CN112706227A - 一种玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置及制孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置，包括低频轴向振动装置、控制器、专用夹具、薄壁金刚石套料钻，低频轴向振动装置置于机床工作台上，控制器用于振动装置的低频振动振幅，所述低频轴向振动装置与控制器电连接；所述薄壁金刚石套料钻安装在机床主轴上，所述专用夹具与低频轴向振动装置连接，专用夹具为用于固定玻璃纤维增强树脂基复合材料的机构，其包括矩形支撑板、上压块、下压块、连接板、长孔压板和量块。本发明将振动辅助加工和磨削加工等两项加工技术相结合，实现了新型低频轴向振动辅助套磨钻削加工技术。该制孔加工技术既能实现纤维增强树脂基复合材料的高效低损伤制孔加工，也避免了加工过程中的粉尘污染。

Description

一种玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置及制孔方法
技术领域
本发明涉及一种玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置及制孔方法，属于机械加工技术领域。
背景技术
近年来，玻璃纤维增强树脂基复合材料(简称GFRP)因其优异的性能而被广泛应用于航空航天和军事领域。但在GFRP构件使用过程中，需预先加工出大量的装配孔。目前，实心钻头钻削孔加工是常用的制孔方法，但是加工过程中的轴向钻削力较大因而容易产生分层、撕裂、毛刺等加工损伤，加工质量难以保证。
GFRP材料中的增强纤维具有强度高、硬度大的特点，加工时与钻头切削刃接触，将在切削区域发生剧烈摩擦，从而造成刀具的划伤，加速钻头磨损。另外，切屑涂覆在钻头刀刃上或是倒流入加工区域，形成研磨剂，研磨刀具表面也会造成刀具磨损。由于GFRP材料的热导率低，因而在制孔过程中所产生的大量切削热，不易从切屑、工件中传导出去，导致加工区域的温度急剧上升。高温一方面会使树脂基体软化或烧焦，凝固后堆积在孔入口处，阻碍切削液的进入，另一方面，切屑热积聚在刀刃上，加剧刀具磨损，软化后的树脂也会粘粘在刀具上，造成钻头的切削性能下降，降低了刀具耐用度。
另外，在实心钻头的钻削过程中，GFRP材料切屑以粉尘的形式存在，容易附着在机床、工件表面及操作人员身上，不仅污染环境，而且大量吸入后会对人体呼吸系统造成损害。
GFRP材料的机械加工性能差，采用实心钻头以传统钻削或螺旋铣孔加工等工艺方式进行制孔时均存在刀具磨损严重、制孔质量差、切削温度高、加工效率低以及粉尘污染严重等问题。
综上所述，GFRP材料现有制孔技术存在的问题是：
(1)采用实心钻头进行GFRP材料的制孔加工，存在刀具切削刃磨损严重，轴向钻削力较大，粉尘污染等问题，导致制孔质量和加工效率降低，无法满足工程化批量制孔需求。
(2)钻削过程中刀具和工件处于完全接触状态，不利于切屑排出和切削热的释放。进而容易导致钻头的切削性能下降，降低了刀具的耐用度。
发明内容
本发明针对现有技术在GFRP材料制孔过程中，容易产生毛刺、撕裂、分层和烧蚀等加工损伤，制孔效率低，刀具磨损严重以及粉尘污染等问题，提供一种玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置。
技术方案
一种玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置，包括低频轴向振动装置、控制器、专用夹具、薄壁金刚石套料钻，所述低频轴向振动装置置于机床工作台上，控制器用于调节低频轴向振动装置的低频振动振幅，所述低频轴向振动装置与控制器电连接；所述薄壁金刚石套料钻安装在机床主轴上；
所述专用夹具与低频轴向振动装置连接，专用夹具为用于固定玻璃纤维增强树脂基复合材料的机构，其包括矩形支撑板、上压块、下压块、连接板、长孔压板和量块，所述上压块上开有若干个通孔，上压块的一端通过圆柱销与连接板的一端连接，连接板的另一端通过圆柱销与下压块的一端连接；矩形支撑板两侧开有向内的凹槽，下压块的自由端伸入凹槽内；矩形支撑板的上表面上设有一个阶梯槽，所述阶梯槽由两个相对设置的阶梯块和连接两个阶梯块的底板构成，底板设置在矩形支撑板上，两个阶梯块分别置于矩形支撑板两侧向内的凹槽的上方，所述阶梯块上设有若干个螺孔，上压块通过螺栓与阶梯块连接；所述矩形支撑板的两头设有量块，量块与阶梯槽的底板之间设有螺纹孔，量块的顶部通过长孔压板与阶梯槽的底板连接，长孔压板通过螺栓与矩形支撑板连接；
所述制孔装置还包括上压板、上垫板和下垫板，上压板、上垫板和下垫板由上到下依次放置于专用夹具的阶梯槽的阶梯上，玻璃纤维增强树脂基复合材料置于上垫板和下垫板之间。
进一步，所述薄壁金刚石套料钻壁厚0.3-0.5mm。钻削加工过程中的背吃刀量即为套料钻壁厚。壁厚越小则钻头在加工过程中的材料去除量越少，0.4mm为在保证钻头整体刚度前提下的较优壁厚，能够提高制孔效率。
进一步，所述量块对称设置在矩形支撑板的两头，量块的数量为4个以上。
进一步，所述矩形支撑板上开有若干个通孔，矩形支撑板与低频轴向振动装置通过螺栓固定连接。
一种玻璃纤维增强树脂基复合材料的制孔方法，包括如下步骤：
(1)采用上述制孔装置，在机床工作台上放置低频轴向振动装置并将其固定，将上压板、上垫板、玻璃纤维增强树脂基复合材料以及下垫板由上往下依次放置在专用夹具的阶梯槽的阶梯上，通过专用夹具装夹安放在低频轴向振动装置上，并通过螺栓紧固，薄壁金刚石套料钻通过刀柄夹持安装在机床主轴上；
(2)开启低频轴向振动装置，振动频率为250Hz，幅度为0.015-0.065mm，待工况稳定后，开启薄壁金刚石套料钻进行制孔，制孔结束后，依次关闭薄壁金刚石套料钻和低频轴向振动装置。
步骤(2)中，所述薄壁金刚石套料钻的钻速为1000～5000r/min、进给速度为6～15mm/min。
本发明的有益效果：
1.本发明将振动辅助加工和磨削加工等两项加工技术相结合，实现了新型低频轴向振动辅助套磨钻削加工技术。该新型复合加工技术不仅具有低频振动辅助钻削加工与套料钻套孔加工等先进加工技术的优势，而且又弥补了各自的缺点。该新型复合加工技术既能实现纤维增强树脂基复合材料的高效低损伤制孔加工，也避免了加工过程中的粉尘污染。
2.本发明采用专用夹具对工件施加预紧力，不仅可以提高加工区域的材料刚度，改善钻削性能，而且平衡了纤维树脂基复合材料内部的拉伸应力，缓冲了刀具对工件的冲击，并对加工区域提供支撑，避免了孔壁拉毛与层间分层。
3.本发明建立的低频轴向振动辅助套磨钻削复合加工系统具有灵活的选择操控性，通过对振动装置的开关实现传统加工和复合加工的转换，以便根据被加工材料的机械加工性能与加工质量要求选择合适的加工方式。
附图说明
图1为玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置的结构示意图；
图2为专用夹具的立体结构示意图；
图中，1-机床工作台；2-低频轴向振动装置；3-控制器；4-玻璃纤维增强树脂基复合材料；5-专用夹具；6-上压板；7-上垫板；8-机床主轴；9-薄壁金刚石套料钻；10-下垫板；11-矩形支撑板；12-上压块；13-连接板；14-下压块；15-长孔压板；16-量块；17-阶梯块；18-底板；
图3为采用实施例1和对比例的制孔方法得到的纤维断口形貌图；
图4为采用实施例1的制孔方法加工36个孔后薄壁金刚石套料钻的形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。
下述实施例中，待钻孔的玻璃纤维增强树脂基复合材料厚度10mm，由正交双向编织的玻璃纤维单层板层叠而成，纤维体积含量60％，各层间通过热固性环氧树脂粘结复合，密度1.8g·cm-3，强度900kg/mm2。
实施例1
如图1-2所示，一种玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置，包括低频轴向振动装置2、控制器3、专用夹具5、薄壁金刚石套料钻9，所述低频轴向振动装置2置于机床工作台1上，控制器3用于调节低频轴向振动装置2的低频振动振幅，所述低频轴向振动装置2与控制器3电连接；所述薄壁金刚石套料钻9安装在机床主轴8上；
所述专用夹具5与低频轴向振动装置2连接，专用夹具5为用于固定玻璃纤维增强树脂基复合材料的机构，其包括一个矩形支撑板11、四个上压块12、四个下压块14、四个连接板13、四个长孔压板15和四个量块16，每个上压块12上开有3个通孔，上压块12的一端通过圆柱销与连接板13的一端连接，连接板13的另一端通过圆柱销与下压块14的一端连接；矩形支撑板11两侧开有向内的凹槽，下压块14的自由端伸入凹槽内；矩形支撑板11的上表面上设有一个阶梯槽，所述阶梯槽由两个相对设置的阶梯块17和连接两个阶梯块的底板18构成，底板18设置在矩形支撑板11上，两个阶梯块17分别置于矩形支撑板11两侧向内的凹槽的上方，每个阶梯块17上设有4个螺孔，上压块12通过螺栓与阶梯17块连接；所述矩形支撑板的两头设有量块16，量块16与阶梯槽的底板18之间设有螺纹孔，量块16的顶部通过长孔压板15与阶梯槽的底板18连接，长孔压板15通过螺栓与矩形支撑板11连接；
所述制孔装置还包括上压板6、上垫板7和下垫板10，上压板6、上垫板7和下垫板10由上到下依次放置于专用夹具5的阶梯槽的阶梯上，玻璃纤维增强树脂基复合材料4置于上垫板7和下垫板10之间。
钻削加工中产生的粉末多少和材料去除量有直接关系，本实施例中，薄壁金刚石套料钻9壁厚0.4mm，材料去除仅为以薄壁圆柱，相比较于实心钻头加工明显要少。
本实施例中，所述矩形支撑板11的四个角上各开有一个通孔，矩形支撑板11与低频轴向振动装置2通过螺栓固定连接。玻璃纤维增强树脂基复合材料厚度10mm，上压板6、上垫板7和下垫板10的厚度均为8mm。
一种玻璃纤维增强树脂基复合材料的制孔方法，包括如下步骤：
(1)采用上述制孔装置，在机床工作台1上放置低频轴向振动装置2并将其固定，将上压板6、上垫板7、玻璃纤维增强树脂基复合材料4以及下垫板10由上往下依次放置在专用夹具5阶梯槽的阶梯上，再将专用夹具5装夹安放在低频轴向振动装置2上，并通过螺栓紧固，薄壁金刚石套料钻9通过刀柄夹持安装在机床主轴8上；
(2)开启低频轴向振动装置，振动频率为250Hz，振动幅度为0.015mm，待工况稳定后，开启薄壁金刚石套料钻进行制孔，所述薄壁金刚石套料钻的钻速为3080r/min、进给速度为8mm/min，钻削时长为180s，制孔结束后，依次关闭薄壁金刚石套料钻和低频轴向振动装置。本实施例中，制孔时轴向力为9.77N。
对比例
一种玻璃纤维增强树脂基复合材料的制孔方法，直接采用薄壁金刚石套料钻9对玻璃纤维增强树脂基复合材料4进行制孔加工，制孔时的轴向力为14.23N。
采用实施例1和对比例的制孔方法得到的纤维断口形貌图见图3，其中图3A为采用对比例制孔方法(纤维夹角为90°)得到的纤维断口形貌图，可以看出，虽然被切断的高度基本一致，但是表面大多不平整；图3B为采用实施例1制孔方法(纤维夹角为90°)得到的纤维断口形貌图，可以看出，与图3A相比，断口端面更加整齐；图3C为采用实施例1制孔方法得到的单根纤维的断口形貌图，可以看到少部分的阶梯状端面，这是多颗金刚石磨粒共同磨削的效果。
图4为采用实施例1的制孔方法加工36个孔后薄壁金刚石套料钻的形貌图，其中，图4A为钻头部分整体形貌，图4B为进一步放大后的图，可以看出，加工36个孔后，薄壁金刚石套料钻的钻头整体性完好，没有出现刀具的断裂和破碎，进一步地放大后看到附着在表面的金刚石磨粒也没有大面积的脱落，钻头损伤很小。
利用VK-X100激光扫描显微镜测得实施例1和对比例1加工后孔壁粗糙度测量，对比例的金刚石套料钻制孔时的轴向力为14.23N，孔壁粗糙度为1.76μm；而实施例1采用的低频轴向振动套孔加工的轴向力为9.77N,粗糙度降为1.58μm。可以看出，相比于传统钻削制孔方式，低频轴向振动辅助套磨钻削复合加工技术能够获得更为平整的纤维断裂形貌，孔内壁粗糙度值较小，加工过程更为平稳，而且柱状料芯自动脱落。所以，低频轴向振动辅助套磨钻削复合加工技术有着良好的发展前景。

Claims (6)

1.一种玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置，其特征在于，包括低频轴向振动装置(2)、控制器(3)、专用夹具(5)、薄壁金刚石套料钻(9)，所述低频轴向振动装置(2)置于机床工作台(1)上，控制器(3)用于调节低频轴向振动装置(2)的低频振动振幅，所述低频轴向振动装置(2)与控制器(3)电连接；所述薄壁金刚石套料钻(9)安装在机床主轴(8)上；
所述专用夹具(5)与低频轴向振动装置(2)连接，专用夹具(5)为用于固定玻璃纤维增强树脂基复合材料的机构，其包括矩形支撑板(11)、上压块(12)、下压块(14)、连接板(13)、长孔压板(15)和量块(16)，所述上压块(12)上开有若干个通孔，上压块(12)的一端通过圆柱销与连接板(13)的一端连接，连接板(13)的另一端通过圆柱销与下压块(14)的一端连接；矩形支撑板(11)两侧开有向内的凹槽，下压块(14)的自由端伸入凹槽内；矩形支撑板(11)的上表面上设有一个阶梯槽，所述阶梯槽由两个相对设置的阶梯块(17)和连接两个阶梯块的底板(18)构成，底板(18)设置在矩形支撑板(11)上，两个阶梯块(17)分别置于矩形支撑板(11)两侧向内的凹槽的上方，所述阶梯块(17)上设有若干个螺孔，上压块(12)通过螺栓与阶梯块(17)连接；所述矩形支撑板(11)的两头设有量块(16)，量块(16)与阶梯槽的底板(18)之间设有螺纹孔，量块(16)的顶部通过长孔压板(15)与阶梯槽的底板(18)连接，长孔压板(15)通过螺栓与矩形支撑板(11)连接；
所述制孔装置还包括上压板(6)、上垫板(7)和下垫板(10)，上压板(6)、上垫板(7)和下垫板(10)由上到下依次放置于专用夹具的阶梯槽的阶梯上，玻璃纤维增强树脂基复合材料置于上垫板(7)和下垫板(10)之间。
2.如权利要求1所述玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置，其特征在于，所述薄壁金刚石套料钻壁厚0.3-0.5mm。
3.如权利要求1所述玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置，其特征在于，所述量块(16)对称设置在矩形支撑板(11)的两头，量块(16)的数量为4个以上。
4.如权利要求1或2或3所述玻璃纤维增强树脂基复合材料用制孔装置，其特征在于，所述矩形支撑板(11)上开有若干个通孔，矩形支撑板(11)与低频轴向振动装置(2)通过螺栓固定连接。
5.一种玻璃纤维增强树脂基复合材料的制孔方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用权利要求1至4任一项所述制孔装置，在机床工作台(1)上放置低频轴向振动装置(2)并将其固定，将上压板(6)、上垫板(7)、玻璃纤维增强树脂基复合材料(4)以及下垫板(10)由上往下依次放置在专用夹具的阶梯槽的阶梯上，通过专用夹具(5)装夹安放在低频轴向振动装置(2)上，并通过螺栓紧固，薄壁金刚石套料钻(9)通过刀柄夹持安装在机床主轴(8)上；
(2)开启低频轴向振动装置，振动频率为250Hz，幅度为0.015-0.065mm，待工况稳定后，开启薄壁金刚石套料钻进行制孔，制孔结束后，依次关闭薄壁金刚石套料钻和低频轴向振动装置。
6.如权利要求5所述玻璃纤维增强树脂基复合材料的制孔方法，其特征在于，步骤(2)中，所述薄壁金刚石套料钻的钻速为1000～5000r/min，进给速度为6～15mm/min。
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