CN101628346B - 一种减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度的方法及其缓冲装置 - Google Patents

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Abstract

一种减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度的方法及其缓冲装置，属于机械加工制造技术领域。其特征是定位排屑套1、导向伸缩部件2、外支撑部件3、压缩弹簧4、内支撑部件5组成，通过内支撑部件5末端的螺纹通孔用紧定螺钉与手风钻或手电钻实现快速装拆，压缩弹簧4的参数依据惯性能计算公式E＝m·V2/2和制孔轴向力的大小设计确定，缓冲装置内的弹簧随着钻孔深度增加被压缩，产生一个逐步增加的制孔阻力，减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度。本发明的效果和益处是能够显著减缓手工制孔的出口速度，有效地避免了碳纤维复合材料制孔出口的毛刺、撕裂和分层等缺陷，结构简单，能够与手风钻或手电钻快速简单装拆，安全防护性好。

Description

一种减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度的方法及其缓冲装置
技术领域
本发明属于机械加工制造技术领域，涉及到一种实现碳纤维复合材料高质量手工制孔的方法及装置。
背景技术
碳纤维复合材料具有一系列的优点而被广泛应用于航空、航天领域。孔加工在碳纤维复合材料构件的机械加工中占有很大的比重。由于材料的各向异性和层间强度低等特性，加上采用硬质合金钻头的传统手工制孔工艺，导致其制孔加工过程极易产生毛刺、撕裂和分层等缺陷，且加工效率低、废品率高。目前在航空和航天领域中采用碳纤维复合材料制造的机翼、垂尾、舱段等大型构件，由于其刚度较低，在装配制孔中仍然需要采用基于手风钻或手电钻的手工制孔工艺。然而手工制孔过程中因钻头钻透工件瞬间钻削力的急剧下降，使得手动钻削进给速度突然增加，引起的制孔出口处毛刺、撕裂和分层等各种缺陷，已经成为碳纤维复合材料构件手工制孔作业亟待解决的难题之一。
在期刊《经验借鉴》2007年第10期中，文献《一种防撞击破坏的缓冲装置》介绍了一种利用蝶形弹簧的弹力来实现撞击缓冲和自动复位的装置，该装置可减小附件对附件库的瞬间冲量，当外力消失后即可在蝶形弹簧的作用下自动复位，所以，该装置具有定位准确、自动复位及保护附件库和附件并延长其寿命等特点。装置尽管避免了附件对附件库的撞击破坏，但是装置的总体成本上升，同时安装及维修复杂，不易于普通工厂一般技术工人的操作。
在期刊《机械工人(冷加工)》2003年第12期中，文献《手电钻安装夹具》介绍了一种用于加工电机机身圆弧面上的盖板、百叶窗安装螺孔的手电钻安装夹具，该夹具在普通手电钻上安装滑槽、齿条，以齿轮、齿条为传动机构，通过长操作杆，以小力量产生大力矩，使手电钻钻削轻松。该夹具尽管降低了操作者的劳动强度，但是夹具的结构比较复杂，特别是对大尺寸件进行加工时，夹具前端的钩不能满足对工件的每个位置进行钻孔加工，使用范围受限。
在以往针对实现手风钻或手电钻法向力缓冲的专利发明中，有不同类型的例子，如专利名称为手电钻助力器，专利公开号为CN2642438Y，其特点是使用时钢套与手电钻尾部配合，助力器尾端顶窝与现场固定物配合，旋转手柄使伸缩顶座旋转推出丝杠，推动手电钻前行，利用螺杆伸涨的原理，使其定位后自行推进，眼位准确、角度不变、速度快。但该手电钻助力器结构复杂，组成零件都为金属，装置的总体重量较重，不便于现场操作工人灵活使用；专利名称为水平手电钻，专利公开号为CN2387993Y，该专利的技术方案是钻体组件的上部装有“T”字水平管，钻体组件的中部装有“一”字水平管，钻垂直孔时操作者眼睛观察钻体上部的“T”字水平管，可以左、右、前、后自由调节误差，确保垂直操作，准确地钻削每一个孔。但是，该水平手电钻不能保持匀速恒力进给，没有减缓钻钻透出口处的冲击力，同时操作者在钻孔的过程中还要时刻观察“T”字水平管，操作不方便，宜人性有待提高；专利名称为防骗手电钻，专利公开号为CN2266473Y，该专利的技术方案是在原有手电钻的后盖上开长方形孔，在孔内的电机轴承上依次安装垫片和与钻头轴向垂直的圆形水平仪，在孔壁上通过销轴铰接护盖，护盖的内上方安装有长条形水平仪。钻孔时将护盖打开，凭借圆形水平仪或长方形水平仪内气孔处于中心位置，保证所钻的孔与端面垂直，或依据气泡处于水平仪的不同刻度来钻预订斜度的孔。但是，该防偏手电钻的结构不是很合理，操作者为保证钻孔质量要时刻观察手电钻后盖上的水平仪，影响工作效率，不便于操作工人操作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度的方法及其缓冲装置，解决现有手工制孔作业存在的容易产生毛刺、撕裂或分层等问题。
本发明解决技术问题的方案是：通过在普通手风钻或手电钻上安装一个缓冲装置，缓冲装置内的压缩弹簧参数依据惯性能计算公式E＝m·V2/2和制孔轴向力的大小设计确定。制孔作业时，先卸下缓冲装置前的定位排屑套，再安装钻头，然后再重新安装好定位排屑套，并确定钻头的钻尖应高出定位排屑套左侧端面1-3mm；对准要制孔的位置，启动手风钻或手电钻并匀速推动其进给，通过定位排屑套与被加工表面接触，形成制孔反作用力，再通过导向伸缩部件作用到压缩弹簧上，产生一个逐步增加的制孔阻力，从而达到减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度，减少或消除制孔出口毛刺、撕裂和分层缺陷的目的。
根据上述方案所述的一种减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度的缓冲装置包括：定位排屑套、导向伸缩部件、外支撑部件、压缩弹簧、内支撑部件五部分，其部件结构和具体装配方式为：定位排屑套由透明有机玻璃制成，可以观察到内部刀具的进给位置和加工状况，其侧面留有一个可以连接吸尘器软管的接口，用来排出制孔过程中的切屑和粉尘；定位排屑套与导向伸缩部件通过螺纹连接或紧配合连接；压缩弹簧安装在外支撑部件和内支撑部件形成的环形腔内；内支撑部件末端对称分布有两个螺纹通孔，缓冲装置通过内支撑部件末端两个螺纹通孔用紧定螺钉与手风钻或手电钻实现快速装拆。
本发明的效果和益处是：实现了碳纤维复合材料少无毛刺、撕裂等缺陷的高质量制孔，加工工件达到航空及工业应用要求；发明的减缓制孔出口速度的缓冲装置能够与普通手风钻或手电钻快速简单装拆，满足了钻削加工中经常更换刀具的需要；发明的缓冲装置结构简单，携带方便轻巧，且带有吸尘连接口，可以方便地与吸尘器连接，无需辅助吸尘工人，降低了生产成本；缓冲装置的可拆卸透明定位排屑套不仅有利于钻头与工件表面的垂直对中，便于对加工区的观察，而且具有良好的安全防护作用。
附图说明
附图1是钻头钻入阶段A示意图。
附图2是正常钻削阶段B示意图。
附图3是钻头钻出阶段C示意图。
附图4是手工制孔过程Ff变化规律示意图。
附图5是手工制孔过程F变化规律示意图。
附图6是手工制孔过程Fk变化规律示意图。
附图7是安装缓冲装置前手工制孔合力ΔF的变化示意图。
附图8是安装缓冲装置后手工制孔合力ΔF的变化示意图。
附图9是一种实现减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度的缓冲装置结构示意图。
图中：1定位排屑套；2导向伸缩部件；3外支撑部件；4压缩弹簧；5内支撑部件。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本发明的一种减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度的方法原理阐述如下：
碳纤维复合材料制孔钻削过程中钻头的钻入可以分为三个阶段，即：钻入阶段A-钻头初始接触工件到钻尖部分全部进入工件，如图1所示；正常钻削阶段B-钻尖部分全部进入工件到钻尖接触工件背面，如图2所示；钻出阶段C-钻尖接触工件背面到钻尖部分全部钻出工件，如图3所示。设钻削轴向载荷力为F，人工施加的钻削推进力为Ff，本发明的缓冲装置产生的阻尼力为Fk，Fk＝k·s，其中s为缓冲装置中的压缩弹簧在钻削进给过程中的压缩量。
若制孔作业时不使用本发明的缓冲装置，则钻削过程中的合力由下面公式(1)确定：
ΔF＝Ff-F                                             (1)
当人工施加的推进力Ff增加到使得ΔF＞0时，钻头开始加速钻进，通常人工制孔作业时，施加的推进力Ffx总是会随着钻削轴向载荷力F的增大而加大；当钻削进入到正常钻削阶段B时，人工施加的推进力基本上达到与钻削轴向载荷力平衡，即Ff＝F，或ΔF＝0，此时的钻头处于恒速钻进状态；当钻削过程进入钻出阶段C时，由于钻削轴向载荷力F急剧减小，而此时人工施加的推进力Ff若不能及时减小，势必出现ΔF＞0，而ΔF正比于加速度a，导致钻头的钻出速度v急剧增加，惯性能E(E＝mV2/2)急剧增大，从而极易造成出口处碳纤维层出现毛刺、撕裂甚至分层等缺陷。
当制孔作业时安装使用本发明的缓冲装置时，则钻削过程中的合力由下面公式(2)确定：
ΔF＝Ff-F-Fk＝Ff-F-k·s                                  (2)
当人工施加的推进力Ff增加到使得ΔF＞0时，钻头开始加速钻进，由于缓冲装置前端的定位排屑套与钻尖存在一个适当的高度差(示被加工材料的厚度确定，一般为1-3mm)，在定位排屑套没有接触到被加工工件表面时，钻削合力由公式(1)决定，当定位排屑套与被加工工件表面接触时，钻削合力由公式(2)决定；当钻削过程进入钻出阶段C时，虽然钻削轴向载荷力F急剧减小，但此时缓冲装置产生的缓冲阻尼力随着钻削进给深度的增加而成比例地增大，从而能够有效地避免ΔF＞0的出现或减缓ΔF的急剧增加，即避免钻头钻出速度v的急剧增加，减缓惯性能E(E＝mV2/2)的增加，达到有效减少或消除成出口处碳纤维层出现毛刺、撕裂甚至分层等缺陷的目的。
本发明的缓冲装置中弹簧参数的设计是关键。弹簧参数的设计依据是：试验或经验确定的最大钻削轴向载荷力Fmax。以惯性能E＝mV2/2为约束条件，为确保在钻出阶段C时，ΔF≤0，则弹簧的弹性系数k按下列公式(3)确定：
k≥Fmax/B                                             (3)
手工制孔过程Ff变化规律如图4所示，手工制孔过程F变化规律如图5所示，手工制孔过程Fk变化规律如图6所示；图7为安装缓冲装置前手工制孔合力ΔF的变化示意图，图8为安装缓冲装置前手工制孔合力ΔF的变化示意图。
基于上述方法原理的一种减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度的缓冲装置由用于排屑和法向定位的定位排屑套1、导向伸缩部件2、外支撑部件3、压缩弹簧4和内支撑部件5五部分组成，如图9所示。定位排屑套1与导向伸缩部件2通过螺纹连接或紧配合连接，定位排屑套1由透明有机玻璃制成，可以观察到内部刀具的进给位置和加工状况，其侧面留有一个可以连接吸尘器软管的接口，用来排出制孔过程中的切屑和粉尘；压缩弹簧4安装在外支撑部件3和内支撑部件5形成的环形腔内，制孔作业时，通过定位排屑套1与被加工表面接触，形成制孔反作用力，再通过导向伸缩部件2作用到压缩弹簧4上，产生一个逐步增加的制孔阻力；内支撑部件5末端对称分布有两个螺纹通孔，缓冲装置通过内支撑部件5末端两个螺纹通孔用紧定螺钉与手风钻或手电钻实现快速装拆。
使用时利用紧定螺钉将缓冲装置固定安装在手风钻或手电钻的前端，将紧定螺钉旋紧；安装钻头前，先卸下缓冲装置前的定位排屑套1，再安装钻头，然后再重新安装好定位排屑套1，并确定钻头的钻尖应高出定位排屑套左侧端面1-3mm；对准要制孔的位置，启动手风钻或手电钻并匀速推动其进给，即可实现碳纤维复合材料的高质量制孔。

Claims (2)

1.一种减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度的方法，该方法的特征是：碳纤维复合材料手工制孔过程中，在普通手风钻或手电钻上安装一个缓冲装置，缓冲装置内的压缩弹簧参数依据惯性能计算公式E＝m·V2/2和制孔轴向力的大小设计确定，安装刀具时钻头的钻尖应高出定位排屑套外端面1-3mm，缓冲装置内的弹簧随着钻孔深度增加被压缩，产生一个逐步增加的制孔阻力，减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度。
2.一种减缓碳纤维复合材料手工制孔出口速度的缓冲装置包括：定位排屑套(1)、导向伸缩部件(2)、外支撑部件(3)、压缩弹簧(4)、内支撑部件(5)五部分，其特征在于：定位排屑套(1)的材料由有机玻璃制成，侧面留有一个连接吸尘器软管的圆形接口；定位排屑套(1)与导向伸缩部件(2)通过螺纹连接或紧配合连接；压缩弹簧(4)安装在外支撑部件(3)和内支撑部件(5)形成的环形腔体内部；内支撑部件(5)末端对称分布有两个螺纹通孔，缓冲装置通过内支撑部件(5)末端两个螺纹通孔用紧定螺钉与手风钻或手电钻实现快速装拆。
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