CN115570186B - 一种用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具及方法，采用制孔缺陷表征试验，分别建立第一主切削刃与第二主切削刃直径比—缺陷评价系数、第一主切削刃刀尖角—缺陷评价系数关系模型，获取匹配材料特征的最优直径比及第一主切削刃刀尖角β；并在此基础上，通过进行磨损试验，建立磨损面积—第二主切削刃与中轴线的夹角φ模型，以获取寿命最优的第二主切削刃与中轴线的夹角φ。基于确定的刀具结构参数，形成一种用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具。该刀具在制孔时将制孔过程分为第一主切削刃去除大余量与第二主切削刃去除孔口缺陷及成形两个阶段，可以很好的抑制纤维撕裂、分层和毛刺现象的产生，提高碳纤维复合材料的制孔质量。

Description

一种用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具及方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具及方法。

背景技术

随着军事、交通和航空等工业的迅速发展，对使用的材料也提出更高标准和更严要求，如质量轻、硬度高、强度大和耐腐蚀等特性。近年来，材料的轻质特性、高强特性、耐腐特性等成为新型应用材料的追逐重点，碳纤维增强树脂基复合材料就是其中的一种典型新型复合材料，且已被大范围的应用在各行各业。

碳纤维复合材料固化成型后，为满足装配连接需求，通常需要进行二次加工，其中制孔是二次加工必不可少的一个环节。而碳纤维复合材料钻削制孔加工作为二次加工过程中极为重要的工序之一，钻削加工质量直接影响到连接构件的寿命及服役性能。但由于纤维复合材料的特点是拥有较低层间强度、质地坚硬且具有脆硬性，在钻孔过程中，其在钻削载荷的作用下极易产生分层、纤维撕裂和出口毛刺等缺陷，导致加工质量不符合要求等问题，最终甚至可能导致零部件彻底报废。

针对碳纤维制孔加工，国内外在制孔刀具及方法方面进行了大量的研究，但均是在金属制孔刀具及方法的基础上进行简单的优化设计，虽能有效提高制孔质量，但随着复材构件材料的发展，其材料性能逐渐提高，导致材料的加工难度越来越高；且随着构件服役寿命要求的提升，对碳纤维制孔质量提出了更高要求。目前的刀具已逐渐难以满足日益发展的碳纤维构件制孔需求。

发明内容

针对现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具及方法，目的是为了在碳纤维制孔加工过程中有效抑制孔口毛刺、撕裂等缺陷，提高制孔质量。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具，其包括柄部和工作部，工作部包括第一工作部和第二工作部，第一工作部位于远离柄部的一端，第二工作部连接在第一工作部和柄部之间，第二工作部的直径大于第一工作部的直径，第一工作部上设置有第一主切削刃，第一主切削刃在远离柄部的一端形成有刀尖，第二工作部上设置有第二主切削刃，第二主切削刃包括靠近第一工作部一端的端刃部和位于第二工作部周向的周刃部，其中，端刃部包括主刃口、刃口面、导向部和断口部，所述刀具具有刀具中轴线，主刃口整体位于沿刀具中轴线的一个纵切面上，且主刃口朝向刀尖一侧倾斜设置，其与刀具中轴线之间具有夹角φ，且夹角φ为钝角。

一种抑制碳纤维制孔缺陷方法，其采用抑制碳纤维制孔缺陷的刀具实现，其包括以下步骤：

 （一）刀具结构参数确定：

A1、建立直径比-缺陷关系模型，确定第一主切削刃与第二主切削刃之间的直径比；

A2、建立刀尖角-缺陷关系模型，确定第一主切削刃的刀尖角β；

A3、通过刀具磨损试验，确定第二主切削刃的主刃口与刀具中轴线的夹角φ；

A4、刀具结构参数确定；

（二）利用选取的刀具进行制孔。

与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果：

 1、第二主切削刃的设计能在第一主切削刃钻削孔中间位置后从外向向里切削，可以很好的抑制纤维撕裂、分层和毛刺现象的产生，大大提高了纤维符合材料的钻孔质量；

2、第二主切削刃设置了端刃部和周刃部，第一主切削刃与端刃部之间具有一个导向部，可以提供一个缓冲，使得加工过程更顺畅；通过设置断口部，断口部与刃口面之间形成有向外凸出的棱条，能够便于断屑，避免钻屑堆积而影响加工效率；

3、通过特殊的主刃口设置方式，提供了一个最佳的第二主切削刃与刀具中轴线夹角角度，保证加工效果的同时，实现了第二主切削刃的低崩刃率。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。其中，在示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为本发明刀具对应的直径比-缺陷关系曲线图；

图2为本发明刀具对应的刀尖角-缺陷关系曲线图；

图3为本发明刀具的第二主切削刃的主刃口与刀具中轴线的夹角φ之间的磨损量关系曲线图；

图4为本发明具体实施例的主视结构示意图；

图5为本发明具体实施例的主视结构的另一示意图；

图6是图5所示A-A区域的局部放大图；

其中，S1-柄部，S2-工作部，1-第一工作部，2-第二工作部，11-第一主切削刃，21-第二主切削刃，3-主刃口，4-刃口面，5-导向部，6-断口部，β-第一主切削刃的刀尖角，φ-夹角，D1-第一工作部的直径，D2-第二工作部的直径。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明较佳实施例，而不是全部的实施例，亦并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用所揭示的技术内容加以变更或改型等同变化。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

如图1至图6所示，本发明提供了一种用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具，其包括柄部S1和工作部S2，工作部S2包括第一工作部1和第二工作部2，第一工作部1位于远离柄部S1的一端，第二工作部2连接在第一工作部1和柄部S1之间，第二工作部的直径D2大于第一工作部的直径D1，第一工作部1上设置有第一主切削刃11，第一主切削刃11在远离柄部S1的一端形成有刀尖，第二工作部2上设置有第二主切削刃21，第二主切削刃21包括靠近第一工作部1一端的端刃部和位于第二工作部2周向的周刃部，其中，端刃部包括主刃口3、刃口面4、导向部5和断口部6，所述刀具具有刀具中轴线，主刃口3整体位于沿刀具中轴线的一个纵切面上，且主刃口3朝向刀尖一侧倾斜设置（在同一纵切面上）与刀具中轴线之间具有夹角φ，且夹角φ为钝角。通过设置两种主切削刃，第一主切削刃11用于去除制孔过程中的大余量，第二主切削刃21用于制孔成形并去除第一主切削刃11制孔过程中形成孔口撕裂、毛刺等缺陷；由于夹角φ为钝角，在制孔时径向切削力指向孔心，能有效抑制毛刺、撕裂、分层等缺陷的产生，实现第二主切削刃21的低崩刃率。

进一步的，第二工作部2上设置有至少两条第二主切削刃21，所述至少两条第二主切削刃21呈螺旋分布，相邻两条第二主切削刃21之间形成排屑槽，刃口面4沿着周向（在圆周的环向方向上）倾斜设置，刃口面4与第一工作部1之间形成有导向部5，导向部5呈平滑的弧形过渡，在周向方向上，刃口面4一侧为主刃口3，另一侧形成有断口部6，断口部6与刃口面4之间形成有向外凸出的棱条，断口部6在远离所述凸出的棱条的一侧接入一排屑槽。导向部的设置可以提供一个缓冲，使得加工过程更顺畅，棱条能够便于断屑，避免钻屑堆积而影响加工效率。进一步的，为了便于碎屑，刃口面4和断口部6在靠近棱条的位置均设置有一定弧度的凹面，具体凹陷情况根据实际碎屑效果而定。

优选的，在同一第二主切削刃21上，从主刃口3朝向断口部6的周向方向上，导向部5的尺寸逐渐增大。这样设置能提高排屑效果。

作为进一步优选的实施方案，本发明还提供了一种抑制碳纤维制孔缺陷方法，其采用前述的刀具来实现，其具体包括以下步骤：

（一）刀具结构参数确定：

A1、建立直径比-缺陷关系模型，确定第一主切削刃11与第二主切削刃21之间的直径比（即D1/D2）；

具体的，在相同试验条件下，每组试验进行6次，以T700碳纤维材料为例，开展直径比为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9的制孔缺陷试验；

制孔缺陷采用如下方式来表征：

毛刺缺陷评价系数为 λ_b：

                             （1）

式中，A_bi为第i条毛刺面积；n为总的毛刺数，为毛刺总面积，A_norm为孔壁面积；

撕裂缺陷评价系数为λ_s ：

                            （2）

式中，A_sj为第j段撕裂的面积；m为撕裂总段数，为撕裂的总面积；

为统一量化两个指标，提出综合缺陷评价指标即缺陷评价系数λ：

λ=λ_s+λ_b                           （3）

 基于综合缺陷评价指标λ开展直径比试验，得到结果如下：

基于上述结果，建立如附图1所示关系模型，由附图的关系模型可知，最佳匹配直径比为0.5~0.6；

A2、建立刀尖角-缺陷关系模型，确定第一主切削刃的刀尖角β；

具体的，在上述试验的基础上分别开展第一主切削刃的刀尖角β为60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°、130°、140°和150°的制孔缺陷试验，测量撕裂长度，建立刀尖角-缺陷关系模型，

所述刀尖角-缺陷关系模型是指，第一主切削刃的刀尖角β与第一比值的关系模型，所述第一比值为最大撕裂长度与第二工作部的直径（D2）和第一工作部的直径（D1）的差值的比值，得到结果以下：

由上述确定的直径比可知，最大撕裂长度应小于第二主切削刃21与第一主切削刃11的直径差值（也即第二工作部直径与第一工作部的直径的差值），即小于D2-D1，以保证第二主切削刃21在工作时能将第一主切削刃11形成的撕裂缺陷全部去除；

基于以上结果，建立最大撕裂长度与上述差值（D2-D1）的比值-刀尖角关系模型（即刀尖角-缺陷关系模型）如附图2所示，由于上述确定的匹配该材料的最佳直径比为0.53，因此，最大撕裂长度与（D2-D1）的比值应在0.47以内，即第一主切削刃的刀尖角β选取范围在阈值线以下均可，因此，第一主切削刃的刀尖角β的最佳匹配取值为90°~110°，最优取值为100°，另外，当第一主切削刃的刀尖角β选取为100°时，撕裂长度小，切削效率相对较低，因此，本实施例中后续的步骤选取第一主切削刃的刀尖角β为90°进行试验；

A3、通过刀具磨损试验，确定第二主切削刃21的主刃口3与刀具中轴线的夹角φ；

基于上述试验条件，分别开展夹角φ=100°、105°、110°、115°、120°、125°和130°的第二主切削刃21的磨损试验，以制孔数量50孔为边界，测量第二主切削刃21的磨损面积，试验结果如下所示：

 因此，基于试验结果可知（如附图3），当第二主切削刃21的主刃口3与刀具中轴线的夹角φ为105°时，制孔50个，第二主切削刃21的磨损量最小，由此可知，该角度下刀具寿命最优；因此，第二主切削刃21的主刃口3与刀具中轴线的夹角φ优选为100°~120°，更优选的为100°~110°。

A4、刀具结构参数确定

基于上述结果，对所述用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具结构参数进行优选，最终确定所述的第一主切削刃11与第二主切削刃21的直径比为0.53，所述的第一主切削刃的刀尖角β为90°，所述第二主切削刃21的主刃口3与所述刀具中轴线的夹角φ为110°；

（二）利用选取的刀具进行制孔

基于上述结构参数的刀具，可将制孔过程主要分为两个阶段：1）第一阶段，第一主切削刃11去除大余量，该阶段材料去除率大，切削力较大，易形成孔出口毛刺、撕裂等缺陷；2）第二阶段，第二主切削刃21去除小余量及缺陷，该阶段依靠第二主切削刃21的锋利的尖角去除材料，切削余量及材料去除率小，因此，轴向切削力较小，且由于夹角φ＞90°，制孔是径向切削力指向孔心，能有效抑制毛刺、撕裂、分层等缺陷的产生。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抑制碳纤维制孔缺陷的方法，其采用一种用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具来实现，其特征在于，所述用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具包括柄部（S1）和工作部（S2），其中，工作部（S2）包括第一工作部（1）和第二工作部（2），第一工作部（1）位于远离柄部（S1）的一端，第二工作部（2）连接在第一工作部（1）和柄部（S1）之间，第二工作部的直径（D2）大于第一工作部的直径（D1），第一工作部（1）上设置有第一主切削刃（11），第一主切削刃（11）在远离柄部（S1）的一端形成有刀尖，第二工作部（2）上设置有第二主切削刃（21），第二主切削刃（21）包括靠近第一工作部（1）一端的端刃部和位于第二工作部（2）周向的周刃部，其中，端刃部包括主刃口（3）、刃口面（4）、导向部（5）和断口部（6），所述刀具具有刀具中轴线，主刃口（3）整体位于沿刀具中轴线的一个纵切面上，且主刃口（3）朝向刀尖一侧倾斜设置，其与刀具的中轴线之间具有夹角（φ），且所述夹角（φ）为钝角；第二工作部（2）上设置有至少两条第二主切削刃（21），所述至少两条第二主切削刃（21）呈螺旋分布，相邻两条第二主切削刃（21）之间形成排屑槽，刃口面（4）沿着周向倾斜设置，刃口面（4）与第一工作部（1）之间形成有导向部（5），导向部（5）呈平滑的弧形过渡，在周向方向上，刃口面（4）一侧为主刃口（3），另一侧形成有断口部（6），断口部（6）与刃口面（4）之间形成有向外凸出的棱条，断口部（6）在远离所述凸出的棱条的一侧接入一排屑槽；刃口面（4）和断口部（6）在靠近棱条的位置均设置有沿棱条设置的一定弧度的凹面；

在同一第二主切削刃（21）上，从主刃口（3）朝向断口部（6）的周向方向上，导向部（5）的尺寸逐渐增大；

所述方法具体包括以下步骤：

（一）刀具结构参数确定

A1、建立直径比-缺陷关系模型，确定第一主切削刃（11）与第二主切削刃（21）之间的直径比；

步骤A1中所建立的直径比-缺陷关系模型包括：

毛刺缺陷评价系数为λ_b：

式中，A_bi为第i条毛刺面积；n为总的毛刺数，为毛刺总面积，A_norm为孔壁面积；

撕裂缺陷评价系数为λ_s ：

式中，A_sj为第j段撕裂的面积；m为撕裂总段数，为撕裂的总面积；

步骤A1还包括确定综合缺陷评价指标即缺陷评价系数λ的步骤，其中，λ=λ_s+λ_b，以及，基于综合缺陷评价指标λ开展直径比试验，获得最佳匹配直径比；

A2、建立刀尖角-缺陷关系模型，确定第一主切削刃（11）在刀尖处形成的第一主切削刃的刀尖角（β）；

步骤A2中的刀尖角-缺陷关系模型是指，第一主切削刃的刀尖角（β）与第一比值的关系模型，所述第一比值为最大撕裂长度与第二工作部的直径（D2）和第一工作部的直径（D1）的差值的比值；

A3、通过刀具磨损试验，确定第二主切削刃（21）的主刃口（3）与刀具中轴线的夹角（φ）；

A4、刀具结构参数确定：基于步骤A1~A3的试验结果，对所述用于抑制碳纤维制孔缺陷的刀具的结构参数进行优选；

（二）利用选取的刀具进行制孔

基于优选结构参数的刀具进行制孔，其中，制孔过程主要分为两个阶段：1）第一阶段，利用第一主切削刃（11）去除大余量；2）第二阶段，利用第二主切削刃（21）去除小余量以及第一阶段所产生的毛刺、撕裂、分层缺陷。

2.如权利要求1所述的一种抑制碳纤维制孔缺陷的方法，其特征在于，第一主切削刃（11）与第二主切削刃（21）之间的直径比为0.5~0.6。

3.如权利要求1或2所述的一种抑制碳纤维制孔缺陷的方法，其特征在于，第一主切削刃的刀尖角（β）的取值为90°~110°，第二主切削刃（21）的主刃口（3）与刀具中轴线的夹角（φ）为100°~120°。

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