[发明专利]纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及其抑制方法

说明书

本发明涉及纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及其抑制方法，属于纤维复合材料加工领域。纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置包括紧固套、气缸、固定套及锥形套；通过气缸推动锥形套，使得锥形套对待加工材料产生一定压力，可有效抑制分层缺陷的产生。本发明通过建立轴向力增量ΔF与气缸内的设定压强为psubgt;c/subgt;的函数关系，提供了有效的纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制方法，实现在钻削生产中量化控制，使得缺陷抑制效果最佳。

技术领域

本发明涉及纤维复合材料钻削装置，尤其涉及纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及其抑制方法，属于纤维复合材料加工领域。

背景技术

纤维复合材料是一种难加工材料，其主要原因在于成型工艺决定的层叠结构，使其内部的树脂基体材料和纤维增强相材料在厚度方向上交替出现。纤维复合材料的总体性能主要由纤维增强相材料确定，纤维增强相力学性能往往优于树脂基体材料。在材料厚度方向上，两层纤维增强相之间，只存在树脂材料，强度较纤维增强相较弱，因此容易出现层间失效，导致脱粘。在纤维复合材料的钻削过程中，由于刀刃的切削作用，在钻削入口以及出口区域经常容易出现分层缺陷，降低整体构件刚度，严重时，导致构件报废。

当钻头的刀刃与纤维复合材料表面接触时，垂直于钻头刀刃的前刀面，刀具会对表面相接触的材料产生一个与其他铺层分离的力。在这个分力的作用下，表层材料会被从整体“剥离”开来，在孔的入口部分形成一个分层区域，这就是入口分层缺陷。

当钻头贯穿整个工件材料直至接近钻削出口时，位于钻削方向下方还没被钻削的剩余铺层由于厚度逐渐减小，在钻头切削力轴向分力的作用下与材料整体分离，最终在钻削孔的出口区域便会出现“顶出”分层。

针对纤维复合材料，现有的钻削出口分层缺陷抑制结构可分为以下三类：无孔支撑板、有孔支撑板和主动支撑装置，无孔支撑板和有孔支撑板的缺点主要在于其提供的支撑力不可改变，对分层缺陷的抑制作用是被动的。因此，依旧可能出现分层缺陷。现有的主动支撑装置主要为磁场驱动的铁磁性支撑体(金属圆筒和磁性胶体等)，主要缺点为，可调节的支撑力较小而且范围有限；部分结构，如磁性胶体，与钻削出口紧密接触因而在钻削完成后有损耗，性能不稳定。此外，这三种现有结构的共同缺点在于只能抑制出口分层缺陷而对入口分层没有任何抑制作用，在实际钻削中容易出现钻削入口分层缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供了纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置及其抑制方法，在完整钻削过程中同时抑制钻削入口和出口分层缺陷的产生。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制装置，其特征在于：包括紧固套、气缸、固定套及锥形套；所述紧固套与机床主轴的非旋转部分螺钉固接；所述气缸非伸缩端与所述紧固套螺栓固接；所述固定套与所述气缸伸缩端螺栓固接；所述固定套为中空环形结构，围绕在机床主轴外；所述锥形套为设有外螺纹的锥形结构，且其锥面顶点开有圆形钻孔；所述锥形套的外螺纹与固定套上设置的内螺纹旋接；所述锥形套为可更换件，适配于不同直径的钻头；

优选的，所述紧固套与固定套之间设有直线限位杆，保持锥形套的运动方向与钻头轴线方向一致，不松动。

纤维复合材料钻削分层缺陷的抑制方法，包括以下步骤并按以下步骤依次进行：

S1：将待钻削纤维复合材料叠放至支撑板上，确定钻孔位置与机床钻头位置同轴；

S2：由气缸施加推力带动锥形套与纤维复合材料接触，气缸内的设定压强为p_c：

公式1中，q为所述抑制装置施加的压力；q_g为所述抑制装置中固定套、锥形套、直线限位杆与气缸中的可伸缩部分的总重力；r为气缸的内腔半径；