CN113210737B - 用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具，包括刀柄(1)，正刃铰刀片(2)，刀颈(3)，随动可调刀刃(4)，垫片(5)，防松螺母(6)，安装槽(7)，空腔(8)，防松螺纹柱(9)，通气孔(10)，在接近刀柄(1)下端设置刀颈(3)，刀颈(3)上布置铰刀片(2)，且铰刀片(2)的切削刃设计成正刃的形式；刀颈(3)在尾端部分开有若干安装槽(7)，用以安装随动可调刀刃(4)，随动可调刀刃(4)能够以滑动副的形式在安装槽(7)中进行上下的伸缩运动；本发明还涉及用于碳纤维复合材料的加工方法，本发明可有效抑制碳纤维复合材料在铰孔过程中孔出口处的纤维层撕裂、分层等损伤缺陷。

Description

用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具

技术领域

本发明属于机械加工类技术，尤其涉及一种用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具及加工方法。

背景技术

碳纤维复合材料因其具有比强度高、抗疲劳性好、耐磨性好等优良的热物性能，已在航空、航天、汽车等领域得到广泛应用。截至目前，碳纤维复合材料构件之间连接方式仍以铆钉和螺栓连接为主，且机械连接所需的装配孔加工数量众多。如我国国产大飞机C919机型碳纤维复合材料用量占比约为13％，整机制孔数量多达数万个。

目前，碳纤维复合材料机械钻削制孔工艺通过更换不同直径钻头扩孔后，需要更换1-2把铰刀精加工获得目标孔。在精加工铰孔阶段，由于现有铰孔刀具的铰刀刃一般采用单一的正刃(顺时针旋转切削材料)设计，铰刀容易将孔出口处纤维顶出，产生纤维层撕裂、分层等损伤。特别是铰孔余量过大时，铰孔损伤特别明显。在孔出口处采用反刃(逆时针旋转切削材料)逆向进给的形式则可以很好的抑制在孔出口处的铰孔损伤。然而，在同一把铰刀上同时安装正反刃铰刀片实现正向和逆向进给，要求在铰孔过程中能够随动的控制铰刀刃的直径。目前市场上现有铰孔刀具到不具备在加工过程中随动可调功能。因此，市场上急需一种用于碳纤维复合材料的随动可调正刀刃的新型铰孔刀具，实现高质、低成本铰孔加工。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具及加工方法。

本发明的技术方案是提供一种用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具，包括刀柄，正刃铰刀片，刀颈，随动可调刀刃，垫片，防松螺母，安装槽，空腔，防松螺纹柱，通气孔，其特征在于：

在接近刀柄下端设置刀颈，刀颈上布置铰刀片，且铰刀片的切削刃设计成正刃的形式；

铰刀片共有若干个且和刀颈是一体化的制造；

刀颈在尾端部分开有若干安装槽，用以安装随动可调刀刃；

所述随动可调刀刃是独立的可拆卸的铰刀片，其切削刃为反刃结构；

随动可调刀刃底部和安装槽通过滑动副连接；随动可调刀刃能够以滑动副的形式在安装槽中进行上下的伸缩运动；

从刀柄中间开有细长的通气孔，在安装槽底部相应的位置开有空腔；

空腔和通气孔连通，实现随动控制随动可调刀刃在安装槽内的回缩与膨胀；通气孔和外接气泵相连，通过气泵往通气孔中抽气或通气控制随动可调刀刃回缩与膨胀。

进一步地，当通过气泵往通气孔通气时，气体通过通气孔进入空腔从而将随动可调刀刃顶起，而当通过气泵抽气时，使随动可调刀刃回缩，实现随动可调刀刃的随动控制。

进一步地，在刀颈的尾端处设置螺纹柱，螺纹柱上安装垫片和防松螺母，将随动可调刀刃限位在安装槽内。

进一步地，铰刀片设置为六个。

进一步地，安装槽设置为六个。

本发明还提供了一种利用随动可调正反刃铰孔刀具加工碳纤维复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将预先制备好底孔的复合材料板安装摆放在加工中心机床夹具上，将机床主轴和刀具通过旋转密封头连接；旋转密封头连接气泵，气泵通过旋转密封头往刀具通气或抽气；

步骤2、开启气泵，此时气泵先通过通气孔抽气，使得随动可调刀刃回缩；开启机床，铰孔刀具向下做进给运动，此时随动可调刀刃处于回缩状态，不与复合材料板的孔内壁接触；正刃的一体化铰刀片接触复合材料板开始铰孔切削运动；在回缩的随动可调刀刃完全穿过孔出口后主轴停机；

步骤3、气泵开始往通气孔通气，此时，气体会通过通气孔和空腔给予随动可调刀刃一个推力并将其顶起；主轴开机并进行反转，同时铰孔刀具向上做进给运动，随动可调刀刃接触复合材料板开始做反转铰孔切削加工，从而将正刃加工过的孔壁再以反刃加工一次。

本发明的有益效果在于：在同一把铰刀上同时安装正反刃铰刀片实现正向和逆向进给切削孔壁材料，可有效抑制碳纤维复合材料在铰孔过程中孔出口处的纤维层撕裂、分层等损伤缺陷。采用正反刃双向进给加工，在正刃加工完毕后，反刃再逆向进给加工一次，相当于多进行了一次铰孔精加工过程，可以显著降低毛刺和撕裂等损伤缺陷，实现高质、低成本铰孔加工。

附图说明

图1为本发明提出的用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具整体结构示意图；

图2为本发明提出的用于复合材料刀刃随动可调铰孔刀具未安装随动可调刀刃的结构示意图。

图3为图2的剖视图；

图4为本发明提出的用于复合材料刀刃随动可调铰孔刀具及加工方法的未安装随动可调刀刃的前视图；

图5为随动可调刀刃的结构示意图；

图6为随动可调铰孔刀具正向进给加工示意图；

图7为随动可调铰孔刀具反向进给加工示意图；

图8为随动可调刀刃位置变化示意图；

其中：1-刀柄、2-正刃铰刀片、3-刀颈、4-刀刃随动可调、5-垫片、6-防松螺母、7-安装槽、8-空腔、9-防松螺纹柱、10-通气孔、11-主轴、12-旋转密封头、13-碳纤维复合材料板、14-随动可调刀刃膨胀后位置。

具体实施方式

以下将结合附图1-8对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1-6所示，该实施例提供了一种用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具，此刀具采用可拆卸式结构，包括刀柄1，正刃铰刀片2，刀颈3，随动可调刀刃4，垫片5，防松螺母6，安装槽7，空腔8，防松螺纹柱9，通气孔 10。

在接近刀柄1处往下一部分的刀颈3处的结构和普通的直槽六刃铰刀相似，刀颈3上设计有铰刀片2，且铰刀片2的切削刃设计成正刃的形式。

铰刀片2共有6个且和刀颈3是一体化的，不可以拆卸。

刀颈3在尾端部分开有六个安装槽7，结构呈倒“T”型，用以安装随动可调刀刃4。

所述随动可调刀刃4是六个独立的可拆卸的铰刀片，其切削刃为反刃结构。随动可调刀刃4底部和安装槽7通过滑动副连接。这就使得随动可调刀刃4可以以滑动副的形式在安装槽7中进行上下的伸缩运动。从刀柄1中间向下开有细长的通气孔10，在安装槽7底部相应的位置开有空腔8。

所述的空腔8和通气孔10连通，实现随动控制随动可调刀刃4在安装槽7 内的回缩与膨胀。通气孔10和外接气泵相连，通过气泵往通气孔10中抽气或通气控制随动可调刀刃4回缩与膨胀。

当通过气泵往通气孔10通气的时候，气体通过通气孔10进入空腔8从而将随动可调刀刃4顶起，而当通过气泵抽气时，则会因为内外气压的不平衡而产生一个负压力使随动可调刀刃4回缩，实现随动可调刀刃4的随动控制。在刀颈3 的尾端处设计有螺纹柱9。

螺纹柱9上安装垫片5和防松螺母6，将随动可调刀刃4限位在安装槽7内，防止因随动可调刀刃4正反旋转运动从安装槽7的一端滑出。

该实施例还提供了一种利用随动可调正反刃铰孔刀具加工碳纤维复合材料的方法，以铰孔碳纤维增强复合材料板(简称复合材料板)为例，使用步骤如下：

步骤1：将预先制备好底孔的复合材料板13安装摆放在加工中心机床夹具上，将机床主轴11和刀具通过旋转密封头12连接。旋转密封头连接气泵，气泵通过旋转密封头往刀具通气或抽气。

步骤2：开启气泵，此时气泵先通过通气孔10抽气，使得随动可调刀刃4 回缩。开启机床，铰孔刀具向下做进给运动，此时随动可调刀刃4处于回缩状态，不与复合材料板13的孔内壁接触。正刃的六个一体化铰刀片2接触复合材料板 13开始铰孔切削运动。在回缩的随动可调刀刃4完全穿过孔出口后主轴停机；

步骤3：气泵开始往通气孔10通气，此时，气体会通过通气孔10和空腔8 给予随动可调刀刃4一个推力，将其顶起至如图8所示刀刃随动可调调刃位置 14，可调的距离Δx为0-0.5mm。主轴11开机并进行反转，同时铰孔刀具向上做进给运动，随动可调刀刃4此时处于如图8所示的可调位置14，接触复合材料板13开始做反转铰孔切削加工，从而将正刃加工过的孔壁再以反刃加工一次。在随动可调刀刃4向上穿过孔入口后主轴11停转，加工完毕。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具，包括刀柄(1)，正刃铰刀片(2)，刀颈(3)，随动可调刀刃(4)，垫片(5)，防松螺母(6)，安装槽(7)，空腔(8)，防松螺纹柱(9)，通气孔(10)，其特征在于：

在接近刀柄(1)下端设置刀颈(3)，刀颈(3)上布置铰刀片(2)，且铰刀片(2)的切削刃设计成正刃的形式；

铰刀片(2)共有若干个且和刀颈(3)是一体化的制造；

刀颈(3)在尾端部分开有若干安装槽(7)，用以安装随动可调刀刃(4)；

所述随动可调刀刃(4)是独立的可拆卸的铰刀片，其切削刃为反刃结构；

随动可调刀刃(4)底部和安装槽(7)通过滑动副连接；随动可调刀刃(4)能够以滑动副的形式在安装槽(7)中进行上下的伸缩运动；

从刀柄(1)中间开有细长的通气孔(10)，在安装槽(7)底部相应的位置开有空腔(8)；

空腔(8)和通气孔(10)连通，实现随动控制随动可调刀刃(4)在安装槽(7)内的回缩与膨胀；通气孔(10)和外接气泵相连，通过气泵往通气孔(10)中抽气或通气控制随动可调刀刃(4)回缩与膨胀；

当通过气泵往通气孔(10)通气时，气体通过通气孔(10)进入空腔(8)从而将随动可调刀刃(4)顶起，而当通过气泵抽气时，使随动可调刀刃(4)回缩，实现随动可调刀刃(4)的随动控制；

通过以下步骤实现：

步骤1、将预先制备好底孔的复合材料板(13)安装摆放在加工中心机床夹具上，将机床主轴(11)和刀具通过旋转密封头(12)连接；旋转密封头连接气泵，气泵通过旋转密封头往刀具通气或抽气；

步骤2、开启气泵，此时气泵先通过通气孔(10)抽气，使得随动可调刀刃(4)回缩；开启机床，铰孔刀具向下做进给运动，此时随动可调刀刃(4)处于回缩状态是不与复合材料板(13)的孔内壁接触；正刃的一体化铰刀片(2)接触复合材料板(13)开始铰孔切削运动；在回缩的随动可调刀刃(4)完全穿过孔出口后主轴停机；

步骤3、气泵开始往通气孔(10)通气，此时，气体会通过通气孔(10)和空腔(8)给予随动可调刀刃(4)一个推力并将其顶起；主轴(11)开机并进行反转，同时铰孔刀具向上做进给运动，随动可调刀刃(4)接触复合材料板(13)开始做反转铰孔切削加工，从而将正刃加工过的孔壁再以反刃加工一次。

2.根据权利要求1所示的用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具，其特征在于：在刀颈(3)的尾端处设置螺纹柱(9)，螺纹柱(9)上安装垫片(5)和防松螺母(6)，将随动可调刀刃(4)限位在安装槽(7)内。

3.根据权利要求1所示的用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具，其特征在于：铰刀片(2)设置为六个。

4.根据权利要求1所示的用于碳纤维复合材料的随动可调正反刃铰孔刀具，其特征在于：安装槽(7)设置为六个。

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