[發明專利]用于CFRP加工的鉆頭及其結構參數的實驗確定方法

有效

• 申請號: 201410185157.6
• 申請日: 2014-05-05
• 公開（公告）號: CN103970995B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 勵政偉;陳明;顧立晨;邱坤賢;安慶龍
• 申請（專利權）人: 上海工具廠有限公司;上海交通大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;B26F1/16
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 祖志翔

技術領域

本發明涉及一種鉆孔刀具，具體涉及一種用于碳纖維增強復合材料(CFRP)加工的鉆頭，以及基于鉆削力和鉆削溫度控制確定其結構參數的實驗性方法，屬于機械加工技術領域。

背景技術

碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP)是一種新型的以碳或石墨纖維為增強體的樹脂基復合材料，因具有強度高、比剛度高、耐疲勞性能好及可設計性強等優點，其廣泛地應用于制造先進飛機上的主承力結構件，諸如飛機蒙皮、壁板、機翼中間梁、機身隔框和艙門等部件。在CFRP的機械切削加工中，鉆削是使用最多、應用最廣的一種加工方式，鉆削制孔質量的好壞直接關系到整個飛機的裝配質量和服役壽命。由于特有的各向異性以及層間接觸強度低等特點，CFRP成為一種典型的難加工材料。在CFRP鉆孔過程中，其制孔除會產生傳統的金屬材料制孔常見的缺陷(孔的尺寸誤差、圓度誤差、位置誤差、垂直度誤差等)之外，還會產生復合材料特有的缺陷，主要表現為：入口剝離分層、出口分層、層間分層、撕裂與毛邊、孔周表面纖維抽出等，其中分層損傷是最主要的制孔缺陷。據統計，飛機在最后組裝時，因鉆孔分層而造成的報廢高達60％以上。

CFRP層合板鉆孔分層是由鉆削軸向力過大和鉆削溫度過高而引起的材料層與層之間的分離，因此在CFRP層合板的鉆削過程中對鉆削力和鉆削溫度的控制就顯得尤為重要。而機加工中鉆削力和鉆削溫度有60％來源于刀具幾何結構的影響，因此，針對復合材料的加工設計專用的鉆孔刀具是一種控制鉆削質量的有效方法。目前，眾多復合材料中所用的鉆頭是通過在外圓轉點處增加切斷纖維的鋒利切削刃的方法，來減少復材鉆削過程中產生毛刺和分層的。但是這樣的結構往往只優化了外圓轉點這一極小區域對鉆削過程中的影響，總體優化效果并不明顯。

經過對現有文獻的檢索，至今未發現有關碳纖維增強復合材料專用鉆孔刀具結構參數的確定方法的公開報道。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種用于CFRP加工的鉆頭及其結構參數的實驗確定方法，通過實驗獲取基礎數據，建立主切削刃上切削力和切削溫度的分布模型，據此優化刀具的后角角度和鈍圓半徑，以達到切削力和切削溫度分布均勻的目的，從而減少制孔鉆削質量缺陷的產生。

本發明解決其技術問題的技術方案是：

一種用于CFRP加工的鉆頭的結構參數的實驗確定方法，通過不同直徑預制孔的鉆削實驗獲得鉆頭主切削刃上的切削力和切削溫度分布，通過碳纖維增強復合材料的正交自由切削實驗獲得切削力和切削溫度與鉆頭各結構參數之間的函數關系，利用已知的鉆頭前角角度，依據切削力和切削溫度平均分布的原則，確定所述鉆頭后角角度和鈍圓半徑沿主切削刃分布的參數數值，根據確定的參數數值制備所述鉆頭。

進一步地，所述的實驗確定方法包括以下具體步驟：

第一步，在碳纖維增強復合材料的層合板上設置直徑以單位長度逐級遞增的一系列的預制孔，使用選定鉆頭在各預制孔上進行鉆孔實驗，并測量和記錄所述鉆頭的主切削刃上產生的切削力和切削溫度，使用同一鉆頭在所述層合板上無預制孔處進行鉆孔實驗，并測量和記錄所述鉆頭的主切削刃上產生的切削力和切削溫度，通過數據處理將切削力和切削溫度沿所述鉆頭主切削刃的分布擬合為下列多項式函數：

F(x)＝a₁x³+b₁x²+c₁x+d₁，式(4)，

T(x)＝a₂x³+b₂x²+c₂x+a₂，式(5)；

第二步，使用具有不同前角、后角和鈍圓半徑的鉆頭在碳纖維增強復合材料上進行自由切削的正交實驗，每一因素分別采用5個水平，在實驗中測量和記錄各鉆頭的主切削刃上產生的切削力和切削溫度，通過數據處理將切削力和切削溫度與鉆頭各結構參數之間的關系擬合為下列多元二次函數：

F_γ，α＝a₃γ²+b₃γ+c₃α²+d₃α+e₃，式(6)，