CN203863095U - 碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，包括位移机构、自转机构、公转机构、固定机构和高速轴，公转机构安装在位移机构上，自转机构安装在公转机构上，高速轴安装在自转机构上，高速轴上装有刀具，固定机构上设有抱死装置，刀具的中心轴线与公转机构的公转面的垂线设置倾斜角φ。本实用新型在对碳纤维复合材料进行铣孔时，加工角度不是垂直于加工面的，因此，刀具与碳纤维复合材料接触面的中心点相对运动速度不为零，从而减小铣孔的阻力，增加加工效率并改善毛边和分层的问题。

Description

碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置

技术领域

本实用新型涉及碳纤维复合材料加工技术，特别是一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置。

背景技术

碳纤维复合材料具有许多优良性能，碳纤维复合材料的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好，良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等，碳纤维复合材料被用于航空航天领域、赛车车身、体育用品等。

然而，这些材料难以用常规铣孔方法加工。轨道铣孔技术成为这一问题的解决方案之一。轨道铣孔类似螺旋铣加工中心。在这种情况下，轨道铣孔刀具被安装在一个旋转工具上，这个工具作为行星式旋转主轴的偏心轴，从而实现螺旋铣孔。用轨道铣孔方法加工出来的孔要比螺旋铣或传统加工技术加工的圆度更高。但是轨道铣孔有一些缺陷,例如，由于工件的切削原理和机械震动会产生工件分层和毛边的问题；另外，普通的螺旋铣孔中，刀具与待加工材料的加工面是垂直的，在铣孔时，是通过刀具的高速自转形成切割刃对材料进行切割，但是刀具的中心与代加工材料的理论相对位移速度为零，这样刀具在切割时阻力是非常大的，因而铣孔的效率也较低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，可以减小铣孔时的阻力，使铣孔更加高效，并且改善铣孔过程中碳纤维复合材料产生分层和毛边的问题。

本实用新型的技术方案：一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，包括位移机构、自转机构、公转机构、固定机构和高速轴，公转机构安装在位移机构上，自转机构安装在公转机构上，高速轴安装在自转机构上，高速轴上装有刀具，固定机构上设有抱死装置。刀具的中心轴线与公转机构的公转面的垂线设置倾斜角φ。采用本装置铣孔时，避免了加工时的零速点，因此，可以提高加工效率，节省时间。由于倾斜角φ的存在，使行星运动的刀具减小反速度半径，在减小切割阻力的同时降低了机械振动，因此，由于铣孔导致碳纤维复合材料出现的毛边和分层现象都可以得到改善。

上述碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置中，所述倾斜角φ大于0度，小于或者等于2.2度。

上述碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置中，所述倾斜角φ等于2.2度。

实验例1：为了验证碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置的优越性，进行了理论推导，具体如下：

普通行星式螺旋铣孔中的刀具9的中心轴与待加工的碳纤维复合材料的加工面是垂直的，由于刀具9是围绕其中心轴线旋转的，因此，刀具9与碳纤维复合材料的接触面的中心点的相对位移速度理论值为零，这样加工时刀具9遇到的阻力是非常大的。如图3所示，由于刀具9在自转的同时也在公转，因此，刀具9的底部边缘在公转速度的影响下产生反速度半径(r_n)，反速度半径即由于运动的合成，刀具9的公转导致刀具9的自转半径减小量，图3(b)中是切削刃1与碳纤维复合材料的夹角为45度时，两虚线分别是刀具9自转速度和公转速度，实线为刀具9自转速度和公转速度的合成速度；图3(c)中是切削刃1与碳纤维复合材料的夹角为0度时，两虚线分别是刀具9自转速度和公转速度，实线为刀具9自转速度和公转速度的合成速度；由于刀具9的自转和公转的相互影响，导致刀具9相对于碳纤维复合材料的相对运动速度降低，铣孔的效率也就降低了。

刀具9的切削刃1移动速度为行星轨道运行速度，即：

V_o＝2πO_s(r_t+r_o)  (1)

V＝2πRω

此条件下：R＝r_t+r_o，ω＝O_s；

所以V_o＝V＝2πRω＝2πO_s(r_t+r_o)

其中，方程式中r_o为行星运动的公转半径，O_s为行星运转速度，r_t为刀头半径，V_o为行星轨道运行速度；

在零速点时，即刀具9与被加工工件接触面恰好位于公转圆心时，行星轨道运行速度等于刀具9自转速度，即：V_o＝V_s；

所以，2πO_s(r_t+r_o)＝2πT_ssr_t  (2)

其中，T_ss为刀具9旋转速度。

由方程式(2)变形得2πO_sr_n(1+r_o/r_n)＝2πT_ssr_n  (3)；

因此，在轨道钻孔底部的反速度半径被定义为方程式：

r_n＝r_o/(T_ss/O_s-1)  (4)。

在实际操作中，如果铣孔时需要加工的区域半径小于反速度半径，则铣孔不能有效进行，因此，零速点和反速度半径应尽量避免。

如图4所示，倾斜角是φ，r_nt是刀具9与碳纤维复合材料表面第一次接触的半径，r_t是刀具9的刀头半径，根据方程式(4)可得出结论：碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置可以减小甚至消除反速度半径，从而增强铣孔效果。例如，假设在实际操作中，反速度半径r_n＝0.02mm,则其基本实验结果为r_o＝2mm,T_ss＝30000r·min^-1,O_s＝300mm/min。若实际的倾斜行星钻井Ψ＝3rad,r_t＝3mm,r_n＝0.157mm，则可以避免反速度半径。碳纤维复合材料的倾斜行星运动螺旋铣装置可根据此提高铣孔效果，代替传统无倾斜角φ的普通行星式螺旋铣孔装置。

碳纤维复合材料的倾斜行星式螺旋铣孔的铣孔直径是由其几何参数确定的，碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔几何模型如图5。重要的参数有刀头半径r_t，刀具9长度T_L和倾斜角φ，行星运行中心3，钻探孔半径12是指刀具9在碳纤维复合材料7的铣孔半径；工具旋转中心13是指刀具的公转中心，即与电动机主轴直接连接的轴所对应的中心位置，倾斜中心14是指刀具的自转中心，即刀具的中轴线所对应的位置。倾斜行星式螺旋铣孔直径D由方程式(5)确定：

D＝2(r_t+T_Ltanφ)  (5)。

当刀具使用于球头铣刀时，还可以通过调节倾斜角φ的大小对铣孔的直径进行控制。

目前，现有的行星铣的偏心为0～2㎜，偏心为刀具的刀头旋转半径；

根据公式(5)：D＝2(r_t+T_Ltanφ)，r_t是刀具的刀头半径；

也就是：D＝d+2T_Ltanφ，其中d是刀头直径；

则tanφ＝(D-d)/2T_L

当偏心为2㎜时，D-d＝4㎜，一般T_L最小为50㎜，所以倾斜角φ最大2.2°。

实验例2：为了验证本实用新型的可行性和上述理论的正确性，将本实用新型的铣孔装置与普通行星式螺旋铣孔进行比对，实验内容如下：

使用车床和高速主轴普通螺旋铣相组合进行模拟实验。碳纤维复合材料固定在车床的主轴上，高速主轴上安装刀具9,以碳纤维复合材料的相对运动替代刀具9的行星公转运动。

刀具9可以调节倾斜角φ的度数。在这种情况下,车床的主轴旋作为行星运动，其几何模型如图2所示，离心率方程式如下：

x₁＝L₂sinφ–L₁(1-cosφ)  (6)。

碳纤维复合材料选用聚丙烯腈基碳纤维；比重:1.5,抗拉强度:1.5kn,杨氏模量:120gpa,玻璃化转变点:120；

板材规格：底面积50mm²,厚度:5mm。将刀具9的倾斜角φ设置为2.2度。

其中铣孔的条件相同，参见下表1：

表1

刀具(硬质合金)	R＝4mm,球形
		行星公转速度	500min-1
刀具旋转速度	28000r·min-1
		进给速率	30mm/min
实验次数	5

本实验中，与普通行星式螺旋铣孔的不同之处在于，刀具9的中心轴与公转圆的垂线的夹角为2.2度，经实验得出数据如下：

铣孔的表面粗糙度均值对比如下表2：

表2

	Ra(μm)	Rz(μm)
			倾斜行星式钻孔	1.13	9.05
普通行星式钻孔	1.16	13.03

铣孔的圆度均值对比如下表3：

表3

	圆度(mm)
		倾斜行星式钻孔	10.71
普通行星式钻孔	13.26

本模拟实验中采用了相同的铣孔条件，实验结果如表2和表3所示，采用本实用新型的碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置与普通的行星螺旋铣孔装置相比可以改善铣孔的粗糙度和圆度，降低碳纤维复合材料在铣孔时产生分层和毛边的现象。其中，Ra表示:轮廓算术平均偏差，在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值；Rz表示：微观不平度十点高度，在取样长度内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。

与现有技术相比，本实用新型通过将刀具的中心轴线与公转轴心线设置倾斜角φ，在对碳纤维复合材料进行铣孔时，加工角度不是垂直于加工面的，因此，刀具与碳纤维复合材料接触面的中心点相对运动速度不为零，从而减小铣孔的阻力，增加加工效率。由于刀具的中心轴线与刀具公转轴心线设有倾斜角φ，所以刀具在行星运动中产生的反速度半径降低了，因此，刀具在铣孔过程中遇到的阻力大大降低，并且降低了机械振动，由机械振动产生的毛边和分层的问题都可以得到极大的改善。

附图说明

图1是碳纤维复合材料的倾斜行星式螺旋铣的位置矢量图；

图2是碳纤维复合材料的倾斜行星式螺旋铣的第一几何模型图；

图3是碳纤维复合材料的倾斜行星式螺旋铣的速度分量图；

图4是碳纤维复合材料的倾斜行星式螺旋铣的斜切示意图；

图5是碳纤维复合材料的倾斜行星式螺旋铣的第二几何模型图；

图6是碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置的结构示意图。

附图标记，1-切削刃，2-刀具中心，3-行星运行中心，4-位移机构，5-公转机构，6-自转机构，7-碳纤维复合材料，8-高速轴，9-刀具，10-固定机构，11-抱死装置，12-钻探孔半径，13-工具旋转中心，14-倾斜中心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

参见图6所示，本实用新型的实施例1：一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，包括位移机构4、自转机构6、公转机构5、固定机构10和高速轴8，公转机构5安装在位移机构4上，自转机构6安装在公转机构5上，高速轴8安装在自转机构6上，高速轴8上装有刀具9，固定机构10上设有抱死装置11，刀具9的中心轴线与公转机构5的公转面的垂线的夹角为倾斜角φ，倾斜角φ设置为2.2度。使用本装置对碳纤维复合材料的网球球拍把手进行铣孔。

实施例2：一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，包括位移机构4、自转机构6、公转机构5、固定机构10和高速轴8，公转机构5安装在位移机构4上，自转机构6安装在公转机构5上，高速轴8安装在自转机构6上，高速轴8上装有刀具9，固定机构10上设有抱死装置11，刀具9的中心轴线与公转机构5的公转面的垂线的夹角为倾斜角φ，倾斜角φ设置为0.5度。使用本装置对碳纤维复合材料的网球球拍把手进行铣孔。

实施例3：一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，包括位移机构4、自转机构6、公转机构5、固定机构10和高速轴8，公转机构5安装在位移机构4上，自转机构6安装在公转机构5上，高速轴8安装在自转机构6上，高速轴8上装有刀具9，固定机构10上设有抱死装置11，刀具9的中心轴线与公转机构5的公转面的垂线的夹角为倾斜角φ，倾斜角φ设置为1度。使用本装置对碳纤维复合材料的网球球拍把手进行铣孔。

实施例4：一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，包括位移机构4、自转机构6、公转机构5、固定机构10和高速轴8，公转机构5安装在位移机构4上，自转机构6安装在公转机构5上，高速轴8安装在自转机构6上，高速轴8上装有刀具9，固定机构10上设有抱死装置11，刀具9的中心轴线与公转机构5的公转面的垂线的夹角为倾斜角φ，倾斜角φ设置为1.5度。使用本装置对碳纤维复合材料的网球球拍把手进行铣孔。

通过对比上述实施例1至实施例4，铣孔效果最好的实施例是倾斜角是2.2度的实施例，并且倾斜角从2.2度开始铣孔效果随倾斜角的度数降低而降低。

本实用新型的一种实施例的工作原理：当需要对碳纤维复合材料7进行铣孔时，通过固定机构10上的抱死装置11对碳纤维复合材料7进行固定，控制位移机构4使公转机构5逐渐靠近碳纤维复合材料7，与此同时，高速轴8高速转动，刀具9在高速轴8的带动下也进行高速转动，高速轴8通过自转机构6在公转机构5的带动下进行公转，当刀具9接触碳纤维复合材料7时对其进行铣孔。由于刀具9的中心轴线与公转机构5的公转面的垂线的夹角不为零，所以刀具9的中心与碳纤维复合材料7的相对位移速度不为零，从而减小铣孔时的阻力，增加铣孔效率。

如图1所示，该坐标图的坐标原点是刀具9公转的中心，刀具9围绕其中心轴线自转，与此同时，刀具9还围绕坐标原点做公转运动。其中r_o是刀具9的公转半径，r₁是自转半径，加工半径是公转半径与自转半径之和，1是刀具9的切削刃1，刀具9是通过切削刃1在碳纤维复合材料上铣孔的；2是刀具中心2。

值得注意的是，公转是指一件物体以另一件物体为中心所作的循环运动，本文件中的循环运动的轨道是圆形。自转是指物体围绕其自身的中心轴转动。

Claims (3)

1.一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，其特征在于，包括位移机构(4)、自转机构(6)、公转机构(5)、固定机构(10)和高速轴(8)，公转机构(5)安装在位移机构(4)上，自转机构(6)安装在公转机构(5)上，高速轴(8)安装在自转机构(6)上，高速轴(8)上装有刀具(9)，固定机构(10)上设有抱死装置(11)，刀具(9)的中心轴线与公转机构(5)的公转面的垂线设置倾斜角φ。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，其特征在于，所述倾斜角φ大于0度，小于或者等于2.2度。

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，其特征在于，所述倾斜角φ等于2.2度。