CN111136722A - 一种用于碳纤维复合材料制孔的刀具及方法 - Google Patents

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袁信满
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Abstract

本发明提供了一种用于碳纤维复合材料制孔的刀具及方法，该刀具包括钻孔部、修整段、刀柄、退料棒。钻孔部表面上有若干条螺旋状的钻孔刀刃，下端有多个刀齿，并设有复合材料腔室，能减少CFRP碎屑的产生，节省能量，增加了制孔的效率，便于CFRP废料的回收；修整段被前排屑槽与后排屑槽分割为多个梯形微切单元，梯形微切单元上有微切主切刃和微切副切刃对碳纤维毛刺切削去除，提高孔壁质量，退料棒能及时排出卡在复合材料腔室，保证制孔工作可以连续进行。

Description

一种用于碳纤维复合材料制孔的刀具及方法
技术领域
本发明涉及CFRP钻削工具技术领域，具体涉及一种用于碳纤维复合材料制孔的刀具及方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRP)以其高的比强度和弹性模量在航空航天工业中得到了广泛的应用，市场需求量大。
CFRP固化成型后，为了装配需要，必须在材料中加工大量的孔。由于碳纤维与基体性能差别很大，CFRP材料的各向异性，以及层间强度较低，CFRP在打孔过程中很容易造成分层、毛刺、撕裂等缺陷。这些孔大多都是用麻花钻刀加工的，这种方法产生了大量的纤维碎屑，CFRP切割产生的碎屑会变成粉尘颗粒，粒度的尺寸分布集中在0.25～1μm范围内，这种大小的粉尘颗粒很容易到达人体肺部，会对工作人员的健康造成危害。近年来，随着CFRP使用量的增长，国际上对CFRP废料回收利用的研究也有了新的进展，Jack Howarth等发表的《Energy intensity and environmental analysis of mechanical recycling ofcarbon fibre composite》与Li X等发表的《Environmental and financial performanceof mechanical recycling of carbon fibre reinforced polymers and comparisonwith conventional disposal routes》均分析了CFRP废料回收的经济性与环境友好性，提高碳纤维的回收率可以降低生产成本，CFRP的循环利用也正从试验研究发展为工业规模化，CFRP加工中收集尽可能多的纤维碎屑具有十分重要的意义。
刀具是影响CFRP加工的主要因素之一，国内外学者对刀具的结构做了大量的研究，例如，大连理工大学牛斌等人发明的“一种用于碳纤维复合材料制孔的多阶梯多刃渐变微齿刀具”申请号：201710638289.3，它涉及了一种用于碳纤维复合材料制孔的多阶梯多刃渐变微齿刀具，该刀具由直刃钻孔区、扩孔区、修整区与刀柄组成的，钻削时先对CFRP进行钻孔，然后进行扩孔，最后再对孔壁进行修整，从一定程度上提高了制孔的效率与质量。哈尔滨理工大学的王义文发明的“一种可换刀片的CFRP钻削加工用吸气式钻头”，申请号：201811041486.8，该钻头的刀片可以更换，降低加工成本，而且在钻头上还设计了吸气孔道，可以有效回收切屑，减少切屑对环境的污染并提高加工质量。但是，以上两种刀具均对孔内的CFRP切成碎屑，CFRP碎屑量的产生并没有减少，对制孔效率与质量的提高具有一定的局限性。
因此，有必要对现有CFRP刀具进行改进，使其在CFRP钻孔过程中，减少CFRP碎屑的产生，从根本上提高CFRP加工质量、加工效率和CFRP废料的回收率。
发明内容
本发明的目的是在CFRP钻孔过程中，提高加工质量，增加制孔效率，减少碎屑的产生，提高CFRP废料的回收率。
本发明采用的技术方案是：
一种用于碳纤维复合材料制孔的刀具，该刀具包括钻孔部、修整段、刀柄、退料棒；
钻孔部内部设有复合材料腔室，复合材料腔室下端开口，钻孔部表面上有若干条螺旋状的钻孔刀刃，钻孔部端部具有多个刀齿，刀齿上设有刀齿主刀刃和刀齿副刀刃；修整段内部设有退料棒通道，修整段具有梯形微切单元、前排屑槽、后排屑槽；梯形微切单元上有微切主切刃、微切副切刃，刀柄内部设有退料棒通道和腔室，腔室上部装有腔室密封圈。
所述的退料棒设在退料棒通道和腔室内，腔室内装有弹簧和金属挡板，金属挡板与退料棒固定连接，弹簧上端与金属挡板相连，下端与腔室底面相连。
所述的钻孔部下端有刀齿的个数为4～20个。
所述的钻孔部表面上螺旋状的钻孔刀刃的个数为2～8个。
所述的刀具材料是金刚石、合金或者陶瓷材料。
所述的腔室与腔室密封圈的连接方式为螺纹连接、卡接、过盈配合或焊接。
所述的刀齿上的刀齿主刀刃为圆弧状，刀齿上的刀齿副刀刃为抛物线状。
所述的钻孔部的长度为1～12cm，修整段的长度为4～25cm、刀柄的长度为5～40cm。
为配合此刀具的使用，本发明还提供一种碳纤维复合材料制孔的方法，步骤如下：
a、使用刀具以转速为r，进给速度为v，对被加工工件进行钻孔，首先钻孔部与被加工工件接触，进行打孔，由于复合材料腔室的存在，孔上的CFRP并不会被完全打成碎屑，形成块状的切屑；
b、钻孔部的长度大于被加工工件的厚度，当修整段与碳纤维复合材料接触时，钻孔内的复合材料已经被切下成为切屑，卡在腔室内，此时按下退料棒，腔室内的切屑被排出，在弹簧的作用下，退料棒自动恢复原来位置；
c、继续使用修整段对孔壁的质量进行修整，完成制孔。
本发明设计了一种用于碳纤维复合材料制孔的刀具及方法，具有如下有益效果：刀具包括钻孔部、修整段、刀柄、退料棒，钻孔部的复合材料腔室设计能减少CFRP碎屑的产生，节省了能量，增加了制孔的效率，便于CFRP废料的回收；修正段被前排屑槽与后排屑槽分割为多个梯形微切单元，梯形微切单元上有微切主切刃和微切副切刃对碳纤维毛刺切削去除，提高孔壁质量，退料棒能及时排出卡在复合材料腔室，保证制孔工作可以连续进行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中A部放大图。
图3为图1中B部放大图。
图4为本发明的剖面示意图。
图5为纤维增强复合材料加工示意图。
图中：A钻孔部，B修整段，C刀柄，1刀齿，2刀齿主刀刃，3刀齿副刀刃，4钻孔刀刃，5退料棒，6梯形微切单元，7微切主切刃，8微切副切刃，9前排屑槽，10后排屑槽，11复合材料腔室，12退料棒通道，13腔室，14弹簧，15，腔室底面，16金属挡板，17腔室密封圈，18被加工工件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1～3所示，一种用于碳纤维复合材料制孔的刀具，所述的刀具包括钻孔部A、修整段B、刀柄C、退料棒5；
钻孔部A内部设有复合材料腔室11，复合材料腔室11下端开口，加工时，可以减少CFRP碎屑的产生，钻孔部A表面上有若干条螺旋状的钻孔刀刃4，钻孔部A端部具有刀齿1，刀齿1上设有刀齿主刀刃2和刀齿副刀刃3；修整段B内部设有金属棒通道12，修整段B具有梯形微切单元6、前排屑槽9、后排屑槽10；梯形微切单元6上有微切主切刃7、微切副切刃8，刀柄C内部设有金属棒通道12和腔室13，腔室13上部装有腔室密封圈17。
所述的钻孔部A内部设有复合材料腔室11，钻孔部A表面上有若干条螺旋状的钻孔刀刃4，钻孔部A下端有多个刀齿1，刀齿1设有刀齿主刀刃2和刀齿副刀刃3；所述修整段B内部设有退料棒通道12，修整段B具有梯形微切单元6、前排屑槽9、后排屑槽10；所述的梯形微切单元6上有微切主切刃7、微切副切刃8，所述的刀柄C内部设有退料棒通道12和腔室13，腔室13上部装有腔室密封圈17。
如图4所示，上述的退料棒5设在退料棒通道12和腔室13内，腔室13内装有弹簧14和金属挡板16，金属挡板16与退料棒5固定连接，弹簧14上端与金属挡板16相连，下端与腔室底面15相连。
如图1～2所示，上述的钻孔部A下端有刀齿1的个数为4～20个。
如图1～2所示，上述的钻孔部A表面上螺旋状的钻孔刀刃4的个数为2～8个。
上述的刀具材料是金刚石、合金或者陶瓷材料。
如图4所示，上述的腔室13与腔室密封圈17的连接方式为螺纹连接、卡接、过盈配合或焊接。
如图1～2所示，所述的刀齿1上的刀齿主刀刃2为圆弧状，刀齿1上的刀齿副刀刃3为抛物线状。
如图1所示，所述的钻孔部A的长度为1～12cm，修整段B的长度为4～25cm、刀柄C的长度为5～40cm。
如图5所示，一种碳纤维复合材料制孔的方法，步骤如下：
a、使用刀具以转速为r，进给速度为v，对被加工工件18进行钻孔，首先钻孔部A与被加工工件18接触，进行打孔，由于钻孔部A内部设有复合材料腔室11，所以孔内的CFRP并不会被完全打碎；
b、钻孔部A的长度大于被加工工件18的厚度，当修整段B与碳纤维复合材料接触时，钻孔内的复合材料已经被切下成为切屑，卡在腔室13内，此时按下退料棒5，腔室13内的切屑被排出，在弹簧14的作用下，退料棒5自动恢复原来位置；
c、继续使用修整段B对孔壁的质量进行修整，完成制孔。
申明：本发明的说明书内容是为了更好的解释权利要求而非限制权利要求的保护范围，本发明所要求保护的范围以权利要求书为准，此外本领域技术人员在参考了说明说内容的基础上所做出的不必付出创造性劳动的改动也应落入本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于碳纤维复合材料制孔的刀具，其特征在于：碳纤维复合材料制孔刀具包括钻孔部(A)、修整段(B)、刀柄(C)、退料棒(5)；钻孔部(A)内部设有复合材料腔室(11)，复合材料腔室(11)下端开口，所述钻孔部(A)表面上有若干条螺旋状的钻孔刀刃(4)，钻孔部(A)的端部具有多个刀齿(1)，刀齿(1)上设有刀齿主刀刃(2)和刀齿副刀刃(3)；所述修整段(B)内部设有退料棒通道(12)，修整段(B)具有梯形微切单元(6)、前排屑槽(9)、后排屑槽(10)；梯形微切单元(6)上有微切主切刃(7)、微切副切刃(8)，刀柄(C)内部设有退料棒通道(12)和腔室(13)，腔室(13)上部装有腔室密封圈(17)。
2.如权利要求1所述的碳纤维复合材料制孔刀具，其特征在于：所述的退料棒(5)设在退料棒通道(12)和腔室(13)内，腔室(13)内装有弹簧(14)和金属挡板(16)，金属挡板(16)与退料棒(5)固定连接，弹簧(14)上端与金属挡板(16)相连，下端与腔室底面(15)相连。
3.如权利要求1所述的碳纤维复合材料制孔刀具，其特征在于：所述的钻孔部(A)下端有刀齿(1)的个数为4～20个。
4.如权利要求1所述的碳纤维复合材料制孔刀具，其特征在于：所述的钻孔部(A)表面上螺旋状的钻孔刀刃(4)的个数为2～8个。
5.如权利要求1所述的碳纤维复合材料制孔刀具，其特征在于：所述的刀具材料是金刚石、合金或者陶瓷材料。
6.如权利要求1所述的碳纤维复合材料制孔刀具，其特征在于：所述的腔室(13)与腔室密封圈(17)的连接方式为螺纹连接、卡接、过盈配合或焊接。
7.如权利要求1所述的碳纤维复合材料制孔刀具，其特征在于：所述的刀齿(1)上的刀齿主刀刃(2)为圆弧状，刀齿(1)上的刀齿副刀刃(3)为抛物线状。
8.如权利要求1所述的碳纤维复合材料制孔刀具，其特征在于：所述的钻孔部(A)的长度为1～12cm，修整段(B)的长度为4～25cm、刀柄(C)的长度为5～40cm。
9.一种碳纤维复合材料制孔的方法，使用的是如权利要求1～8所述的刀具，具体步骤如下：
a、使用刀具以转速为r，进给速度为v，对被加工工件(18)进行钻孔，首先钻孔部(A)与被加工工件(18)接触，进行打孔；
b、钻孔部(A)的长度大于被加工工件(18)的厚度，当修整段(B)与碳纤维复合材料接触时，钻孔内的复合材料已经被切下成为切屑，卡在腔室(13)内，此时按下退料棒(5)，腔室(13)内的切屑被排出，在弹簧(14)的作用下，退料棒(5)自动恢复原来位置；
c、继续使用修整段(B)对孔壁的质量进行修整，完成制孔。
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