[发明专利]用于钻削复合材料构件的刀具的设计方法以及其刀具

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于钻削复合材料构件的刀具的设计方法以及由该方法设计的刀具，尤其涉及一种用于在复合材料构件，尤其在碳纤维增强的复合材料构件上加工孔，尤其加工大直径孔的刀具的设计方法以及由该方法设计的刀具。

背景技术

碳纤维具有十分优异的力学性能和机械性能，与其他材料相比具有较高的比强度和比模量，碳纤维作为复合材料中的增强材料具有高强度高模量和高脆性等特点，而树脂作为基体材料则具有低强度、低模量和韧性好等特点。世界上80年代以后进入服役的战斗机，其机翼、尾翼部件大多采用碳纤维复合材料。在2005年服役的美国空军最新F-22“猛禽”战斗机，复合材料占35％，飞机蒙皮壁板、机翼中间梁、机身隔框、舱门和其他部件等全部采用了碳纤维复合材料。美国的武装直升机RAH-66，垂直起落、倾转旋翼后又可高速巡航的V-22“鱼鹰”，复合材料用量达结构重量的50％。B787机身主体结构采用复合材料，应用比例达到全机重量的50％；A380的尾段、机翼、中央翼盒、压力隔框、垂直安定面和水平安定面等采用复合材料结构，应用比例达到32％；A350复合材料应用与B787类似，应用比例达到52％。C系列飞机的尾段、机翼、中央翼盒、压力隔框、垂尾和平尾等采用复合材料结构，应用比例达到37％。一些轻型飞机的复合材料应用比例更是高达90％以上，甚至出现了全复合材料飞机。复合材料应用的比例已经成为衡量飞机先进性的重要标志之一。

在碳纤维复合材料的广泛应用中，二次机械加工越来越多，尤其是在复合材料零件与其他零部件装配连接时，不可避免要进行大量孔加工。例如一架F-16战斗机有4万个连接孔，一架波音747飞机有300多万个连接孔。制孔成为复合材料零件产品制造过程中工作量最繁重的机械加工工序，美国先进的F-22战斗机在研制过程中将复合材料钻孔作为一项关键技术提出来。复合材料高效制孔是现代飞机制造业最关键技术之一。据报道，国外飞机组装过程中，因钻孔加工缺陷而导致报废的碳纤维复合材料零件数量占全部报废零件的60％以上。我国具有完全自主知识产权的大型客机C919的复合材料用量将达到15～23％，可以说当今先进复合材料结构所占比例的多少，在某种程度上已成为评价飞机性能的重要技术指标。

碳纤维复合材料由于各向异性以及强度高、硬度大、导热性差等特点，使得其在孔加工时造成刀具磨损严重，刀具耐用度低以及孔缺陷严重等现象。

而传统的钻孔工艺已经不能满足大直径孔加工的要求，本发明涉及一种用于复合材料增强复合材料的大直径孔加工专用刀具。由于碳纤维增强复合材料是由质软而粘性大的树脂材料和强度高、硬度大的纤维增强材料混合而成的二相或多相结构，其力学性能呈各向异性，层间接触强度低，切削过程中在切削力的作用下极易产生严重的加工缺陷，一般情况下，在9mm以上大直径孔的复合材料钻削过程中，极容易产生分层和撕裂等，极大地破坏复合材料层合板的强度；大直径孔的加工过程要历经钻扩铰多道工序，生产效率低下。因此复合材料大直径孔加工过程中，如何设计出刀具，使得加工出的孔径精度高，成为要解决的一大难题。

关于碳纤维复合材料孔加工刀具的专利，专利申请号为201310047795.7的专利公开了一种钎焊结构的碳纤维增强复合材料的专用金刚石钻头，特点在于刀体侧壁上开有清屑孔，在刀体的头部连接钻头，钻头带有一组槽口。专利申请号为201220148618.9的专利公开了碳纤维复合材料和钛合金螺旋铣孔专用刀具，特点在于切削头部和颈部为阶梯状，在刀颈的切削头部沿周边均匀设置有四个周边铣齿。专利申请号为201220592135.8的专利公开了一种加工碳纤维增强复合材料与钛合金叠层板的钻头，特点在于钻尖部的钻尖角为三顶角设置。以上专利存在的一个共同点是都没有涉及可以加工大直径孔的刀具，只是强调单一加工方式，无法完成大直径孔的一次性加工。

发明内容

本发明提供一种用于钻削复合材料构件的刀具的设计方法，尤其提供了一种用于在复合材料构件，尤其在碳纤维增强的复合材料构件上加工孔，尤其是大直径孔的刀具的设计方法。

本发明解决了钻削过程中复合材料构件内部的复合材料容易分层的技术问题。克服了复合材料构件尤其是碳纤维增强的复合材料构件的孔(尤其大直径孔)难加工的技术问题，并且提高了加工效率。

本发明还克服了加工孔尤其是大直径孔需要多把刀具的缺点，提供了一种钻削刀具，可以实现一次性地完成整个加工过程，同时达到较好的孔表面质量。为实现这一目的，本发明的技术解决方案是建立钻头钻削力模型，结合钻头分层临界力模型，通过保证钻削力小于临界分层钻削力来实现钻削的参数设计和优化。