CN108687860A - 一种基于复合材料制孔加工主动排屑装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合材料制孔加工主动排屑装置及方法，包括步骤：安装排屑装置；将复合材料装夹在机床加工台上；调整防逸屑罩体底部弹性伸缩装置至与复合材料工件相接触；将防逸屑罩体上的切屑出口通道的出口通过负压通道与负压生成装置连接；启动空气压缩装置和负压生成装置，然后启动机床加工。本方法能够有效降低加工过程中切削力、减小复合材料出口毛刺以及刀具的磨损。

Description

一种基于复合材料制孔加工主动排屑装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于复合材料制孔加工主动排屑装置及方法，尤其涉及碳纤维复合材料材料的钻孔、铣孔等工艺制孔时主动排屑方法。

背景技术

目前碳纤维复合材料因其优良的材料性能，使其在航空航天加工制造领域中，得到广泛应用。但是复合材料在制孔加工时产生粉尘状切屑，堆积在孔周围，附着在刀具上，导致刀具的快速磨损，同时不利于散热，最终造成制孔质量以及制孔效率难以保证；由于复合材料切屑为粉尘状比较轻，在加工中容易向空气中扩散，复合材料粉尘对人体皮肤和呼吸道有着严重危害，威胁着工作人员身体健康。因此，在加工过程中要对复合材料切屑粉尘进行实时有效的收集。

目前在航空航天制孔加工现场需要开放性空间，而在这种开放性空间内使用较多的是用吸尘器来吸收复合材料等的切屑，在加工孔时将吸尘器吸嘴对准需加工孔的位置，将粉尘切屑吸走，但是用这种方法只能把靠近吸嘴的粉尘吸走，还有一部分粉尘遗留会影响操作人员身体健康，而且这种方法消耗人力，严重影响加工质量与加工效率。

基于开放性现场制孔加工中的需求，既要在开放空间现场加工时对操作员、操作环境进行保护，又要对加工切屑进行收集，同时又要保证制孔加工质量，这就需要一种主动排屑方法来满足这些需求。目前尚未有有效的方法和装置满足这一要求。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种基于复合材料制孔加工主动排屑装置及方法，采用该方法使得主轴装置、工件、排屑装置在一个相对封闭的环境，能够及时主动排出复合材料加工时产生的粉尘和切屑，保障排屑顺畅提高制孔质量，对环境对人体进行保护，有效降低加工过程中切削力、减小复合材料出口毛刺以及刀具的磨损。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的一种基于复合材料制孔加工主动排屑装置，包括防逸屑罩体，在所述的防逸屑罩体中间开有沿竖直方向贯通的空腔，所述的防逸屑罩体上部为主体，所述的主体的底部通过锥台形缩颈结构与一个横截面成圆环状的颈部相连，一个波纹管状的弹性伸缩装置上部套在颈部外壁上并通过喉箍固定在颈部上，在所述的主体外壁上安装有耳座，在一根加工机床主轴上沿竖直方向安装有具有气道的气路刀柄，所述的气路刀柄与带内气道的切削刀具固定相连，所述的气路刀柄和带内气道的切削刀具设置在防逸屑罩体的空腔内，磁力表座的一端与耳座固定相连并且另一端通过吸铁与加工机床主轴吸附固定，所述的切削刀具的内气道与气路刀柄的内气道连通并且气路刀柄的内气道进口与空气压缩装置的压缩空气出口连通，在所述的弹性伸缩装置底部外壁上开有多个通气孔，在远离气路刀柄的内气道进口一侧的防逸屑罩体的主体的下部以及缩颈结构的上部处沿倾斜方向开有与空腔连通的切屑出口，所述的切屑出口通过与切屑出口具有相同倾斜方向的倾斜通道与沿水平方向设置的切屑出口通道连通，所述的切屑出口通道出口通过负压通道与负压生成装置连接。

本发明的一种基于复合材料制孔加工主动排屑方法，包括以下步骤：

(1)安装排屑装置：

(a)将空气压缩装置的压缩空气出口通过管道与具有内气道的气路刀柄的内气道进口连通，将带内气道的切削刀具装夹在气路刀柄上并使切削刀具的内气道与气路刀柄的内气道连通，将气路刀柄装夹在加工机床主轴上；

(b)将防逸屑罩体套在气路刀柄和带内气道的切削刀具外，然后通过磁力表座连接防逸屑罩体上的耳座以及加工机床主轴使得防逸屑罩体固定在加工机床主轴上；

(2)将复合材料装夹在机床加工台上；

(3)调整防逸屑罩体底部弹性伸缩装置至与复合材料工件相接触；

(4)将防逸屑罩体上的切屑出口通道的出口通过负压通道与负压生成装置连接；

(5)启动空气压缩装置和负压生成装置，然后启动机床加工；

(6)空气压缩装置流出的气流经过气路刀柄的内气道以及切削刀具的内气道在刀具底部产生正压力气流将切屑从防逸屑罩体的切屑出口吹出，依次经倾斜通道和切屑出口通道实现主动排屑，切屑然后通过负压生成装置产生的负压力气流经负压通道进入负压生成装置完成切屑收集，直到加工完成，在此过程中通过弹性伸缩装置底部开的通气孔及时补充外界气流，保证气流平衡。

本发明所取得的有益效果：

压缩气流输入部分产生正压力气流，将切屑从孔中吹出，实现孔内主动排屑，尤其在针对加工深孔时防止切屑在孔内堆积、刀具磨损；防逸屑各结构参数的设计是应用流体的原理，经过大量的仿真计算而获得，能够保证切屑最优化排出，同时保证切削温度最低、切削力最小，并且有利于减少刀具磨损延长刀具寿命和提高制孔质量；罩体底部的弹性伸缩装置可以调节高度，适应不同机床和加工环境；压缩气流输入部分、防逸屑罩体、负压生成部分三部分相互连接，使得加工在相对封闭环境，有效防止切屑逸出并完成切屑收集。防逸屑罩体与外接吸尘装置连接，省去了人力来手持吸尘器，减少了复合材料粉尘切屑对操作人员身体健康以及加工环境的危害。通过实验发现与不使用复合材料制孔加工主动排屑方法加工孔相比，本方法能够有效降低加工过程中切削力、减小复合材料出口毛刺以及刀具的磨损。因此可以确定本发明复合材料制孔加工主动排屑方法在提高制孔加工质量、延长刀具寿命等方面的有效性。

附图说明

图1为本发明的基于复合材料制孔加工主动排屑装置的结构示意图；

图2为本发明排屑装置的防逸屑罩体的结构示意图；

图3为本发明排屑装置的防逸屑罩体的使用状态示意图；

图4为图2所示的防逸屑罩体弹性伸缩装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如附图所示本发明的基于复合材料制孔加工主动排屑装置，包括防逸屑罩体11，在所述的防逸屑罩体中间开有沿竖直方向贯通的空腔，所述的防逸屑罩体上部为主体，所述的主体的底部通过锥台形缩颈结构与一个横截面成圆环状的颈部相连，一个波纹管状的弹性伸缩装置13上部套在颈部外壁上并通过喉箍2固定在颈部上，在所述的主体外壁上安装有耳座6，在一根加工机床主轴8上沿竖直方向安装有具有气道的气路刀柄10，所述的气路刀柄与带内气道的切削刀具12固定相连，所述的气路刀柄和带内气道的切削刀具12设置在防逸屑罩体的空腔内，磁力表座7的一端与耳座6固定相连并且另一端通过吸铁与加工机床主轴8吸附固定，所述的切削刀具12的内气道与气路刀柄的内气道连通并且气路刀柄的内气道进口与空气压缩装置9的压缩空气出口连通，在所述的弹性伸缩装置13底部外壁上开有多个通气孔18。在远离气路刀柄的内气道进口一侧的防逸屑罩体的主体的下部以及缩颈结构的上部处沿倾斜方向开有与空腔连通的切屑出口，所述的切屑出口通过与切屑出口具有相同倾斜方向的倾斜通道19与沿水平方向设置的切屑出口通道16连通，所述的切屑出口通道16出口通过负压通道4与负压生成装置3连接。

所述的负压生成装置3可以采用吸尘器，利用吸尘器吸力在防逸屑罩体内和切屑出口通道16内产生负压力气流。

所述的空气压缩装置9可以采用空气压缩泵，产生气流通过气路刀柄10与带内气道的切削刀具12，在刀具底部输出正压力气流。

所述的气路刀柄10和磁力表座7市场有售。

如图所示，作为本发明的一个实施例，所述的气路刀柄10采用侧固式气路刀柄，主体部分对应的空腔与侧固式气路刀柄10形状适配即可。所述的通气孔开在与侧固式气路刀柄部分17对应侧的弹性伸缩装置13底部外壁上，保证气流顺畅，促进切屑排出。

优选的所述的防逸屑罩体11整体近似呈漏斗形，符合流体原理，让切屑更多的被排出。

优选的所述的倾斜通道的中心线与水平方向的夹角θ₂为10°～20°，所述的锥台形缩颈结构的母线与水平方向的夹角θ₁为35°～45°，所述的锥台形缩颈结构的锥台高度h₁为20mm～28mm，所述的锥台形缩颈结构的下口与切屑出口通道16水平中心线的距离h₂为35mm～40mm。本尺寸的设计是利用流体力学原理经过反复仿真计算实验确定，能够保证切屑最优化排出，同时保证切削温度最低，并且有利于减少刀具磨损延长刀具寿命和提高制孔质量，减少复合材料粉尘切屑扩散对操作人员身体健康影响。其他尺寸可依据实际应用情况调整。

采用本发明装置，复合材料制孔加工在防逸屑罩体11内进行，罩体底部弹性伸缩装置13可以根据工件高低进行调整，实现相对封闭式加工，带内气道切削刀具12对复合材料15制孔产生切屑5，空气压缩装置9输出空气气流，传送到气路刀柄10进而传送到带内气道切削刀具12，刀具12底部输出正压力气流1，促进孔内残留切屑主动排出，实现主动排屑，尤其在针对加工深孔时防止切屑在孔内堆积、刀具磨损，负压生成装置3通过吸尘器吸力产生负压力气流5(如图中箭头方向所示)，对切屑完成收集。空气压缩装置9、防逸屑罩体11、负压生成装置3的相连相通使得加工复合材料在一个相对封闭的空间内进行，同时正压力气流1与负压力气流4形成流体空间，实现对切屑的排出和收集。

一种基于复合材料制孔加工主动排屑方法，包括以下步骤：

(1)安装排屑装置：

(a)将空气压缩装置9的压缩空气出口通过管道与具有内气道的气路刀柄10的内气道进口连通，将带内气道的切削刀具12装夹在气路刀柄10上并使切削刀具12的内气道与气路刀柄的内气道连通，将气路刀柄装夹在加工机床主轴8上；

(b)将防逸屑罩体套在气路刀柄10和带内气道的切削刀具12外，然后通过磁力表座7连接防逸屑罩体上的耳座6以及加工机床主轴8使得防逸屑罩体11固定在加工机床主轴8上；

(2)将复合材料15装夹在机床加工台上；

(3)调整防逸屑罩体11底部弹性伸缩装置13至与复合材料工件15相接触；

(4)将防逸屑罩体上的切屑出口通道16的出口通过负压通道4与负压生成装置3连接；

(5)启动空气压缩装置9和负压生成装置3，然后启动机床加工；

(6)空气压缩装置9流出的气流经过气路刀柄10的内气道以及切削刀具12的内气道在刀具12底部产生正压力气流1将切屑14从防逸屑罩体的切屑出口吹出，依次经倾斜通道和切屑出口通道实现主动排屑，切屑14然后通过负压生成装置3产生的负压力气流5经负压通道4进入负压生成装置3完成切屑收集，直到加工完成，整个加工过程在相对封闭空间进行，空气压缩装置9产生气流1到达刀具12底部已经很小，负压生成装置3吸走大量气流，在防逸屑罩体内气流会不足，弹性伸缩装置13底部开的通气孔18能够及时补充外界气流，保证气流平衡。

空气压缩装置9气压范围通常为0～16bar，所述的负压生成装置3产生负压范围通常为0～0.205bar。

整个加工过程都在罩体内进行，根据不同的需要可调整空气压缩装置产生气压、外接负压生成装置的吸力大小，保证在制孔加工时切屑能够有效顺利排出，消除切屑堆积、黏结，减小刀具的磨损，提高制孔质量；同时能够有效防止粉尘切屑四散，保护操作人员身体健康以及加工环境。

以上对本发明的实例描述仅仅是示意性的，而不是限制性的。所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于复合材料制孔加工主动排屑装置，其特征在于：包括防逸屑罩体，在所述的防逸屑罩体中间开有沿竖直方向贯通的空腔，所述的防逸屑罩体上部为主体，所述的主体的底部通过锥台形缩颈结构与一个横截面成圆环状的颈部相连，一个波纹管状的弹性伸缩装置上部套在颈部外壁上并通过喉箍固定在颈部上，在所述的主体外壁上安装有耳座，在一根加工机床主轴上沿竖直方向安装有具有气道的气路刀柄，所述的气路刀柄与带内气道的切削刀具固定相连，所述的气路刀柄和带内气道的切削刀具设置在防逸屑罩体的空腔内，磁力表座的一端与耳座固定相连并且另一端通过吸铁与加工机床主轴吸附固定，所述的切削刀具的内气道与气路刀柄的内气道连通并且气路刀柄的内气道进口与空气压缩装置的压缩空气出口连通，在所述的弹性伸缩装置底部外壁上开有多个通气孔，在远离气路刀柄的内气道进口一侧的防逸屑罩体的主体的下部以及缩颈结构的上部处沿倾斜方向开有与空腔连通的切屑出口，所述的切屑出口通过与切屑出口具有相同倾斜方向的倾斜通道与沿水平方向设置的切屑出口通道连通，所述的切屑出口通道出口通过负压通道与负压生成装置连接。

2.根据权利要求1所述的基于复合材料制孔加工主动排屑装置，其特征在于：所述的负压生成装置采用吸尘器。

3.根据权利要求1或者2所述的基于复合材料制孔加工主动排屑装置，其特征在于：所述的空气压缩装置采用空气压缩泵。

4.根据权利要求3所述的基于复合材料制孔加工主动排屑装置，其特征在于：所述的倾斜通道的中心线与水平方向的夹角为10°～20°，所述的锥台形缩颈结构的母线与水平方向的夹角为35°～45°，所述的锥台形缩颈结构的锥台高度为20mm～28mm，所述的锥台形缩颈结构的下口与切屑出口通道水平中心线的距离为35mm～40mm。

5.根据权利要求4所述的基于复合材料制孔加工主动排屑装置，其特征在于：所述的防逸屑罩体整体近似呈漏斗形。

6.一种基于复合材料制孔加工主动排屑方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)安装排屑装置：

(a)将空气压缩装置的压缩空气出口通过管道与具有内气道的气路刀柄的内气道进口连通，将带内气道的切削刀具装夹在气路刀柄上并使切削刀具的内气道与气路刀柄的内气道连通，将气路刀柄装夹在加工机床主轴上；

(b)将防逸屑罩体套在气路刀柄和带内气道的切削刀具外，然后通过磁力表座连接防逸屑罩体上的耳座以及加工机床主轴使得防逸屑罩体固定在加工机床主轴上；

(2)将复合材料装夹在机床加工台上；

(3)调整防逸屑罩体底部弹性伸缩装置至与复合材料工件相接触；

(4)将防逸屑罩体上的切屑出口通道的出口通过负压通道与负压生成装置连接；

(5)启动空气压缩装置和负压生成装置，然后启动机床加工；

(6)空气压缩装置流出的气流经过气路刀柄的内气道以及切削刀具的内气道在刀具底部产生正压力气流将切屑从防逸屑罩体的切屑出口吹出，依次经倾斜通道和切屑出口通道实现主动排屑，切屑然后通过负压生成装置产生的负压力气流经负压通道进入负压生成装置完成切屑收集，直到加工完成，在此过程中通过弹性伸缩装置底部开的通气孔及时补充外界气流，保证气流平衡。