CN114043002A - 一种碳纤维复材制孔工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种碳纤维复材制孔工艺方法，属于航空制造技术领域，该方法先完成制孔前的准备工作，包括工艺辅料准备、制孔工具和制孔刀具的准备及吸尘设备的备制；确定制孔工具和制孔刀具的加工工艺参数；定位和压紧叠层结构，叠层结构包括第一碳纤维复材结构件；确定孔位；采用制孔工具和制孔刀具进行制孔并锪窝，在制孔操作中使用钻孔润滑油，在锪窝操作过程中锪窝钻以旋转状态进入第一碳纤维复材结构件中；清洁制孔表面并检查制孔质量；制孔刀具为铰刀，铰刀切削几何参数包括主切削刃锥角角度45°，铰刀螺旋角7°～12°，主切削刃后角角度12°～20°，圆周后角20°～25°，以及圆柱刃带0.1mm～0.15mm。
Description
技术领域
本申请属于航空制造技术领域，尤其涉及一种碳纤维复材(CCF300/BA9916-II)制孔工艺方法。
背景技术
目前，飞机机体的结构件常常采用碳纤维复合材料(简称：碳纤维复材)，而将碳纤维复材结构件装配至飞机机体上，必须对碳纤维复材结构件和飞机机体进行制孔加工，但在碳纤维复材结构件上制孔的过程中经常出现分层、劈裂、毛刺等缺陷，同时在加工时，由于刀具及加工参数设置不合理易出现刀具崩刃，磨损等故障。
发明内容
为了解决相关技术中碳纤维复材在制孔过程中分层、劈裂、毛刺及加工刀具崩刃，磨损的技术难题，本申请提供一种用于碳纤维复材制孔工艺方法。所述技术方案如下：
提供一种碳纤维复材制孔工艺方法，所述方法包括：
先完成制孔前的准备工作，包括工艺辅料准备、制孔工具和制孔刀具的准备及吸尘设备的备制；
确定制孔工具和制孔刀具的加工工艺参数；
定位和压紧叠层结构，所述叠层结构包括第一碳纤维复材结构件；
确定孔位；
采用制孔工具和制孔刀具进行制孔并锪窝，在制孔操作中使用钻孔润滑油，在锪窝操作过程中锪窝钻在旋转状态进入第一碳纤维复材结构件中；
清洁制孔表面并检查制孔质量；
其中，所述制孔刀具为铰刀，所述铰刀的切削几何参数包括：主切削刃锥角角度为45°，铰刀螺旋角为7°～12°，主切削刃后角角度为12°～20°，圆周后角为20°～25°，以及圆柱刃带为0.1mm～0.15mm。
可选地在制孔钻通的过程中，工艺参数包括：
当孔径≤3mm时，制孔刀具的转速为16000～20000r/min，
当孔径3mm～6mm时，制孔刀具的转速为10000～16000r/min，
当孔径≥6mm时，制孔刀具的转速为6000～10000r/min，
单边加工余量为1mm～6mm；
可选地，在制孔铰孔的过程中，工艺参数包括：
当孔径≤3mm时，制孔刀具的转速为1800～2500r/min，
当孔径3mm～6mm时，制孔刀具的转速为800～1800r/min，
当孔径≥6mm时，制孔刀具的转速为500～800r/min，
单边加工余量为0.15～0.4mm；
可选地，在锪窝的过程中：
当锪窝刀具为匕首钻时，转速为800～1400r/min，
当锪窝刀具为麻花钻时，转速为500～800r/min，
当刀具为匕首钻或麻花钻时，进给量为0.01～0.06mm/r，
当机体由铝制成时，刀具的转速为1500～3500r/min；
当机体由钛制成时，刀具的转速为500～1800r/min。
可选地，所述定位和压紧叠层结构，包括：
采用紧固件定位和压紧叠层结构，所述紧固件不包含镀镉及镀镉涂层的工艺紧固件。
可选地，所述制孔的过程包括：
采用工艺垫板支撑第一碳纤维复材结构件；
采用麻花钻头或匕首钻钻通第一碳纤维复材结构件，其中，麻花钻头的钻头进行金刚石涂层处理；
当需要符合所规定的孔容差，采用硬质合金铰刀铰孔。
可选地，所述叠层结构还包括位于第一碳纤维复材结构件底部的机体，所述机体由铝或钛制成，所述制孔的过程包括：
按照机体材料所规定的速度和进给量，采用麻花钻头或匕首钻钻通所述叠层结构；
当需要符合所规定的孔容差，采用硬质合金铰刀铰孔。
可选地，所述叠层结构还包括位于第一碳纤维复材结构件上部的机体，所述机体由铝或钛制成，所述制孔的过程包括：
采用工艺垫板支撑第一碳纤维复材结构件；
按照机体材料所规定的速度和进给量，采用麻花钻头或匕首钻钻通所述叠层结构；
当需要符合所规定的孔容差，采用硬质合金铰刀铰孔。
可选地，所述叠层结构还包括位于所述第一碳纤维复材结构件底部的第一机体，位于所述第一碳纤维复材结构件上部的第二机体，以及位于所述第二机体上部的第二碳纤维复材结构件，所述第一机体和所述第二机体由铝或钛制成，所述制孔的过程包括：
采用麻花钻头从所述第二碳纤维复材结构件钻至所述第二机体；
按照对所述第二机体所规定的进给量和速度，采用麻花钻头从所述第二机体钛钻至第一碳纤维复材结构件；
按照对所述第一机体所规定的进给量和速度，对所述第一碳纤维复材结构件和所述第一机体钻通；
按照对所述第二机体所规定的进给量和速度，采用硬质合金铰刀铰孔。
本申请提供的碳纤维复合材料制孔的工艺技术，实现了碳纤维复合材料高质量的制孔，它的成功应用使碳纤维复合材料的结构件能够一次性合格的装配至飞机机体上。通过复合材料结构件的应用达到使飞机载重、飞行性能、操作性能、结构性能得到质的飞跃与提升的综合效果。
附图说明
图1为本申请提供的一种碳纤维复材制孔工艺方法的流程图；
图2为本申请提供的一种碳纤维复材制孔步骤图；
图3为本申请提供的一种碳纤维复材制孔示意图；
图4为本申请提供的一种碳纤维复材叠层制孔(从复材面钻入)示步骤图；
图5为本申请提供的一种碳纤维复材制孔叠层制孔(从复材面钻入)示意图；
图6为本申请提供的一种碳纤维复材叠层制孔(铝或钛面钻入)步骤图；
图7为本申请提供的一种碳纤维复材叠层制孔(铝或钛面钻入)示意图；
图8为本申请提供的一种碳纤维复材多层叠层制孔(复材/钛/复材/铝叠层结构)步骤图；
图9为本申请提供的一种碳纤维复材多层叠层制孔(复材/钛/复材/铝叠层结构)示意图；
图10为本申请提供的一种碳纤维复材零件制倒角示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式连接附图对本申请作进一步详细说明。
本申请提供一种碳纤维复材制孔工艺方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤110、先完成制孔前的准备工作，包括工艺辅料准备、制孔工具和制孔刀具的准备及吸尘设备的备制。
其中，复材表面清洗剂(丁酮)、制孔润滑剂(鲸蜡醇、工业十六醇)及复材制孔后防护漆(环氧聚酰胺底漆)等物品要按照规定牌号备制。其中制孔的刀具为钻头、扩孔钻(扩铰刀)、锪窝钻、铰刀等，制孔刀具的材料选择的硬质合金刀具，刀具表面可进行金刚石涂层处理；当仅对复合材料或复材叠层结构的孔进行加工，优先选用匕首钻，而对于复材与金属叠层结构的孔加工则选择硬质合金带金刚石涂层刀具进行加工。手动扩孔钻头、手动铰刀端部应带有导柱，保证扩、铰孔过程中不对复合材料入口表面产生劈裂、毛刺或其它形式的破坏。
步骤120、确定制孔工具和制孔刀具的加工工艺参数。
工具要求：手动风钻、便携式或固定式钻孔设备，应清楚地标明额定转速；复合材料制孔过程中，应配备高功率的吸尘设备(推荐钻吸一体式工具)，保证加工区域环境干净，无粉尘污染；所有加工、试验和测量的相关工具和设备，在使用时都应处于有效的合格期内的有效校准状态。
刀具要求：
复合材料制孔刀具应选择的硬质合金刀具，刀具表面可进行金刚石涂层处理；
钻头主要类型有普通麻花钻、匕首钻(优选)。普通麻花钻应对横刃、后角、顶角进行修磨，确保钻头具备足够的强度和锋利度，保证钻头在钻孔过程中复合材料结构件不产生分层、劈裂或其它形式的破坏。若进行复合材料结构件和钛合金叠层手动制孔，可采用双韧带结构的钻头，保证钻头制孔过程中的稳定性。匕首钻一般用于复合材料制孔，一般不用于复合材料结构件和金属叠层的制孔；
手动扩孔钻头端部应带有导柱，推荐采用螺旋角较小的手动扩孔钻，必要时应采用直槽扩铰刀进行复合材料结构件进行扩孔加工，从而保证扩孔过程不对复合材料入口表面产生劈裂、毛刺或其它形式的破坏；
手动铰刀端部应带有导柱，保证铰孔过程中不对复合材料入口表面产生劈裂、毛刺或其它形式的破坏。
铰孔刀具为铰刀，所述铰刀的切削几何参数包括：主切削刃锥角角度为45°，铰刀螺旋角为7°～12°，主切削刃后角角度为12°～20°，圆周后角为20°～25°，以及圆柱刃带为0.1mm～0.15mm。
步骤130、定位和压紧叠层结构，所述叠层结构包括第一碳纤维复材结构件。
定位夹紧要求：按划线、定位孔、已装零件或装配夹具来定位零、组件的相对位置。完成零件的定位后，在需制孔位置处应夹紧可靠，消除间隙。其次，碳纤维复合材料的定位与夹紧时，应尽量采用钛合金或不锈钢材料的紧固件或工艺紧固件，禁止采用镀镉紧固件或镀镉工艺紧固件。另外，使用工艺螺栓、工艺螺钉或其它金属压紧器时，在复合材料零件表面应加垫圈或垫片，以防损伤表面；最后，定位压紧应尽可能避免在埋头窝处，如需在锪窝孔处压紧时，应在压紧件下使用大于埋头窝的垫圈或垫片。如需使用埋头螺栓保护埋头窝时，其角度应与窝角度相同。
步骤140、确定孔位。
按划线、导孔、样板或工装等方法，确定孔位。孔间距、边距、排距应符合图样和技术要求。
步骤150、采用制孔工具和制孔刀具进行制孔并锪窝，在制孔操作中使用钻孔润滑油，在锪窝操作过程中锪窝钻在旋转状态进入第一碳纤维复材结构件中。
其中，在制孔钻通的过程中，工艺参数包括：
当孔径≤3mm时，制孔刀具的转速为16000～20000r/min，
当孔径3mm～6mm时，制孔刀具的转速为10000～16000r/min，
当孔径≥6mm时，制孔刀具的转速为6000～10000r/min，
单边加工余量为1mm～6mm；
在制孔铰孔的过程中，工艺参数包括：
当孔径≤3mm时，制孔刀具的转速为1800～2500r/min，
当孔径3mm～6mm时，制孔刀具的转速为800～1800r/min，
当孔径≥6mm时，制孔刀具的转速为500～800r/min，
单边加工余量为0.15～0.4mm；
在锪窝的过程中：
当锪窝刀具为匕首钻时，转速为800～1400r/min，
当锪窝刀具为麻花钻时，转速为500～800r/min，
当刀具为匕首钻或麻花钻时，进给量为0.01～0.06mm/r，
当机体由铝制成时，刀具的转速为1500～3500r/min；
当机体由钛制成时，刀具的转速为500～1800r/min。
所述定位和压紧叠层结构，包括：
采用紧固件定位和压紧叠层结构，所述紧固件不包含镀镉及镀镉涂层的工艺紧固件。
制孔后产生的毛刺按以下方法去除：用氧化铝砂纸(240粒度或更细)或去毛刺专用工具打磨或去除复合材料零件上的毛刺，但要注意：在复合材料上用过的砂纸不应再用于金属上，在金属上用过的砂纸也不应再用于复合材料上。
第一方面，如图2和图3所示，所述制孔的过程包括：
步骤210、采用工艺垫板支撑第一碳纤维复材结构件。
如图3所示，采用工艺垫板1支撑第一碳纤维复材结构件2。
步骤220、采用麻花钻头或匕首钻钻通第一碳纤维复材结构件，其中，麻花钻头的钻头进行金刚石涂层处理。
使用匕首钻(可以不用垫板)或特殊刃型处理的麻花钻头钻通碳纤维复合材料。硬质合金钻头可以进行金刚石涂层处理，以提高钻头的使用寿命，可采用气钻和自动进给钻。
采用硬质合金刀具时，为了避免出口面劈裂或分层，一方面当接近钻透时应放慢进给速度，另一方面应在出口面加工艺垫板，匕首钻则不需要加工艺垫板。
若需要符合所规定的孔容差，可用硬质合金铰刀铰孔。按需要支撑钻头出口侧，以防止碎裂和分层。如果使用手持气钻来铰孔而无背部支撑的话，一道铰孔的材料去除量(直径上)最大为0.1mm。
若制孔操作空间受限，开敞性差的时候，可采用螺纹柄刀具(与螺纹柄刀具配合的工具为偏心钻。)
步骤230、当需要符合所规定的孔容差，采用硬质合金铰刀铰孔。
第二方面，如图4和图5所示，所述叠层结构还包括位于第一碳纤维复材结构件2底部的机体3，所述机体由铝或钛制成，所述制孔的过程包括：
步骤310、按照机体材料所规定的速度和进给量，采用麻花钻头或匕首钻钻通所述叠层结构。
步骤320、当需要符合所规定的孔容差，采用硬质合金铰刀铰孔。
当从复合材料面钻入时，可不加垫板支撑，用硬质合金麻花钻，按照铝或钛所规定的速度和进给量来钻通结构。对于复合材料结构件和钛合金或铝合金叠层制孔。
若复合材料出口侧开敞性好、易于加垫，则优先从金属件一侧进行制孔，用夹布胶木等在钻头出口处顶紧。夹层在制孔后应分解夹层，去除毛刺。若夹层不能分解且制孔开敞性好时，制孔可分两个工步进行，即：先从金属一侧以小于直径1.0mm～1.5mm的尺寸制初孔，然后从复合材料一侧扩至最终尺寸。若制孔操作空间受限，开敞性差的时候，可采用螺纹柄刀具加工。
若需符合所规定的孔容差，用硬质合金型铰刀铰孔至最终尺寸，铰孔前单边应留有0.2mm的余量，然后再铰孔至最终尺寸。在铰孔操作中必须使用钻孔润滑油(鲸蜡醇或工业十六醇)，在钻孔过程中尽量采用啄钻的方式。
第三方面，如图6和图7所示，所述叠层结构还包括位于第一碳纤维复材结构件2上部的机体3，所述机体由铝或钛制成，所述制孔的过程包括：
步骤410、采用工艺垫板支撑第一碳纤维复材结构件。
步骤420、按照机体材料所规定的速度和进给量，采用麻花钻头或匕首钻钻通所述叠层结构。
步骤430、当需要符合所规定的孔容差，采用硬质合金铰刀铰孔。
用硬质合金麻花钻，按照铝或钛所规定的速度和进给量来钻通结构。对于复合材料结构件和钛合金或铝合金叠层制孔。若复合材料出口侧开敞性好、易于加垫，则优先从金属件一侧进行制孔，用夹布胶木等在钻头出口处顶紧。夹层在制孔后应分解夹层，去除毛刺。若夹层不能分解且制孔开敞性好时，制孔可分两个工步进行，即：先从金属一侧以小于直径1.0mm～1.5mm的尺寸制初孔，然后从复合材料一侧扩至最终尺寸。若制孔操作空间受限，开敞性差的时候，可采用螺纹柄刀具加工。
若需符合所规定的孔容差，用硬质合金型铰刀铰孔至最终尺寸，在待铰孔的单边应留有0.2mm的余量，然后再铰孔至最终尺寸。在铰孔操作中必须使用钻孔润滑油，比如鲸蜡醇或工业十六醇，在钻孔过程中尽量采用啄钻的方式。
第四方面，如图8和图9所示，叠层结构还包括位于所述第一碳纤维复材结构件2底部的第一机体4，位于所述第一碳纤维复材结构件2上部的第二机体5，以及位于所述第二机体5上部的第二碳纤维复材结构件6，所述第一机体和所述第二机体由铝或钛制成，所述制孔的过程包括：
步骤510、采用麻花钻头从所述第二碳纤维复材结构件钻至所述第二机体。
步骤520、按照对所述第二机体所规定的进给量和速度，采用麻花钻头从所述第二机体钛钻至第一碳纤维复材结构件。
步骤530、按照对所述第一机体所规定的进给量和速度，对所述第一碳纤维复材结构件和所述第一机体钻通。
步骤540、按照对所述第二机体所规定的进给量和速度，采用硬质合金铰刀铰孔。
当在复材/钛/复材/铝叠层的构件上制孔时，采用下述分步程序：
先用麻花钻将碳纤维复合材料钻至钛件；然后按照对钛制孔所规定的进给量和速度，用硬质合金麻花钻将钛钻至碳纤维复合材料；进一步按照对铝制孔所规定的进给量和速度将碳纤维复合材料和铝钻通。最后，在钻孔或铰孔操作中必须使用钻孔润滑油，在钻孔过程中尽量采用啄钻的方式，可优先采用自动进给钻。
制孔过程中的注意事项：
制孔表面应无过热迹象。当复合材料孔口表面有变色环(棕黑色)或有树脂烧焦的刺激性气味时，则表面已过热；
钻孔过程中当出现工具颤动、复合材料过热、刀具刃口过度磨损、刀具刃口碎裂或其它非正常的切割操作现象时，刀具应予以更换；
对有蜂窝芯层的碳纤维复材上钻孔或铰孔时，不应使用钻孔润滑剂；
制孔时，进给速度不宜太快，在孔快钻透时应放慢进给速度，以免孔出口面分层或劈裂；
制孔过程中，应经常用毛刷或蘸三氯乙烷的抹布擦拭钻头、扩孔钻及铰刀，以去除刀具上积聚的切屑。
碳纤维复合材料零件钻孔后，应立即在边缘涂环氧聚酰胺底漆保护漆。
锪窝为避免锪窝的导柱对孔壁造成损伤，锪窝工序应安排在钻、扩孔之后，铰孔工序前进行。工件需制埋头窝时，钻孔优先考虑使用钻锪一体刀具。需手工锪窝时，导柱直径应比钉孔的名义直径小0.05mm以内，以保证孔与埋头窝的同轴度并防止产生振痕。为防止锪窝钻入口处表面纤维劈裂，锪窝钻必须在旋转状态进入孔中；对于凸头紧固件，当要求倒角时，推荐使用金刚石镶嵌的锪窝钻对零件倒角，如图10所示，其中2为碳纤维复合材料。
步骤160、清洁制孔表面并检查制孔质量。
制孔结束后，不允许存在残留润滑剂、粉末或者切屑等污染物。对于叠层构件制孔，某一层的材料残留物不能滞留在另一层材料上，可用毛刷或抹布蘸丁酮给予清洁。
若工程图样无特殊规定，一般目视检查孔和锪窝表面质量(主要包括裂纹、毛刺、分层、劈裂、过热等)。对于工程图样中有精度要求的孔则采用孔塞规等专用工具进行检测。当工程图样有规定时，则按照规定对孔进行超声波手工扫描检测。
本申请提供的碳纤维复合材料制孔的工艺技术，通过该技术的实施，实现了碳纤维复合材料高质量的制孔，它的成功应用使碳纤维复合材料的结构件能够一次性合格的装配至飞机机体上。通过复合材料结构件的应用达到使飞机载重、飞行性能、操作性能、结构性能得到质的飞跃与提升的综合效果。
以上仅表达了本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但且不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种碳纤维复材制孔工艺方法，其特征在于，所述方法包括：
先完成制孔前的准备工作，包括工艺辅料准备、制孔工具和制孔刀具的准备及吸尘设备的备制；
确定制孔工具和制孔刀具的加工工艺参数；
定位和压紧叠层结构，所述叠层结构包括第一碳纤维复材结构件；
确定孔位；
采用制孔工具和制孔刀具进行制孔并锪窝，在制孔操作中使用钻孔润滑油，在锪窝操作过程中锪窝钻在旋转状态进入第一碳纤维复材结构件中；
清洁制孔表面并检查制孔质量；
其中，所述制孔刀具为铰刀，所述铰刀的切削几何参数包括：主切削刃锥角角度为45°，铰刀螺旋角为7°～12°，主切削刃后角角度为12°～20°，圆周后角为20°～25°，以及圆柱刃带为0.1mm～0.15mm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在制孔钻通的过程中，工艺参数包括：
当孔径≤3mm时，制孔刀具的转速为16000～20000r/min，
当孔径3mm～6mm时，制孔刀具的转速为10000～16000r/min，
当孔径≥6mm时，制孔刀具的转速为6000～10000r/min，
单边加工余量为1mm～6mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在制孔铰孔的过程中，工艺参数包括：
当孔径≤3mm时，制孔刀具的转速为1800～2500r/min，
当孔径3mm～6mm时，制孔刀具的转速为800～1800r/min，
当孔径≥6mm时，制孔刀具的转速为500～800r/min，
单边加工余量为0.15～0.4mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
在锪窝的过程中：
当锪窝刀具为匕首钻时，转速为800～1400r/min，
当锪窝刀具为麻花钻时，转速为500～800r/min，
当刀具为匕首钻或麻花钻时，进给量为0.01～0.06mm/r，
当机体由铝制成时，刀具的转速为1500～3500r/min；
当机体由钛制成时，刀具的转速为500～1800r/min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位和压紧叠层结构，包括：
采用紧固件定位和压紧叠层结构，所述紧固件不包含镀镉及镀镉涂层的工艺紧固件。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制孔的过程包括：
采用工艺垫板支撑第一碳纤维复材结构件；
采用麻花钻头或匕首钻钻通第一碳纤维复材结构件，其中，麻花钻头的钻头进行金刚石涂层处理；
当需要符合所规定的孔容差，采用硬质合金铰刀铰孔。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叠层结构还包括位于第一碳纤维复材结构件底部的机体，所述机体由铝或钛制成，所述制孔的过程包括：
按照机体材料所规定的速度和进给量，采用麻花钻头或匕首钻钻通所述叠层结构；
当需要符合所规定的孔容差，采用硬质合金铰刀铰孔。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叠层结构还包括位于第一碳纤维复材结构件上部的机体，所述机体由铝或钛制成，所述制孔的过程包括：
采用工艺垫板支撑第一碳纤维复材结构件；
按照机体材料所规定的速度和进给量，采用麻花钻头或匕首钻钻通所述叠层结构；
当需要符合所规定的孔容差，采用硬质合金铰刀铰孔。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叠层结构还包括位于所述第一碳纤维复材结构件底部的第一机体，位于所述第一碳纤维复材结构件上部的第二机体，以及位于所述第二机体上部的第二碳纤维复材结构件，所述第一机体和所述第二机体由铝或钛制成，所述制孔的过程包括：
采用麻花钻头从所述第二碳纤维复材结构件钻至所述第二机体；
按照对所述第二机体所规定的进给量和速度，采用麻花钻头从所述第二机体钛钻至第一碳纤维复材结构件；
按照对所述第一机体所规定的进给量和速度，对所述第一碳纤维复材结构件和所述第一机体钻通；
按照对所述第二机体所规定的进给量和速度，采用硬质合金铰刀铰孔。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114043002B (zh) | 2024-01-12 |
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