CN108994357A - 一种cfrp异型孔切削加工装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CFRP异型孔切削加工装置，其包括夹具体，夹具体的顶部向下设置有加工槽，夹具体的两端均设置有台阶面，台阶面的顶面均设置有压板，加工槽内设置有CFRP层合板，CFRP层合板的两端通过压板固定，夹具体的顶部设置为机床主轴，机床主轴的下部垂直设置有人字形纹铣刀，机床主轴的一侧设置有菱形纹铣刀。本发明的加工方法把CFRP层合板装夹在夹具体上，根据异型孔形状特征确定几何中心，预钻中心孔，采用人字形纹铣刀走“回字形”进行异型孔内腔铣削，再用菱形纹铣刀精铣异型孔，可有效制备三角形、矩形、梯形、正多边形异型孔，无毛刺与分层缺陷，孔壁质量佳、精度高，操作简单、可实施性强。

Description

一种CFRP异型孔切削加工装置及加工方法

技术领域

本发明涉及机械切削加工技术领域，具体为一种CFRP异型孔切削加工装置及加工方法。

背景技术

近年来，碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）以其轻质、比强度高、比高度高、耐腐蚀的特点，是新型航空大飞机、能源风机及石化行业耐腐蚀鼓风机的优选材料。为满足CFRP与钛合金、铝合金的高可靠性连接装配要求，往往需要制备异型孔。然而，CFRP是典型的难加工材料，异型孔入口、出口及拐角处存在严重的毛刺、撕裂、分层损伤，致使联结强度低，无法满足承载要求。因此，如何高质量的制备CFRP异型孔是当前亟待解决的技术难题。

为了制备高质量CFRP孔，国内外研究人员开展的广泛研究。公开号为CN103786265A的发明专利提供了CFRP的开孔方法，该方法包括用具有金刚石涂层的第一钻头进行钻孔和第二钻头扩孔，能够迅速将CFRP平滑切削，防止刀具温度过高，采用先钻孔，再扩孔的方式进行开孔，并根据孔径大小调整所用的钻头，使得开孔快速且所开的孔孔壁平滑，开孔质量好；公开号为CN106777733A的发明专利供一种CFRP与钛合金叠层结构钻孔工艺的优化方法，该方法综合考虑复材钻孔缺陷、钻孔刀具后刀面磨损和钻孔刀具使用寿命等约束，依据当前钻头结构参数、复材分层/撕裂缺陷标准和制孔数量，优化钻孔的切削速度和进给量，大幅提高CFRP与钛合金叠层结构钻孔效率，降低零件的不合格率和报废率；公开号为CN102896660A的发明专利提供了一种基于钻削力控制的碳纤维增强复合材料层合板无分层钻孔方法，通过建立CFRP层合板的分层稳定状态方程，实现了CFRP层合板的无分层钻孔加工，避免了钻孔的分层损伤缺陷；公开号为CN205889366U实用新型专利提供了一种碳纤维复合材料的分步钻孔装置，该技术方案在胚料钻孔前，利用跳水板对胚料的待加工孔进行预定位，然后使用钻头定位孔约束钻头的钻孔操作，提高钻孔效率，有益效果显著；公开号为CN203863095U实用新型专利提供了一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，在对碳纤维复合材料进行铣孔时，加工角度不是垂直于加工面的，此时刀具与碳纤维复合材料接触面的中心点相对运动速度不为零，从而减小铣孔的阻力，增加加工效率并改善毛边和分层的问题。

然而，所有上述专利主要针对CFRP圆孔，无法解决三角形、矩形、梯形、正多边形异性孔拐角处的毛刺、撕裂与分层损伤，因此，均不适用于制备CFRP异型孔。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种CFRP异型孔切削加工装置及加工方法。

本发明的技术方案是提供一种CFRP异型孔切削加工装置，其包括夹具体，其特征在于：所述夹具体包括有加工槽、台阶面、压板，所述加工槽内设置有CFRP层合板，所述CFRP层合板的两端通过所述压板固定，所述夹具体的顶部设置为机床主轴，所述机床主轴包括有人字形纹铣刀和菱形纹铣刀；

一种CFRP异型孔切削加工方法，其包括如下步骤：

（1）将CFRP层合板安装在加工槽内，以夹具体台阶面及螺栓共同限制除z轴平动外的5个自由度，配合压板，实现工件定位与夹紧；

（2）合理设定工艺零点，计算异型孔的几何中心坐标，设定预钻中心孔；

（3）更换人字形纹铣刀，将人字形纹铣刀逐渐伸入预钻中心孔内，直至左右旋刀纹截交面与层合板中心面重合，以“回字形”走刀路径，径向逐层开展异型孔内腔铣削，留0.2-0.5mm径向余量；

（4）更换菱形纹铣刀，沿异型孔外轮廓走刀，完成层合板异型孔切削加工。

进一步的，所述压板通过螺栓连接于所述台阶面，所述台阶面的底部设置有螺母，所述螺母旋接所述螺栓。

进一步的，所述CFRP层合板包括有层合板中心面。

进一步的，所述人字形纹铣刀上包括有左右旋刀纹截交面。

进一步的，所述异型孔为三角形孔，其几何中心为三角形底边垂直平分线交点。

进一步的，所述异型孔为正多边形孔，其几何中心为外接圆圆心。

进一步的，所述异型孔为梯形孔，其几何中心在对角线交点。

进一步的，所述步骤（2）中，预钻中心孔直径大于人字形纹铣刀与菱形纹铣刀的外径。

进一步的，所述步骤（3）中，人字形纹铣刀的螺旋角大于30°；所述步骤（4）中，菱形纹铣刀采用粗纹。

优选的，所述步骤（3）中“回字形”走刀路径，优选采用Hurco VMX可视化人机交互系统进行编程；

优选的，所述步骤（3）和所述步骤（4）中异型孔拐角处铣削进给降低50-75%；

优选的，所述步骤（3）中人字形纹铣刀及所述步骤（4）中菱形纹铣刀直径不大于8mm。

本发明的有益效果是：本发明的一种CFRP异型孔切削加工装置及加工方法可有效制备三角形、矩形、梯形、正多边形等异型孔，无毛刺、分层缺陷，孔壁质量佳、精度高，操作简单、可实施性强。

附图说明

图1是本发明的加工装置的结构示意图；

图2是本发明的圆形异型孔走刀路径图；

图3是本发明的三角形异型孔走刀路径图；

图4是本发明的正多边形异型孔走刀路径图；

图5是本发明的梯形异型孔走刀路径图。

附图标记：夹具体7，加工槽71，台阶面72，压板4，螺栓5，螺母8，CFRP层合板3，机床主轴1，人字形纹铣刀2，菱形纹铣刀11，层合板中心面9，左右旋刀纹截交面10，预钻中心孔6，走刀路径12，异型孔13。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

针对中国商飞自主研发生产C919大型客机中机身用的牌号为T700/LT-03A， 碳纤维方向 [0/+/90/-/0/0/+/90/-/0/0/-/90/+/0/0/-/90/+/0]s 铺40层的5mm厚CFRP层合板，应用本发明所述的方法，制备大直径圆形、三角形、矩形和梯形异型孔，如图1至图5所示，本发明的一种CFRP异型孔13切削加工装置，其包括夹具体7，所述夹具体7的顶部向下设置有加工槽71，所述夹具体7的两端均设置有台阶面72，所述台阶面72的顶面均设置有压板4，所述加工槽71内设置有CFRP层合板3，所述CFRP层合板3的两端通过所述压板4固定，所述夹具体7的顶部设置为机床主轴1，所述机床主轴1的下部垂直设置有人字形纹铣刀2，所述机床主轴1的一侧设置有菱形纹铣刀11。

本发明一个较佳实施例中，所述压板4通过螺栓5连接于所述台阶面72，所述台阶面72的底部设置有螺母8，所述螺母8旋接所述螺栓5。

本发明一个较佳实施例中，所述CFRP层合板3包括有层合板中心面9。

本发明一个较佳实施例中，所述人字形纹铣刀2上包括有左右旋刀纹截交面10。

一种CFRP异型孔13切削加工方法，所述加工方法包括如下步骤：

（1）将清洗干燥后的CFRP层合板3安装在夹具体7上，如图1所示，以夹具体7台阶面72及挡销（未图示）共同限制除z轴平动外的5个自由度，配合压板4、螺栓5、螺母8，实现CFRP层合板3的定位与夹紧；

（2）分别设定工艺零点为CFRP层合板3上各异型孔13的几何中心，如图2-5所示，三角形孔的几何中心在底边垂直平分线交点，正多边形孔的几何中心在外接圆圆心，梯形孔的几何中心在其对角线交点，开启机床主轴1，用8mm普通硬质合金麻花钻预钻中心孔6。

（3）更换直径为6.35mm金刚石涂层人字形纹铣刀2，将人字形纹铣刀2逐渐伸入预钻中心孔6内，直至人字形纹铣刀2左右旋刀纹截交面10与层合板中心面9重合，利用HurcoVMX可视化人机交互编程系统编写“回字形”走刀路径12，开启机床主轴1，以铣刀转速为8000rpm，进给率0.05mm/z（拐角处进给率0.01mm/z），轴向切深5mm，径向切宽1mm的切削工艺参数径向逐层开展异型孔13内腔铣削，留0.3mm径向余量；

（4）更换直径6.35mm菱形纹铣刀11，开启机床主轴1，以铣刀转速为12000rpm，进给率0.05mm/z（拐角处进给率0.01mm/z），轴向切深5mm，径向切宽0.3mm的切削参数，沿异型孔13外轮廓走刀，完成CFRP层合板3上各异型孔13切削加工。

结果表明，被加工异型孔的孔壁质量高，入口、出口和拐角处无毛刺，无分层，满足C919大型客机中机身舱体装配设计要求。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种CFRP异型孔切削加工装置，其包括夹具体，其特征在于：所述夹具体包括有加工槽、台阶面、压板，所述加工槽内设置有CFRP层合板，所述CFRP层合板的两端通过所述压板固定，所述夹具体的顶部设置为机床主轴，所述机床主轴包括有人字形纹铣刀和菱形纹铣刀；

一种CFRP异型孔切削加工方法，其包括如下步骤：

（1）将CFRP层合板安装在加工槽内，以夹具体台阶面及螺栓共同限制除z轴平动外的5个自由度，配合压板，实现工件定位与夹紧；

（2）合理设定工艺零点，计算异型孔的几何中心坐标，设定预钻中心孔；

（3）更换人字形纹铣刀，将人字形纹铣刀逐渐伸入预钻中心孔内，直至左右旋刀纹截交面与层合板中心面重合，以“回字形”走刀路径，径向逐层开展异型孔内腔铣削，留0.2-0.5mm径向余量；

（4）更换菱形纹铣刀，沿异型孔外轮廓走刀，完成层合板异型孔切削加工。

2.根据权利要求1所述的一种CFRP异型孔切削加工装置，其特征在于：所述压板通过螺栓连接于所述台阶面，所述台阶面的底部设置有螺母，所述螺母旋接所述螺栓。

3.根据权利要求1所述的一种CFRP异型孔切削加工装置，其特征在于：所述CFRP层合板包括有层合板中心面。

4.根据权利要求1所述的一种CFRP异型孔切削加工装置，其特征在于：所述人字形纹铣刀上包括有左右旋刀纹截交面。

5.根据权利要求1所述的一种CFRP异型孔切削加工方法，其特征在于：所述异型孔为三角形孔，其几何中心为三角形底边垂直平分线交点。

6.根据权利要求1所述的一种CFRP异型孔切削加工方法，其特征在于：所述异型孔为正多边形孔，其几何中心为外接圆圆心。

7.根据权利要求1所述的一种CFRP异型孔切削加工方法，其特征在于：所述异型孔为梯形孔，其几何中心在对角线交点。

8.根据权利要求1所述的一种CFRP异型孔切削加工方法，其特征在于：所述步骤（2）中，预钻中心孔直径大于人字形纹铣刀与菱形纹铣刀的外径。

9.根据权利要求1所述的一种CFRP异型孔切削加工方法，其特征在于：所述步骤（3）中，人字形纹铣刀的螺旋角大于30°；所述步骤（4）中，菱形纹铣刀采用粗纹。