碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法，包括如下步骤：控制刀具围绕其中心轴线高速自转，控制刀具使其中心轴线围绕公转轴心线做公转运动；刀具的中心轴线与公转轴心线设置倾斜角φ，固定待加工的碳纤维复合材料，利用所述刀具沿公转轴心线方向对碳纤维复合材料进行铣孔。本发明还公开了一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置。本发明在对碳纤维复合材料进行铣孔时，加工角度不是垂直于加工面的，因此，刀具与碳纤维复合材料接触面的中心点相对运动速度不为零，从而减小铣孔的阻力，增加加工效率并改善毛边和分层的问题。
【专利说明】碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及碳纤维复合材料加工技术，特别是一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法及装置。
【背景技术】
[0002]碳纤维复合材料具有许多优良性能，碳纤维复合材料的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好，良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等，碳纤维复合材料被用于航空航天领域、赛车车身、体育用品等。
[0003]然而，这些材料难以用常规铣孔方法加工。轨道铣孔技术成为这一问题的解决方案之一。轨道铣孔类似螺旋铣加工中心。在这种情况下，轨道铣孔刀具被安装在一个旋转工具上，这个工具作为行星式旋转主轴的偏心轴，从而实现螺旋铣孔。用轨道铣孔方法加工出来的孔要比螺旋铣或传统加工技术加工的圆度更高。但是轨道铣孔有一些缺陷，例如，由于工件的切削原理和机械震动会产生工件分层和毛边的问题；另外，普通的螺旋铣孔中，刀具与待加工材料的加工面是垂直的，在铣孔时，是通过刀具的高速自转形成切割刃对材料进行切割，但是刀具的中心与代加工材料的理论相对位移速度为零，这样刀具在切割时阻力是非常大的，因而铣孔的效率也较低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，提供一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法及装置，可以减小铣孔时的阻力，使铣孔更加高效，并且改善铣孔过程中碳纤维复合材料产生分层和毛边的问题。
[0005]本发明的技术方案:控制刀具围绕其中心轴线高速自转，控制刀具使其中心轴线围绕公转轴心线做公转运动；刀具的中心轴线与公转轴心线设置倾斜角Φ，固定待加工的碳纤维复合材料，利用所述刀具沿公转轴心线方向对碳纤维复合材料进行铣孔。采用本方法铣孔时，避免了加工时的零速点，因此，可以提高加工效率，节省时间。由于倾斜角Φ的存在，使行星运动的刀具减小反速度半径，在减小切割阻力的同时降低了机械振动，因此，由于铣孔导致碳纤维复合材料出现的毛边和分层现象都可以得到改善。
[0006]上述碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法中，所述倾斜角Φ大于O度，小于或者等于2.2度。
[0007]上述碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法中，所述倾斜角Φ等于2.2度。
[0008]本发明还提供了一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，包括位移机构、自转机构、公转机构、固定机构和高速轴，公转机构安装在位移机构上，自转机构安装在公转机构上，高速轴安装在自转机构上，高速轴上装有刀具，固定机构上设有抱死装置。刀具的中心轴线与公转机构的公转面的垂线设置倾斜角Φ。
[0009]上述碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置中，所述倾斜角Φ大于O度，小于或者等于2.2度。
[0010]上述碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置中，所述倾斜角Φ等于2.2度。
[0011]实验例1:为了验证碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法的优越性，发明人进行了理论推导，具体如下:
[0012]普通行星式螺旋铣孔中的刀具9的中心轴与待加工的碳纤维复合材料的加工面是垂直的，由于刀具9是围绕其中心轴线旋转的，因此，刀具9与碳纤维复合材料的接触面的中心点的相对位移速度理论值为零，这样加工时刀具9遇到的阻力是非常大的。如图3所示，由于刀具9在自转的同时也在公转，因此，刀具9的底部边缘在公转速度的影响下产生反速度半径(rn)，反速度半径即由于运动的合成，刀具9的公转导致刀具9的自转半径减小量，图3(a)中是切削刃I与碳纤维复合材料的夹角为45度时，两虚线分别是刀具9自转速度和公转速度，实线为刀具9自转速度和公转速度的合成速度；图3(b)中是切削刃I与碳纤维复合材料的夹角为O度时，两虚线分别是刀具9自转速度和公转速度，实线为刀具9自转速度和公转速度的合成速度；由于刀具9的自转和公转的相互影响，导致刀具9相对于碳纤维复合材料的相对运动速度降低，铣孔的效率也就降低了。
[0013]刀具9的切削刃I移动速度为行星轨道运行速度，即:
[0014]V0 = 2 Os (rt+r0) (I)
[0015]V = 2 Rco
[0016]此条件下:R= rt+r0, ω = Os ；
[0017]所以V。= V = 23iRco = 2Ji0s(rt+r。)
[0018]其中，方程式中r0为行星运动的公转半径，Os为行星运转速度，rt为刀头半径，V0为行星轨道运行速度；
[0019]在零速点时，即刀具9与被加工工件接触面恰好位于公转圆心时，行星轨道运行速度等于刀具9自转速度，即:V。= Vs ；
[0020]所以，2Os (rt+r0) = 2 Ji Tss rt (2)
[0021]其中，Tss为刀具9旋转速度。
[0022]由方程式(2)变形得2 Ji Os rn(l+r0/rn) = 2 Ji Tss rn(3)；
[0023]因此，在轨道钻孔底部的反速度半径被定义为方程式:
[0024]rn = Y J (TSS/0S-1)⑷。
[0025]在实际操作中，如果铣孔时需要加工的区域半径小于反速度半径，则铣孔不能有效进行，因此，零速点和反速度半径应尽量避免。
[0026]如图4所示，倾斜角是(Krnt是刀具9与碳纤维复合材料表面第一次接触的半径，rt是刀具9的刀头半径，根据方程式(4)可得出结论:碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法可以减小甚至消除反速度半径，从而增强铣孔效果。例如，假设在实际操作中，反速度半径 rn = 0.02mm,则其基本实验结果为 r。= 2mm, Tss = 30000r.mirT1，Os = 300mm/min。若实际的倾斜行星钻井Ψ = 3rad, rt = 3mm, rn = 0.157mm,则可以避免反速度半径。碳纤维复合材料的倾斜行星运动螺旋铣方法可根据此提高铣孔效果，代替传统无倾斜角Φ的普通行星式螺旋铣孔方法。
[0027]碳纤维复合材料的倾斜行星式螺旋铣孔的铣孔直径是由其几何参数确定的，碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔几何模型如图5。重要的参数有刀头半径rt，刀具9长度Tl和倾斜角Φ，行星运行中心3，钻探孔半径12是指刀具9在碳纤维复合材料7的铣孔半径；工具旋转中心13是指刀具的公转中心，即与电动机主轴直接连接的轴所对应的中心位置，倾斜中心14是指刀具的自转中心，即刀具的中轴线所对应的位置。倾斜行星式螺旋铣孔直径D由方程式(5)确定:
[0028]D = 2 (rt+TLtan Φ) (5)。
[0029]当刀具使用于球头铣刀时，还可以通过调节倾斜角Φ的大小对铣孔的直径进行控制。
[0030]目前，现有的行星统的偏心为O~2mm，偏心为刀具的刀头旋转半径；
[0031]根据公式(5):D = 2 (rt+TLtan Φ)，rt是刀具的刀头半径；
[0032]也就是:D = d+2TLtan Φ，其中d是刀头直径；
[0033]则tan Φ = (D-d) /2TL
[0034]当偏心为2 mm时，D-d = 4 mm，一般?最小为50 mm，所以倾斜角φ最大2.2。。
[0035]实验例2:为了验证本发明的可行性和上述理论的正确性，将本发明的铣孔方法与普通行星式螺旋铣孔进行比对，实验内容如下:
[0036]使用车床和高速主轴普通螺旋铣相组合进行模拟实验。碳纤维复合材料固定在车床的主轴上，高速主轴上安装刀具9，以碳纤维复合材料的相对运动替代刀具9的行星公转运动。
[0037]刀具9可以调节倾斜角Φ的度数。在这种情况下，车床的主轴旋作为行星运动，其几何模型如图2所示，离心率方程式如下:
[0038]X1 = L2Sin Φ - L1 (Ι-cos Φ) (6)。
[0039]碳纤维复合材料选用聚丙烯腈基碳纤维；比重:1.5，抗拉强度:1.5kn,杨氏模量:120gpa，玻璃化转变点:120 ；
[0040]板材规格:底面积50mm2，厚度:5mm。将刀具9的倾斜角Φ设置为2.2度。
[0041]其中铣孔的条件相同，参见下表1:
[0042]表1
[0043]
【权利要求】
1.一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法，其特征在于:包括如下步骤:控制刀具围绕其中心轴线高速自转，控制刀具使其中心轴线围绕公转轴心线做公转运动；刀具的中心轴线与公转轴心线设置倾斜角Φ，固定待加工的碳纤维复合材料，利用所述刀具沿公转轴心线方向对碳纤维复合材料进行铣孔。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法，其特征在于:所述倾斜角Φ大于O度，小于或者等于2.2度。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔方法，其特征在于:所述倾斜角Φ等于2.2度。
4.一种碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，其特征在于，包括位移机构(4)、自转机构(6)、公转机构(5)、固定机构(10)和高速轴(8),公转机构(5)安装在位移机构(4)上，自转机构(6)安装在公转机构(5)上，高速轴⑶安装在自转机构(6)上，高速轴(8)上装有刀具(9)，固定机构(10)上设有抱死装置(11)，刀具(9)的中心轴线与公转机构(5)的公转面的垂线设置倾斜角Φ。
5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，其特征在于，所述倾斜角Φ大于O度，小于或者等于2.2度。
6.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料的倾斜行星螺旋铣孔装置，其特征在于，所述倾斜角Φ等于2.2度。
【文档编号】B23C3/00GK104028815SQ201410253053
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】王海艳, 余建业, 孙金, 商雨桐, 任华蕊 申请人:东北大学