CN115213465A - 一种适用于芳纶纤维复合材料的制孔刀具及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料加工技术领域，涉及一种适用于芳纶纤维复合材料的制孔刀具及设计方法。该钻头具有阶梯负角度顶角结构，可降低钻削时的轴向力并有效切断高韧性的芳纶纤维，提升AFRP相关构件的制孔质量。经验证该新式刀具能够显著提升AFRP构件的制孔质量，提升使用寿命与安全程度，大幅度降低加工成本，因此在航空航天和军工民用等领域的应用前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明属于复合材料加工技术领域，涉及一种适用于芳纶纤维复合材料的制孔刀具及设计方法。
背景技术
芳纶纤维增强树脂基复合材料(以下简称AFRP)轻质高强，同时兼具抗冲击性性能，目前已成为航空航天和军工装甲领域高端装备的优选材料，美国F22 战机雷达罩、AH-124运输机身等均大量采用了AFRP零部件，这些零部件在应用过程中需要进行大量的连接和装配，目前多采用钻削制孔方式加工。在钻削AFRP过程中，由于AFRP其具有明显的层叠特性和方向性，传统的金属切削刀具难以适用；同时，AFRP层间结合力仅为碳纤维增强树脂基复合材料 (以下简称CFRP)的三分之二左右，纤维和树脂/界面更易脱粘产生分层损伤，并且芳纶纤维的韧性为碳纤维的三倍以上，导致其失效行为与碳纤维的完全脆性断裂不同，导致其他复合材料如CFRP专用刀具也不适用于AFRP。因此，现阶段在AFRP的钻削制孔过程中在出口处极易产生分层和毛刺等损伤，造成加工后零件的承载能力与服役寿命大幅降低，甚至引发安全事故。
为了解决上述问题，国内外研究人员已经展开了相关研究。蓝鲸科技(深圳)有限公司成勇等人申请了“一种芳纶钻头”，专利申请号CN202110988979.8，通过钻杆的一端设有外切削刃，提高AFRP的制孔质量，但是此钻头在钻削过程中轴向力较大，尤其是大孔钻削过程中，极易产生出口分层。大连理工大学王福吉等人公开了“用于复合材料及其叠层结构高质量制孔的竖刃双阶梯微齿刀具”，专利号ZL201810466351.X，此刀具可实现CFRP/铝合金叠层结构加工损伤的有效抑制，但对于AFRP却难以控制加工损伤。由此，目前仍缺少可实现AFRP高质量加工的专用刀具，同时现有的制孔刀具的结构参数确定均需要大量实验测试，进行反复修正，而芳纶纤维种类较多，采用实验试制的方式进行刀具设计所耗费的人力、财力和物力极其惊人。
发明内容
本发明针对芳纶纤维复合材料钻削制孔时易产生分层和毛刺等损伤的技术问题，提出了一种适用于芳纶纤维复合材料的制孔刀具及设计方法，可实现 AFRP高质量钻削刀具的快速设计，该钻头具有阶梯负角度顶角结构，可降低钻削时的轴向力并有效切断高韧性的芳纶纤维，提升AFRP相关构件的制孔质量。其中，阶梯负角度顶角结构使出口表层纤维受到的轴向压缩变为轴向拉伸，降低出口表层纤维在刀具作用下的变形程度，有效切断出口表层纤维。同时，提出了虑及刀具阶梯直径比和顶角角度的优化设计方法，可初选阶梯直径比，根据材料属性、切削条件等参数，计算获得各顶角的角度优选范围，大幅提升刀具设计效率。
本发明的技术方案：
一种适用于芳纶纤维复合材料的制孔刀具，包括四个区域：多顶角钻尖区A、负顶角扩孔区B、铰孔区C和刀柄夹持区D。
所述的多顶角钻尖区A，钻型与麻花钻相同，刀具直径为D1；横刃1宽度为b1，将主切削刃分为主切削刃第一部分2和主切削刃第二部分3，形成双顶角结构包括主切削刃第一顶角N1和主切削刃第二顶角N2，对应的径向宽度分别为主切削刃第二部分3的第一部分径向长度b2和主切削刃第二部分3的第二部分径向长度b3，宽度比根据实际加工需求确定；修磨刀具前刀面10和后刀面12，形成主切削刃前角γ1以及主切削刃双后角分别为主切削刃第一后角α1和主切削刃第二后角α2。
所述的负顶角扩孔区B中包括负顶角结构E，修磨刀具第二阶梯部分获得第二阶梯负顶角角度为P，刃带宽度为b4，刃带深度为b5，负顶角结构最大长度为b6，负顶角结构主切刃前角为γ2，负顶角结构主切削刃后角为α3。由于第一阶梯与第二阶梯直径不同，两阶段的排屑槽螺旋角N3和排屑槽槽宽b7应适当，需满足排屑流畅，不造成堵屑，同时保证刀具各阶段结构的刚度。
所述的铰孔区C刀具直径为第二阶梯直径D2，具有刃带7，锥度为3:1000，靠近副切削刃位置的直径较大，可对已完成钻、扩的孔进一步加工提高制孔质量。
所述的刀柄夹持区D直径为刀柄夹持直径D3，夹持长度根据实际装夹要求确定。
针对钻削AFRP时轴向力对分层损伤影响较大，以及不同牌号的芳纶纤维性能差异明显，某一固定角度顶角的刀具在切削芳纶纤维时通用性较差等问题，为此进一步发明刀具阶梯直径比和顶角角度的优化设计方法。
首先，确定待加工材料的属性参数，包括AFRP粘结界面等效模量kb，粘结强度极限σb，下表层材料的弹性模量Ef，下表层材料的截面惯性矩If，单层纤维厚度t，每齿进给量v，终孔设计直径D2，阶梯直径比n，底层脱粘纤维长度 L，刀具半顶角
纤维挠度变化z。具体设计方法步骤如下：
步骤1：输入单层纤维厚度t，每齿进给量v，计算出刀具径向分力FX和轴向分力FZ与刀具半顶角
关系；
步骤2：根据纤维材料脱粘判断准则，输入粘结界面等效模量kb，粘结强度极限σb，弹性模量Ef，截面惯性矩If，计算出纤维挠曲变形方程：
式中Ki(i＝1,2,3,4)为积分常量；
步骤3：输入终孔设计直径D2，初选阶梯直径比n，计算得到底层脱粘纤维长度L表达式：
L＝(n-1)D2/2n(2)
步骤4：将关于刀具半顶角
的径向分力FX和轴向分力FZ表达式及脱线纤维长度L表达式带入脱粘纤维挠度方程中，得到半顶角
与挠度z的方程：
步骤5：根据加工质量要求确定材料挠度变化范围，由式(3)计算出相应的顶角范围用于指导刀具设计，并判断校核刀具结构是否合理，若合理，则基于上述方法开发的刀具可降低钻削AFRP时轴向力，使刀具对材料的轴向压缩作用转变为轴向拉伸作用，有效去除芳纶纤维，进而减少加工时分层和毛刺等损伤，若不合理，则需回到步骤3中重新选取阶梯直径比n。
本发明的有益效果：本发明提出了一种适用于芳纶纤维复合材料的制孔刀具及设计方法，该钻头具有阶梯负角度顶角结构，可降低钻削时的轴向力并有效切断高韧性的芳纶纤维，提升AFRP相关构件的制孔质量。通过对上述结构的组合与优化，总结提出一种适用于芳纶纤维复合材料钻削制孔刀具的快速设计方法，经验证该新式刀具能够显著提升AFRP构件的制孔质量，提升使用寿命与安全程度，大幅度降低加工成本，因此在航空航天和军工民用等领域的应用前景十分广阔。
附图说明
图1为一种适用于芳纶纤维复合材料钻削的刀具主视图。
图2为图1中多顶角钻尖区A的放大图。
图3为图1中负顶角结构E的放大图。
图4为刀具阶梯直径比和各顶角角度优化设计方法的流程图。
图中：A-多顶角钻尖区，B-负顶角扩孔区，C-铰孔区，D-刀柄夹持区，E- 负顶角结构；1-横刃，2-主切削刃第一部分，3-主切削刃第二部分，4-副切削刃， 5-负顶角结构主切削刃，6-负顶角结构副切削刃，7-刀具刃带，8-刀具轴线，9- 排屑槽，10-前刀面，11-修磨后的前刀面，12-后刀面，13-修磨后的后刀面；b1- 横刃宽度，b2-主切削刃第二部分的第一部分径向长度，b3-主切削刃第二部分的第二部分径向宽度，b4-刃带宽度，b5-刃带深度，b6-负顶角结构最大长度，b7- 排屑槽宽度；D1-第一阶梯直径，D2-第二阶梯直径，D3-刀柄夹持直径；P-第二阶梯负顶角角度，N1-主切削刃第一顶角，N2-主切削刃第二顶角，N3-排屑槽螺旋角，γ1-主切削刃前角，γ2-负顶角结构主切削刃前角，α1-主切削刃第一后角，α2- 主切削刃第二后角，α3-负顶角结构主切削刃后角。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1、2、3所示的一种适用于芳纶纤维复合材料钻削的刀具，该刀具为双阶梯结构，由多顶角钻尖区A、负顶角扩孔区B、铰孔区C、刀柄夹持区D 四部分组成。双阶梯及多顶角结构可降低轴向力，其中负顶角扩孔区B中包括负顶角结构E，实现对复合材料的轴向压缩作用转变为轴向拉伸作用，从而有效去除纤维降低加工损失。在本实施例中，最终目标是加工直径为6mm的终孔。
所述的多顶角钻尖区A位于刀具最前端，直径D1＝4mm，采用X型修磨使横刃长度为b1＝0.4mm，横刃较短时可降低轴向力，减小AFRP分层损伤。刀具第一阶梯的主切削刃分为两部分分别是主切削刃第一部分2和主切削刃第二部分3，形成双顶角结构，对应的径向宽度分别为b2＝1.3mm、b3＝1.5mm，主切削刃第一顶角N1＝90°，主切削刃第二顶角N2＝120°，修磨前刀面10、后刀面12，减少刀具与材料的摩擦，获得较好的散热效果，得到修磨后的前刀面11、修磨后的后刀面13，其中主切削刃前角为γ1＝20°，主切削刃双后角分别为α1＝12°，α2＝45°。
所述的负顶角扩孔区B包括第一阶梯末尾段和第二阶梯初始段，修磨阶梯处刀具刃带等，形成负角度顶角即负顶角结构E，其中负顶角角度P＝-60°，使芳纶纤维受到的轴向压缩变为轴向拉伸，降低芳纶纤维的变形程度，其中刃带宽度为b4＝0.6mm，刃带深度为b5＝0.2mm，负顶角结构最大长度为b6＝1.2mm。负顶角结构E包括负顶角结构主切削刃5和负顶角结构副切削刃6，其中，负顶角结构主切刃前角为γ2＝25°，负顶角结构主切削刃后角为α3＝15°。由于第一阶梯与第二阶梯直径不同，两阶段的排屑槽9的螺旋角和槽宽应适当，需满足排屑流畅，不造成堵屑，同时保证刀具各阶段结构的刚度，因此取排屑槽螺旋角 N3＝30°，排屑槽宽一般为0.8-0.9倍的刀具直径，由于第二阶梯终孔刀具直径 D2＝6mm，故取排屑槽宽b7＝5mm，为保证刀具强度，钻芯厚度取为2mm。
所述的铰孔区C刀具终孔直径为D2＝6mm，具有刃带7，锥度为3:1000，靠近副切削刃4位置的直径较大，可减少摩擦并对已完成钻、扩的孔进一步加工提高孔壁光洁度。多顶角钻尖区A、负顶角扩孔区B和铰孔区C的排屑槽9螺旋角为N3＝34°±30′，在铰孔区C尾段留有退刀槽，便于刀具加工。
所述的刀柄夹持区D直径为D3＝5mm，夹持长度根据实际装夹要求确定。
采用本发明提出的虑及刀具阶梯直径比和顶角角度的优化设计方法，具体设计步骤如下：
步骤1：输入单层纤维厚度t＝0.2mm，每齿进给量v＝0.03mm，计算出刀具径向分力FX和轴向分力FZ与刀具半顶角
关系；
步骤2：根据纤维材料脱粘判断准则，输入粘结界面等效模量kb＝115GPa/m，粘结强度极限σb＝30MPa，弹性模量Ef＝15GPa，截面惯性矩If＝118μm4，计算出纤维挠曲变形方程；
步骤3：终孔直径D2＝6mm，初选阶梯直径比n＝6：4，获得底层脱粘纤维长度L＝1mm，计算出脱粘纤维挠度方程；
步骤4：将关于刀具半顶角
的径向分力FX和轴向分力FZ表达式带入脱粘纤维挠度方程中，得到半顶角
与挠度z的方程；
步骤5：由挠度变化范围获得顶角P取值范围，选取P＝-60°，对刀具结构强度进行校核满足设计和加工要求，完成本实施例刀具设计，采用三维软件建模并制造刀具。
实验平台采用三轴立式高速加工中心，钻头选择工程常用直径为6mm的普通麻花钻与本实施例设计的新式刀具，钻头材质均为硬质合金，无涂层，加工时无冷却。加工工件为AFRP层合板，层合板尺寸为150×180×4mm，芳纶纤维质量占层合板总质量的60％，纤维铺层方向为0°与90°交叉铺层。切削参数设置为主轴转速3000r/min，进给速度为90mm/min。采用普通麻花钻与本实施例设计的新式刀具加工AFRP层合板并对比加工质量。经测量，本实施例设计的新式刀具钻削轴向力峰值仅为麻花钻的36％，将加工后材料入口、出口处加工损伤进行量化对比，麻花钻加工后的材料毛刺面积为3.6mm2，分层因子为1.45，本实施例设计的新式刀具加工后的材料毛刺面积为0.4mm2，分层因子为1.06，与麻花钻相比毛刺面积降低80％以上，分层因子降低25％以上，即本发明设计的刀具对于AFRP出口处的分层和毛刺等损伤有较好的抑制效果。
本发明提出的一种适用于芳纶纤维复合材料钻削的刀具结构及设计方法，主要涉及阶梯负角度顶角结构，并提出一种设计方法对其阶梯直径比和刀具角度进行优化，经与普通麻花钻对比新式刀具钻削轴向力峰值仅为麻花钻的36％，加工后的毛刺面积降低80％以上，分层因子降低25％以上，可证明本发明设计的刀具能够显著提升AFRP构件的制孔质量，提升使用寿命与安全程度，大幅度降低加工成本。本发明提出的刀具结构及设计方法不限于上述实施例的结构，可进行多种修改变型，总之，在不脱离本发明创新范围内的所有改型都属于本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种适用于芳纶纤维复合材料的制孔刀具，其特征在于，所述的刀具包括四个区域：多顶角钻尖区(A)、负顶角扩孔区(B)、铰孔区(C)和刀柄夹持区(D)；
所述的多顶角钻尖区(A)，钻型与麻花钻相同，刀具直径为D1；横刃1宽度为b1，将主切削刃分为主切削刃第一部分(2)和主切削刃第二部分(3)，形成双顶角结构包括主切削刃第一顶角N1和主切削刃第二顶角N2，对应的径向宽度分别为主切削刃第二部分(3)的第一部分径向长度b2和主切削刃第二部分(3)的第二部分径向长度b3，宽度比根据实际加工需求确定；修磨刀具前刀面(10)和后刀面(12)，形成主切削刃前角γ1以及主切削刃双后角分别为主切削刃第一后角α1和主切削刃第二后角α2；
所述的负顶角扩孔区(B)中包括负顶角结构(E)，修磨刀具第二阶梯部分获得第二阶梯负顶角角度为P，刃带宽度为b4，刃带深度为b5，负顶角结构最大长度为b6，负顶角结构主切刃前角为γ2，负顶角结构主切削刃后角为α3；由于第一阶梯与第二阶梯直径不同，两阶段的排屑槽螺旋角N3和排屑槽槽宽b7相适当；
所述的铰孔区(C)刀具直径为第二阶梯直径D2，具有刃带(7)，锥度为3:1000，靠近副切削刃位置的直径大；
所述的刀柄夹持区(D)直径为刀柄夹持直径D3，夹持长度根据实际装夹要求确定。
2.如权利要求1所述的一种适用于芳纶纤维复合材料的制孔刀具的设计方法，对刀具阶梯直径比和顶角角度进行优化设计，首先，确定待加工材料的属性参数，包括AFRP粘结界面等效模量kb，粘结强度极限σb，下表层材料的弹性模量Ef，下表层材料的截面惯性矩If，单层纤维厚度t，每齿进给量v，终孔设计直径D2，阶梯直径比n，底层脱粘纤维长度L，刀具半顶角
纤维挠度变化z；其特征在于，具体设计方法步骤如下：
步骤1：输入单层纤维厚度t，每齿进给量v，计算出刀具径向分力FX和轴向分力FZ与刀具半顶角
关系；
步骤2：根据纤维材料脱粘判断准则，输入粘结界面等效模量kb，粘结强度极限σb，弹性模量Ef，截面惯性矩If，计算出纤维挠曲变形方程：
式中Ki为积分常量，i＝1,2,3,4；
步骤3：输入终孔设计直径D2，初选阶梯直径比n，计算得到底层脱粘纤维长度L表达式：
L＝(n-1)D2/2n(2)
步骤4：将关于刀具半顶角
的径向分力FX和轴向分力FZ表达式及脱线纤维长度L表达式带入脱粘纤维挠度方程中，得到半顶角
与挠度z的方程：
步骤5：根据加工质量要求确定材料挠度变化范围，由式(3)计算出相应的顶角范围用于指导刀具设计，并判断校核刀具结构是否合理，若不合理，则需回到步骤3中重新选取阶梯直径比n。
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