CN107457459B - 纤维增强复合材料制孔刀具的内冷孔改向工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种纤维增强复合材料制孔刀具的内冷孔改向工艺方法属于制孔工具技术领域，涉及一种纤维增强复合材料制孔刀具的内冷孔改向工艺，特别适合于高质高效加工纤维增强复合材料孔。该工艺方法由棒料加工、侧方打孔、保护侧孔、封堵原孔和静置修整五个步骤构成。通过专用的钻头支架调整钻头角度，利用电火花加工制成所需侧方内冷孔，并用直径合适的铁丝保护该孔不被堵死。使用特殊的封堵塞结合封堵胶将原内冷孔出口堵死。最后经过修整获得改向内冷孔刀具。该工艺能够可靠封堵原孔，精确完成改向要求，对刀具的实际切削部位进行有针对性的冷却，有效提升刀具寿命，降低切削区温度，提升纤维增强复合材料终孔的加工质量。

Description

纤维增强复合材料制孔刀具的内冷孔改向工艺方法

技术领域

本发明属于制孔工具技术领域，涉及一种纤维增强复合材料制孔刀具的内冷孔改向工艺，特别适合于高质高效加工纤维增强复合材料孔。

背景技术

由于纤维增强复合材料特殊的物理特性和加工性能，现已被广泛应用于航空航天、电子、国防、医学、核工业以及一些民用产品的关键结构件的制造当中。在使用硬质合金钻头对纤维增强复合材料进行制孔加工时，由于材料内部纤维增强相较高的硬度和极强的磨蚀性，会和刀具切削刃发生剧烈摩擦，从而在切削区产生很高的温度，当温度超过材料本身的玻璃化温度后，材料性能会大幅下降，加工质量严重下降，且出现大量毛刺、撕裂等损伤。这些损伤也会加重刀具的磨损，严重影响刀具的寿命。

针对这一问题，学者们提出了很多种冷却方式来降低刀具切削区温度，例如洪水冷却、外喷MQL、液氮冷却、在刀具上开设内冷孔等。其中，在刀具上加工出内冷孔并在从中喷射冷却液或冷却气的方法是一种较为有效且环保节能的手段，非常适用于工厂的实际加工。目前，硬质合金内冷孔钻头一般是由已加工出内冷孔的棒料在精密磨床上磨削加工而成，其棒料主要通过粉末冶金制成，内部内冷孔在棒料成型时就是上下贯通的，这就导致加工出的钻头内冷孔绝大部分是在钻头尖端的。例如黄东杰等人提出的“一种内部自动制冷深孔钻”，专利号CN205851939U以及陈涛等人公开的“碳纤维复合材料专用钻头”，专利号CN105689765A，内冷孔都在钻头的尖端，然而在实际加工过程中，仅在钻头前端开单一内冷孔并不能有效抑制刀具磨损，提升加工质量，在论文“INVESTIGATION OF DRILLINGPERFORMANCE IN CRYOGENIC DRILLING”[D].University of Kentucky.2014)中作者TianXia指出，在加工碳纤维复合材料时，用前端开内冷孔的刀具进行冷却加工之后，最终孔的加工质量反而不如干切削加工，因此，有些学者更改了钻头内冷孔结构，例如何耿煌等人公开的“一种多内冷孔通用刀片槽可转位钻头刀体”，专利号 CN201420706558.7，以及黄东杰等人公开的“一种多孔内冷锪钻”，专利号 CN205851940U，这两款钻头均设计了多个内冷孔，能够从多位置喷射冷却气，使冷却更加均匀，然而二者都只是简单地添加了与原冷却通道相连的内冷孔，刀具尖端仍在喷射冷却气，不能很好地解决论文中描述的问题。与此同时，在针对刀具结构的研究当中，学者们发现，不同的钻削刀具在制孔过程中，受到的力热情况是不同的，以双顶角钻头为例，该钻头具有两段切削刃，两段切削刃在切入工件后和工件材料发生的摩擦差异很大，进行测温后也发现不同阶段所受热量有着较大的区别，钱宝伟等人在文章论文《双顶角钻头钻削CFRP的刀具磨损机制》[J].复合材料学报，2017，(04):521-529)中提到，这种双顶角钻头的两个切削刃对最终加工孔质量的影响不同，第二主切削刃的锋锐程度是控制终孔质量的主要因素，而切削刃锋锐度的退化速率又和切削区温度有着直接的关系，因此，如果能有针对性地对这个部位进行冷却来降低磨损，对之后的研究有着重大的意义。

发明内容

本发明要解决的技术难题是针对现有的直通内冷孔制孔刀具，提出一种方法，来封堵住内冷制孔刀具原有的内冷孔尖端，对内冷孔进行改向，使喷出的冷却液或冷却气改变喷射方向，从不同刀具的切削成型区域喷出，有针对性地抑制磨损，提升刀具寿命，同时，由于喷射的冷却液有很高压力，传统的胶粘封堵方式可靠性较低，因此还需提出一种更为有效的封堵方式。本发明设计一种可靠的封堵方法，并结合其他先进加工技术，将原有内冷孔进行改向，达到有目的抑制切削部位的目的，减小刀具磨损，提升刀具寿命，提高制孔质量。

本发明采用的技术方案是一种纤维增强复合材料制孔刀具的内冷孔改向工艺方法，该方法由棒料加工、侧方打孔、保护侧孔、封堵原孔和静置修整五个步骤构成，通过专用的钻头支架调整钻头角度，利用电火花加工制成所需侧方内冷孔，并用直径合适的铁丝保护该孔不被堵死，使用特殊的封堵塞结合封堵胶将原内冷孔出口堵死，最后经过修整获得改向内冷孔刀具；具体步骤如下：

第一步，棒料加工A，选用带内冷孔的硬质合金棒料1，其内部有两根贯通的内冷孔2，将硬质合金棒料1置于精密磨床M上加工出钻头3，该钻头的内冷孔尖端4位于钻头刀尖附近。

第二步，侧方打孔B，以带内冷孔2的钻头3为研究对象，将钻头固定在钻头支架6上，将钻头支架6固定在电火花机床7上，调整钻头支架6，使要加工的钻头3的切削成型区5后刀面与电极丝8相互垂直，采用较小电流先缓慢切削成型区5上打出定位孔，之后用正常电流加工出侧方内冷孔13，此时，原冷却通道有了两个出口。

第三步，保护侧孔C，用与电极丝8直径相同的铁丝12将新加工出的侧方内冷孔13堵住，防止在之后的封堵过程中封堵胶9进入该部分将侧方内冷孔13 堵死，无法完成改向的目的。

第四步，封堵原孔D，即最关键一步，将钻头支架6调整角度，使刀尖朝下，与水平面呈80°-100°角，将特殊结构的封堵塞11塞入钻头的内冷孔尖端4，该封堵塞11由三部分构成：封堵圆球15，弹簧片16，橡胶底座17，使封堵圆球15的直径d1等于内冷孔直径d的0.8-0.9倍，弹簧片最大张开直径d2等于内冷孔直径d的1.1-1.2倍，橡胶底座直径d3等于封堵圆球直径d1的0.85-0.95 倍。通过前端封堵圆球15堵住内冷孔2的主要通道，同时在封堵塞11被塞入内冷孔2之后，弹簧片16受压，将封堵塞11卡在内冷孔2之中，之后，用针头直径在橡胶底座直径d3的0.3-0.7倍之间的注射器10吸取足量的封堵胶9，将针头刺穿封堵塞11的橡胶底座17一小段距离，使注射器10的针头进入内冷孔2中，缓慢推入封堵胶9，推入量V应小于0.25*π*d2*h，拔出针头，橡胶底座17由于变形回弹收缩，阻止封堵胶9回流。

第五步，即静置与修整E，具体操作为：让钻头保持刀尖朝下，静置48小时，待封堵胶9彻底凝固，拔出侧方内冷孔13中的铁丝12，修整刀具的各切削刃，去除加工时残留的封堵胶9及其他多余材料，防止其影响之后的钻孔加工。

本发明的有益效果是：该发明通过一种特殊结构的封堵塞，结合封堵胶，联合对原有内冷孔出口进行了可靠封堵，解决了只用胶水或其他物质封堵时易被高压气流冲开的问题。通过钻头支架有效控制了加工过程中钻头的稳定性，避免了手工加工和采用通用夹具对制孔刀具的损伤。采用本工艺加工出的改向内冷孔刀具，能够有针对性地对切削部位进行冷却加工，有效抑制刀具磨损，大大提高加工质量。

附图说明

图1是具体实施例内冷孔改向流程图。

图2a)是封堵塞的主视图，图2b)是封堵塞的俯视图。其中，1.硬质合金棒料，2.内冷孔，3.直槽双顶角钻头，4.内冷孔尖端，5.切削成型区，实例中第二主切削刃，6.钻头支架，7.电火花机床，8.电极丝，9.封堵胶，10.注射器，11.封堵塞，12.铁丝，13.侧方内冷孔，14.第一主切削刃，15.封堵圆球， 16.弹簧片，17.橡胶底座，A.棒料加工，B.侧方打孔，C.保护侧孔，D.封堵原孔，E.静置修整，M.精密磨床，V.封堵胶推入量，d.内冷孔直径， d1.封堵圆球直径，d2.像胶带座直径，d3.弹簧片张开最大直径，h.内冷孔尖端距侧方内冷孔下边缘高度。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明一种纤维增强复合材料制孔刀具的内冷孔改向工艺方法的具体实施过程。

以一款带内冷孔的硬质合金双顶角钻头为例进行内冷孔改向，在该直槽双顶角钻头上，把尖端内冷孔通过可靠手段封堵住，并在需要研究受冷却影响的第二主切削刃部位开设新的内冷通道，有五个步骤：棒料加工A、侧方打孔B、保护侧孔C、封堵原孔D，静置修整E。内冷孔改向工艺的具体步骤如下：

第一步，棒料加工A，选用带内冷孔的硬质合金棒料1，其内部有两根贯通的内冷孔2，以该硬质合金棒料1在通过精密磨床M加工，加工出直槽双顶角钻头 3，该钻头的内冷孔尖端4开在第一主切削刃14的后刀面前端。

第二步，侧方打孔B，以带内冷孔2的直槽双顶角钻头3为研究对象，将钻头固定在钻头支架6上，取内冷孔直径d为1mm，将钻头支架6固定在电火花机床 7上，调整钻头支架，使要加工的直槽双顶角钻头3的第二主切削刃5的后刀面与电极丝8相互垂直，从而避免加工时电极丝8受力发生弯折，无法加工出合适的侧方内冷孔13，取电极丝直径为0.5mm，先采用较小电流缓慢在第二主切削刃5 的后刀面打出定位孔，之后用正常电流加工出侧方内冷孔13，此时，原来的冷却孔2有了两个出口。

第三步，保护侧孔C，取直径为0.5mm的铁丝12将新加工出的侧方内冷孔13 堵住，防止在之后的封堵过程中封堵胶9进入该部分将侧方内冷孔13堵死，无法完成改向的目的。

第四步，封堵原孔D，该步骤为关键技术，将钻头支架6调整角度，使刀尖朝下，取刀具轴线与水平面夹角为90度，将封堵塞11塞入钻头的内冷孔尖端4，该封堵塞11由三部分构成：封堵圆球15，弹簧片16，橡胶底座17，使封堵圆球 15的直径d1等于0.9mm，弹簧片最大张开直径d2取1.2mm，取橡胶底座直径d3等于0.95mm。通过前端封堵圆球15堵住内冷孔2的主要通道，同时在封堵塞11被塞入内冷孔2之后，弹簧片16受压，将封堵塞11卡在内冷孔2之中，之后，用针头直径为0.6mm的注射器10吸取足量的封堵胶9，将针头刺穿封堵塞11的橡胶底座 17一小段距离，使注射器10的针头进入内冷孔2中，缓慢推入封堵胶9，封堵胶推入量V应小于0.25*π*d2*h，实例中刀具内冷孔尖端距侧方内冷孔下边缘高度 h为9.76mm，取封堵胶推入量V为7.66mm3，拔出针头，橡胶底座17由于变形回弹收缩，阻止封堵胶9回流。通过上述方式，内冷孔2中的封堵塞11既通过弹簧片16与孔壁的面接触，获得了较大的摩擦力来阻止封堵塞11被压力顶出，又添加了封堵胶9进一步提升了密封性和粘性，其封堵的可靠性大大增加。

第五步，即静置及修整E，具体操作为：让钻头保持刀尖朝下，静置48小时，待封堵胶9彻底凝固，拔出侧方内冷孔13中的铁丝12，修整刀具的各切削刃，去除加工时残留的封堵胶9及其他多余材料，防止其影响之后的钻孔加工。

通过这种方式，能够有效获得内冷孔末端在第二主切削刃后刀面上的直槽双顶角钻头，能够在加工时针对该区域喷射冷却液，有针对性地抑制该部位的切削温度，降低该区域的磨损，并且，该内冷孔改向工艺具有很好的适应性，能够推广到各类制孔钻头的内冷孔改向上，为对各类钻头的不同切削区域进行针对性冷却研究其特性提供了一种很好的方法，有很高的科研价值，也避免了多内冷孔造成的冷却气浪费情况，更加经济环保。

Claims (1)

1.一种纤维增强复合材料制孔刀具的内冷孔改向工艺方法，其特征是，该方法由棒料加工、侧方打孔、保护侧孔、封堵原孔和静置修整五个步骤构成，通过专用的钻头支架调整钻头角度，利用电火花加工制成所需侧方内冷孔，并用直径合适的铁丝保护该孔不被堵死；使用特殊的封堵塞结合封堵胶将原内冷孔出口堵死，最后经过修整获得改向内冷孔刀具；方法具体步骤如下：

第一步，棒料加工(A)选用带内冷孔的硬质合金棒料(1)，其内部有两根贯通的内冷孔(2)，将硬质合金棒料(1)置于精密磨床(M)上加工出钻头(3)，该钻头的内冷孔尖端(4)位于钻头刀尖附近；

第二步，侧方打孔(B)，将带内冷孔(2)的钻头(3)固定在钻头支架(6)上，并将支架固定在电火花机床(7)上，调整钻头支架(6)，使要加工的钻头(3)的切削成型区(5)后刀面与电极丝(8)相互垂直，采用较小电流先缓慢切削成型区(5)上打出定位孔，之后用正常电流加工出侧方内冷孔(13)；

第三步，保护侧孔(C)，用与电极丝(8)直径相同的铁丝(12)将新加工出的侧方内冷孔(13)暂时堵住；

第四步，封堵原孔(D)，将钻头支架(6)调整角度，使刀尖朝下，与水平面呈80°-100°角，将特殊结构的封堵塞(11)塞入钻头的内冷孔尖端(4)，该封堵塞(11)由三部分构成：封堵圆球(15)，弹簧片(16)，橡胶底座(17)，使封堵圆球(15)的直径(d1)等于内冷孔直径(d)的0.8-0.9倍，弹簧片最大张开直径等于内冷孔直径(d)的1.1-1.2倍，橡胶底座直径(d3)等于封堵圆球直径(d1)的0.85-0.95倍，通过前端封堵圆球(15)堵住内冷孔(2)的主要通道，之后弹簧片(16)受压将封堵塞(11)卡在内冷孔(2)之中，用针头直径在橡胶底座直径(d3)的0.3-0.7倍之间的注射器(10)吸取足量的封堵胶(9)，将针头刺穿封堵塞(11)的橡胶底座(17)，缓慢推入封堵胶(9)，推入量(V)应小于0.25*π*d2*h，d2为弹簧片最大张开直径，h为内冷孔尖端距侧方内冷孔下边缘高度，拔出针头，橡胶底座(17)由于变形回弹收缩；

第五步，静置与修整(E)，让钻头保持刀尖朝下，静置48小时，待封堵胶(9)彻底凝固，拔出侧方内冷孔(13)中的铁丝(12)，修整刀具的各切削刃，去除加工时残留的封堵胶(9)及其他多余材料。