CN112139573A - 一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法，包括以下步骤：1）对零件的材料及纤维铺层方向进行分析；2）分析零件结构，识别零件是否存在尖角结构；3）根据零件的尖角结构，判断加工机床的摆角行程是否能满足刀具加工轨迹与纤维方向一致的要求；4）若加工机床的摆角行程满足加工需求，则直接通过加工机床，使切削刀具与零件纤维铺层方向平行；5）若加工机床的摆角行程无法满足加工需求，则采用角度头安装菠萝铣刀，利用菠萝铣刀侧齿，在与零件纤维铺层平行的方向进行切削。本发明采用角度头加菠萝铣刀的方式，避免了碳纤维零件尖角结构发生撕裂及分层的质量问题，保证加工质量，提高碳纤维零件的切削合格率。

Description

一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法

技术领域

本发明涉及零件的数据加工技术领域，具体是指一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法。

背景技术

碳纤维复合材料由碳布层层铺叠而成，其基体相树脂呈软塑性，增强相碳纤维呈硬脆性，整体材料呈各向异性，在沿纤维方向和垂直于纤维方向上的受力特性均小于金属材料，加工强度低，因此层与层之间的剪切强度较低，在数控加工时容易产生沿纤维方向的纤维撕裂、分层及断裂缺陷，从而影响零件的合格率和交付率。对于零件中部分尖角结构，传统方法加工时，由于机床受主轴摆角限制，无法满足大摆角结构所需摆角要求，故采用立铣刀进行底齿切削，完成碳纤维零件的加工。

但此种传统加工方法存在以下不足：在加工过程中采用刀具底齿进行切削，基于碳纤维零件的纤维铺层特征，由于刀具轴向未与零件的纤维铺层方向保持平行，在加工过程中在零件尖角结构位置将对碳纤维进行拉扯，从而导致纤维撕裂及分层等质量问题。因此，改善优化碳纤维零件的切削方法，提高零件的加工质量，提高生产效率具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在碳纤维零件数控切削过程中，针对零件尖角结构，通过采用角度头加菠萝铣刀的方式，利用刀具侧齿进行切削，实现防止尖角纤维分层的数控加工方法。

本发明通过下述技术方案实现：一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法，包括以下步骤：

(1)对零件的材料及纤维铺层方向进行分析；

(2)分析零件结构，识别零件是否存在尖角结构；

(3)根据零件的尖角结构，判断加工机床的摆角行程是否能满足刀具加工轨迹与零件纤维铺层方向平行的要求；

(4)若加工机床的摆角行程满足加工需求，则直接通过加工机床，使切削刀具与零件纤维铺层方向平行；

(5)若加工机床的摆角行程无法满足加工需求，则采用角度头安装菠萝铣刀，利用菠萝铣刀侧齿，在与零件纤维铺层平行的方向进行切削。

本技术方案工作原理为，在碳纤维零件数控切削过程中，通过采用角度头加菠萝铣刀的方式，利用刀具侧齿进行切削，实现在碳纤维零件切削过程防止尖角纤维分层，提高加工合格率。本发明所提供的数控加工方法，在加工过程中，采用角度头结合机床摆角，利用刀具侧齿对零件进行切削，保证刀具轴向与零件纤维铺层方向平行，避免由于机床主轴摆角无法满足零件大摆角结构加工所需摆角而采用刀具底齿切削零件所引起的纤维撕裂和分层等质量问题，保证零件的加工质量，减少零件的故障率，从而降低零件的制造成本。

为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(3)中，判断加工机床的摆角行程是否能满足刀具加工轨迹与零件纤维铺层方向平行的要求的过程为，比较满足加工要求的刀具摆角α与加工机床主轴A摆的最大摆角β的大小，若摆角α≤β，则说明加工机床满足加工需求，若α＞β，则说明加工机床无法满足加工需求。

为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(5)中，采用角度头安装菠萝铣刀对零件纤维铺层进行切削时，需要分层加工。

为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(5)中，采用角度头安装菠萝铣刀对零件纤维铺层进行切削时，切削余量αp应控制在2mm以内。

为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(5)中使用角度头的可取转速低于该角度头使用的最大转速。

为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(5)中，采用角度头安装菠萝铣刀对零件纤维铺层进行切削的过程，需要满足切削公式，所述切削公式为：

F＝f_z×Z×n

其中，每齿进给量f_z和刀具齿数Z一定，切削速度F与转速n成正比。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过采用角度头加菠萝铣刀的方式，突破了由于加工机床主轴摆角行程无法满足大摆角结构加工的限制，避免了碳纤维零件尖角结构发生撕裂及分层等质量问题，保证零件的加工质量，提高碳纤维零件的切削合格率；

(2)本发明所提供的数控加工方法，在加工过程中，采用角度头结合机床摆角，利用刀具侧齿对零件进行切削，保证刀具轴向与零件纤维铺层方向平行，减少零件的故障率，从而降低零件的制造成本；

(3)本发明用于实现防止零件加工时尖角结构产生纤维撕裂及分层问题，提高了碳纤维零件切削合格率，适宜广泛推广应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：

图1为本发明中对零件纤维铺层切斜的过程示意图。

其中：1—菠萝铣刀、2—角度头，3—碳纤维零件，4—尖角结构，5—纤维铺层，6—切削轨迹。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例提供一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法，包括以下步骤：

(1)对零件的材料及纤维铺层方向进行分析；

(2)分析零件结构，识别零件是否存在尖角结构；

(3)根据零件的尖角结构，判断加工机床的摆角行程是否能满足刀具加工轨迹与零件纤维铺层方向平行的要求；

(4)若加工机床的摆角行程满足加工需求，则直接通过加工机床，使切削刀具与零件纤维铺层方向平行；

(5)若加工机床的摆角行程无法满足加工需求，则采用角度头安装菠萝铣刀，利用菠萝铣刀侧齿，在与零件纤维铺层平行的方向进行切削。

具体实施方式，如图1所示，纤维铺层5覆盖在碳纤维零件3表面，该碳纤维零件3具有尖角结构4，传统机床加工的方式，是使刀具直接垂直纤维铺层5，对其进行切削，则容易导致纤维撕裂，甚至出现纤维分层。本实施例则改变切削角度，使得切削刀具与零件纤维铺层方向平行的切削轨迹6，利用刀具侧齿对零件纤维铺层进行切削，从而杜绝了纤维撕裂的情况，由于机床刀具的摆角可能无法满足平行零件纤维铺层方向，所以本实施例采用，角度头2加菠萝铣刀1的方式，实现通过菠萝铣刀1侧齿进行切削，保证刀具轴向与零件纤维铺层方向平行；然后根据零件纤维铺层方向及刀具特性确定尖角结构位置的切削参数。

以角度头HSK-A63-AG90/NBS20S-180S为例，该角度头使用最大转速为n＝3000r/min，为避免角度头满负荷工作，一般选取转速低于最大使用转速，可取转速n＝2500r/min；根据切削公式F＝f_z×Z×n，其中每齿进给量f_z和刀具齿数Z一定，切削速度F与转速n成正比，例如采用菠萝铣刀GXFZ4GWT/10*25*30R0切削零件，不使用角度头时，转速n为6000r/min～7000r/min，切削速度F为300mm/min～400mm/min，使用角度头后，转速选用n＝2500r/min，根据

则可取切削速度F为150mm/min～200mm/min；最后确定碳纤维零件的整体加工工艺方案，完成零件加工。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，所述步骤(3)中，判断加工机床的摆角行程是否能满足刀具加工轨迹与零件纤维铺层方向平行的要求的过程为，比较满足加工要求的刀具摆角α与加工机床主轴A摆的最大摆角β的大小，若摆角α≤β，则说明加工机床满足加工需求，若α＞β，则说明加工机床无法满足加工需求。实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，所述步骤(5)中，采用角度头安装菠萝铣刀对零件纤维铺层进行切削时，需要分层加工。切削时由于角度头所受应力为径向应力，若切削余量较大，使得切削应力较大，将对角度头的内部传动结构造成不利影响，因此切削时需分层加工。实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，所述步骤(5)中，采用角度头安装菠萝铣刀对零件纤维铺层进行切削时，切削余量α_p应控制在2mm以内。切削时由于角度头所受应力为径向应力，若切削余量较大，使得切削应力较大，将对角度头的内部传动结构造成不利影响，因此切削时切削余量α_p应控制在2mm以内。实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，所述步骤(5)中使用角度头的可取转速低于该角度头使用的最大转速。为避免角度头满负荷工作，一般选取转速低于最大使用转速。实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

实施例6：

本实施例在上述实施例的基础上，进一步地，所述步骤(5)中，采用角度头安装菠萝铣刀对零件纤维铺层进行切削的过程，需要满足切削公式，所述切削公式为：

F＝f_z×Z×n

其中，每齿进给量f_z和刀具齿数Z一定，切削速度F与转速n成正比。不使用角度头时，转速n为6000r/min～7000r/min，切削速度F为300mm/min～400mm/min，使用角度头后，转速选用n＝2500r/min，根据F1/F2＝n1/n2，则可取切削速度F为150mm/min～200mm/min。本实施例的其他部分与上述实施例相同，不再赘述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对零件的材料及纤维铺层方向进行分析；

(2)分析零件结构，识别零件是否存在尖角结构；

(3)根据零件的尖角结构，判断加工机床的摆角行程是否能满足刀具加工轨迹与零件纤维铺层方向平行的要求；

(4)若加工机床的摆角行程满足加工需求，则直接通过加工机床，使切削刀具与零件纤维铺层方向平行；

(5)若加工机床的摆角行程无法满足加工需求，则采用角度头安装菠萝铣刀，利用菠萝铣刀侧齿，在与零件纤维铺层平行的方向进行切削。

2.根据权利要求1所述的一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中，判断加工机床的摆角行程是否能满足刀具加工轨迹与零件纤维铺层方向平行的要求的过程为，比较满足加工要求的刀具摆角α与加工机床主轴A摆的最大摆角β的大小，若摆角α≤β，则说明加工机床满足加工需求，若α＞β，则说明加工机床无法满足加工需求。

3.根据权利要求1或2所述的一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法，其特征在于，所述步骤(5)中，采用角度头安装菠萝铣刀对零件纤维铺层进行切削时，需要分层加工。

4.根据权利要求3所述的一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法，其特征在于，所述步骤(5)中，采用角度头安装菠萝铣刀对零件纤维铺层进行切削时，切削余量α_p应控制在2mm以内。

5.根据权利要求1或2所述的一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法，其特征在于，所述步骤(5)中使用角度头的可取转速低于该角度头使用的最大转速。

6.根据权利要求1或2所述的一种防止碳纤维零件尖角分层的数控加工方法，其特征在于，所述步骤(5)中，采用角度头安装菠萝铣刀对零件纤维铺层进行切削的过程，需要满足切削公式，所述切削公式为：

F＝f_z×Z×n

其中，每齿进给量f_z和刀具齿数Z一定，切削速度F与转速n成正比。

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