CN112339015B - 纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及其抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及其抑制方法，属于纤维复合材料加工领域。纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置包括紧固套、气缸、固定套及锥形套；通过气缸推动锥形套，使得锥形套对待加工材料产生一定压力，可有效抑制分层缺陷的产生。本发明通过建立轴向力增量ΔF与气缸内的设定压强为pc的函数关系，提供了有效的纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制方法，实现在钻削生产中量化控制，使得缺陷抑制效果最佳。
Description
技术领域
本发明涉及纤维复合材料钻削装置，尤其涉及纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及其抑制方法，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，在钻削入口以及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。
当钻头的刀刃与纤维复合材料表面接触时，垂直于钻头刀刃的前刀面，刀具会对表面相接触的材料产生一个与其他铺层分离的力。在这个分力的作用下，表层材料会被从整体“剥离”开来，在孔的入口部分形成一个分层区域，这就是入口分层缺陷。
当钻头贯穿整个工件材料直至接近钻削出口时，位于钻削方向下方还没被钻削的剩余铺层由于厚度逐渐减小，在钻头切削力轴向分力的作用下与材料整体分离，最终在钻削孔的出口区域便会出现“顶出”分层。
针对纤维复合材料，现有的钻削出口分层缺陷抑制结构可分为以下三类：无孔支撑板、有孔支撑板和主动支撑装置，无孔支撑板和有孔支撑板的缺点主要在于其提供的支撑力不可改变，对分层缺陷的抑制作用是被动的。因此，依旧可能出现分层缺陷。现有的主动支撑装置主要为磁场驱动的铁磁性支撑体(金属圆筒和磁性胶体等)，主要缺点为，可调节的支撑力较小而且范围有限；部分结构，如磁性胶体，与钻削出口紧密接触因而在钻削完成后有损耗，性能不稳定。此外，这三种现有结构的共同缺点在于只能抑制出口分层缺陷而对入口分层没有任何抑制作用，在实际钻削中容易出现钻削入口分层缺陷。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供了纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及其抑制方法，在完整钻削过程中同时抑制钻削入口和出口分层缺陷的产生。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置，其特征在于：包括紧固套、气缸、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；所述气缸非伸缩端与所述紧固套螺栓固接；所述固定套与所述气缸伸缩端螺栓固接；所述固定套为中空环形结构，围绕在机床主轴外；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；所述锥形套为可更换件，适配于不同直径的钻头；
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。
纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制方法，包括以下步骤并按以下步骤依次进行：
S1：将待钻削纤维复合材料叠放至支撑板上，确定钻孔位置与机床钻头位置同轴；
S2：由气缸施加推力带动锥形套与纤维复合材料接触，气缸内的设定压强为pc：
公式1中，q为所述抑制装置施加的压力；qg为所述抑制装置中固定套、锥形套、直线限位杆与气缸中的可伸缩部分的总重力；r为气缸的内腔半径；
公式2中，p为锥形套施加给纤维复合材料的分布载荷；Rc为锥形套与纤维复合材料接触面的外圆半径；R为锥形套与纤维复合材料接触面的内圆半径，与钻削孔半径一致；
公式3中，a为Rc与R的差值；ΔF为超过临界轴向力数值F*后的轴向力增量；
公式4中，Gc为工件分层裂纹扩展的临界应变能释放率，Dp是工件的弯曲刚度；
公式5中，hp是工件的已钻削材料厚度(入口分层)或剩余材料厚度(出口分层)，Ep是工件杨氏模量，νp是工件材料泊松比；
S3：启动机床主轴转动进行钻削，根据公式1-5，气缸内的设定压强为pc与轴向力增量ΔF呈函数关系；
S4：钻削完成后，退出机床主轴。
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，增设抑制装置，再辅以现有支撑板抑制技术，可有效抑制钻削入口和出口分层缺陷的产生。
本发明通过建立轴向力增量ΔF与气缸内的设定压强为pc的函数关系，实现在钻削生产中量化控制，使得缺陷抑制效果最佳。
附图说明
图1为所述纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置结构示意图；
图2为所述纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置D-D剖视示意图。
其中，1-紧固套、2-气缸、3-固定套、4-锥形套、5-直线限位杆、6-纤维复合材料、7-支撑板。
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，本发明公开的纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置，包括紧固套1、气缸2、固定套3及锥形套4；所述紧固套1与机床主轴的非旋转部分螺钉固接；所述气缸2非伸缩端与所述紧固套1螺栓固接；所述固定套3与所述气缸2伸缩端螺栓固接；所述固定套3为中空环形结构，围绕在机床主轴外；所述锥形套4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4的外螺纹与固定套3上设置的内螺纹旋接；所述紧固套1与固定套3之间设有直线限位杆5，保持锥形套4的运动方向与钻头轴线方向一致，不松动；支撑板7置于所述抑制装置下方，待加工纤维复合材料6放置于所述支撑板7上。
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
在本实施例中，气缸2选用40×50型号，即内腔直径为40mm，行程为50mm；直线限位杆5选用Φ3×80型号，即直径为3mm，长度为80mm；机床主轴上为Φ6mm直柄麻花钻。根据公式4和公式5计算得到，一层材料的临界轴向力数值F*为22.30N。锥形套与材料板接触圆环的外圆半径Rc为6mm，若想在轴向力增量ΔF为60N，而不发生分层缺陷，根据公式3可计算得到装置施加的分布载荷p为2.88MPa。根据公式2可以计算得出装置施加的压力q为244.29N。固定套3、锥形套4、直线限位杆5与气缸2中的可伸缩部分的总重量为1kg，气缸2的气缸内腔半径r为20mm，根据公式1可得气缸内部的设定压强pc为93.30Kpa。因此，在轴向力增量ΔF为60N时，需要气缸内部的设定压强pc为93.30Kpa。
在本实施例中，支撑板7选用正方形无孔支撑板，支撑板7中心在钻头轴线上，材料为Q235钢板，杨氏模量E为200Gpa，泊松比v取0.3，边长l为50mm，控制其最大弯曲挠度不大于0.01mm。根据弯曲刚度D及支撑板7最小厚度w的计算得出，支撑板7最小厚度w为1.77mm。弯曲刚度D及支撑板7最小厚度w的计算公式如下：
公式6中，Ds为支撑板7材料的弯曲刚度，l为方形支撑板7边长；
公式7中，hs为支撑板7材料厚度，Es为支撑板7材料的杨氏模量，vs为支撑板7材料的泊松比。
玻璃纤维正交织物增强环氧树脂复合材料板的6mm孔钻削加工过程如下：
S1：将玻璃纤维正交织物增强环氧树脂复合材料板叠放至厚度为1.77mm的支撑板7上，确定钻孔位置与机床钻头位置同轴；
S2：由气缸2施加推力带动锥形套4与纤维复合材料6接触，气缸2内的设定压强pc为93.30Kpa；
S3：启动机床主轴转动进行钻削，钻削轴向力为临界轴向力F*与轴向力增量ΔF之和，F*+ΔF，即82.3N；
S4：钻削完成后，退出机床主轴。
通过本实施例提供的纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及抑制方法对玻璃纤维正交织物增强环氧树脂复合材料板进行的6mm孔钻削加工，未出现钻削入口和出口分层缺陷。
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Φ4mm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
在本实施例中，气缸2选用40×50型号，即内腔直径为40mm，行程为50mm；直线限位杆5选用Φ3×80型号，即直径为3mm，长度为80mm；机床主轴上为Φ4mm直柄麻花钻。根据公式4和公式5计算得到，一层材料临界轴向力数值F*为145.41N。锥形套与材料板接触圆环的外圆半径Rc为5mm，若想在轴向力增量ΔF为60N而不发生分层缺陷，根据公式3可计算得到装置施加的分布载荷p为3.51MPa。根据公式2可以计算得出装置施加的压力q为231.57N。固定套3、锥形套4、直线限位杆5与气缸2中的可伸缩部分的总重量为1kg，气缸2的气缸内腔半径r为20mm，根据公式1可得气缸内部的设定压强pc为88.24Kpa。因此，在轴向力增量ΔF为60N时，需要气缸内部的设定压强pc为88.24Kpa。
在本实施例中，支撑板7选用正方形无孔支撑板，支撑板7中心在钻头轴线上，材料为Q235钢板，杨氏模量E为200Gpa，泊松比v取0.3，边长l为50mm，控制其最大弯曲挠度不大于0.01mm。根据弯曲刚度D及支撑板7最小厚度w的计算得出，支撑板7最小厚度w为2.41mm。弯曲刚度D及支撑板7最小厚度w的计算公式如下：
公式6中，Ds为支撑板7材料的弯曲刚度，l为方形支撑板7边长；
公式7中，hs为支撑板7材料厚度，Es为支撑板7材料的杨氏模量，vs为支撑板7材料的泊松比。
碳纤维正交织物增强环氧树脂复合材料板的4mm孔钻削加工过程如下：
S1：将碳纤维正交织物增强环氧树脂复合材料板叠放至厚度为2.41mm的支撑板7上，确定钻孔位置与机床钻头位置同轴；
S2：由气缸2施加推力带动锥形套4与纤维复合材料接触，气缸2内的设定压强pc为88.24Kpa；
S3：启动机床主轴转动进行钻削，钻削轴向力为临界轴向力F*与轴向力增量ΔF之和，F*+ΔF，即205.41N；
S4：钻削完成后，退出机床主轴。
通过本实施例提供的纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及抑制方法对碳纤维正交织物增强环氧树脂复合材料板进行的4mm孔钻削加工，未出现钻削入口和出口分层缺陷。
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Φ8mm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
在本实施例中，气缸2选用40×50型号，即内腔直径为40mm，行程为50mm；直线限位杆5选用Φ3×80型号，即直径为3mm，长度为80mm；机床主轴上为Φ8mm直柄麻花钻。选取纬向拉伸模量进行保守计算，根据公式4和公式5计算得到，一层材料的临界轴向力数值F*为25.69N。锥形套与材料板接触圆环的外圆半径Rc为7mm，若想在轴向力增量ΔF为60N而不发生分层缺陷，根据公式3可计算得到装置施加的分布载荷p为2.51MPa。根据公式2可以计算得出装置施加的压力q为260.22N。固定套3、锥形套4、直线限位杆5与气缸2中的可伸缩部分的总重量为1kg，气缸2的气缸内腔半径r为20mm，根据公式1可得气缸内部的设定压强pc为99.64Kpa。因此，在轴向力增量ΔF为60N时，需要气缸内部的设定压强pc为99.64Kpa。
在本实施例中，支撑板7选用正方形无孔支撑板，支撑板7中心在钻头轴线上，材料为Q235钢板，杨氏模量E为200Gpa，泊松比v取0.3，边长l为50mm，控制其最大弯曲挠度不大于0.01mm。根据弯曲刚度D及支撑板7最小厚度w的计算得出，支撑板7最小厚度w为1.8mm。弯曲刚度D及支撑板7最小厚度w的计算公式如下：
公式6中，Ds为支撑板7材料的弯曲刚度，l为方形支撑板7边长；
公式7中，hs为支撑板7材料厚度，Es为支撑板7材料的杨氏模量，vs为支撑板7材料的泊松比。
单向碳纤维增强环氧树脂复合材料板的8mm孔钻削加工过程如下：
S1：将单向碳纤维增强环氧树脂复合材料板叠放至厚度为1.8mm的支撑板7上，确定钻孔位置与机床钻头位置同轴；
S2：由气缸2施加推力带动锥形套4与纤维复合材料接触，气缸2内的设定压强pc为99.64Kpa；
S3：启动机床主轴转动进行钻削，钻削轴向力为临界轴向力F*与轴向力增量ΔF之和，F*+ΔF，即85.69N；
S4：钻削完成后，退出机床主轴。
通过本实施例提供的纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及抑制方法对单向碳纤维增强环氧树脂复合材料板进行的8mm孔钻削加工，未出现钻削入口和出口分层缺陷。
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 (2)
1.纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制方法，该方法采用一种纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置，该抑制装置包括：包括紧固套(1)、气缸(2)、固定套(3)及锥形套(4)；
所述紧固套(1)与机床主轴的非旋转部分螺钉固接；
所述气缸(2)非伸缩端与所述紧固套(1)螺栓固接；
所述固定套(3)与所述气缸(2)伸缩端螺栓固接；所述固定套(3)为中空环形结构，围绕在机床主轴外；
所述锥形套(4)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(4)的外螺纹与固定套(3)上设置的内螺纹旋接；
该抑制方法包括以下步骤并按以下步骤依次进行：
S1：将待钻削纤维复合材料叠放至支撑板上，确定钻孔位置与机床钻头位置同轴；
S2：由气缸(2)施加推力带动锥形套(4)与纤维复合材料接触，气缸(2)内的设定压强为pc：
公式1中，q为所述抑制装置施加的压力；qg为所述抑制装置中固定套(3)、锥形套(4)、直线限位杆(5)与气缸(2)中的可伸缩部分的总重力；r为气缸(2)的内腔半径；
公式2中，p为锥形套(4)施加给纤维复合材料的分布载荷；Rc为锥形套(4)与纤维复合材料接触面的外圆半径；R为锥形套(4)与纤维复合材料接触面的内圆半径，与钻削孔半径一致；
公式3中，a为Rc与R的差值；ΔF为超过临界轴向力数值F*后的轴向力增量；
S3：启动机床主轴转动进行钻削，钻削轴向力应不大于临界轴向力F*与轴向力增量ΔF之和；
公式4中，Gc为工件分层裂纹扩展的临界应变能释放率，Dp是工件的弯曲刚度；
公式5中，hp是工件的已钻削材料厚度或剩余材料厚度，Ep是工件杨氏模量，νp是工件材料泊松比；
S4：钻削完成后，退出机床主轴。
2.根据权利要求1所述的纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制方法，其特征在于：所述紧固套(1)与固定套(3)之间设有直线限位杆(5)。
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