CN112318608A - 可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置及抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置及其抑制方法，属于纤维复合材料加工领域。可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置包括紧固套、压弹簧组件、固定套及锥形套；通过压弹簧组件推动固定套使得锥形套压紧待加工工件，并在钻削处形成密封空间，将固定套上的抽气口接入气泵或鼓风机的抽气口，即可在钻削粉尘收集装置内部形成负压，经由过滤装置可完成粉尘的收集；通过在待加工工件下方引入高压气体喷嘴，并建立了支撑气压p与轴向力分布载荷qc的对应关系，可在较高的轴向力载荷水平下完成无分层钻削。

Description

可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置及抑制方法
技术领域
本发明涉及纤维复合材料钻削装置，尤其涉及一种可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置及抑制方法，属于纤维复合材料加工领域。
背景技术
纤维复合材料是一种难加工材料，其主要原因在于成型工艺决定的层叠结构，使其内部的树脂基体材料和纤维增强相材料在厚度方向上交替出现。纤维复合材料的总体性能主要由纤维增强相材料确定，纤维增强相力学性能往往优于树脂基体材料。在材料厚度方向上，两层纤维增强相之间，只存在树脂材料，强度较纤维增强相较弱，因此容易出现层间失效，导致脱粘。在纤维复合材料的钻削过程中，由于刀刃的切削作用，在钻削出口区域经常容易出现分层缺陷，降低整体构件刚度，严重时，导致构件报废。
较常见的纤维复合材料增强相为玻璃纤维和碳纤维，常用的基体材料为以环氧树脂为代表的树脂材料。无论材料如何搭配，其钻削过程中形成的切屑一般为细颗粒粉末。这种纤维复合材料钻削粉尘存在着损害机床操作人员健康的风险，尤其是对人体肺部。当增强相材料为碳纤维时，细小的钻削粉末颗粒可能还会导致设备电路短路。
因此，在纤维复合材料加工领域亟需一种即可抑制分层缺陷又可收集钻削粉尘的装置。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供了一种可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置及抑制方法，在完整钻削过程中抑制钻削分层缺陷的同时可有效收集钻削粉尘。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置，包括紧固套、固定套及锥形套；所述紧固套与机床主轴的非旋转部分螺钉固接，紧固套与所述固定套之间通过密封罩密闭连接，紧固套与所述固定套之间设有压弹簧组件；所述压弹簧组件置于密封罩外部；所述固定套上设有抽气口，抽气口可与气泵、鼓风机等装置的抽气口连通；所述锥形套为设有外螺纹的锥形结构，且其锥面顶点开有圆形钻孔；所述锥形套的外螺纹与固定套上设置的内螺纹旋接；所述锥形套上设有进气口，锥形套下方设有高压气体喷嘴，高压气体喷嘴可由支架固定；高压气体喷嘴可与气泵、鼓风机等装置的出气口连通；
优选的，所述锥形套为可更换结构，适配不同直径的钻头；
优选的，所述紧固套与固定套之间设有直线限位杆，保持锥形套的运动方向与钻头轴线方向一致，不松动。
钻削分层缺陷抑制方法，在纤维复合材料工件的钻削过程中，由高压气体喷嘴在工件非钻削面喷射高压气体对工件进行支撑，在轴向力分布载荷为qc时，支撑气压为p；
p＝qc-qc * (公式1)
式1中：qc *为临界轴向力均布载荷；
Figure BDA0002725573750000021
式2中：R为钻削孔半径；Gc为工件分层裂纹扩展的临界应变能释放率；D是工件的弯曲刚度。
本发明与现有技术相比有益效果在于：
本发明通过在对纤维复合材料钻削过程中，通过压弹簧组件推动固定套使得锥形套压紧待加工工件，并在钻削处形成密封空间，将固定套上的抽气口接入气泵或鼓风机的抽气口，即可在钻削粉尘收集装置内部形成负压，经由过滤装置可完成粉尘的收集。
本发明通过在待加工工件下方引入高压气体喷嘴，并建立了支撑气压p与轴向力分布载荷qc的对应关系，可在较高的轴向力载荷水平下完成无分层钻削。同时，高压气体喷嘴将高压气流送至钻削出口区域的同时，势必会在周围环境中抽吸空气，形成负压，有利于钻削粉尘收集。
附图说明
图1为所述可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置轴侧结构示意图；
图2为所述可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置主视结构示意图。
其中，1-紧固套、2-固定套、3-锥形套、4-密封罩、5-压弹簧组件、6-抽气口、7-进气口、8-直线限位杆、9-高压气体喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图提供本发明的优选具体实施方式，所揭露的仅为本发明的较佳具体实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权力范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
见图1、2所示，本发明公开的一种可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置，包括紧固套1、固定套2及锥形套3；所述紧固套1与机床主轴的非旋转部分螺钉固接，紧固套1与所述固定套2之间通过密封罩4密闭连接，紧固套1与所述固定套2之间设有压弹簧组件5；所述压弹簧组件5置于密封罩4外部；所述固定套2上设有抽气口6，抽气口6可与气泵、鼓风机等装置的抽气口连通；所述锥形套3为设有外螺纹的锥形结构，且其锥面顶点开有圆形钻孔；所述锥形套3的外螺纹与固定套2上设置的内螺纹旋接；所述锥形套3上设有进气口7，锥形套3下方设有高压气体喷嘴9，高压气体喷嘴9可由支架固定；高压气体喷嘴9可与气泵、鼓风机等装置的出气口连通；
优选的，所述锥形套3为可更换结构，适配不同直径的钻头；
优选的，所述紧固套1与固定套2之间设有直线限位杆8，保持锥形套的运动方向与钻头轴线方向一致，不松动。
实施例1
本实施例是针对玻璃纤维正交织物增强环氧树脂复合材料板的Φ6mm孔钻削加工，材料参数见表1，板厚5.5mm，共55层，每层厚0.1mm。
表1玻璃纤维正交织物增强环氧树脂复合材料板力学性能
Figure BDA0002725573750000041
在本实施例中，抽气口6与进气口7分别与气泵的抽气口与出气口连通，实现对钻削粉尘的收集；
同时，本实施例中，钻削孔半径R为3mm，根据公式1及公式2计算可知，剩余层厚为一层时，临界轴向力最小，最容易出现分层缺陷，对应的临界轴向力均布载荷qc *为0.789MPa，临界轴向力为22.30N。气泵对工件底部的支撑气压为p为0.4MPa，则本装置可以保证在轴向力分布载荷qc为1.189MPa，轴向力数值为33.62N时，钻削出口分层缺陷不产生。
实施例2
本实施例是针对碳纤维正交织物增强环氧树脂复合材料板的Φ8mm孔钻削加工，材料参数见表2，板厚2.2mm，共10层，每层厚0.22mm。
表2碳纤维正交织物增强环氧树脂复合材料板力学性能
Figure BDA0002725573750000042
在本实施例中，抽气口6与进气口7分别与气泵的抽气口与出气口连通，实现对钻削粉尘的收集；
同时，本实施例中，钻削孔半径R为4mm，根据公式1及公式2计算可知，剩余层厚为一层时，临界轴向力最小，最容易出现分层缺陷，对应的临界轴向力均布载荷qc *为2.89MPa，临界轴向力为145.42N。气泵对工件底部的支撑气压为p为0.4MPa，则本装置可以保证在轴向力分布载荷qc为3.29MPa，轴向力数值为165.37N时，钻削出口分层缺陷不产生。
实施例3
本实施例是针对单向碳纤维增强环氧树脂复合材料板的Φ4mm孔钻削加工，材料参数见表3，板厚5.12mm，共40层，每层厚0.128mm。
表3单向碳纤维增强环氧树脂复合材料板力学性能
Figure BDA0002725573750000051
在本实施例中，抽气口6与进气口7分别与气泵的抽气口与出气口连通，实现对钻削粉尘的收集；
同时，本实施例中，钻削孔半径R为2mm。选取纬向拉伸模量进行保守计算，根据公式1及公式2计算可知，剩余层厚为一层时，临界轴向力最小，最容易出现分层缺陷，对应的临界轴向力均布载荷qc *为2.05MPa，临界轴向力为25.71N。气泵对工件底部的支撑气压为p为0.4MPa，则本装置可以保证在轴向力分布载荷qc为2.45MPa，轴向力数值为30.79N时，钻削出口分层缺陷不产生。
尽管已经示出和描述了本发明的具体实施，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置，其特征在于：包括紧固套(1)、固定套(2)及锥形套(3)；
所述紧固套(1)与机床主轴的非旋转部分螺钉固接，紧固套(1)与所述固定套(2)之间通过密封罩(4)密闭连接，紧固套(1)与所述固定套(2)之间设有压弹簧组件(5)；所述压弹簧组件(5)置于密封罩(4)外部；
所述固定套(2)上设有抽气口(6)；
所述锥形套(3)为设有外螺纹的锥形结构，且其锥面顶点开有圆形钻孔；所述锥形套(3)的外螺纹与固定套(2)上设置的内螺纹旋接；
所述锥形套(3)上设有进气口(7)，锥形套(3)下方设有高压气体喷嘴(9)。
2.根据权利要求1所述的一种可收集钻削粉尘的钻削分层缺陷抑制装置，其特征在于：所述紧固套(1)与固定套(2)之间设有直线限位杆(8)。
3.钻削分层缺陷抑制方法，其特征在于：在纤维复合材料工件的钻削过程中，由高压气体喷嘴(9)在工件非钻削面喷射高压气体对工件进行支撑，在轴向力分布载荷为qc时，支撑气压为p；
p＝qc-qc * (公式1)
式1中：qc *为临界轴向力均布载荷；
Figure FDA0002725573740000011
式2中：R为钻削孔半径；Gc为工件分层裂纹扩展的临界应变能释放率，D是工件的弯曲刚度。
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