[发明专利]用于CFRP加工的钻头及其结构参数的实验确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻孔刀具，具体涉及一种用于碳纤维增强复合材料(CFRP)加工的钻头，以及基于钻削力和钻削温度控制确定其结构参数的实验性方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP)是一种新型的以碳或石墨纤维为增强体的树脂基复合材料，因具有强度高、比刚度高、耐疲劳性能好及可设计性强等优点，其广泛地应用于制造先进飞机上的主承力结构件，诸如飞机蒙皮、壁板、机翼中间梁、机身隔框和舱门等部件。在CFRP的机械切削加工中，钻削是使用最多、应用最广的一种加工方式，钻削制孔质量的好坏直接关系到整个飞机的装配质量和服役寿命。由于特有的各向异性以及层间接触强度低等特点，CFRP成为一种典型的难加工材料。在CFRP钻孔过程中，其制孔除会产生传统的金属材料制孔常见的缺陷(孔的尺寸误差、圆度误差、位置误差、垂直度误差等)之外，还会产生复合材料特有的缺陷，主要表现为：入口剥离分层、出口分层、层间分层、撕裂与毛边、孔周表面纤维抽出等，其中分层损伤是最主要的制孔缺陷。据统计，飞机在最后组装时，因钻孔分层而造成的报废高达60％以上。

CFRP层合板钻孔分层是由钻削轴向力过大和钻削温度过高而引起的材料层与层之间的分离，因此在CFRP层合板的钻削过程中对钻削力和钻削温度的控制就显得尤为重要。而机加工中钻削力和钻削温度有60％来源于刀具几何结构的影响，因此，针对复合材料的加工设计专用的钻孔刀具是一种控制钻削质量的有效方法。目前，众多复合材料中所用的钻头是通过在外圆转点处增加切断纤维的锋利切削刃的方法，来减少复材钻削过程中产生毛刺和分层的。但是这样的结构往往只优化了外圆转点这一极小区域对钻削过程中的影响，总体优化效果并不明显。

经过对现有文献的检索，至今未发现有关碳纤维增强复合材料专用钻孔刀具结构参数的确定方法的公开报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于CFRP加工的钻头及其结构参数的实验确定方法，通过实验获取基础数据，建立主切削刃上切削力和切削温度的分布模型，据此优化刀具的后角角度和钝圆半径，以达到切削力和切削温度分布均匀的目的，从而减少制孔钻削质量缺陷的产生。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种用于CFRP加工的钻头的结构参数的实验确定方法，通过不同直径预制孔的钻削实验获得钻头主切削刃上的切削力和切削温度分布，通过碳纤维增强复合材料的正交自由切削实验获得切削力和切削温度与钻头各结构参数之间的函数关系，利用已知的钻头前角角度，依据切削力和切削温度平均分布的原则，确定所述钻头后角角度和钝圆半径沿主切削刃分布的参数数值，根据确定的参数数值制备所述钻头。

进一步地，所述的实验确定方法包括以下具体步骤：

第一步，在碳纤维增强复合材料的层合板上设置直径以单位长度逐级递增的一系列的预制孔，使用选定钻头在各预制孔上进行钻孔实验，并测量和记录所述钻头的主切削刃上产生的切削力和切削温度，使用同一钻头在所述层合板上无预制孔处进行钻孔实验，并测量和记录所述钻头的主切削刃上产生的切削力和切削温度，通过数据处理将切削力和切削温度沿所述钻头主切削刃的分布拟合为下列多项式函数：

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、后角和钝圆半径的钻头在碳纤维增强复合材料上进行自由切削的正交实验，每一因素分别采用5个水平，在实验中测量和记录各钻头的主切削刃上产生的切削力和切削温度，通过数据处理将切削力和切削温度与钻头各结构参数之间的关系拟合为下列多元二次函数：

F_γ，α＝a₃γ²+b₃γ+c₃α²+d₃α+e₃，式(6)，