开了一种碳纤维增强的复合材料零件的制造方法，采用了预先设置细长的工具来达到开孔的目的，但是这种方式无法满足对CFRP的加工要求。CFRP在开孔过程中，碳纤维以脆性断裂的方式被去除，只能带走很少加工产生的热量，所以使刀具切削刃温度非常高，从而降低了刀具的寿命。同时，CFRP的基体材料易与刀具表层起化学反应，导致刀具表层强度降低，更严重的是，由于普通刀具强度不够，用普通刀具所开的孔，孔壁上常露出碳纤维的端部，使得孔壁不平滑，不满足工艺要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种CFRP的开孔方法，使得所开的孔孔壁平滑，满足相应的工艺要求，并使得开孔刀具的寿命大幅提高。
为此，本发明的技术方案具体包括以下内容：
一种CFRP的开孔方法，包括：
用具有金刚石涂层的第一钻头进行钻孔，以形成第一孔，钻孔时，所述第一钻头的转速为2500r/min~3500r/min，所述第一钻头的进给量为200mm/min~280mm/min，所述第一钻头的吃刀量为5mm~9mm；
用具有金刚石涂层的第二钻头对所述第一孔进行扩孔，扩孔时，所述第二钻头的转速为1500r/min~2500r/min，所述第二钻头的进给量为120mm/min~200mm/min，所述第二钻头的吃刀量为2mm~6mm。
可选的，所述第一钻头的直径为6.0mm；所述第二钻头的直径为9.5mm。
可选的，所述第一钻头采用啄钻的方式进行钻孔。
可选的，所述第二钻头采用啄钻的方式进行扩孔。
本发明还提供了另外一种CFRP的开孔方法，包括:
用具有金刚石涂层的第一钻头进行钻孔，以形成第二孔，钻孔时，所述第一钻头的转速为2500r/min~3500r/min，所述第一钻头的进给量为200mm/min~280mm/min，所述第一钻头的吃刀量为5mm~9mm；
用具有金刚石涂层的第二钻头对所述第二孔进行扩孔，扩孔时，所述第二钻头的转速为1500r/min~2500r/min，所述第二钻头的进给量120mm/min~200mm/min，所述第二钻头的吃刀量为2mm~6mm；
用具有金刚石涂层的铣刀对扩孔后的所述第二孔进行铣孔，铣孔时，所述铣刀的转速为2500r/min~3500r/min，所述铣刀的进给量为85mm/min~165mm/min，所述铣刀的吃刀量为5mm~9mm。
可选的，所述铣刀的直径为6.0mm。
可选的，所述铣刀采用圆心下刀轮廓铣。
本发明还提供了一种CFRP工件，其特征在于，该工件包括如权利要求1至4中任意一项所述方法形成的开孔和/或权利要求5至7中任意一项所述方法形成的开孔。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所提供的CFRP的开孔方法采用具有金刚石涂层的钻头来进行钻孔，能够迅速将CFRP平滑切削，防止刀具温度过高，采用先钻孔，再扩孔的方式进行开孔，并根据孔径大小调整所用的钻头，使得开孔快速且所开的孔孔壁平滑，开孔质量好。
本发明所提供的CFRP的开孔方法采取啄钻的方式，进一步降低了刀具温度过高的可能性，大大提高了刀具的使用寿命。
本发明所提供的CFRP的开孔方法在扩孔之后还利用铣刀进行铣孔，进一步满足了CFRP上开孔的公差要求。
附图说明
图1为本发明实施例CFRP板粗钻孔的示意图；
图2为本发明实施例CFRP板精钻孔的示意图；
图3为本发明实施例所用的具有金属石涂层的钻头的示意图；
图4为用普通刀具与用具有金刚石刀具在CFRP板上开孔的对比图；
图5为本发明实施例所用的铣刀的示意图；
图6为图5所示铣刀的切削头部正面放大图；
图7为本发明实施例的CFRP工件的示意图。
具体实施方式
发明人经过分析发现，当对CFRP材料进行开孔时，散热通过外部冷却及产品废屑带走。由于对CFRP加工是采用干切，所以外部冷却为热量向空气中散发和传递，这种散热方式速度慢。而脆性断裂只能产生很少废屑，热量被去除的很少，因而刀具温度会很高，从而会使得刀具寿命降低。
为此，本发明提供了一种CFRP的开孔方法，首先用具有金刚石涂层的第一钻头对CFRP进行钻孔（此时的钻孔亦即粗钻孔），形成第一孔，然后用具有金刚石涂层的第二钻头对第一孔进行扩孔（扩孔亦即精钻孔）。
如图1所示，在一个具体实施例中，在对CFRP板10进行钻孔（亦即粗钻孔）时，第一钻头的转速可以较快，并且此时对孔的平滑程度不作很高要求，因而可以迅速开孔，因此第一钻头的转速可以选择在2500r/min~3500r/min之间，作为一个较佳实施例，第一钻头的转速为3000r/min。同样的道理，在粗钻孔阶段，第一钻头的进给量和吃刀量都可以较大，发明人经实际操作得出，进给量在200mm/min~280mm/min之间较为合适，进一步优选的，进给量可以为240mm/min，第一钻头的吃刀量可以选择在5mm~9mm之间，进一步优选的，吃刀量可以为7mm。通过上述工艺参数的设定进行钻孔，可以得到孔11。
如图2所示，在对图1中得到的第一孔进行扩孔时（亦即精钻孔），第二钻头的转速相对于粗钻时要略有下调，这是因为转速越慢，刀具对孔壁的切削力越小，用较小的切削力能够将孔壁切削得越平滑。为此，在扩孔时，第二钻头的转速可以选择在1500~2500r/min之间，作为一个较佳实施例，第二钻头的转速为2000r/min，同样的道理，在精钻孔阶段，第二钻头的进给量和吃刀量都要比粗钻孔时要略有下调，为此，发明人实践得出，此时第二钻头的进给量可以选择在120mm/min~200mm/min，进一步优选的，进给量可以为200mm/min，第二钻头的吃刀量为2mm~6mm，进一步优选的，吃刀量为4mm。通过上述工艺参数的设定对孔11（图2中虚线所代表的圆形区域，亦可参考图1）进行扩孔，可以得到孔12（图2中实线代表的圆形区域）。
本发明中，刀具大小需要根据开孔大小而定的，作为一个具体实施例，在粗钻孔阶段，第一钻头的直径为6.0mm，在精钻孔阶段，第二钻头的直径为9.5mm。
在本发明的实施例中，第一钻头采用啄钻的方式进行钻孔，即钻头每钻一定深度就退后一点或者完全退出孔，以强制断屑或者方便排屑。可以采取每钻一定深度（例如1.0mm~5.0mm）就退出一小段距离（例如0.2mm）的步进进给方式，这样强制断屑并由内冷将铁屑冲出，这样的加工方式由于退刀很少（只有0.2mm），在实际加工中几乎感觉不到退刀动作，加工出的孔的精度和光度都能得到保证。也可以是钻一定深度后（例如5mm），强制钻头完全退出孔，排屑后再进到孔内继续钻孔。这样可以防止碎屑堆积导致钻头折断，同时也能减少因为碎屑堆积导致的钻尖热堆积而造成刀具快速磨损。
在本发明的实施例中，第二钻头同样采用啄钻的方式进行扩孔。在粗钻孔时所用第一钻头的直径为6.0mm，而在精钻孔阶段中采用的第二钻头的直径为9.5mm，因而在精钻孔阶段，可以仍然采用啄钻的方式进一步扩孔。采用上述具体的啄钻可以避免刀具切削刃温度过高，提高加工质量。
本发明采用具有金刚石涂层的刀具，这种刀具具有超高硬度、耐高温、耐磨、低摩擦系数、导热良好、化学性能稳定等特点。作为一种具体的实施例，该具有金刚石涂层的刀具的钻头如图3所示，该钻头20是由一种碳化钨(WC)基体制成，该基体具有范围在大约2wt.％到10wt.％之间的粘合的钴(Co)以及厚度在2μm到20μm之间的范围内的一个金刚石涂层。该钻头20包括一个杆21，一个纵向轴线22并包括两个槽23和24，它们的螺旋角相对于该轴线22是在25度到25度之间的一个范围内。
本发明还克服了刀具与CFRP的成分发生化学反应。CFRP的成分易与普通刀具表层起化学反应，导致普通刀具表层强度降低。这是因为CFRP的成分中包含合成树脂，通常是环氧树脂、聚乙烯、酚醛树脂等。普通刀具的涂层通常为TiN(氮化钛)或TiAlN（氮铝化钛），普通刀具在切削CFRP时，在高温的作用下，与CFRP的树脂成分发生化学反应，涂层破坏，刀具迅速失效。而金刚石的化学性质非常稳定，具有金刚石涂层的刀具不易与CFRP中的基体材料发生化学反应，特别是CVD（ChemicalVaporDeposition,化学气相沉淀）金刚石涂层刀具，由于CVD金刚石不含任何金属催化剂，它的热稳定性接近天然金刚石，因而可以避免CFRP的成分与刀具表层起化学反应。
普通刀具在加工过程中磨损比较厉害，刀具从锋利变成钝化，导致在CFRP开孔过程中，碳纤维未能完整切断而残留在孔内，影响开孔表面外观，如图4（a）表示。选择金刚石涂层刀具，并合理设定刀具的加工参数，可以避免出现碳纤维未能完整切断而残留在孔内的现象。如图4（b）所示。
本发明还可以避免在切削过程中CFRP的复合层板发生断层现象。除了单纯的CFRP板，CFRP还经常与轻金属（铝或钛）一起做成复合层板，典型的层板结构有以下几种：CFRP层和铝层，CFRP层和钛层，两层铝层中间设置CFRP层。如果刀具不锋利时，在加工过程中，很容易使各层分离，而选择金刚石涂层刀具和上述合理刀具参数就可以避免产品出现这种现象。
本发明还提供了另外一种CFRP的开孔方法，包括：首先用具有金刚石涂层的第一钻头进行钻孔，以形成第二孔，钻孔时，第一钻头的转速为2500r/min~3500r/min，第一钻头的进给量为200mm/min~280mm/min，第一钻头的吃刀量为5mm~9mm。然后用具有金刚石涂层的第二钻头对所述第二孔进行扩孔，扩孔时，第二钻头的转速为1500r/min~2500r/min，第二钻头的进给量120mm/min~200mm/min，第二钻头的吃刀量为2mm~6mm。最后用具有金刚石涂层的铣刀对扩孔后的所述第二孔进行铣孔，铣孔时，铣刀的转速为2500r/min~3500r/min，铣刀的进给量为85mm/min～165mm/min，铣刀的吃刀量为5mm~9mm。
对比第一种CFRP的开孔方法，本方法多了在扩孔后的开孔进行铣孔。而上述工艺参数选取的原因与第一种方法相同。本方法中，铣刀的直径可以选择为6.0mm，铣刀采用圆心下刀轮廓铣。铣孔最主要的目的是满足工件的公差要求，因为铣孔可以使得开孔更加平滑，公差更小。
作为一种具体的实施例，本方法所用的铣刀30，请结合参考图5和图6。该铣刀30包括一个车床夹持部34、一个杆33、一个颈部32、一个切削头部31。铣刀30具有一种刀具几何形状，该几何形状带有以下特征：在大约2度至大约6度之间的一个凹角、在大约3度至大约18度之间的一个螺旋角、在大约0度与大约13度之间的一个铣齿径向前角、在大约8度与大约16度之间的一个周边铣齿径向前角、在大约3度至大约10度之间的一个齿缝轴向前角、以及在大约10度至大约18度之间的一个主后角。该铣刀30外表面包覆有金刚石涂层。图6为图5所显示的钻头中，切削头部31的正面放大视图。可以看出，切削头部31的几何形状呈现风车形，而在四个风车翼上的刀刃部包括有金刚石涂层311。
本发明还提供了一种CFRP工件，该工件包括上述第一种方法形成的第一类开孔和上述第二种方法形成的第二类开孔。其中第一种方法形成的第一类开孔指通过了上述钻孔和扩孔过程形成的开孔，第二种方法形成的第二类开孔指经过了上述钻孔、扩孔和铣孔过程后得到的开孔。当然，该工件除上述两类开孔之外，还可以包括有其它的开孔和其它的结构。请参考图7，图7为上述CFRP工件实施例的结构示意图。该CFRP工件40包括有孔41和孔42，其中孔41（类似于图2中的孔12）是经过上述第一种方法而得到的，而孔42是经过上述第二种方法得到的。另外，该CFRP工件40还可以包括有其它的开孔和其它的结构。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (6)
1.一种CFRP的开孔方法，其特征在于，包括：
用具有金刚石涂层的第一钻头进行钻孔，以形成第一孔，钻孔时，所述第一钻头的转速为2500r/min～3500r/min，所述第一钻头的进给量为200mm/min～280mm/min，所述第一钻头的吃刀量为5mm～9mm；
用具有金刚石涂层的第二钻头对所述第一孔进行扩孔，扩孔时，所述第二钻头的转速为1500r/min～2500r/min，所述第二钻头的进给量为120mm/min～200mm/min，所述第二钻头的吃刀量为2mm～6mm；
所述第一钻头的直径为6.0mm；所述第二钻头的直径为9.5mm。
2.如权利要求1所述的CFRP的开孔方法，其特征在于，所述第一钻头采用啄钻的方式进行钻孔。
3.如权利要求1所述的CFRP的开孔方法，其特征在于，所述第二钻头采用啄钻的方式进行扩孔。
4.一种CFRP的开孔方法，其特征在于，包括：
用具有金刚石涂层的第一钻头进行钻孔，以形成第二孔，钻孔时，所述第一钻头的转速为2500r/min～3500r/min，所述第一钻头的进给量为200mm/min～280mm/min，所述第一钻头的吃刀量为5mm～9mm；
用具有金刚石涂层的第二钻头对所述第二孔进行扩孔，扩孔时，所述第二钻头的转速为1500r/min～2500r/min，所述第二钻头的进给量为120mm/min～200mm/min，所述第二钻头的吃刀量为2mm～6mm；
所述第一钻头的直径为6.0mm；所述第二钻头的直径为9.5mm；
用具有金刚石涂层的铣刀对扩孔后的所述第二孔进行铣孔，铣孔时，所述铣刀的转速为2500r/min～3500r/min，所述铣刀的进给量为85mm/min～165mm/min，所述铣刀的吃刀量为5mm～9mm；
所述铣刀的直径为6.0mm。
5.如权利要求4所述的CFRP的开孔方法，其特征在于，所述铣刀采用圆心下刀轮廓铣。
6.一种CFRP工件，其特征在于，该工件包括如权利要求1至3中任意一项所述的CFRP的开孔方法形成的开孔和/或权利要求4至5中任意一项所述CFRP的开孔方法形成的开孔。
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