CN109311101A - 与孔切削相关的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本文中公开了一种利用切削刀具(4)在包含CFRP的工件(3)中进行孔切削的方法，所述切削刀具(4)包括至少一个切削刃(8)。此外，公开了一种孔切削辅助设备(12)和一种用于孔切削的设备(2)，所述用于孔切削的设备(2)包括：切削刀具(4)；驱动器(6)，所述驱动器(6)用于使所述切削刀具(4)旋转；以及加热元件(10)，所述加热元件(10)被构造用于加热所述切削刀具(4)的所述切削刃(8)的至少一部分。

Description

与孔切削相关的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于在包含CFRP的工件中进行孔切削的方法。本发明还涉及一种用于引导旋转的切削刀具的孔切削辅助设备。本发明还涉及一种用于在包含CFRP的工件中进行孔切削的设备。
背景技术
在加工工件时，长期以来通常的做法是冷却相关的切削刀具，以延长刀具寿命。然而，最近已经开发了如下的加工方法：其中在加工期间将热量施加到工件上，以便获得特定优点。
US 8053705公开了一种利用多个分布式激光单元的激光辅助加工工艺和机器，所述多个分布式激光单元策略性地分布在被加工的工件的周围，以同时加热工件，从而产生用于激光辅助加工的所期望的温度分布。使用来自不同方向和位置的连续递增加热，从而延长刀具寿命并缩短加工时间。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于在包含碳纤维增强塑料(CFRP)的工件中进行孔切削的方法，该方法延长了刀具寿命并且/或者确保了邻近切削孔的一致的工件质量。
根据本发明的一个方面，该目的通过一种方法来实现，该方法用于利用包括至少一个切削刃的切削刀具在包含CFRP的工件中进行孔切削，该方法包括以下步骤：
-加热切削刃的至少一部分，
-使包括切削刃的切削刀具旋转，以及之后
-将切削刀具进给到工件中，用于从工件切削材料，从而在工件中形成孔。
由于在将切削刀具进给到工件中之前加热了切削刃的至少一部分，因此与如果在将切削刃进给到工件之前未对切削刃加热相比，工件中会更早地达到CFRP的玻璃化温度。也就是说，本发明人已经意识到，一旦达到或超过了玻璃化温度，CFRP的碳纤维就可以被成束切削，从而与未达到玻璃化温度并且碳纤维被单独切削的情况相比，减少了由碳纤维引起的磨料磨损。结果，上述目的得以实现。此外，达到玻璃化温度可以减少CFRP中的分层，从而确保邻近已经被切削出来的孔的一致的高工件质量。
术语“孔切削”包括但不限于钻孔、铰孔、镗孔、攻丝(螺纹切削)、锪孔和锪锥孔。钻孔需要在实心工件中形成孔。孔可以是通孔或盲孔。铰孔、镗孔、锪孔和锪锥孔是用于扩大孔(或者是整个孔，或者仅仅是孔的一部分)的各种操作。例如，孔可以具有为例如圆形、椭圆形或不规则形状的横截面。
可以以各种不同的方式来进行对切削刃的所述至少一部分的加热，诸如例如通过感应来加热、利用激光来加热、通过在切削刀具上吹加热的气体来加热、通过引导加热的流体通过切削刀具来加热和/或通过将切削刀具进给通过一块牺牲材料来加热。
因此，可以通过将热量和/或加热能量直接施加到切削刃来加热切削刃的所述至少一部分，或者通过将热量和/或加热能量施加到在不同于切削刃的区域中的切削刀具来间接加热切削刃的所述至少一部分。
碳纤维增强塑料(CFRP)具有玻璃化温度，该玻璃化温度也可以被称为玻璃化转变温度。在玻璃化转变温度下，发生玻璃-液体转变，这是从CFRP的硬且相对脆的“玻璃态”到橡胶态的可逆转变。CFRP通常用于例如航空航天工业，以及最近用于汽车工业，以及用于能源/发电工业。由于CFRP易于分层，故切削CFRP可能会导致问题。切削CFRP时的切削刀具的磨损也是一个问题。特别的是，这些问题已经在CFRP的孔切削期间显现了出来。
本发明人已经意识到，在车削和/或铣削操作期间的切削刀具与工件的长时间的接合可以以积极的方式影响CFRP的切削。研究表明，切削刀具与CFRP工件之间的长时间的接合在切削刀具的切削刃中导致稳定的、高于相关CFRP的玻璃化温度的温度条件。本发明人发现CFRP的玻璃化温度对切削刀具的寿命的影响远大于预期。因此，本发明人意识到，当切削CFRP时，如果切削刀具刀刃的温度等于或高于相关CFRP的玻璃化温度，则切削刀具的磨损减少。这种认识已经被用在了与孔切削有关的本发明中，据此，执行对切削刃的至少一部分的加热。
本发明人已经意识到，在现有技术的孔切削操作中，特别是在薄的CFRP工件中进行孔切削或者当切削浅孔时，切削刀具没有达到玻璃化温度并且/或者在每次孔切削操作之间冷却到低于玻璃化温度的温度。此外，本发明人已经意识到，在孔切削之前对CFRP工件的加热可能难以在工件中达到足够的深度。因此，根据本发明，对切削刃的至少一部分进行加热。令人惊奇的是，已经发现，加热的切削刃恰在切削区域实现了对工件的充分加热。因此，足以证明了工件在切削刃处的非常有限的区域中具有高于玻璃化转变的温度，以实现切削刃的磨损的减少。
本发明的另一个目的是提供一种用于在包含CFRP的工件中辅助孔切削的孔切削辅助设备，该孔切削辅助设备延长了刀具寿命并且/或者确保了邻近切削孔的工件质量。
根据本发明的一个方面，该目的通过一种孔切削辅助设备来实现，该孔切削辅助设备用于将包括至少一个切削刃的旋转的切削刀具引导到包含CFRP的工件中，其中所述孔切削辅助设备包括：
-加热元件，该加热元件被构造用于加热切削刀具的切削刃的至少一部分，以及
-衬套，该衬套用于将切削刀具引导到工件中。
由于孔切削辅助设备包括加热元件，该加热元件被构造用于加热切削刀具的切削刃的至少一部分，因此在工件中切削孔期间的初期达到了CFRP的玻璃化温度。因此，实现了上述目的。
本发明的另一个目的是提供一种用于在包含CFRP的工件中进行孔切削的设备，该设备延长了刀具寿命并且/或者确保了邻近切削出来的孔的工件质量。
根据本发明的一个方面，该目的通过一种设备来实现，该设备用于在包含CFRP的工件中进行孔切削，其中所述用于孔切削的设备包括：
-切削刀具，该切削刀具包括至少一个切削刃，以及
-驱动器，该驱动器用于使切削刀具旋转，以及
-加热元件，该加热元件被构造用于加热切削刀具的切削刃的至少一部分，并且
其中，所述设备被构造用于执行根据本文中所公开的任何一个方面和/或实施例的方法。
由于用于孔切削的设备包括加热元件，该加热元件被构造用于加热切削刀具的切削刃的至少一部分，因此在工件中切削孔期间的初期达到了CFRP的玻璃化温度。因此，实现了上述目的。
当研究所附权利要求书和以下详细描述时，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
从以下详细描述和附图中所讨论的示例性实施例，将容易地理解本发明的各个方面，包括本发明的特定的特征和优点，在附图中：
图1示意性地示出了用于在包含CFRP的工件中进行孔切削的设备的实施例，
图2A至图2B示出了钻孔刀具的实施例，
图3示出了铰刀的实施例，
图4示意性地示出了用于引导旋转的切削刀具的孔切削辅助设备的实施例，以及
图5示出了在包含CFRP的工件中进行孔切削的方法。
具体实施方式
现在将更全面地描述本发明的各方面。相同的数字始终指代相同的元件。为了简洁和/或清楚起见，将不一定详细描述众所周知的功能或结构。
本发明涉及将受控的且局部的热量施加到切削刀具和/或切削刀具的切削刃上，以在切削之前将温度提高到一定程度，使得在接下来的孔切削工艺中超过相关CFRP的玻璃化转变温度。通过应用该技术，切削刀具在各种CFRP材料中的刀具寿命可以增至例如大约三倍。孔的质量也可以得到改善，特别是在减少和/或消除CFRP材料中的分层方面得到改善。
图1示意性地示出了用于在包含CFRP的工件3中进行孔切削的设备2的实施例。用于孔切削的设备2包括切削刀具4和驱动器6，该驱动器6用于使切削刀具4旋转。驱动器6可以包括例如电动的、液压的或气动的马达7，以及用于将切削刀具4连接到马达7的卡盘9或类似装置。切削刀具4包括至少一个切削刃8。切削刃8被设计用于进行轴向孔切削和/或径向孔切削，即：切削刃8可以沿被切削的孔或现有的孔的轴向方向切削，和/或沿现有的孔的径向方向切削。
设备2包括加热元件10，该加热元件10被构造用于加热切削刀具4的切削刃8的至少一部分。设备2被构造用于执行根据本文中所讨论的任何方面和/或实施例的方法。适当地是，切削刃8的由加热元件10加热的部分包括切削刃8的径向外部，诸如例如切削刃8的径向外侧拐角部。如果切削刀具4包括多于一个的切削刃8，则一些或所有的切削刃都可以被加热元件10加热。
如图1中所示，加热元件10可以从切削刀具4的一侧向切削刃8施加热量或加热能量。可替代的是，加热元件10可以围绕切削刀具4的至少一部分径向延伸，或者可以将加热元件10布置成至少部分地处在切削刀具4内。可以有一种选择，即，将加热元件10的至少一部分包括在夹紧机构中，该夹紧机构用于在孔切削操作期间牢固地保持工件。
可以例如借助于由一个或多个LED(未示出)所提供的光信号向设备2的操作者提供关于切削刃8的加热状态的一个或多个指示。由此，可以确保切削刃8被加热到期望的温度。
设备2可以是如图所示的手动操作的钻床，其包括操纵杆11，该操纵杆11用于将切削刀具4手动地进给到工件3中。根据可替代实施例，设备2可以是手动操作的手持工具。根据另一个实施例，设备2可以是全自动机器，例如诸如CNC机床的由计算机控制的机器。根据本发明的设备2不限于这些示例性设备，而是包括任何包含所附权利要求书中限定的特征的设备。在自动机器中，可以通过设定加热元件10将热量施加到切削刃8的至少一部分的时长来确保在切削刀具4与工件3接合之前对切削刃8进行适当的加热。
根据实施例，切削刀具可以是钻孔刀具4'。图2A和图2B示出了钻孔刀具4'的实施例，每个钻孔刀具4'包括至少一个切削刃8。如图2A中所示，钻孔刀具4'可以是实心钻头，所述至少一个切削刃形成与钻孔刀具4'一体的部分。如图2B中所示，钻孔刀具4'可以是包括至少一个可更换的切削刀片5的钻具，该至少一个可更换的切削刀片5包括所述至少一个切削刃8。不管钻孔刀具4'的类型如何，设备2的加热元件10都被构造用以加热钻孔刀具4'的所述至少一个切削刃8。
根据实施例，切削刀具可以是铰刀4”。图3示出了铰刀4”的实施例。铰刀4”包括至少一个切削刃8。设备2的加热元件10被构造用以加热铰刀4'的所述至少一个切削刃8。
仅作为示例提及，加热元件10可以包括：感应线圈，该感应线圈被构造用于产生振荡磁场；和/或激光；和/或用于将气体加热的加热构件和用于将加热的气体引导到切削刃和/或切削刀具上的风扇；和/或用于将流体加热的构件，所述流体通过切削刀具中的通道传导。
根据实施例，用于孔切削的设备2可以包括根据本文中所讨论的方面和/或实施例的孔切削辅助设备12。
图4示意性地示出了孔切削辅助设备12的实施例，该孔切削辅助设备12用于将包括至少一个切削刃8的旋转的切削刀具4引导到包含CFRP的工件3中。图4示出了整个切削辅助设备12的局部横截面。
孔切削辅助设备12包括：
-加热元件10，该加热元件10被构造用于加热切削刀具4的切削刃8的至少一部分，以及
-衬套14，该衬套14用于将切削刀具4引导到工件3中。
根据实施例，可以将加热元件10至少部分地布置在衬套14中。
衬套14可以由操作者手持。在这种情况下，可以顶靠着工件3放置衬套14，用于引导切削刀具4精确地定位在工件3中。在与工件3接合之前，切削刀具4的切削刃8的至少一部分被加热元件10加热。再一次，可以向设备2的操作者提供关于切削刃8的加热状态的一个或多个指示。
仅作为示例提及，加热元件10可以再一次包括：感应线圈，该感应线圈被构造用于产生振荡磁场；和/或激光；和/或用于将气体加热的加热构件和用于将加热的气体引导到切削刃和/或切削刀具上的风扇。
图5示出了利用包括至少一个切削刃的切削刀具在包含CFRP的工件中进行孔切削的方法100。该方法包括以下步骤：
-加热102切削刃的至少一部分，
-使包括切削刃的切削刀具旋转104，以及之后
-将切削刀具进给106到工件中，以便从工件切削材料，由此在工件中形成孔。
可以在旋转104切削刀具的步骤之前执行加热102切削刃的至少一部分的步骤。可替代地是，可以同时执行加热102切削刃的至少一部分的步骤与旋转104切削刀具的步骤。只有已经执行了加热102切削刃的至少一部分的步骤，才执行将切削刀具进给106到工件中的步骤。
根据实施例，加热102切削刃的至少一部分的步骤可以包括：
-加热108到CFRP的玻璃化温度的至少80％的温度。以这种方式，切削刃的所述至少一部分最迟将在切削刀具与工件接合后不久达到玻璃化温度。由此，被切削的孔的区域中保持了CFRP的结构，同时与如果切削刀具的至少一部分在与工件接合之前未被加热的情况相比，还减少了切削刀具上的磨损。因此，可以在切削刃与工件接合之前执行加热108到CFRP的玻璃化温度的至少80％的温度的步骤。
自然，加热102的步骤可以包括将切削刃的所述至少一部分加热到玻璃化温度或高于玻璃化温度的温度。玻璃化温度在不同种类的CFRP之间不同。仅作为示例提及，对于一些CFRP，玻璃化温度可以在180℃至210℃的范围内。
根据实施例，加热108到CFRP的玻璃化温度的至少80％的温度的步骤可以包括将CFRP加热到CFRP的玻璃化温度的约90％的温度。
根据一些实施例，加热102切削刃的至少一部分的步骤可以包括将切削刃的所述至少一部分加热到150℃至170℃范围内的温度。对于各种CFRP来说，这可以是足够的温度，因为该温度在具有190℃至210℃范围内的玻璃化温度的各种CFRP的玻璃化温度的合适范围内。
在加热102切削刃的至少一部分的步骤期间确保实现切削刃中的正确温度的一种方式可以是在相关CFRP工件的样品中进行校准孔切削。也就是说，通过切削多个测试孔来确定加热施加的持续时间和/或加热效果/能量。温度在CFRP的玻璃化温度以下时的切削力高于温度在CFRP的玻璃化温度以上时的切削力。校准孔切削包括：在各种条件下加热切削刃的所述至少一部分；执行测试性的孔切削；以及对切削力进行比较。由此，可以从提供低切削力的测试中选择切削刃和切削刀具的加热条件。在加热102切削刃的至少一部分的步骤期间确保实现切削刃中的正确温度的替代方式可以通过利用图像分析设备来手动或自动地监测被切削的孔中的工件质量。另一种可能的方式可以是使用例如红外线摄像机或热电偶来测量切削刃的温度。
加热102切削刃的至少一部分的步骤可以包括以下内容中的一个或多个：
-加热相关切削刀具的整个前端，所述前端包括切削刃，
-加热整个切削刃，
-仅加热切削刃的一部分。
此外，加热102切削刃的至少一部分的步骤可以包括通过加热切削刀具的不包括切削刃的部分来间接加热切削刃的该部分，并且该步骤依赖于经由切削刀具传导到切削刃的热量。由此，在难以直接加热切削刃的情况下，可以在切削刀具中加热切削刃的所述至少一部分。
根据实施例，加热102切削刃的至少一部分的步骤可以包括：
-加热110切削刃的径向外侧拐角部。以这种方式，已经这样的加热可以增加切削刀具的寿命，因为在切削期间的切削刃的径向外侧拐角部经受最大的磨损。
可以以各种不同的方式执行加热102切削刃的至少一部分的步骤。
根据实施例，加热102切削刃的至少一部分的步骤可以包括：
-通过感应来加热112切削刃的所述至少一部分。在切削刀具包括导电材料的实施例中，感应加热可以是加热切削刃的所述至少一部分的有效且方便的方式。
通过感应来加热利用了电磁感应。热量是通过涡流而在切削刃和/或切削刀具中产生。感应加热器包括电磁体和电子振荡器，该电子振荡器使高频交流电流通过电磁体，从而在切削刃和/或切削刀具中产生涡流。热量是在切削刃和/或切削刀具本身内部产生的。本文中使用的术语“加热能量”可以涉及由此产生的引起电磁感应的振荡磁场。因此，本文中使用的术语加热元件也包括感应加热器，该感应加热器例如包括感应线圈。
根据实施例，加热102切削刃的至少一部分的步骤可以包括：
-利用激光来加热114切削刃的所述至少一部分。可以将激光引导指向切削刀具的精确区域，用于加热该特定区域，即在这种情况下，激光被引导指向切削刃的所述至少一部分。在利用激光来加热114切削刃的所述至少一部分的步骤期间，切削刀具可以是不旋转的，以便能够将激光聚焦在切削刃或者切削刃的至少一部分上，诸如例如切削刃的径向外侧拐角部上。
根据实施例，加热102切削刃的至少一部分的步骤可以包括：
-通过将加热的气体吹到切削刃的所述至少一部分上来加热116切削刃的所述至少一部分。可以容易地产生用于加热切削刀具的热气，例如可以通过电加热元件和风扇来提供加热的空气。
根据实施例，加热102切削刃的至少一部分的步骤可以包括：
-通过引导加热的流体通过切削刀具来加热118切削刃的所述至少一部分。
在这样的实施例中，切削刀具可以设置有内部通道，加热的流体被引导通过该内部通道，以便加热切削刃的所述至少一部分。
根据实施例，加热102切削刃的至少一部分的步骤可以包括：
-通过将切削刀具进给通过一块牺牲材料来加热120切削刃的所述至少一部分。利用牺牲材料可以是在切削刀具进入工件之前加热切削刀具的便利方式。例如，可以使用一块与工件类似种类的CFRP作为牺牲材料，从而确保实现区域中的切削刃的温度处在相关CFRP的玻璃化温度内。
应理解，前述内容是对各种示例性实施例的说明，并且本发明仅由所附权利要求书限定。本领域技术人员将认识到，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以修改示例性实施例，并且可以组合示例性实施例的不同特征，以创建除了本文中所描述的实施例之外的实施例。

Claims (15)

1.一种用于利用切削刀具(4)在包含CFRP的工件(3)中进行孔切削的方法(100)，所述切削刀具(4)包括至少一个切削刃(8)，所述方法(100)包括以下步骤：
-加热(102)所述切削刃(8)的至少一部分，
-使包括切削刃(8)的切削刀具(4)旋转(104)，以及之后
-将所述切削刀具(4)进给(106)到所述工件(3)中，用于从所述工件(3)切削材料，从而在所述工件(3)中形成孔。
2.根据权利要求1所述的方法，其中加热(102)所述切削刃(8)的至少一部分的步骤包括：
-加热(108)到所述CFRP的玻璃化温度的至少80％的温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在所述切削刃(8)与所述工件(3)接合之前，执行加热(108)到所述CFRP的玻璃化温度的至少80％的温度的所述步骤。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中加热((102)所述切削刃(8)的至少一部分的所述步骤包括：
-通过感应来加热(110)所述切削刃(8)的所述至少一部分。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中加热(102)所述切削刃(8)的至少一部分的所述步骤包括：
-利用激光来加热(112)所述切削刃(8)的所述至少一部分。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中加热(102)所述切削刃(8)的至少一部分的所述步骤包括：
-通过将加热的气体吹到所述切削刃(8)的所述至少一部分上来加热(114)所述切削刃(8)的所述至少一部分。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中加热(102)所述切削刃(8)的至少一部分的所述步骤包括：
-通过引导加热的流体通过所述切削刀具(4)来加热(116)所述切削刃(8)的所述至少一部分。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中加热(102)所述切削刃(8)的至少一部分的所述步骤包括：
-通过将所述切削刀具(4)进给通过一块牺牲材料来加热(118)所述切削刃(8)的所述至少一部分。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中加热(102)所述切削刃(8)的至少一部分的所述步骤包括：
-加热(120)所述切削刃(8)的径向外侧拐角部。
10.一种孔切削辅助设备(12)，所述孔切削辅助设备(12)用于将旋转的切削刀具(4)引导到包含CFRP的工件(3)中，所述切削刀具(4)包括至少一个切削刃(8)，其中所述孔切削辅助设备(12)包括：
-加热元件(10)，所述加热元件(10)被构造用于加热所述切削刀具(4)的所述切削刃(8)的至少一部分，以及
-衬套(14)，所述衬套(14)用于将所述切削刀具(4)引导到所述工件(3)中。
11.根据权利要求10所述的孔切削辅助设备(12)，其中所述加热元件(10)被至少部分地布置在所述衬套(14)中。
12.一种用于在包含CFRP的工件(3)中进行孔切削的设备(2)，其中用于孔切削的所述设备(2)包括：
-切削刀具(4)，所述切削刀具(4)包括至少一个切削刃(8)，以及
-驱动器(6)，所述驱动器(6)用于使所述切削刀具(4)旋转，以及
-加热元件(10)，所述加热元件(10)被构造用于加热所述切削刀具(4)的所述切削刃(8)的至少一部分，并且
其中所述设备(2)被构造用于执行根据权利要求1至9中的任一项所述的方法(100)。
13.根据权利要求12所述的用于孔切削的设备(2)，其中所述切削刀具(4)是钻孔刀具(4')。
14.根据权利要求12所述的用于孔切削的设备(2)，其中所述切削刀具(4)是铰刀(4”)。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的用于孔切削的设备(2)，包括根据权利要求10或11所述的孔切削辅助设备(12)。
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