CN1986145A - 碳纤维复合材料制品的制孔工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于碳纤维复合材料制品的制孔工艺方法，主要包括：选择20°螺旋角、≥120°顶角、横刃宽度视直径在0.06D～0.1D间的硬质合金材质钻头；依据切削力公式：F＝C_Fd^xff^YFv^ZFN，选择初孔直径小于待加工孔径进行导向性初钻；使用铰孔为主，扩孔为辅的铰孔，且铰孔转速控制在中速；扩孔钻退刀选用静态退刀。本发明通过大量试验和生产实践证明，合理地选择刀具材质和刀具螺旋角、顶角、横刃参数，改进制孔步骤，改善制孔工艺，避免复材制件制孔分层现象的出现。解决了现有技术复材制件制孔分层超差率高的问题，结束了某型机每架份制孔12％的超差历史，为整个某型机的全面生产提速和产品质量的提高奠定了牢靠的技术保障。

Description

碳纤维复合材料制品的制孔工艺方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维复合材料制制品的制孔工艺。

背景技术

按照成型工艺，复合材料制品分为二维层压板和三维纺织结构。其铺层是按45°/90°/0°/-45°/45°/-45°/0°/45°/90°的顺序进行铺层的，各铺层之间没有纤维增强，当受到外界载荷作用时复合材料往往首先产生因层间正应力和剪应力耦合而引起的分层。现有技术复材制品的制孔方式无论是在刀具材料还是制孔参数上都仍沿用金属制件的制孔工艺参数模式，在很大程度上没有考虑复材制件自身的性能，因此，在进行复材零部件装配制孔时极易出现层间分离(俗称分层)、纤维撕裂等现象，给产品质量和生产周期带来极大影响。现有制孔用的大直径钻头或扩孔钻是以高速钢为材料，但因在硬度上高速钢比复材略差，在完成少量制孔后，刀具刃口已被磨损，再次进行制孔时，刃口已无法切断碳纤维，而是以高速运转的旋转外力扯断纤维丝，使纤维丝与树脂界面产生分离形成分层，产生超差。同时在制孔参数上的不合理性也是造成复材制件产生分层的因素之一。现有制孔参数参照金属制孔的逻辑，以扩孔为主，但因其过大的切削量使复材制件在制孔过程中受到极大的挤压，形成挤压分层。

发明内容

本发明的目的是针对上述金属制件制孔复合材料工艺存在不足之处，提供一种能够避免复材制件制孔分层现象的出现，制孔圆滑，超差率低的制孔工艺方法。

为了达到上述目的，本发明提供的一种碳纤维复合材料制品的制孔工艺方法，包括如下步骤：

1).选择20°螺旋角、≥120°顶角、横刃宽度视直径在0.06D～0.1D间的硬质合金材质钻头；

2).依据切削力公式：F＝C_Fd^xff^YFv^ZFN，选择初孔直径小于待加工孔径进行导向性初钻；(其中：C_F＝系数d^xf＝直径参数f^YF＝进给量参数v^ZF＝钻速参数)

3).使用铰孔为主，扩孔为辅的铰孔，且铰孔转速控制在500～800r/min；

4.)扩孔钻退刀选用静态退刀。

本发明的有益效果是。

本发明从刀具参数和制孔工艺参数两方面对现有制孔方式进行改进，进而根本上解决复材制件制孔分层问题。保证了复材制件的制孔质量。通过大量试验和生产实践证明和合理地选择刀具材质和刀具螺旋角、顶角、横刃参数，改进制孔步骤，改善制孔工艺，避免复了材制件制孔分层现象的出现。选用的硬质合金材质的刀具是目前在成本和加工质量上最适合现有复材制件制孔的刀具材料。尤其是整体合金刀具更利于后期刀具维护和返修。选择20°螺旋角的钻头，可以减少刀芯厚度，增大容屑槽和槽表面抛光。还可以减少切削对刀体的磨擦，降低切削热，有利于容屑和排屑。选择的≥120°顶角所制孔的表面较圆。本发明的制孔参数和工艺参数通过批量的实际生产证明，原有的复材制件制孔分层现象得到彻底杜绝，结束了某型机每架份制孔12％的超差历史，同时在引用本方案后，某型机部件共有25％左右的复材孔免除了无损检测要求，为整个某型机的全面生产提速和产品质量的提高奠定了牢靠的技术保障。

具体实施方式

根据本发明提供的复合材料制件制孔的工艺方法，选用硬质合金材质的钻头刀具。选用硬质合金材质钻头刀具优选整体合金钻头刀具。应对钻头的螺旋角和顶角进行选择。我们知道螺旋角越大，其排屑能力越好，不易形成积瘤屑，因复材钻屑为粉状，螺旋角越小越易堵塞螺旋槽，使加工温度不易挥散，从而影响加工质量。但同时螺旋角的大小也会影响刀具的刚性，基于此，优选20°螺旋角。与此同时，在保证刀体强度的条件下，还可以减少刀芯厚度，增大容屑槽，槽表面进行抛光。这样可以减少切削对刀体的磨擦，降低切削热，有利于容屑和排屑。选择120°顶角所制孔的表面较圆，且顶角越大，容屑性能也越好。在顶角选择上，可优选115°和120°两种顶角。虽顶角对轴向力没有太大的影响，但从加工质量来看120°顶角所制孔的表面较圆，并且顶角越大，容屑性能也越好。为了减小吃刀量，随着加工直径的增大，顶角也应相应减小。

选择钻头横刃。横刃是钻头在磨制过程中自然形成的一种切削刃，它除了起一个引钻作用外还是钻头最早参与切削的一个部位，因此横刃长度在钻孔时有着相当重要的作用。横刃越小其轴向力也就越小，因此带给复材的施压力也就越小，从而产生分层，劈裂的可能及破坏范围就越小。但横刃宽度的过渡求小也会使中心温度，特别是横刃处的温度急剧上升，不仅会使碳纤维高温碳化，还会使刀具本身进行退火，从而影响刀具寿命，因此，横刃宽度视直径应在0.06D-0.1D间选取。

对工艺参数进行改进，特别是初孔直径D的改进。在这里所说的直径是指初孔直径。复材分层多发生在钻初孔这一步，因此如何控制初孔直径来达到有效减少或避免复材分层是我们值得注意和重视的方面。依据切削力公式：F＝C_Fd^xff^YFv^ZFN，当在相同制孔条件和材料情况下，切削力F和直径D成正比，初孔直径越大，则带给复材制件的正应力越大，诱发复材制件分层的机率和范围就越大，也给后续补偿带来相当大的困难。因此在初孔直径的选择上结合试验数据、刀具性能、工人劳动强度、被加工材料的材质、终孔直径大小有比例的缩小终孔直径直至其满足初孔直径要求。

铰刀和扩孔钻的工艺。铰刀和扩孔钻都是一种用来扩大孔径，提高孔的加工精度的刀具，但两者也是有一些区别的。扩孔钻实际上进行的是二次钻孔，为增加导向性的前导在设计上就具有切削刃的过渡部分，此部分在扩孔钻退刀时会对复材产生损伤，因此优选静态退刀。同时大切削量的扩孔过程也会对复材制件孔壁产生挤压力，使挤压分层随之出现。而铰刀进行的是一种复杂的切削和挤压磨擦过程，因其切削量较小加之对复材制件的损伤较小，且对前期钻孔或扩孔过程中产生的分层能进行一定的消除，因此整个制孔工艺上以铰孔为主，扩孔为辅。同时结合工人劳动强度，对整个制孔步骤进行有效调整，使钻孔、扩孔和铰孔得到有效结合，改进后的制孔工艺在保证整个周期与原有周期相同的情况下，制孔质量得到有效保证，分层现象得到彻底杜绝。同时还应注意的是转速过高，也会对铰孔质量有影响，会使孔径偏大，优选在500-800r/min左右较为合适。

Claims (3)

1.一种碳纤维复合材料制品的制孔工艺方法，包括如下步骤：

1).选择20°螺旋角、≥120°顶角、横刃宽度视直径在0.06D～0.1D间的硬质合金材质钻头；

2).依据切削力公式：F＝C_Fd^xff^YFv^ZFN，选择初孔直径小于待加工孔径进行导向性初钻；(其中：C_F＝系数 d^xf＝直径参数 f^YF＝进给量参数 v^ZF＝钻速参数)

3).使用铰孔为主，扩孔为辅的铰孔，且铰孔转速控制在中速；

4.)扩孔钻退刀选用静态退刀。

2.根据权利要求1所述的制孔工艺方法，其特征在于，硬质合金材质钻头刀具优选为整体合金钻头。

3.根据权利要求1所述的制孔工艺方法，其特征在于，所述的铰孔转速优选为500～800r/min。