一种碳纤维复合材料高效制孔刀具及倾角制孔方法

摘要

本发明公开一种碳纤维复合材料高效制孔刀具及倾角制孔方法，属于碳纤维复合材料机械加工领域，刀具包括依次连接的刀杆、补铣切削刃、复合切削部、底部切削部。倾角制孔方法主要包括：计算参数；刀具平行于孔径轴线并自转沿轴向向下进给，逐层分流式加工，使得孔径误差最终保持IT7‑IT8；若孔径误差不满足IT8‑IT9，调整刀具与孔径轴线倾角，进行预铣孔，零空程补铣终孔，调整刀具轴线平行于孔径轴线及偏心距，去除孔径余量；若不满足IT7‑IT8，保持刀具与孔径轴线倾角，预铣孔及补铣终孔，制孔结束刀具回到初始零点，进行质量检测。本发明的碳纤维复合材料高效制孔刀具及倾角制孔方法可避免复合材料出现毛刺、分层等加工缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料机械加工领域领域，特别是涉及一种碳纤维复合材料高效制孔刀具及倾角制孔方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，轻量化、高品质装备受到世界各国的高度关注，碳纤维复合材料(CFRP)是以碳纤维为增强体的树脂基复合材料，具有重量轻、比强高、比模量高、耐腐蚀和可设计性强等优异性能，被广泛应用于航空航天领域，波音系列客机采用CFRP材料达50％以上，A380飞机仅3个机身段连接孔大于10000个，每对机翼需要8000多个连接孔，但由于CFRP具有非均质、各向异性、层间强度低和碳纤维硬度高的特点，容易出现分层、撕裂和毛刺等加工缺陷，使得加工质量难以保障，严重影响了CFRP承力、连接结构件的疲劳寿命和连接强度。传统钻孔技术主要通过减小刀具横刃长度、增加前角设计和碳纤维复合材料出口侧支撑来减小分层、撕裂加工缺陷的产生，但已产生的毛刺缺陷，不能有效的通过同一次钻削加工工序进行去除或修整，制约了加工效率，孔径质量难以保证。螺旋铣孔工艺通过降低轴向力降低制孔毛刺容易导致刀具局部磨损加剧，降低刀具寿命，同样无法一次性加工完成毛刺去除或修整，制约生产效率及制件品质。因此，迫切的需要一种高效的碳纤维复合材料制孔刀具及可靠的制孔方法，一次制孔加工降低毛刺或分层等缺陷的可能性，实现逐层加工及倾角修整制孔方法，提高刀具使用寿命及孔件质量，实现高品质、高效制孔。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料高效制孔刀具及倾角制孔方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现逐层加工及倾角修整制孔方法，提高刀具使用寿命及孔件质量，实现高品质、高效制孔。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种采用碳纤维复合材料高效制孔刀具的倾角制孔方法，包括如下步骤：

S1、计算孔径、刀具参数、材料厚度、偏心距和工艺参数；将碳纤维复合材料高效制孔刀具平行于孔径轴线，并自转沿着轴向向下进给，应用刀具底部切削部和复合切削部依次进行压紧式内轮廓圆周铣孔，逐层完成分流式粗加工、半精加工、精加工，使得孔径误差满足IT8-IT9，并最终保持IT7-IT8；调整偏心距归零，避免刀具与孔壁干涉，刀具回到初始零点，完成加工，进行质量检测；

S2、若孔径误差不满足IT8-IT9范围时，调整碳纤维复合材料高效制孔刀具轴线与孔径轴线倾角范围1°-3°，制定内轮廓圆周铣孔工艺参数，刀具保持倾角并沿着轴向向下逐层完成分流式进给，进行压紧式内轮廓圆周倾角预铣孔，余量0.01-0.05mm；最终补铣终孔，引入零空程补铣终孔，保持刀具轴线平行于孔径轴线，调整刀具偏心距去除孔径余量，满足孔径要求，应用补铣切削刃随着刀具自转轴向向上进行内轮廓圆周补铣终孔，直至孔径误差满足IT8-IT9范围，完成加工，进行质量检测；

S3、若孔径误差满足IT8-IT9范围，不满足IT7-IT8范围时，调整碳纤维复合材料高效制孔刀具轴线与孔径轴线倾角范围1°-3°，余量0.01-0.03mm，制定内轮廓圆周铣孔工艺参数，进行逐层倾角预铣孔，刀具保持倾角并沿着轴向向下逐层完成分流式进给，进行压紧式内轮廓圆周倾角预铣孔；最终补铣终孔，保持倾角不变，调整偏心距去除余量，应用补铣切削刃随着刀具自转轴向向上进行零空程补铣终孔，直至孔径误差满足IT7-IT8范围，完成加工，进行质量检测。

本发明还提供一种碳纤维复合材料高效制孔刀具，包括刀杆，所述刀杆底部连接有补铣切削刃，所述补铣切削刃底部连接有复合切削部，所述复合切削部连接有底部切削部；所述刀杆的直径D1小于所述补铣切削刃的直径D2，且(D2-D1)/2的大小为0.1-0.5mm；所述复合切削部包括与所述补铣切削刃连接的顶刃和与所述底部切削部连接的末刃，所述顶刃与所述末刃之间连接有周刃；所述周刃包括呈角度连接的右旋切削刃和左旋切削刃；所述右旋切削刃包括右旋切削刃前刀面和右旋切削刃后刀面，所述左旋切削刃包括左旋切削刃前刀面和左旋切削刃后刀面；所述底部切削部包括多个齿，每个齿均包括底部切削刃，所述底部切削刃包括底刃前刀面和底刃后刀面。

可选的，所述复合切削部分的直径D3(i)＝D4+2H₃(i).tanδ，i＝1,..,max，H₃₍₁₎＝1.5H_CFRP，H_3(max)＝3H_CFRP；其中H₃(i)为复合切削部长度，D4为底部切削部直径，且D_孔/D4＝1.2-1.4，D_孔为代加工孔径，H_CFRP为碳纤维复合材料厚度，δ为周刃与刀具轴线的夹角，δ取1°-3°,D2＝D3(i)。

可选的，所述补铣切削刃具有不等齿间距分布的4-8个齿，齿间角分别为θ₁、θ₂、θ₃，按照中心对称布置，且θ₁＞θ₂＞θ₃。

可选的，所述补铣切削刃采用直刃结构或排屑刃结构或直刃结构与排屑刃结构相结合且间隔分布的结构。

可选的，所述顶刃为直切削刃或圆角半径为0.01-0.05mm的圆角切削刃。

可选的，所述左旋切削刃的螺旋角β₁与所述右旋切削刃的螺旋角β₂为等螺旋角设计或不等螺旋角设计或渐变螺旋角设计。

可选的，所述底部切削部的齿包括两个过芯齿和多个非过芯齿结合；过芯齿为直刃底部切削刃，采用呈180°布置的一字齿或Z字齿；所述底部切削部的齿采用中心对称布置的不等齿间距分布，且满足L1＞L2＞L3的不等齿设计，L为齿的长度。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明能够实现一次制孔，分流式完成粗加工、半精加工、精加工，满足制孔精度要求，提高生产效率，降低刀具局部磨损，降低生产成本。引入倾角预铣孔方法，逐层完成钻孔、扩孔、铰孔、修孔，有效去除毛刺等缺陷，提高孔径精度，降低刀具局部磨损，应用补铣切削刃进行孔径修整，降低制孔缺陷产生的可能性，提高了制孔效率。应用倾角式逐层铣削预制孔与倾角式补铣终孔相结合，能够有效降低切削力，去除纤维毛刺缺陷，避免分层、撕裂的产生，实现高品质、高效率加工。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明碳纤维复合材料高效制孔刀具整体示意图；

图2为复合切削部结构示意图；

图3为补铣切削刃采用不等齿间距直刃结构示意图；

图4为补铣切削刃采用不等齿间距排屑刃结构示意图；

图5为补铣切削刃采用不等齿间距直刃与排屑刃相结合示意图；

图6为顶刃采用直切削刃结构示意图；

图7为顶刃采用圆角切削刃结构示意图；

图8.为底部切削部及不等齿间距示意图；

图9为底部切削刃一字齿结构示意图；

图10为底部切削刃Z字齿结构示意图；

图11为底部切削刃采用不等齿结构示意图；

图12为本发明采用碳纤维复合材料高效制孔刀具的倾角制孔方法流程示意图；

图13为逐层倾角预铣孔及补铣终孔过程示意图；

其中，1为刀杆、2为补铣切削刃、3为复合切削部、31为顶刃、32为周刃、321为右旋切削刃、3211为右旋切削刃前刀面、3212为右旋切削刃后刀面、322为左旋切削刃、3221为左旋切削刃前刀面、3222为左旋切削刃后刀面、33为末刃、4为底部切削部、41为底部切削刃、42为底刃前刀面、43为底刃后刀面。

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。

本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料高效制孔刀具及倾角制孔方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现逐层加工及倾角修整制孔方法，提高刀具使用寿命及孔件质量，实现高品质、高效制孔。

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。

如图1所示，本发明提供的碳纤维复合材料高效制孔刀具包括刀杆1、补铣切削刃2、复合切削部3、底部切削部4。如图2所示，复合切削部3包括顶刃31，周刃32，末刃33，周刃32包括右旋切削刃321、右旋切削刃前刀面3211、右旋切削刃后刀面3212和左旋切削刃322、左旋切削刃前刀面3221、左旋切削刃后刀面3222。补铣切削刃2通过顶刃31与复合切削部3连接，复合切削部3通过末刃33与底部切削部4连接。右旋切削刃螺旋角β₁，左旋切削刃螺旋角β₂。

如图3-图11所示，左旋切削刃322与右旋切削刃321采用等螺旋角设计，如右旋切削刃321螺旋角β₁为20°，左旋切削刃322螺旋角β₂为20°。或者左旋切削刃322与右旋切削321刃采用不等螺旋角设计，如右旋切削刃321螺旋角β₁为27°，左旋切削刃322螺旋角β₂为25°。或者左旋切削刃322与右旋切削刃321采用变螺旋角设计，如右旋切削刃321螺旋角β₁为27°

-20°渐变，左旋切削刃322螺旋角β₂为为27°-20°渐变。

如图1所示，刀杆1与补铣切削刃2连接，刀杆1的直径D1小于补铣切削刃2的直径D2，满足(D2-D1)/2在0.1-0.5mm范围内。复合切削部3的直径D3(i)根据复合切削部长度H₃(i)及底部切削部4直径D4决定，满足D3(i)＝D4+2H₃(i).tanδ，i＝1,..,max,H₃(1)＝1.5H_CFRP，H₃(max)＝3H_CFRP，优选H₃＝2H_CFRP，H_CFRP为碳纤维复合材料厚度，δ为周刃与刀具轴线的夹角，δ取1°-3°，D2＝D3(i)，

底部切削部4的直径D4满足D孔/D4＝1.2-1.4，齿数为4-8，优选6齿，其中两个齿过芯，组成过芯齿，其他齿不过芯。

H₃＝1.5H_CFRP，D3(i)＝D4+2H₃(i).tanδ，其中H_CFRP取1-8mm，D4取6-12mm，δ取1°-3°。

于另一实施例中，H₃＝2H_CFRP，D3(i)＝D4+2H3(i).tanδ，其中H_CFRP取1-8mm，D4取6-12mm，δ取1°-3°。或H₃＝3H_CFRP，D3(i)＝D4+2H₃(i).tanδ，其中H_CFRP取1-8mm，D4取6-12mm，δ取1°-3°。

D2＝D3(i)，(D2-D1)/2取0.2mm。

于另一实施例中，D2＝D3(i)，(D2-D1)/2取0.3mm。或D2＝D3(i)，(D2-D1)/2取0.5mm。

如图3-5所示，补铣切削刃2具有4-8齿，优选6齿结构，6齿采用不等间齿距分布，齿间角分别为θ₁、θ₂、θ₃，按照中心对称布置，θ₁＞θ₂＞θ₃，优选θ₁＝80°，θ₂＝60°，θ₃＝40°。

于另一实施例中，补铣切削刃2采用不等齿间距的直刃结构，如图3所示。或补铣切削刃2采用不等齿间距的排屑刃结构，如图4所示。或补铣切削刃2采用不等齿间距的直刃与排屑刃间隔布置结构，如图5所示。

顶刃为直切削刃，如图6所示。于另一实施例中，顶刃为圆角切削刃，圆角半径取0.01-0.05mm，如图7所示。

底部切削部4的齿包括底部切削刃41、底刃前刀面42、底刃后刀面43，如图8所示。底部切削刃41采用不等齿间距分布，齿间角分别为θ₁、θ₂、θ₃，按照中心对称布置，θ₁＞θ₂＞θ₃，优选θ₁＝80°，θ₂＝60°，θ₃＝40°

于另一实施例中，底部切削部4的两个过芯齿采用直刃底部切削刃，呈一字齿，按照180°布置，如图9所示。

于另一实施例中，底部切削部4的过芯齿采用直刃底部切削刃，呈Z字齿，按照180°布置，如图10所示。

底部切削部分4的6齿采用不等齿设计，满足L1＞L2＞L3，按照中心对称布置，优选L1＝D4/2,L2＝D4/3，L3＝D4/4，如图11所示。

本发明还提供一种采用碳纤维复合材料高效制孔刀具的倾角制孔方法，首先计算孔径、刀具参数、材料厚度、偏心距、工艺参数等，进行逐层倾角预制孔，刀具轴线平行于孔径轴线，刀具自转沿着轴向向下进给，应用底部切削部4和复合切削部3依次进行压紧式内轮廓圆周铣孔，逐层完成分流式粗加工、半精加工、精加工，使得孔径误差满足IT8-IT9，并保持IT7-IT8；调整偏心距归零，保证刀具与孔径的同轴度，避免刀具与孔壁干涉，刀具回到初始零点，完成加工并进行质量检测，如图12所示。

若孔径误差不满足IT8-IT9范围时，进行逐层倾角预制孔，调整本发明刀具轴线与孔径轴线倾角γ范围1°-3°，制定内轮廓圆周铣孔工艺参数，刀具保持倾角按照自转速度ns，应用底部切削部4和复合切削部3依次进行轴向向下逐层完成分流式进给，按照公转速度nw进行压紧式内轮廓圆周倾角预铣孔，余量0.01-0.05mm，进行逐层分流式制孔，即倾角预铣孔；之后补铣终孔：引入零空程补铣终孔，调整刀具轴线平行于孔径轴线，即γ等于0°，调整刀具偏心距，去除孔径余量，满足孔径要求，应用补铣切削刃随着刀具自转轴向向上进行内轮廓圆周补铣终孔，使得孔径误差保持IT7-TI8；制孔结束刀具回到初始零点，完成加工并进行质量检测，如图12、13所示。

若孔径误差满足IT8-IT9，不满足IT7-TI8要求，先进行逐层倾角预制孔，调整本发明刀具轴线与孔径轴线倾角γ范围1°-3°，制定内轮廓圆周铣孔工艺参数，刀具保持倾角按照自转速度ns，应用底部切削部4和复合切削部3，沿着轴向向下逐层完成分流式进给，进行逐层分流式制孔，按照公转速度nw进行压紧式内轮廓圆周倾角预铣孔，余量0.01-0.03mm，进行逐层倾角预铣孔；然后补铣终孔：保持倾角1°-3°，即刀具轴线与孔径轴线倾角γ，调整偏心距，去除余量，进行零空程补铣终孔，应用补铣切削刃随着刀具自转轴向向上进行内轮廓圆周补铣终孔，使得孔径误差保持IT7-TI8；制孔结束。完成加工，进行质量检测，调整刀具轴线与孔径轴线保持同轴度，刀具回到初始零点，完成加工并进行质量检测，如图12、13所示。

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。