CN109849099A - 一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，它是在碳纤维零件制孔过程中，通过在零件制孔部位的工装避让孔中设置泡沫支撑件，避免了钻头出孔瞬间，由于孔口纤维刚性不足以支撑轴向钻削力，导致定位面一侧的孔口处纤维剥离的质量问题，从而实现碳纤维零件孔的高质加工。

Description

一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体的说，是一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法。

背景技术

碳纤维复合材料作为一种先进的复合材料，具有重量轻、模量高、比强度大和耐腐蚀等一系列优点，在诸如飞机机翼、大型运载火箭舱段、航天飞行器舱体等航空航天领域得到越来越广泛的应用。但由于碳纤维复合材料零件的力学性能特殊性，其层间强度低，切削性差，属于典型的难加工材料。目前，碳纤维复合材料制孔的常用方法是将碳纤维复合材料工件置于设有避让孔的真空工装表面，采用钻头直接钻削，或是在制孔过程中在零件制孔部位底部贴一层脱模布或胶带来实现碳纤维零件孔的加工。

但是传统的方法存在以下不足：首先采用钻头直接制孔，受碳纤维复合材料纤维结构的特殊性的影响，钻削时，孔在被钻穿瞬间，孔口纤维刚性不足以支撑轴向钻削力，从而导致出孔口处纤维剥离，造成零件件故障。其次通过在零件制孔部位底部贴一层具有一定强度的脱模布或胶带，此方法对小直径孔的质量能起到一定的改善作用，但对于复杂曲面的大直径孔，脱模布的强度是有限的，而且此方法需对零件进行两次装夹，即第一次装夹找准工装避让孔在零件定位面上对应的区域，然后取零件，在零件定位面对应位置粘贴脱模布，最后再装夹一次零件，这种方法效率很低。因此改善碳纤维制孔的方法，对提高碳纤维零件的孔的加工质量以及降低零件的加工成本具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，用于解决碳纤维零件制孔时零件孔口处纤维剥离等质量问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，将碳纤维零件真空吸附在安装有泡沫支撑件的碳纤维制孔工装上进行钻孔；所述碳纤维制孔工装上设置有安装泡沫支撑件的避让孔。

优选地，包括以下步骤：

步骤S1、根据碳纤维零件需加工的零件孔的大小，选择设有避让孔的碳纤维制孔工装；

步骤S2、根据碳纤维制孔工装中避让孔的尺寸制造泡沫支撑件；

步骤S3、将碳纤维制孔工装安装在数控机床工作台上；

步骤S4、将与避让孔直径相同的销棒安装在数控机床的主轴上并移动至避让孔上方，同时控制主轴下降，令主轴上的销棒插入到避让孔内，然后将X、Y坐标设为原点值输入到机床控制系统；

步骤S5、抬起销棒至安全高度，并将销棒更换为与零件孔直径相同的钻头；

步骤S6、将制备好的泡沫支撑件安装在避让孔内；

步骤S7、将碳纤维零件的定位面完全贴合固定在碳纤维制孔工装的表面上；

步骤S8、将数控机床的主轴复位至步骤S4中的原点后，启动数控机床令主轴下降，然后钻头对碳纤维零件进行制孔。

优选地，所述避让孔的直径比零件孔的直径大2mm～4mm。

优选地，所述泡沫支撑件的长度比避让孔的深度长0.1mm～0.2mm。

优选地，所述泡沫支撑件为PMI泡沫芯材料。

优选地，所述碳纤维制孔工装靠近碳纤维零件的面上设置有真空吸附孔，所述真空吸附孔呈L型，所述真空吸附孔一端贯通碳纤维制孔工装靠近碳纤维零件的面，另一端贯通碳纤维制孔工装远离避让孔的侧壁。

优选地，所述真空吸附孔贯通碳纤维工装侧壁的一端内安装有吸附头。

优选地，所述碳纤维制孔工装靠近碳纤维零件的面上还设置有密封条，所述密封条位于真空吸附孔与避让孔之间。

本发明首先根据需要加工的碳纤维零件孔的尺寸，选择好碳纤维工装并安装在数控机床上，然后以工装上的避让孔的坐标设定为数控机床的原点，然后在避让孔内安装泡沫支撑件；安装好泡沫支撑件后即可将碳纤维零件定位在工装上，使碳纤维零件压缩泡沫支撑件紧密贴合在工装表面上；此时由于工装采用的是真空吸定位，配合工装上的密封条，使得碳纤维零件表面牢固的吸附在工装表面，而泡沫支撑件受压后能够被压缩，故不会影响碳纤维零件表面与工装的平整贴合；而数控机床由于已经将避让孔的坐标设置为原点，故机床启动后钻头正对避让孔，保证了碳纤维零件孔的位置精确无误差；在钻头对碳纤维零件进行制孔时，当钻头即将钻穿碳纤维零件时，由于泡沫支撑件对钻孔处的碳纤维零件存在挤压力，此时的泡沫支撑件犹如是加厚的了碳纤维零件，故在钻头钻穿碳纤维零件时，犹如钻头正处于碳纤维零件内钻孔，故不会令孔口处纤维剥离。

本发明的有益效果为：本发明通过对碳纤维零件制孔过程的受力分析，提出了一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，该方法能有效解决碳纤维零件制孔过程中，由于孔口纤维刚性不足以支撑轴向钻削力而引起的零件孔口处纤维剥离等质量问题，实现了碳纤维零件孔的高质、高效的加工。

附图说明

图1为碳纤维制孔工装局部简图；

图2为泡沫支撑件安装于工装避让中示意图；

图3为碳纤维零件装夹示意图；

图4为碳纤维零件制孔示意图；

图5为碳纤维零件孔示意图；

其中1-碳纤维制孔工装；2-避让孔；3-真空吸附孔；4-密封条； 5-泡沫支撑件；6-碳纤维零件；7-钻头；8-零件孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1-5所示，一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，将碳纤维零件6真空吸附在安装有泡沫支撑件5的碳纤维制孔工装1上进行钻孔；所述碳纤维制孔工装1上设置有安装泡沫支撑件5的避让孔2。

优选地，包括以下步骤：

步骤S1、根据碳纤维零件6需加工的零件孔8的大小，选择设有避让孔2的碳纤维制孔工装1；

步骤S2、根据碳纤维制孔工装1中避让孔2的尺寸制造泡沫支撑件5；

步骤S3、将碳纤维制孔工装1安装在数控机床工作台上；

步骤S4、将与避让孔2直径相同的销棒安装在数控机床的主轴上并移动至避让孔2上方，同时控制主轴下降，令主轴上的销棒插入到避让孔2内，然后将X、Y坐标设为原点值输入到机床控制系统；

步骤S5、抬起销棒至安全高度，并将销棒更换为与零件孔8直径相同的钻头7；

步骤S6、将制备好的泡沫支撑件5安装在避让孔2内；

步骤S7、将碳纤维零件6的定位面完全贴合固定在碳纤维制孔工装1的表面上；

步骤S8、将数控机床的主轴复位至步骤S4中的原点后，启动数控机床令主轴下降，然后钻头7对碳纤维零件6进行制孔。

值得说明的是：传统的钻孔方法使用硬质合金麻花钻，推荐转速为800rpm～2800rpm，进给量为0.0lmm/r～0.06mm/r，具体过程如下：

首先使用2800rpm转速对碳纤维零件6表面进行锪窝，锪窝后以0.06mm/r的进给量进行钻孔，随着钻头7的深入逐渐放慢转速减小进给量，在接近钻透碳纤维零件6时将转速放慢至800rpm，以0.01mm/r的进给量进行钻孔直至钻头7将碳纤维零件6钻穿，然后停止钻孔退出钻头7钻孔完成；此种方法能够防止钻头7折断，因为麻花钻快钻穿时横刃已经不参与切屑了，由于横刃在正常钻削时产生大量的阻力，所以在横刃不在参与切削后，切削力会突然变小，造成了反应不及时，我们仍然给钻头7较大的进给力，横刃会卡在还没有切掉的金属的下方，就造成了“啃刀”现象，造成钻头7折断，所以在快钻通时要减小进给量，缓慢进刀，避免这种现象的发生；但碳纤维零件6的特殊性，其孔口处的纤维刚性不足，所以纤维容易剥离，虽然在底部贴一层具有一定强度的脱模布或胶带，对小直径孔的质量能起到一定的改善作用，但对于复杂曲面的大直径孔，脱模布的强度是有限的，不足以防止孔口纤维剥离。

本方法通过在避让孔2内安装泡沫支撑件5，通过真空吸附碳纤维零件6压缩泡沫支撑件5，由泡沫支撑件5给碳纤维零件6提供足够大的强度支撑，由于支撑强度足够大，故犹如增加了钻孔处碳纤维零件6的厚度，使得孔口处的受力和零件内的受力保持一致，使得泡沫支撑件5承受力的改变，故孔口处的纤维不会剥离。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上，结合附图1-5，更进一步的限定，所述避让孔2的直径比零件孔8的直径大2mm～4mm。

优选地，所述泡沫支撑件5的长度比避让孔2的深度长0.1mm～0.2mm。

值得说明的是：用于加工零件孔8的碳纤维零件6较薄时，则选择泡沫支撑件5的长度比避让孔2的深度长0.1mm，此时由于泡沫支撑件5高出碳纤维工装0.1mm，故被压缩时的整体变形量较小，对碳纤维零件6产生的挤压力小，不会因挤压力过大，在碳纤维零件6被吸附过程中，出现碳纤维零件6表面变形，影响零件孔8的加工，用于加工零件孔8的碳纤维零件6较厚时，则选择泡沫支撑件5的长度比避让孔2的深度长0.2mm，此时泡沫支撑材料的变形量较大，对碳纤维零件6的挤压力较大，为零件孔8的加工提供足够的挤压力，不会因挤压力不足，导致钻头7穿过碳纤维零件6时，孔口表层纤维被剥离。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上，结合附图1-5，更进一步的限定，所述泡沫支撑件5为PMI泡沫芯材料。

优选地，所述碳纤维制孔工装1靠近碳纤维零件6的面上设置有真空吸附孔3，所述真空吸附孔3呈L型，所述真空吸附孔3一端贯通碳纤维制孔工装1靠近碳纤维零件6的面，另一端贯通碳纤维制孔工装1远离避让孔2的侧壁。

优选地，所述真空吸附孔3贯通碳纤维工装侧壁的一端内安装有吸附头。

优选地，所述碳纤维制孔工装1靠近碳纤维零件6的面上还设置有密封条4，所述密封条4位于真空吸附孔3与避让孔2之间。

值得说明的是：PMI泡沫芯材料为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，是目前综合性能最优的新型高分子结构泡沫材料，具有轻质、高强、耐高低温等特点；在钻头7穿过碳纤维零件6进入避让孔2时，在泡沫支撑件5的支撑作用下孔口表层纤维不会被撕扯剥离，使切屑呈粉末颗粒状而非纤维条状，达到消除孔口纤维剥离的目的。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例为本发明的最佳实施例：结合附图1-5，一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，将碳纤维零件6真空吸附在安装有泡沫支撑件5的碳纤维制孔工装1上进行钻孔；所述碳纤维制孔工装1上设置有安装泡沫支撑件5的避让孔2。

优选地，包括以下步骤：

步骤S1、根据碳纤维零件6需加工的零件孔8的大小，选择设有避让孔2的碳纤维制孔工装1；

步骤S2、根据碳纤维制孔工装1中避让孔2的尺寸制造泡沫支撑件5；

步骤S3、将碳纤维制孔工装1安装在数控机床工作台上；

步骤S4、将与避让孔2直径相同的销棒安装在数控机床的主轴上并移动至避让孔2上方，同时控制主轴下降，令主轴上的销棒插入到避让孔2内，然后将X、Y坐标设为原点值输入到机床控制系统；

步骤S5、抬起销棒至安全高度，并将销棒更换为与零件孔8直径相同的钻头7；

步骤S6、将制备好的泡沫支撑件5安装在避让孔2内；

步骤S7、将碳纤维零件6的定位面完全贴合固定在碳纤维制孔工装1的表面上；

步骤S8、将数控机床的主轴复位至步骤S4中的原点后，启动数控机床令主轴下降，然后钻头7对碳纤维零件6进行制孔。

优选地，所述避让孔2的直径比零件孔8的直径大2mm～4mm。

优选地，所述泡沫支撑件5的长度比避让孔2的深度长0.1mm～0.2mm。

优选地，所述泡沫支撑件5为PMI泡沫芯材料。

优选地，所述碳纤维制孔工装1靠近碳纤维零件6的面上设置有真空吸附孔3，所述真空吸附孔3呈L型，所述真空吸附孔3一端贯通碳纤维制孔工装1靠近碳纤维零件6的面，另一端贯通碳纤维制孔工装1远离避让孔2的侧壁。

优选地，所述真空吸附孔3贯通碳纤维工装侧壁的一端内安装有吸附头。

优选地，所述碳纤维制孔工装1靠近碳纤维零件6的面上还设置有密封条4，所述密封条4位于真空吸附孔3与避让孔2之间。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，其特征在于，将碳纤维零件（6）真空吸附在安装有泡沫支撑件（5）的碳纤维制孔工装（1）上进行钻孔；所述碳纤维制孔工装（1）上设置有安装泡沫支撑件（5）的避让孔（2）。

2.根据权利要求1所述的一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、根据碳纤维零件（6）需加工的零件孔（8）的大小，选择设有避让孔（2）的碳纤维制孔工装（1）；

步骤S2、根据碳纤维制孔工装（1）中避让孔（2）的尺寸制造泡沫支撑件（5）；

步骤S3、将碳纤维制孔工装（1）安装在数控机床工作台上；

步骤S4、将与避让孔（2）直径相同的销棒安装在数控机床的主轴上并移动至避让孔（2）上方，同时控制主轴下降，令主轴上的销棒插入到避让孔（2）内，然后将X、Y坐标设为原点值输入到机床控制系统；

步骤S5、抬起销棒至安全高度，并将销棒更换为与零件孔（8）直径相同的钻头（7）；

步骤S6、将制备好的泡沫支撑件（5）安装在避让孔（2）内；

步骤S7、将碳纤维零件（6）的定位面完全贴合固定在碳纤维制孔工装（1）的表面上；

步骤S8、将数控机床的主轴复位至步骤S4中的原点后，启动数控机床令主轴下降，然后钻头（7）对碳纤维零件（6）进行制孔。

3.根据权利要求2所述的一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，其特征在于，所述避让孔（2）的直径比零件孔（8）的直径大2mm～4mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，其特征在于，所述泡沫支撑件（5）的长度比避让孔（2）的深度长0.1mm～0.2mm。

5.根据权利要求4所述的一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，其特征在于，所述泡沫支撑件（5）为PMI泡沫芯材料。

6.根据权利要求5所述的一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，其特征在于，所述碳纤维制孔工装（1）靠近碳纤维零件（6）的面上设置有真空吸附孔（3），所述真空吸附孔（3）呈L型，所述真空吸附孔（3）一端贯通碳纤维制孔工装（1）靠近碳纤维零件（6）的面，另一端贯通碳纤维制孔工装（1）远离避让孔（2）的侧壁。

7.根据权利要求6所述的一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，其特征在于，所述真空吸附孔（3）贯通碳纤维制孔工装（1）侧壁的一端内安装有吸附头。

8.根据权利要求7所述的一种防止碳纤维零件制孔缺陷的方法，其特征在于，所述碳纤维制孔工装（1）靠近碳纤维零件（6）的面上还设置有密封条（4），所述密封条（4）位于真空吸附孔（3）与避让孔（2）之间。