CN113910360A - 一种纤维增强复合材料孔加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强复合材料孔加工方法，包括启动刀具和超声振动辅助装置，使得刀具同步进行复合运动，控制刀具以预设的进给速率沿刀具轴线方向运动，进行孔加工作业，在超声振动辅助装置带动下，使得刀具进行复合运动，并在打孔作业中，刀具的磨粒运动轨迹为一条带有正弦振动的三维螺旋曲线，使得磨粒与工件处于接触‑分离状态，而是在每个振动周期内，仅有极小段时间参与加工，其余时间均处于分离状态，工件与磨粒周期性地接触分离，不仅可以显著降低切削力，而且极大地改善了钻削区域的加工环境，避免了切削热的堆积和切屑粘附，从而减缓了金刚石钻头的磨损速度，提高了制孔质量。
Description
技术领域
本发明涉及孔加工技术领域，具体为一种纤维增强复合材料孔加工方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料(Fiber reinforced polymer/plastic,FRP)具有耐腐蚀、耐摩擦、减振性能好、比强度与比模量高等优越特性，被广泛应用于航空航天、汽车、体育器械等领域。受成型工艺制约，纤维增强树脂基复合材料在制作过程中无法预制用于装配的孔、槽等，在与其他机械零部件的装配和连接时，常需要进行制孔加工。FRP作为各向异性的难加工材料，在孔的加工过程中，常出现的损伤包括孔进出口处的毛刺、撕裂损伤，纤维层间分层损伤，此外，在孔的已加工表面会经常出现纤维拔出、纤维脱粘、树脂基降解等表面损伤，因此急需一种纤维增强复合材料孔加工方法来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种带动刀具进行复合运动，在相同的时间内，运动轨迹发生叠加，使得孔壁进行多次加工，提高了制孔质量的纤维增强复合材料孔加工方法，以解决上述现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种纤维增强复合材料孔加工方法，包括如下步骤：
S1、将超声振动辅助装置与刀具进行组装；
S2、启动刀具和超声振动辅助装置，使得刀具同步进行复合运动，包括自转和以预设的公转转速绕待加工孔的轴线作旋转运动，以及在超声振动辅助装置带动下振动；
S3、控制刀具以预设的进给速率沿刀具轴线方向运动，进行孔加工作业。
优选的，在步骤S1中，超声振动辅助装置包括电磁感应线圈上圈和电磁感应线圈下圈，以及安装在刀具铣刀处的变幅杆，预设超声振动频率和超声振动振幅，利用变幅杆向铣刀施加高频的振动。
优选的，所述刀具公转的偏心距小于刀具的半径，待加工的孔径大于一倍的刀具直径，且小于二倍的刀具直径。
优选的，在步骤S2中，在超声振动辅助装置带动下，刀具的磨粒运动轨迹为一条带有正弦振动的三维螺旋曲线。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明中，在超声振动辅助装置带动下，使得刀具进行复合运动，并在打孔作业中，刀具的磨粒运动轨迹为一条带有正弦振动的三维螺旋曲线，使得磨粒与工件处于接触-分离状态，而是在每个振动周期内，仅有极小段时间参与加工，其余时间均处于分离状态，工件与磨粒周期性地接触分离，不仅可以显著降低切削力，而且极大地改善了钻削区域的加工环境，避免了切削热的堆积和切屑粘附，从而减缓了金刚石钻头的磨损速度，且使其在相同的时间内，运动轨迹发生叠加，使得孔壁进行多次加工，提高了制孔质量。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明的孔加工示意图；
图2是本发明的孔加工平面示意图；
图3是本发明加工装置模型图；
图4是本发明在超声振动辅助装置带动下磨粒运动轨迹图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1-图2所示，一种纤维增强复合材料孔加工方法，包括如下步骤：
S1、将超声振动辅助装置与刀具进行组装；
S2、启动刀具和超声振动辅助装置，使得刀具同步进行复合运动，包括自转和以预设的公转转速绕待加工孔的轴线作旋转运动，以及在超声振动辅助装置带动下振动；
S3、控制刀具以预设的进给速率沿刀具轴线方向运动，进行孔加工作业。
参考图3，为加工装置模型图，其中，超声振动辅助装置包括电磁感应线圈上圈和电磁感应线圈下圈，以及安装在刀具铣刀处的变幅杆，预设超声振动频率和超声振动振幅，利用变幅杆向铣刀施加高频的振动。
其中，加工参数包括刀具直径D、偏心距e、刀具自转转速n1、刀具公转转速n2、刀具轴向进给螺距为ap、超声振动频率f和超声振动振幅A，其中，刀具公转的偏心距e小于刀具的半径，待加工的孔径大于一倍的刀具直径D，且小于二倍的刀具直径D。
参考图4，为在超声振动辅助装置带动下磨粒运动轨迹图，其中，刀具的磨粒运动轨迹为一条带有正弦振动的三维螺旋曲线，高频振动作用使得磨粒与工件处于接触-分离状态，而是在每个振动周期内，仅有极小段时间参与加工，其余时间均处于分离状态，工件与磨粒周期性地接触分离，不仅可以显著降低切削力，而且极大地改善了钻削区域的加工环境，避免了切削热的堆积和切屑粘附，从而减缓了金刚石钻头的磨损速度；
在加工过程中，螺旋铣孔的运动是由刀具的自转运动、刀具绕加工孔轴线的公转运动以及主轴的轴向进给运动共同作用下的复合运动，同时配合超声辅助加工，使得刀具底刃与周刃的作用并不完全相同，材料去除大部分都是由底刃完成，孔壁表面的加工则由周刃和底刃共同完成，但此时周刃是完成孔壁加工的主要部位，超声辅助螺旋铣制孔是通过超声辅助加工刀柄在轴向(Z轴)施加周期性的正弦运动，以实现单个周刃点与工件的周期性分离，以此改变了切削刃的运动轨迹，使其在相同的时间内，运动轨迹发生叠加，使得孔壁进行多次加工，提高了制孔质量。
在一具体实施例中，选用：
机床：VMC-C30五轴五联动数控加工中心；
刀具：金刚石涂层的阶梯型双向立铣刀齿数为4，前角为10°，后角为8°，螺旋槽的螺旋角为35°；
轴向力检测：Kistler压电式4分量测力仪实时采集；
材料：CFRP，型号为T700，基体材料是环氧树脂；
旋转超声振动加工刀柄：型号为USBT40ER32，频率30KHZ,振幅5μm；
材料：CFRP 200×110×6(mm)孔径8mm；
试验：无超声和有超声自转速度速度分别为3500、4000、4500、5000；
每齿进给量为0.02mm/z；
螺旋铣孔轴向力在各个转速依次结果分别为：无超声：63、51、42、33N
有超声：53、34、30、28N；
结果表明：随着主轴转速的增加，无超声条件下，切削力均呈下降趋势；较无超声辅助切削，超声条件下，随着主轴转速的增加，切削力依然呈下降趋势，且轴向力比同转速下的无超声螺旋铣都小，孔加工质量优于无超声条件下的孔加工质量。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种纤维增强复合材料孔加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将超声振动辅助装置与刀具进行组装；
S2、启动刀具和超声振动辅助装置，使得刀具同步进行复合运动，包括自转和以预设的公转转速绕待加工孔的轴线作旋转运动，以及在超声振动辅助装置带动下振动；
S3、控制刀具以预设的进给速率沿刀具轴线方向运动，进行孔加工作业。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料孔加工方法，其特征在于：在步骤S1中，超声振动辅助装置包括电磁感应线圈上圈和电磁感应线圈下圈，以及安装在刀具铣刀处的变幅杆，预设超声振动频率和超声振动振幅，利用变幅杆向铣刀施加高频的振动。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料孔加工方法，其特征在于：所述刀具公转的偏心距小于刀具的半径，待加工的孔径大于一倍的刀具直径，且小于二倍的刀具直径。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料孔加工方法，其特征在于：在步骤S2中，在超声振动辅助装置带动下，刀具的磨粒运动轨迹为一条带有正弦振动的三维螺旋曲线。
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