CN102756252B - 一种在碳纤维层合板上加工槽孔的方法 - Google Patents

Abstract

一种在碳纤维层合板上加工槽孔的方法，属于非金属材料的机械加工方法，解决现有铣削和钻孔方法存在的碳纤维层合板易分层、劈裂、烧伤的问题，以提高碳纤维复合材料制品的加工精度、降低表面粗糙度。本发明包括装夹步骤、加工步骤和后处理步骤，所述加工步骤为铣削加工步骤和钻削加工步骤中的一种或两种。本发明提出加工过程中无变形的装夹方式，通过选用合理的刀具材料、刀具几何参数及铣削加工、钻削加工参数，对加工内外形余量进行合理安排，解决了采用传统方法在碳纤维薄壁回转体和碳纤维层合板材上开口或钻孔存在的分层、劈裂、烧伤等质量问题，使碳纤维零件的合格率从50%提高到了99%以上。

Description

一种在碳纤维层合板上加工槽孔的方法

技术领域

本发明属于非金属材料的机械加工方法，具体涉及一种在碳纤维层合板上加工槽孔的方法。

背景技术

碳纤维复合材料是一种力学性能优异的非金属材料，具有质轻、强度高，易成型，耐腐蚀等特性，已被广泛应用于军用、民用等众多领域。碳纤维复合材料结构件和金属材料结构件一样，坯料成形后一般需进一步进行内外形机械加工，而且碳纤维复合材料制件之间、碳纤维复合材料制件与金属件之间的连接需要制孔和开口。由于碳纤维复合材料整体强度高、材料脆性大，机械加工过程中的切削力、振动、装夹等因素均可能会对产品产生开放性的机械损伤，会大幅度降低产品的使用性能，使用过程中随损伤的扩展与积累将会加剧材料的环境与应力腐蚀，加速材料的老化，造成材料湿热性能严重下降，强度与刚度急剧损失，大大降低使用寿命，有时还可能会造成灾难性的后果。

在碳纤维层合板上采用铣削和钻削加工槽孔，具有以下特点：

(1)碳纤维复合材料属于复合材料中较难加工的材料，它由碳纤维铺层而成，层与层之间用树脂粘结，其机械性能在不同的方向各不相同，材料沿纤维方向强度高，而垂直纤维方向的强度则取决于树脂粘接强度，一般情况下层间的结合强度仅为纤维方向强度的2.2％。如果轴向力切削较大，且超过树脂结合强度时，则会出现树脂断裂、纤维分层、劈裂等缺陷。特别是在钻孔加工时其纤维铺层方向对钻孔加工有较大的影响，在钻孔处应力较集中，极易引起劈裂等缺陷。

(2)碳纤维复合材料硬度大，其硬度HRC可达53～65，相当于一般高速钢的硬度，材料本身导热性差，刀具在加工过程中产生的摩擦热，集中于刀具切削刃附近很窄的区域内使切削区温度迅速升高，进而导致刀具发生退火，加工时纤维的回弹及粉末状的切削又加重了擦伤刃口和后刀面，加速了刀具磨损。

(3)碳纤维复合材料在钻孔加工后有缩孔现象。

(4)碳纤维复合材料制品各基体结合力差，抗冲击能力差，加工中产生的振动对产品质量影响较大。

发明内容

本发明提供一种在碳纤维层合板上加工槽孔的方法，解决现有铣削和钻孔方法存在的碳纤维层合板易分层、劈裂、烧伤的问题，以提高碳纤维复合材料制品的加工精度、降低表面粗糙度。

本发明所提供的一种在碳纤维层合板上加工槽孔的方法，包括装夹步骤、加工步骤和后处理步骤，所述加工步骤为铣削加工步骤和钻削加工步骤中的一种或两种，其特征在于：

(1)装夹步骤：

(1.1)当碳纤维层合板为平板时，在碳纤维层合板上下两面均设置垫板并夹紧；

(1.2)当碳纤维层合板为不规则曲面板时，在碳纤维层合板上下两面铣削加工部位或钻削加工部位周边粘贴纤维布或透明胶带；

(2)铣削加工步骤：

采用硬质合金刀具或者人造金钢石刀具，在铣削加工开口时，采用螺旋下刀，主轴转速6000r～8000r/min、进给速度3000mm/min～4000mm/min、吃深0.5mm～1mm，干式切削条件；

(2.1)当碳纤维层合板为平板时，从碳纤维层合板的一面铣削穿透并加工至要求尺寸；

(2.2)当碳纤维层合板为不规则曲面板时，从碳纤维层合板的一面加工槽或孔至材料厚度的三分之一，在槽或孔的周边留约0.5mm的余量，再从碳纤维层合板的另一面铣削穿透并加工至要求尺寸；

(3)钻削加工步骤：

钻削加工，采用钨钴类硬质合金钻头，进给速度50mm/min～100mm/min，刀具转速1400r～2400r/min；

(3.1)当碳纤维层合板为平板时，钻头为锥角118°的麻花钻头；

(3.2)当碳纤维层合板为不规则曲面板时，钻头为三尖钻头；

(4)后处理步骤：

加工完成后，根据被加工的碳纤维层合板的形状，分别处理；

(4.1)当碳纤维层合板为平板时，去除碳纤维层合板上下两面设置的垫板；

(4.2)当碳纤维层合板为不规则曲面板时，去除碳纤维层合板铣削或钻削加工部位周边的纤维布或透明胶带。

所述的在碳纤维层合板上加工槽孔的方法，其特征在于：

所述装夹步骤中，所述垫板为易机械加工的材料，包括铝板、木板；

所述铣削加工步骤中，所述硬质合金刀具和所述人造金钢石刀具的几何参数：前角γ＝12°～15°，后角α＝6°～8°，刀尖形状为圆弧刃或修光刃，刀尖圆弧半径r＝0.2mm～0.5mm，刀尖倒角c＝0.2mm～0.5mm。

使用本发明时，加工10mm及以下圆孔，建议采用钻削加工；10mm以上圆孔或其它形状任意尺寸的槽或孔，建议采用铣削加工。本发明的装夹步骤中，设置垫板或者粘贴纤维布或透明胶带，可有效防止刀具出口端产生撕裂和毛边，防止碳纤维层合板出现分层和劈裂。铣削加工步骤中，硬质合金刀具由于材料晶粒超细化，结合界面增大，刀具对加工表面有熨压作用，价值性价比适中，应用较多，但磨损比金钢石刀具快；金钢石刀具综合性能优越，加工表面质量好，但价格稍贵。钻削加工步骤中，钨钴类硬质合金钻头有较高的弯曲强度和韧性，可以减少钻削时的崩刃，而且刃磨性好，易磨出锋利的刃口，从而使钻削顺畅；三尖钻头，可以减小轴向力，提高刀具锋利度；当转速小于1000r/min时易出现分层和劈裂；当转速在1400r～2400r/min之间时，无分层和劈裂现象，且孔壁光滑。

本发明提出加工过程中无变形的装夹方式，通过选用合理的刀具材料、刀具几何参数及铣削加工、钻削加工参数，对加工内外形余量进行合理安排，解决了采用传统方法在碳纤维薄壁回转体和碳纤维层合板材上开口或钻孔存在的分层、劈裂、烧伤等质量问题，使碳纤维零件的合格率从50％提高到了99％以上。

附图说明

图1为在碳纤维层合板上下两面设置垫板的示意图；

图2为三尖钻头示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1，用于在平板碳纤维层合板加工矩形槽，包括装夹步骤、铣削加工步骤和后处理步骤；

(1)装夹步骤：

如图1所示，在碳纤维层合板上下两面均设置垫板并夹紧；图中，碳纤维层合板1，上垫板2和下垫板3均为铝板，用螺栓4固定并拧紧；

(2)铣削加工步骤：

采用硬质合金刀具，在铣削加工开口时，采用螺旋下刀，主轴转速6000r/min、进给速度3000mm/min、吃深1mm，干式切削条件；从碳纤维层合板的一面铣削穿透并加工至要求尺寸；所述硬质合金刀具的几何参数：前角γ＝12°，后角α＝6°，刀尖形状为圆弧刃，刀尖圆弧半径r＝0.2mm，刀尖倒角c＝0.2mm；

(3)后处理步骤：

加工完成后，去除碳纤维层合板上下两面设置的铝板。

实施例2，用于在不规则曲面碳纤维层合板上加工椭圆孔，包括装夹步骤、铣削加工步骤和后处理步骤；

(1)装夹步骤：

在碳纤维层合板上下两面铣削加工部位或钻削加工部位周边粘贴透明胶带；

(2)铣削加工步骤：

采用人造金钢石刀具，在铣削加工开口时，采用螺旋下刀，主轴转速8000r/min、进给速度4000mm/min、吃深0.5mm，干式切削条件；所述人造金钢石刀具的几何参数：前角γ＝15°，后角α＝8°，刀尖形状为修光刃，刀尖圆弧半径r＝0.5mm，刀尖倒角c＝0.5mm；

从碳纤维层合板的一面加工槽或孔至材料厚度的三分之一，在槽或孔的周边留约0.5mm的余量，再从碳纤维层合板的另一面铣削穿透并加工至要求尺寸；

(3)后处理步骤：

去除碳纤维层合板铣削或钻削加工部位周边的透明胶带。

实施例3，用于在平板碳纤维层合板加工10mm圆孔，包括装夹步骤、钻削加工步骤和后处理步骤；

(1)装夹步骤：

在碳纤维层合板上下两面均设置木板并夹紧；

(2)钻削加工步骤：

钻削加工，采用钨钴类硬质合金钻头，进给速度100mm/min，刀具转速2400r/min，钻头为锥角118°的麻花钻头；

(3)后处理步骤：

加工完成后，去除碳纤维层合板上下两面设置的木板。

实施例4，用于在不规则曲面碳纤维层合板上加工8mm圆孔和异形孔，包括装夹步骤、铣削加工步骤、钻削加工步骤和后处理步骤；

(1)装夹步骤：

在碳纤维层合板上下两面铣削加工部位和钻削加工部位周边粘贴纤维布；

(2)铣削加工步骤：

采用人造金钢石刀具，在铣削加工开口时，采用螺旋下刀，主轴转速8000r/min、进给速度3000mm/min、吃深1mm，干式切削条件；所述人造金钢石刀具的几何参数：前角γ＝14°，后角α＝7°，刀尖形状为圆弧刃，刀尖圆弧半径r＝0.3mm，刀尖倒角c＝0.4mm；

从碳纤维层合板的一面加工异形孔至材料厚度的三分之一，在异形孔的周边留约0.5mm的余量，再从碳纤维层合板的另一面铣削穿透并加工至要求尺寸；

(3)钻削加工步骤：

钻削加工，采用钨钴类硬质合金钻头，进给速度50mm/min，刀具转速1400r/min，钻头为三尖钻头，如图2所示；

(4)后处理步骤：

加工完成后，去除碳纤维层合板铣削和钻削加工部位周边的纤维布。

Claims (1)

1.一种在碳纤维层合板上加工槽孔的方法，包括装夹步骤、加工步骤和后处理步骤，所述加工步骤为铣削加工步骤和钻削加工步骤中的一种或两种，其特征在于： 

(1)装夹步骤： 

(1.1)当碳纤维层合板为平板时，在碳纤维层合板上下两面均设置垫板并夹紧；所述垫板为易机械加工的材料，包括铝板、木板； 

(1.2)当碳纤维层合板为不规则曲面板时，在碳纤维层合板上下两面铣削加工部位或钻削加工部位周边粘贴纤维布或透明胶带； 

(2)铣削加工步骤： 

采用硬质合金刀具或者人造金钢石刀具，在铣削加工开口时，采用螺旋下刀，主轴转速6000r～8000r／min、进给速度3000mm／min～4000mm／min、吃深0.5mm～1mm，干式切削条件；所述硬质合金刀具和所述人造金钢石刀具的几何参数：前角γ=12°～15°，后角α=6°～8°，刀尖形状为圆弧刃或修光刃，刀尖圆弧半径r=0.2mm～0.5mm，刀尖倒角c=0.2mm～0.5mm； 

(2.1)当碳纤维层合板为平板时，从碳纤维层合板的一面铣削穿透并加工至要求尺寸； 

(2.2)当碳纤维层合板为不规则曲面板时，从碳纤维层合板的一面加工槽或孔至材料厚度的三分之一，在槽或孔的周边留约0.5mm的余量，再从碳纤维层合板的另一面铣削穿透并加工至要求尺寸； 

(3)钻削加工步骤： 

钻削加工，采用钨钴类硬质合金钻头，进给速度50mm／min～100mm／min，刀具转速1400r～2400r／min； 

(3.1)当碳纤维层合板为平板时，钻头为锥角118°的麻花钻头； 

(3.2)当碳纤维层合板为不规则曲面板时，钻头为三尖钻头； 

(4)后处理步骤： 

加工完成后，根据被加工的碳纤维层合板的形状，分别处理； 

(4.1)当碳纤维层合板为平板时，去除碳纤维层合板上下两面设置的垫板； 

(4.2)当碳纤维层合板为不规则曲面板时，去除碳纤维层合板铣削或钻削加工部位周边的纤维布或透明胶带。 

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