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CN113844064B - 一种cfrp低损伤滑动切削方法及制孔钻头 - Google Patents

一种cfrp低损伤滑动切削方法及制孔钻头 Download PDF

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CN113844064B CN202111111609.2A CN202111111609A CN113844064B CN 113844064 B CN113844064 B CN 113844064B CN 202111111609 A CN202111111609 A CN 202111111609A CN 113844064 B CN113844064 B CN 113844064B
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Abstract

本发明公开一种CFRP低损伤滑动切削方法,切削刃上任意点除沿合成切削方向运动之外,还沿切削刃在该点处相切的方向滑动,以在刀尖挤压作用和切削刃的滑动剪切作用下完成CFRP切削加工。该切削方法下,纤维不仅受与现有直角/斜角切削相同的刀尖挤压作用,更主要地受切削刃的滑动剪切作用,在刀尖的挤压与滑动剪切综合作用下,纤维更加容易被切断,减小了其在断裂之前的变形,断裂点也与理论位置更加接近,最终达到更高的加工表面精度,亚表面损伤也得以有效控制,使纤维断裂位置与预期位置更接近。本发明还提出一种CFRP低损伤制孔钻头,能够进行CFRP的滑动切削,解决孔壁亚表面损伤问题,提高孔径精度,提高CFRP加工质量。

Description

一种CFRP低损伤滑动切削方法及制孔钻头
技术领域
本发明属于机械加工领域,涉及CFRP材料制孔工艺,特别是涉及一种CFRP低损伤滑动切削方法及制孔钻头。
背景技术
CFRP(全称为:Carbon Fiber Reinforced Polymer)是碳纤维增强树脂基复合材料的英文缩写。
CFRP层合结构在航空航天领域获得了广泛的应用,针对CFRP材料的制孔加工,现有方法中主要利用麻花钻、匕首钻或其它改进钻头等刀具完成。以麻花钻为例,其结构如图1~2所示,在主运动和进给运动下,切削刃螺旋向下去除材料。CFRP每个铺层呈各向异性特点,制孔过程中若做与钻头轴线垂直的剖面,将主切削刃离散为一系列切削微元,当每个微元长度与纤维直径尺度相当时,可近似视为进行如图2(右边)所示的直角或斜角切削。全部切削微元组成了整个切削刃,其作用本质上是将纤维和基体在预期位置切断,各个切削刃相互配合即完成制孔动作。现有其它钻头制孔时的材料去除过程与麻花钻相似,纤维和基体均在切削刃的直角或斜角切削下完成去除,该过程即是钻削典型的基本行为。
如图1~2所示,由于CFRP层合结构具有显著各向异性特点,利用现有麻花钻或匕首钻等钻头进行加工时,由于主切削刃进行上述直角或斜角切削,单个铺层内不同的纤维方向上制孔质量差异极大。定义主运动与纤维之间的夹角θ为纤维方向角(如图2所示)。当0°<θ<90°时,纤维受切削刃挤压而发生断裂,实际断裂点与理论断裂点差异不大,纤维的弯曲变形较小,因此并不会对加工表面(孔壁)和亚表面(孔壁内侧材料)造成严重损伤。然而,当90°<θ<180°时,纤维主要受前刀面推挤而产生弯折,实际断裂点因纤维弯曲程度不同而分散分布,与理论断裂点差距较大,且因纤维发生大变形,纤维-基体界面大面积开裂,裂纹沿纤维方向持续扩展,造成加工表面粗糙度急剧增加,亚表面裂纹频发。然而,刀具在制孔周期内不得不进行大纤维方向角切削(即90°<θ<180°),这成为现有技术的主要缺陷和瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种CFRP低损伤滑动切削方法及制孔钻头,以解决上述传统制孔技术中存在的因大纤维方向角切削而产生的加工表面质量差、亚表面损伤和微裂纹损伤等问题,可进一步提高CFRP加工质量。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供一种CFRP低损伤滑动切削方法,包括:
切削刃上任意点除沿合成切削方向运动之外,还沿所述切削刃在该点相切的方向滑动,以在刀尖挤压作用和所述切削刃的滑动剪切作用下完成CFRP切削加工。
可选的,所述切削刃上任意点具有:
沿主运动和进给运动合成的切削方向的速度vs1
与所述切削刃相切方向的滑动切削速度vs2
本发明提出一种CFRP低损伤制孔钻头,包括:
钻头本体,所述钻头本体端部具备刀尖结构,所述刀尖结构用于提供沿钻削进给方向的挤压力;
滑动切削刃,所述滑动切削刃设置于所述钻头本体的外壁,且所述滑动切削刃沿所述钻头本体的轴向间隔设置有多个;所述滑动切削刃用于提供与所述滑动切削刃相切方向的滑动剪切力;
钻头副刃,所述钻头副刃沿所述钻头本体的轴向间隔设置有多个,且任意一所述钻头副刃均与一所述滑动切削刃衔接形成刃带;所述钻头副刃用于在钻孔过程中切除孔壁纤维与基体。所述钻头副刃可多次微量切除孔壁纤维,以获得更高孔径精度。
可选的,所述钻头本体上沿其钻削进给的反方向依次设置有第一切削区、第二切削区和第三切削区;所述滑动切削刃设置于所述第二切削区和所述第三切削区,所述第一切削区仅设置有钻头横刃、主切削刃和所述钻头副刃。
可选的,所述钻头本体的直径沿其钻削进给的反方向逐渐增大。
可选的,任意所述滑动切削刃的前角范围是10°-30°,后角范围是2°-5°。
可选的,任意相邻两所述刃带之间形成切削槽;所述切削槽的槽深为1-1.5mm,槽宽为1-1.5mm。
可选的,任意所述刃带的宽度为1-1.5mm。
可选的,任意所述滑动切削刃均位于与钻头轴向垂直的平面内。
可选的,所述第二切削区和所述第三切削区的所述滑动切削刃采用环槽形式制备,且任意环槽均具备螺旋趋势,相应的,任意所述滑动切削刃也均具备螺旋趋势。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果:
本发明提出的CFRP低损伤滑动切削方法,为了避免大纤维方向角切削对孔周材料产生过大损伤,采用滑动切削的方式切断CFRP中的纤维和基体,纤维不仅受与现有直角/斜角切削相同的刀尖挤压作用,更主要地受切削刃的滑动剪切作用。由于CFRP中纤维具有高脆性特点,刀具因滑动与纤维进行摩擦剪切,增加了局部接触区域的应力集中,由此在刀尖的挤压与滑动剪切综合作用下,纤维更加容易被切断,减小了其在断裂之前的变形,断裂点也与理论位置更加接近,最终达到更高的加工表面精度,亚表面损伤也得以有效控制使得纤维断裂位置与预期位置更加接近。
本发明还提出一种CFRP低损伤制孔钻头,能够用于对CFRP的滑动切削,其滑动切削刃和钻头副刃分别对纤维提供与滑动切削刃相切方向的滑动剪切力和沿切削进给方向的挤压力,多个滑动切削刃共同作用、渐次去除孔周材料,也解决了孔壁亚表面损伤问题,提高了孔径精度,可进一步提高CFRP加工质量。
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为传统钻削过程的切削形式示意图;
图2为图1中的A-A剖面图;
图3为现有制孔过程中主切削刃微元所进行的直角或斜角切削示意图;
图4为本发明实施例所公开的滑动切削原理分析图;
图5为本发明实施例所公开的CFRP低损伤制孔钻头的立体示意图;
图6为本发明实施例所公开的CFRP低损伤制孔钻头的轴向示意图;
图7为本发明实施例所公开的CFRP低损伤制孔钻头的侧视图;
图8为本发明实施例所公开的CFRP低损伤制孔钻头中滑动切削刃的设置位置示意图;
图9为本发明实施例所公开的CFRP低损伤制孔钻头的一个周期内运动轨迹示意图;
图10为本发明实施例所公开的CFRP低损伤制孔钻头的分区示意图。
其中,附图标记为:1、CFRP;2、刀具;21、刀尖;3、基体;4、纤维;5、钻头本体;51、滑动切削刃;52、钻头副刃;53、刃带;54、切削刃槽;
Cz1、第一切削区;Cz2、第二切削区;Cz3、第三切削区。
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。
本发明的目的之一是提供一种CFRP低损伤滑动切削方法,以解决传统制孔技术中存在的因大纤维方向角切削而产生的加工表面质量差、亚表面损伤和微裂纹损伤等问题,可进一步提高CFRP加工质量。
本发明的另一目的还在于提供一种CFRP低损伤制孔钻头,能够用于对CFRP的滑动切削。
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。
实施例一
本实施例提供一种CFRP低损伤滑动切削方法,具体为:切削刃上任意点除沿合成切削方向进给之外,还沿与所述切削刃相切的方向滑动,以在刀尖挤压作用和切削刃的滑动剪切作用下完成CFRP钻削加工。其中,“合成切削方向”即沿主运动和进给运动合成的切削方向。
本实施例中,切削刃上任意点同时具有沿主运动和进给运动合成的切削方向的速度vs1和与切削刃相切方向的滑动切削速度vs2
本实施例中,在采用CFRP低损伤滑动切削方法对CFRP进行钻削加工时,优选切削方向(进给方向)垂直于CFRP内任意铺层。用于其他材料的钻削也可如此。
下面对本实施例CFRP低损伤滑动切削方法的具体实施作具体说明。
如图3所示,给出了现有制孔过程中主切削刃微元所进行的直角或斜角切削。其特点是切削刃上任意点io仅沿与切削方向(钻头进给方向)相同的速度vo方向运动,纤维受到刀尖21的挤压作用,当挤压作用达到一定程度时纤维内部的应力状态方可满足断裂条件,此时刀尖21附近纤维将产生不同程度变形,进而形成微裂纹,刀具2继续向前运动,裂纹沿纤维方向向下扩展即造成亚表面损伤。
如图4所示,给出了应用本实施例CFRP低损伤滑动切削方法进行滑动切削的原理分析,切削刃上任意点is除沿合成切削方向(与钻头进给方向相同,实则为主运动和进给运动合成的切削方向)存在主运动速度vs1(与前述vs1为同一速度),同时还被提供与切削刃相切的滑动切削速度vs2(与前述vs2为同一速度)。其有益效果是,纤维不仅受与前述(如图1~3所示)直角/斜角切削相同的挤压作用,而且还更主要地受切削刃的滑动剪切作用。由于纤维具体高脆性特点,刀具2因滑动与纤维进行摩擦剪切,增加了局部接触区域的应力集中。由此,在刀尖21的挤压与剪切综合作用下,纤维更加容易被切断,减小了其在断裂之前的变形,因此断裂点也与理论位置更加接近,最终达到更高的加工表面精度,亚表面损伤也得以有效控制。
由此可见,本发明提出的对CFRP 1中纤维与基体的滑动切削方法,即在切削刃进行传统直角或斜角切削的同时,在侧向提供滑动切削速度(或滑动切削力),使切削刃与纤维产生强烈剪切作用,达到了更好的切削效果,即使得纤维断裂位置与预期位置更加接近,提高了钻削孔径的精度。
实施例二
如图5-10所示,本实施例提供一种CFRP低损伤制孔钻头,包括钻头本体5、滑动切削刃51和钻头副刃52,滑动切削刃51设置于钻头本体5的外壁,且滑动切削刃51沿钻头本体5的轴向间隔设置有多个;滑动切削刃51用于提供与滑动切削刃51相切方向的滑动剪切力;钻头副刃52,或称之为“侧向切削刃”,沿钻头本体5的轴向间隔设置有多个,且任意一钻头副刃52均与一滑动切削刃51衔接形成刃带53;钻头副刃52用于提供沿进给方向的挤压力。上述CFRP低损伤制孔钻头可用于实施实施例一所述的CFRP低损伤滑动切削方法。
本实施例中,如图10所示,钻头本体5上沿其切削进给的反方向依次设置有第一切削区Cz1、第二切削区Cz2和第三切削区Cz3;滑动切削刃51设置于第二切削区Cz2和第三切削区Cz3,第一切削区Cz1仅设置有钻头副刃52。
本实施例中,钻头本体5的直径沿其切削进给的反方向逐渐增大。
本实施例中,任意滑动切削刃51的前角范围是10°-30°,后角范围是2°-5°。
本实施例中,任意相邻两刃带53之间形成切削刃槽54;切削刃槽54的槽深优选为1-1.5mm,槽宽优选为1-1.5mm。
本实施例中,任意刃带53的宽度优选为1-1.5mm。
下面以对CFRP 1进行无损伤滑动切割为例,对本实施例CFRP低损伤制孔钻头的使用方法和使用原理作进一步说明。
钻削加工时,钻头本体5的进给方向(或合成切削方向)与CFRP 1内的任意一层铺层所在平面垂直(CFRP为具备多层铺层结构,该铺层结构多为树脂层,下述的纤维,可为CFRP内层铺于两树脂层之间的碳纤维),实现滑动切削的方式如图8所示。钻头本体5在主运动(图8和9所示)和进给运动(图8所示)作用下向下旋转切削,如图8所示为滑动切削刃51在钻头本体5上的位置,钻头本体5旋转一个周期内其运动轨迹如图9所示,若干滑动切削刃51共同切削下材料被渐次去除。如图10所示为钻头结构5的分区示意图,钻头直径Φ可为6-12mm,整个钻头结构5分为三个切削区域,即第一切削区Cz1、第二切削区Cz2和第三切削区Cz3,第一切削区Cz1、第二切削区Cz2和第三切削区Cz3的长度范围分别优选为2-4mm、6-12mm和1-4mm。第一切削区Cz1的作用与传统钻头完全相同,并不存在滑动切削;滑动切削刃51主要集中在第二切削区Cz2,孔径(所钻孔的孔径)在滑动切削刃51作用下逐渐扩大,直至达到终孔直径。如图10所示,其中的角度η的范围在2°-5°,落差h由第二切削区Cz2的轴向长度和η根据三角函数公式计算;滑动切削刃51的前角γs的范围优选为10°-30°,后角α的范围优选为2°-5°。在第二切削区Cz2和第三切削区Cz3内,切削刃槽54和刃带53的宽度(即沿钻头结构5轴向上的长度)均可优选为1-1.5mm,切削刃槽54的深度(即沿钻头结构5径向上的长度)可优选为1-1.5mm。
本实施例中,第二切削区Cz2上滑动切削刃51的数量优选设置为3-6个,第三切削区Cz3内滑动切削刃51的数量优选设置为1-3个。
由此可见,本发明基于滑动切削方法设计的切削钻头结构,钻头本体上分为三个切削区,第一切削区传统钻孔,第二切削区滑动切削扩孔,第三切削区滑动切削终孔。第二、三切削区采用环槽形式制备滑动切削刃,保证在钻头主运动和进给运动下切削刃与纤维基体产生相对滑动,实现其精准切削;且多个滑动切削刃共同作用、渐次去除孔周材料,解决了孔壁亚表面损伤问题,有利于提升孔径的精度。
需要说明的是,对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内,不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种CFRP低损伤制孔钻头,其特征在于,包括:
钻头本体,所述钻头本体端部具备刀尖结构,所述刀尖结构用于提供沿钻削进给方向的挤压力;所述钻头本体上沿其钻削进给的反方向依次设置有第一切削区、第二切削区和第三切削区;
滑动切削刃,所述滑动切削刃设置于所述钻头本体的外壁,且所述滑动切削刃沿所述钻头本体的轴向间隔设置有多个;所述滑动切削刃用于提供与所述滑动切削刃相切方向的滑动剪切力;
钻头副刃,所述钻头副刃沿所述钻头本体的轴向间隔设置有多个,且任意一所述钻头副刃均与一所述滑动切削刃衔接形成刃带;所述钻头副刃用于在钻孔过程中切除孔壁纤维与基体;
所述滑动切削刃设置于所述第二切削区和所述第三切削区,所述第一切削区仅设置有钻头横刃、主切削刃和所述钻头副刃。
2.根据权利要求1所述的CFRP低损伤制孔钻头,其特征在于,所述钻头本体的直径沿其钻削进给的反方向逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的CFRP低损伤制孔钻头,其特征在于,任意所述滑动切削刃的前角范围是10°~30°,后角范围是2°~5°。
4.根据权利要求1所述的CFRP低损伤制孔钻头,其特征在于,任意相邻两所述刃带之间形成切削槽;所述切削槽的槽深为1~1.5mm,槽宽为1~1.5mm。
5.根据权利要求1所述的CFRP低损伤制孔钻头,其特征在于,任意所述刃带的宽度为1~1.5mm。
6.根据权利要求1所述的CFRP低损伤制孔钻头,其特征在于,任意所述滑动切削刃均位于与钻头轴向垂直的平面内。
7.一种CFRP低损伤滑动切削方法,采用权利要求1~6任意一项所述的CFRP低损伤制孔钻头实施,其特征在于,包括:
切削刃上任意点除沿合成切削方向运动之外,还沿所述切削刃在该点相切的方向滑动,以在刀尖挤压作用和所述切削刃的滑动剪切作用下完成CFRP切削加工;其中,所述切削刃上任意点具有:
沿主运动和进给运动合成的切削方向的速度vs1
与所述切削刃相切方向的滑动切削速度vs2
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