負壓逆向冷卻的纖維增強復合材料高質量加工方法
【專利摘要】本發(fā)明負壓逆向冷卻的纖維增強復合材料高質量加工方法屬于切削加工技術領域，涉及一種纖維增強復合材料高質量鉆削制孔的加工方法。該方法在鉆削由多層預浸料鋪放固化而成的纖維增強復合材料工件不同位置時，實施不同的冷卻工藝。首先利用負壓罩在纖維增強復合材料制孔過程中貼附于復合材料表面，利用氣泵在負壓罩及鉆削孔腔內產(chǎn)生負壓，迅速收集鉆削粉塵以及切屑，并通過刀具氣泵在鉆頭內冷孔附近產(chǎn)生正壓，輔助切屑降溫。在鉆削至材料最后幾層時，鉆頭內冷孔由正壓通氣改為負壓吸氣，對出口部位材料產(chǎn)生較大的負壓，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，實現(xiàn)纖維增強復合材料高質量制孔加工。
【專利說明】
負壓逆向冷卻的纖維増強復合材料高質量加工方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于切削加工技術領域，涉及一種纖維增強復合材料高質量鉆削制孔的加工方法。
【背景技術】
[0002]纖維增強復合材料因質量輕、強度高等優(yōu)異性能已經(jīng)逐漸代替金屬被廣泛應用到多種工程領域中，如芳綸纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料現(xiàn)已被用于制造飛機大型結構件。盡管纖維增強復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，進行鉚接、螺栓連接等。由于纖維增強復合材料由基體和纖維增強相組成，材料本身各向異性，且基體和纖維增強相間結合強度低，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，當切削溫度超過基體玻璃轉化溫度后，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部向外噴射冷卻介質的切削工藝。如哈爾濱理工大學劉利等人發(fā)明了 “碳纖維復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)通過與機床主軸連接，通過抽吸空氣，從而收集復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)域的高溫進行抑制，因此無法解決加工熱損傷問題。美國肯塔基大學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冷孔向切削區(qū)通入低溫氮氣的方式降低切削區(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現(xiàn)纖維增強復合材料的高質量制孔加工。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明針對現(xiàn)階段纖維增強復合材料制孔過程中出口毛刺嚴重，排肩困難且切削區(qū)溫度過高的問題，發(fā)明了負壓逆向冷卻的纖維增強復合材料高質量加工方法。該方法在纖維增強復合材料制孔加工中，通過在負壓罩及鉆削孔腔內產(chǎn)生負壓，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冷孔附近產(chǎn)生正壓，加速切肩排出過程，進一步降低刀具和切削區(qū)溫度，當鉆頭鉆尖接近纖維增強復合材料出口幾層時，鉆頭內冷孔由正壓通氣改為負壓吸氣，在鉆削最后出口一層過程中實現(xiàn)出口位置附近產(chǎn)生較大的負壓，為鉆削過程提供支撐，從而有效降低分層，減小毛刺缺陷，實現(xiàn)纖維增強復合材料的高質量制孔加工。
[0004]本發(fā)明采用的技術方案是負壓逆向冷卻的纖維增強復合材料高質量加工方法，其特征是，該方法在鉆削由多層預浸料鋪放固化而成的纖維增強復合材料工件不同位置時，實施不同的冷卻工藝;首先利用負壓罩在纖維增強復合材料制孔過程中貼附于復合材料表面，利用氣栗在負壓罩及鉆削孔腔內產(chǎn)生負壓，迅速收集鉆削粉塵以及切肩，并通過刀具氣栗在鉆頭內冷孔附近產(chǎn)生正壓，輔助切肩降溫，在鉆削至材料最后幾層時，鉆頭內冷孔由正壓通氣改為負壓吸氣，對出口部位材料產(chǎn)生較大的負壓，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)將負壓罩I緊貼附于纖維增強復合材料工件2的工件上表面3，負壓罩I另一端與主軸10相連接;打開負壓排肩氣栗4，調節(jié)流量調節(jié)閥5控制負壓罩腔12以及鉆削孔腔13內負壓的大小；同時打開刀具氣栗6，調整換向閥7，使氣流方向為從刀具氣栗6至鉆削孔腔13方向，并調節(jié)刀具氣體流量調節(jié)閥8控制鉆頭內冷孔14正壓氣流流量的大?。淮蜷_負壓罩I兩側的左側單向閥18、右側單向閥19，保證排肩氣栗4順利抽吸負壓罩腔12內的空氣并防止切肩、粉塵外泄；
[0006]2)設定鉆頭9的加工參數(shù):主軸轉速和進給速度，開動主軸10進行鉆削加工;排出的切肩通過負壓罩孔11進入切肩收集裝置15;
[0007]3)通過對設定的進給速度和工件厚度數(shù)據(jù)進行計算，當鉆削至材料最后幾層16時，機床控制系統(tǒng)自動調整換向閥7，使鉆頭內冷孔由正壓通氣改為負壓吸氣，氣流方向為從鉆削孔腔13返回刀具氣栗6方向，對出口部位材料產(chǎn)生較大的負壓，并調節(jié)刀具氣體流量調節(jié)閥8加大負壓氣流流量；
[0008]4)在負壓排肩氣栗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，實施不同的冷卻工藝，可高效排出纖維增強復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，采用負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是纖維增強復合材料加工示意圖；圖2是纖維增強復合材料鉆削至最后幾層位置示意圖；圖3是鉆削纖維增強復合材料出口時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-負壓罩，2-纖維增強復合材料工件，3-工件上表面，4-負壓排肩氣栗，5-流量調節(jié)閥，6-刀具氣栗，7-換向閥，8-刀具氣體流量調節(jié)閥，9-鉆頭，10-主軸，11-負壓罩孔，12-負壓罩腔，13-鉆削孔腔，14-鉆頭內冷孔，15-切肩收集裝置，16-材料最后幾層，17-出口位置，18-左側單向閥，19-右側單向閥。
【具體實施方式】
[0011]以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0012]負壓逆向冷卻的纖維增強復合材料高質量加工方法采用如圖1所示的加工系統(tǒng)，選取纖維增強復合材料工件是由20層預浸料鋪放固化而成，厚度為4mm，每一層厚度約為
0.2mm。將負壓罩I緊貼附于纖維增強復合材料工件2的工件上表面3，負壓罩I另一端與主軸10相連接。打開負壓排肩氣栗4，調節(jié)流量調節(jié)閥5控制負壓氣流流量為5L/min。同時打開刀具氣栗6，調整換向閥7，使氣流方向為從刀具氣栗6至鉆削孔腔13方向，并調節(jié)刀具氣體流量調節(jié)閥8控制正壓氣流流量為2L/min，打開負壓罩左側單向閥18、右側單向閥19，保證排肩氣栗4順利抽吸負壓罩腔12內的空氣并防止切肩、粉塵外泄。
[0013]設定鉆頭9的加工參數(shù)為主軸轉速3000r/min，進給100mm/min，開動主軸10進行鉆削加工，排出的切肩通過負壓罩孔11進入切肩收集裝置15。從刀具接觸工件材料時刻起，通過進給速度和工件厚度數(shù)據(jù)進行計算，2.16秒后鉆頭9鉆削至材料最后幾層16時，機床控制系統(tǒng)自動調整換向閥7，使氣流方向為從鉆削孔腔13返回刀具氣栗6方向，并調節(jié)刀具氣體流量調節(jié)閥8加大負壓氣流流量至3L/min，在負壓排肩氣栗4與刀具氣栗6同時作用下，鉆削出口位置17附近產(chǎn)生較大的負壓，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驗結果如圖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，加工后孔質量好。
[0015]采用本發(fā)明對纖維增強復合材料進行制孔加工，在鉆削過程中的不同位置，實施不同的冷卻工藝，可高效排出纖維增強復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，采用負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。
【主權項】
1.負壓逆向冷卻的纖維增強復合材料高質量加工方法，其特征是，該方法在鉆削由多層預浸料鋪放固化而成的纖維增強復合材料工件不同位置時，實施不同的冷卻工藝;首先利用負壓罩在纖維增強復合材料制孔過程中貼附于復合材料表面，利用氣栗在負壓罩及鉆削孔腔內產(chǎn)生負壓，迅速收集鉆削粉塵以及切肩，并通過刀具氣栗在鉆頭內冷孔附近產(chǎn)生正壓，輔助切肩降溫，在鉆削至材料最后幾層時，鉆頭內冷孔由正壓通氣改為負壓吸氣，對出口部位材料產(chǎn)生較大的負壓，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)將負壓罩(I)緊貼附于纖維增強復合材料工件(2)的工件上表面(3)，負壓罩(I)另一端與主軸(10)相連接;打開負壓排肩氣栗(4)，調節(jié)流量調節(jié)閥(5)控制負壓罩腔(12)以及鉆削孔腔(13)內負壓的大??；同時打開刀具氣栗(6)，調整換向閥(7)，使氣流方向為從刀具氣栗(6)至鉆削孔腔(13)方向，并調節(jié)刀具氣體流量調節(jié)閥(8)控制鉆頭內冷孔(14)正壓氣流流量的大小;打開負壓罩(I)兩側的左側單向閥(18)、右側單向閥(19)，保證排肩氣栗(4)順利抽吸負壓罩腔(12)內的空氣并防止切肩、粉塵外泄； 2)設定鉆頭(9)的加工參數(shù):主軸轉速和進給速度，開動主軸(10)進行鉆削加工;排出的切肩通過負壓罩孔(11)進入切肩收集裝置(15); 3)通過對設定的進給速度和工件厚度數(shù)據(jù)進行計算，當鉆削至材料最后幾層(16)時，機床控制系統(tǒng)自動調整換向閥(7)，使鉆頭內冷孔由正壓通氣改為負壓吸氣，氣流方向為從鉆削孔腔(13)返回刀具氣栗(6)方向，對出口部位材料產(chǎn)生較大的負壓，并調節(jié)刀具氣體流量調節(jié)閥(8)加大負壓氣流流量； 4)在負壓排肩氣栗(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, 郭會彬
【申請人】大連理工大學