CN107983991B - 一种芳纶纤维增强复合材料钻削装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种芳纶纤维增强复合材料钻削装置，针对芳纶纤维的难加工特性提出了新型钻削装置，主要由钻削系统、复合钻削装置、活动支架、芳纶纤维复合材料工件、底座、顶架、轴向进给系统、导轨系统组成。轴向进给系统控制电机沿着导轨轴向运动，实现刀具的轴向进给。刀具和复合钻削装置的轴套、支座和上、下套环保持同轴定位，根据加工孔径的要求配备使用不同规格内径的套环。在钻削过程中，工件同时受到上套环的压缩力和下套环的支撑力，抑制上下表面纤维层的弯曲和退让，增强了工件的层间结合强度，进而抑制分层缺陷的发生。该钻削装置操作便捷，适合各种复杂型面的工件加工，提高机加效率的同时能够有效抑制分层、撕裂和起毛缺陷的发生，显著改善制孔质量。

Description

一种芳纶纤维增强复合材料钻削装置
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料的机械加工领域，具体说是一种芳纶纤维增强复合材料的新型钻削装置。
背景技术
芳纶纤维增强复合材料因其模量高、韧性好、强度高等特点在国防军工和航空航天领域得到了广泛应用。然而，复杂的多相结构、较差的热导率和较低的层间结合强度使其成为典型的难加工材料。复合材料在装配过程中通常需要螺接或铆接，芳纶纤维增强复合材料层合板进行制孔时，极易出现起毛、撕裂和分层等表面缺陷。分层缺陷是由于刀具轴向切削力超过了层合板的层间结合强度，进而导致铺层间的破坏分离情况。芳纶纤维呈丝絮状残留并堆积于表面称之为起毛缺陷，是芳纶纤维增强复合材料最显著的加工缺陷形式。当刀具即将穿透材料时，出口处剩余的未切削纤维铺层与基体间发生层间剥离并被拉裂撕扯的现象称为撕裂缺陷。钻削过程中产生这些表面缺陷，加工和装配精度不仅难以保证，疲劳寿命和承载能力也会明显下降。
CN201510709886.1公开了一种碳纤维复合材料陀螺式铣削钻孔工艺，铣刀在绕自身轴线旋转的同时绕公转轴公转。自转轴与公转轴之间的夹角为θ，夹角可以根据被加工孔的形状进行调整。在铣刀进行“陀螺式”运动的同时，沿着公转轴向工件的表面进给，进而利用铣削的方式制孔。该发明能够大大降低碳纤维工件在孔的出口处受到的拉力，从而减少出口处的分层缺陷。然而芳纶纤维的强韧性使得其需要较大的剪切力才能断裂。加之芳纶纤维与树脂基体间的界面粘结性很差，表面纤维层受到刀具的轴向切削力时极易产生弯曲和退让，难以被刀具切断。因此，芳纶纤维复合材料的切削机理与碳纤维复合材料有很大的区别，碳纤维增强复合材料的钻削工艺设备并不适用于芳纶纤维复合材料构件。为了解决此类问题，钻削时采用垫板支撑的方法应用最为广泛。CN201210219209.8公开了一种在纤维增强复合材料层合板上加工槽孔的方法。该方法提出加工过程中在层合板上下表面设置垫板或在加工部位周边粘贴纤维布或透明胶带的装夹方式，通过选用合理的刀具材料、刀具几何参数以及切削参数，解决了采用传统方法对层合板材和薄壁回转体上开口或钻孔存在分层、劈裂、烧伤等质量问题。然而，采用垫板钻削仍有一些弊端：垫板通常为硬质高密度材料或铝板，钻头切削垫板的过程进一步加剧了刀具的磨损，产生的切屑也会夹杂在缺陷内，影响制孔质量。此外，还有耗时废料、不适合曲面加工等劣势。因此，本发明提出了一种适合芳纶纤维增强复合材料制孔的钻削装置。
发明内容
本发明针对芳纶纤维的难加工特性提出了新型钻削装置，能够显著改善芳纶纤维增强复合材料构件的制孔质量。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所提供的技术方案是：一种芳纶纤维增强复合材料钻削装置，其特征在于包括钻削系统、复合钻削装置、活动支架、芳纶纤维复合材料工件、底座、顶架、轴向进给系统、导轨系统。所述轴向进给系统的伺服电机驱动丝杠旋转，控制安装在丝杠上的升降台沿着滑道轴向运动，使电机沿着导轨轴向运动，实现刀具的轴向进给。所述复合钻削装置安装在活动支架上，能够沿着滑道上下滑动。
复合钻削装置的轴套上铣有键槽，与支座之间通过导向平键连接，在导向平键的作用下，所述轴套可在支座内沿轴向滑移，使轴套不发生转动。在轴套的端部安装有轴承，其类型为角接触球轴承，能够同时承担径向和轴向载荷，并满足较高的转速要求。钻头、轴套、支座和上、下套环应保持同轴定位，所述上、下套环的尺寸相同，根据加工孔径的要求配备使用不同规格内径的套环。
主轴旋转过程中，当刀柄接触到轴承后带动其旋转，使轴套及复合钻削装置不随主轴转动。钻头轴向进给时，刀柄施加的轴向推力通过轴承、轴套传递至弹簧，弹簧受压缩后产生的弹簧力通过上套环施加在工件上。由于下套环支撑着工件，在钻削过程中，工件同时受到上套环的压缩力和下套环的支撑力，抑制上下表面纤维层的弯曲和退让，增强了工件的层间结合强度，进而抑制分层缺陷的发生。
钻头直径Dd和套环内径Dt应满足公差关系：
Figure BSA0000155391230000021
下偏差应满足EI≥0.1mm，避免刀具切削到套环，增加刀具的磨损；上偏差应满足EI≤0.5mm，目的是确保刀具切削刃与套环之间形成复合剪切效应，有效切断入口处和出口处表面的芳纶纤维，从而抑制起毛和撕裂缺陷的发生。
本发明具有的优点和积极效果是：针对韧性较强的芳纶纤维增强复合材料，该钻削装置操作便捷，适合各种复杂型面的工件加工，提高机加效率的同时能够有效抑制分层、撕裂和起毛缺陷的发生，显著改善制孔质量。
附图说明
图1为本发明的芳纶纤维增强复合材料钻削装置实施例的主视图；
图2为本发明的芳纶纤维增强复合材料钻削装置实施例的左视图；
图3为沿图1中A-A方向的俯视图；
图4为沿图3中B-B方向的剖面图；
图5为沿图2中C-C方向的剖面图。
图中：1、钻削系统，1-1、电机及传动装置，1-2、刀柄，1-3、钻头，2、复合钻削装置，2-1、轴套，2-2、平键，2-3、支座，2-4、上套环，2-5、下套环，2-6、轴承，2-7、弹簧，2-8、套环螺钉，2-9、支座螺钉，3、活动支架，4、芳纶纤维复合材料工件，5、底座，6、顶架，7、轴向进给系统，7-1、伺服电机，7-2、联轴器，7-3、升降台，7-4、丝杠，8、导轨系统，8-1、滑道，8-2、滑块。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图对本发明进行详细描述。
参见图1，一种芳纶纤维增强复合材料钻削装置，主要由钻削系统1、复合钻削装置2、活动支架3、芳纶纤维复合材料工件4、底座5、顶架6、轴向进给系统7、导轨系统8组成。导轨系统固定在底座与顶架之间。
参见图2，钻削过程中电机及传动装置1-1带动刀柄1-2旋转，钻头1-3装夹在刀柄中。轴向进给系统的伺服电机7-1通过联轴器7-2驱动丝杠7-4旋转，进而控制安装在丝杠上的升降台7-3沿着滑道8-1轴向运动。由于钻削系统的电机与升降台连接，因此电机能够沿着导轨轴向运动，实现刀具的轴向进给。复合钻削装置安装在活动支架上，并通过活动支架与滑块8-2相连，滑块安装在滑道上，因此复合钻削装置能够沿着滑道上下滑动。
参见图4，在活动支架上固定有支座2-3，支座上安装有轴套2-1。轴套上铣有键槽，与支座之间通过导向平键2-2连接。在导向平键的作用下，轴套可在支座内沿轴向滑移，并使轴套不发生转动。轴承2-6安装在轴套的端部，其类型为角接触球轴承，能够同时承担径向和轴向载荷，并满足较高的转速要求，轴承外径应大于刀柄直径，轴承内径应大于钻头直径。在轴套和支座之间的腔体内安装有弹簧2-7。上套环2-4和下套环2-5沿圆周方向均布4个螺纹安装孔，通过套环螺钉2-8分别对称安装在活动支架和底座上。上、下套环的尺寸相同，可根据加工孔径的要求配备使用不同规格内径的套环。
钻头、轴套、支座和上、下套环应保持同轴定位。主轴旋转过程中，当刀柄接触到轴承后带动其旋转，能够使轴套及复合钻削装置不随主轴转动。钻头轴向进给时，刀柄施加的轴向推力通过轴承、轴套传递至弹簧，弹簧受压缩后产生的弹簧力通过上套环施加在工件4上。由于下套环支撑着工件，因此在钻削过程中，工件同时受到上套环的压缩力和下套环的支撑力，抑制上下表面纤维层的弯曲和退让，增强了工件的层间结合强度，进而抑制分层缺陷的发生。
钻头直径Dd和套环内径Dt应满足公差关系：
应满足下偏差EI≥0.1mm，避免刀具切削到套环，增加刀具的磨损；上偏差EI≤0.5mm，目的是确保刀具切削刃与套环之间形成复合剪切效应，有效切断入口处和出口处表面的芳纶纤维，从而抑制起毛和撕裂缺陷的发生。
参见图5，支座下表面沿圆周方向均布4个螺纹盲孔，通过支座螺钉2-9固定在活动支架上。钻削结束后，轴向进给系统带动刀柄回升，弹簧回弹的过程中推动轴套回升至初始位置。操作滑块上升活动支架，方便清理切屑和调整钻孔位置。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种芳纶纤维增强复合材料钻削装置，其特征在于，包括钻削系统、复合钻削装置、活动支架、芳纶纤维复合材料工件、底座、顶架、轴向进给系统、导轨系统；所述轴向进给系统通过伺服电机驱动丝杠旋转，控制安装在丝杠上的升降台沿着滑道轴向运动，使电机沿着导轨轴向运动，实现刀具的轴向进给；所述复合钻削装置安装在活动支架上，能够沿着滑道上下滑动，主轴旋转过程中，当刀柄接触到轴承后带动其旋转，使轴套及复合钻削装置不随主轴转动；钻头轴向进给时，刀柄施加的轴向推力通过轴承、轴套传递至弹簧，弹簧受压缩后产生的弹簧力通过上套环施加在工件上；由于下套环支撑着工件，在钻削过程中，工件同时受到上套环的压缩力和下套环的支撑力，抑制上下表面纤维层的弯曲和退让，增强了工件的层间结合强度，进而抑制分层缺陷的发生；上套环和下套环沿圆周方向均布螺纹安装孔，通过套环螺钉分别对称安装在活动支架和底座上，所述上、下套环的尺寸相同，钻头直径Dd和套环内径Dt应满足公差关系：
Figure FSB0000182369110000011
下偏差应满足EI≥0.1mm，避免刀具切削到套环，增加刀具的磨损；上偏差应满足EI≤0.5mm，目的是确保刀具切削刃与套环之间形成复合剪切效应，有效切断入口处和出口处表面的芳纶纤维，从而抑制起毛和撕裂缺陷的发生；所述芳纶纤维增强复合材料钻削装置用于对芳纶纤维增强复合材料的钻削加工。
2.一种如权利要求1所述的芳纶纤维增强复合材料钻削装置，其特征在于，复合钻削装置中的轴套上铣有键槽，与支座之间通过导向平键连接，在导向平键的作用下，轴套可在支座内沿轴向滑移，使轴套不发生转动和偏移；所述轴套的端部安装有轴承，其类型为角接触球轴承，能够同时承担径向和轴向载荷，并满足较高的转速要求；钻头、轴套、支座和上、下套环保持同轴定位，所述上、下套环的尺寸相同，根据加工孔径的要求配备使用不同规格内径的套环。
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