用于cfrp加工的鉆頭及其結構參數(shù)的實驗確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于CFRP加工的鉆頭的結構參數(shù)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(shù)之間的函數(shù)關系，利用已知的鉆頭前角角度，依據(jù)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(shù)數(shù)值，根據(jù)確定的參數(shù)數(shù)值制備所述鉆頭。本發(fā)明所述的用于CFRP加工的鉆頭在碳纖維增強復合材料(CFRP)的實際加工中，達到了主切削刃上的切削力和切削溫度分布均勻，減少了鉆孔缺陷的產生。
【專利說明】用于CFRP加工的鉆頭及其結構參數(shù)的實驗確定方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)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(shù)的實驗性方法，屬于機械加工【技術領域】。
【背景技術】
[0002]碳纖維增強復合材料(CarbonFiber 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(yōu)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(tǒng)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(xiàn)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(jù)統(tǒng)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。
[0003]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(yōu)化了外圓轉點這一極小區(qū)域對鉆削過程中的影響，總體優(yōu)化效果并不明顯。
[0004]經過對現(xiàn)有文獻的檢索，至今未發(fā)現(xiàn)有關碳纖維增強復合材料專用鉆孔刀具結構參數(shù)的確定方法的公開報道。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于CFRP加工的鉆頭及其結構參數(shù)的實驗確定方法，通過實驗獲取基礎數(shù)據(jù)，建立主切削刃上切削力和切削溫度的分布模型，據(jù)此優(yōu)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。
[0006]本發(fā)明解決其技術問題的技術方案是:
[0007]—種用于CFRP加工的鉆頭的結構參數(shù)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(shù)之間的函數(shù)關系，利用已知的鉆頭前角角度，依據(jù)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(shù)數(shù)值，根據(jù)確定的參數(shù)數(shù)值制備所述鉆頭。
[0008]進一步地，所述的實驗確定方法包括以下具體步驟:
[0009]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(shù)據(jù)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(shù):
[0010]F(x) =式(4)，
[0011]T(x) = a2x3+b2x2+c2x+a2,式(5)；
[0012]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(shù)據(jù)處理將切削力和切削溫度與鉆頭各結構參數(shù)之間的關系擬合為下列多元二次函數(shù):
[0013]FYjCI = a3 Y 2+b3 Y +C3 ct 2+d3 ct +e3,式(6)，
[0014]
【權利要求】
1.一種用于CFRP加工的鉆頭的結構參數(shù)的實驗確定方法，其特征在于: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(shù)之間的函數(shù)關系，利用已知的鉆頭前角角度，依據(jù)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(shù)數(shù)值，根據(jù)確定的參數(shù)數(shù)值制備所述鉆頭。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于CFRP加工的鉆頭的結構參數(shù)的實驗確定方法，其特征在于: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(shù)據(jù)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(shù): F(x) =式(4),
T(x) = a2x3+b2x2+c2x+d2,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(shù)據(jù)處理將切削力和切削溫度與鉆頭各結構參數(shù)之間的關系擬合為下列多元二次函數(shù):
Fy , α = a3 Y 2+b3 Y +C3 a 2+d3 α +e3，式(6)，
3.根據(jù)權利要求2所述的用于CFRP加工的鉆頭的結構參數(shù)的實驗確定方法，其特征在于:所述的Y (χ)為通過測量而得到。
4.根據(jù)權利要求2所述的用于CFRP加工的鉆頭的結構參數(shù)的實驗確定方法，其特征在于:所述的鉆頭為麻花鉆。
5.根據(jù)權利要求4所述的用于CFRP加工的鉆頭的結構參數(shù)的實驗確定方法，其特征在于:所述的Y (χ)為如下公知的函數(shù):
6.一種用于CFRP加工的鉆頭，其特征在于:所述鉆頭的后角角度和鈍圓半徑沿主切削刃分布的參數(shù)數(shù)值采用權利要求2所述實驗確定方法進行確定，滿足如下關系式:
7.根據(jù)權利要求6所述的用于CFRP加工的鉆頭，其特征在于:所述的y(χ)為通過測量而得到。
8.根據(jù)權利要求6所述的用于CFRP加工的鉆頭，其特征在于:所述的鉆頭為麻花鉆。
9.根據(jù)權利要求8所述的用于CFRP加工的鉆頭，其特征在于:所述的y(χ)為如下公知的函數(shù):
【文檔編號】B26F1/16GK103970995SQ201410185157
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權日:2014年5月5日
【發(fā)明者】勵政偉, 陳明, 顧立晨, 邱坤賢, 安慶龍 申請人:上海工具廠有限公司, 上海交通大學