一种复合材料金属斜孔的钻削方法与流程

本发明属于金属复合材料切削技术领域，更具体的，涉及一种多材料复合斜孔的高精度低成本钻削方法。

背景技术：

航天产品多采用复合材料金属的双层结构，外层防热复合材料硬度高，不能浸水，内层金属材料硬度较低，易产生切屑刮伤复合材料。各部段均采用斜孔连接，而斜孔钻削时由于轴线不垂直于钻削平面，在钻削硬度高的材料(如航天产品外层防热复合材料)时，极易引起钻头钻入时偏离轴线，造成孔的垂直度超差，即“让刀”现象。传统工艺多采用钻模来保证斜孔钻削精度，该方法虽然可以保证孔的形位精度，但是一方面钻模的安装增加了装夹时间，另一方面钻模对刀具的持续磨损，也一定程度加剧了刀具的磨损，降低了加工经济性。

除此之外，由于同时钻削两种材料的斜孔，在同一法平面上存在两种材料，复合材料与金属材料的性能差异，导致加工时刀具受力不均，极易引起孔的轮廓度超差，以及螺纹一侧较深，一侧较浅，影响后续各部段的装配。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题为：克服现有技术的不足，提供一种高精度低成本的复合材料金属斜孔的钻削方法，以解决现有复合材料金属斜孔钻削中存在的“让刀”及攻丝偏心等问题。该工艺方法可有效提升斜孔钻削的形位精度，降低加工成本。

本发明采用的技术方案为：

一种复合材料金属斜孔的钻削方法，步骤如下：

(1)定位夹紧：

将万能转台放置于机床工作台上并找正，夹紧万能转台，将工件安装于万能转台上，并定位夹紧，夹紧后，翻转万能转台至待钻削斜孔的轴线与机床工作台垂直；

(2)在工件上螺旋铣削直径为B的斜孔，铣削至复合材料层，不进入金属层；

(3)在直径为B的斜孔基础上，与直径为B的斜孔同轴，继续钻直径为A的通孔；

(4)与直径为B的斜孔同轴，钻直径为C的螺纹底孔；

(5)与直径为B的斜孔同轴，镗直径为E的沉头孔；

(6)通过机床，在直径为C的螺纹底孔上攻直径为D的螺纹孔的螺纹导向；

(7)手工攻直径为D的螺纹孔的螺纹；

(8)完成复合材料金属斜孔的加工，拆卸工装。

本发明相比现有技术具有的优点及功效：

(1)本发明采用分次钻削的方式，降低了每次钻削的材料去除量，可有效改善钻削复合材料金属双层结构的斜孔时受力不均的情况，同时可有效避免钻削金属材料时产生过大切削热而无法冷却的情况发生。

(2)本发明采用先在斜孔上钻出定位平台的方式，可有效避钻削复合材料斜孔时，由于复合材料硬度高及钻头轴线不垂直于加工平面，所造成的“让刀”现象，解决了钻削斜孔需要依靠钻模保证形位精度的难题，可将此技术用于外形异型难以安装钻模的部段的斜孔加工。

(3)本发明采用机床和手工攻丝相结合的方式，既可以避免机床攻丝在攻至同时含有复合材料及金属材料时容易偏心的问题，也可以避免手工攻丝垂直度差的问题，是一种加工复合材料金属斜孔螺纹的有效手段。

附图说明

图1为整个加工方法的流程图；

图2为将工件安装于万能转台后的安装图。

图3为将万能转台翻转后，使斜孔轴线垂直于机床工作台后的示意图。

图4为螺旋铣削φ12.3斜孔后的示意图。

图5为钻削φ9.3通孔后的示意图。

图6为钻削M16螺纹底孔(φ14)后的示意图。

图7为镗φ17.4沉头孔后的示意图。

图8为攻M16*2螺纹后的示意图。

具体实施方式

本发明工艺方法是专门针对航天产品复合材料金属双层结构的斜孔钻削，通过合理选用刀具和安排工序，提出一种多材料复合斜孔的高精度低成本钻削方法。所述方案流程如图1所示，具体步骤如下：

本发明中的复合材料金属工件包括两部分，内部为金属层，金属层外为复合材料层。所述复合材料层采用高硅氧/酚醛树脂复合材料。

钻削步骤如下：

(1)定位夹紧：

将万能转台放置于机床工作台上并找正，夹紧万能转台，将工件安装于万能转台上，并定位夹紧，如图2所示。本发明附图中，工件只画出了斜孔部分的局部图，万能转台为局部示意图。斜孔外层复合材料用交叉格线标明，内层金属材料采用单斜线标明。夹紧后，翻转万能转台至待钻削斜孔的轴线与机床工作台垂直，如图3所示；所述万能转台的旋转精度为±3″，俯仰翻转精度为±5″。

斜孔轴线不与刀具主轴Z轴同轴，因此传统的三轴加工中心无法完成斜孔加工，需采用价格高昂的五轴加工中心。使用万能转台的可以让三轴立式加工中心也能完成斜孔加工，具有优良的经济性。

(2)在工件上螺旋铣削直径为B的斜孔，铣削至复合材料层，不进入金属层；

具体为：采用立铣刀铣削直径为B的斜孔，铣削至复合材料层，主轴转速控制在2000rev/min以内，进给速度为30mm/min‐60mm/min，如图4所示。所述立铣刀的刀具直径d的取值范围为B/2<d<B。

直径为B的斜孔是工艺孔，其作用一是可以减少每次钻孔的材料去除量，二是先在工件上铣削出一个平面后，有利于后续钻孔的定心，使其下刀平面垂直于孔轴线，避免产生因刀具受力不平衡而导致的“让刀”现象。

(3)在直径为B的斜孔基础上，与直径为B的斜孔同轴，继续钻直径为A的通孔；

采用直径为A的麻花钻，钻头选用涂层刀具，主轴转速控制在1000rev/min‐2000rev/min，进给速度为30mm/min‐60mm/min。

由于该步骤需要钻削到金属材料层，易产生较大的切削热，而由于高硅氧/酚醛树脂复合材料的特殊性，无法使用冷却液进行冷却，只能采用无水乙醇。本专利所选用的切削参数，可防止过高的切削参数带来较大的切削热，引起乙醇燃烧，烧伤工件。钻削方式采用啄式钻削。完成后如图5所示。

(4)与直径为B的斜孔同轴，钻直径为C的螺纹底孔；

采用直径为C的平底三尖钻钻削直径为C的螺纹底孔，主轴转速控制在1000rev/min‐2000rev/min，进给速度为30mm/min‐60mm/min；钻削金属材料时应配合无水乙醇冷却，进给速度调至30mm/min，主轴转速1000rev/min，钻削方式采用啄式钻削，完成后如图6所示。

(5)与直径为B的斜孔同轴，镗直径为E的沉头孔；

采用镗刀镗直径为E的沉头孔，主轴转速控制在1000rev/min‐1500rev/min，进给速度为30mm/min‐60mm/min，如图7所示。

(6)通过机床，在直径为C的螺纹底孔上攻直径为D的螺纹孔的螺纹导向；

将直径为D的长导向丝锥安装于机床主轴上，进行攻丝，仅攻出螺纹导向，攻丝深度不超过整个螺纹深度的三分之一。

(7)手工攻直径为D的螺纹孔的螺纹；

选用直径为D的短导向丝锥，采用手工攻丝的方式完成直径为D的螺纹孔螺纹的攻丝，如图8所示。由于斜孔在同一层同时包含复合材料和金属两种材料，导致攻丝时受力不均，若直接采用机床攻丝，一方面攻丝深度难以控制，出现一侧深一侧浅的情况，另一方面刀具极容易断裂。而本专利选用的机床攻出导向后再使用手工攻丝的方式，同时结合了机床攻丝精度高和手工攻丝可控性高的优点，完工后的螺纹质量高，满足使用要求。

(8)完成复合材料金属斜孔的加工，拆卸工装。

本发明中直径A<B<C<D<E。

实施例：

钻削步骤如下：

(1)定位夹紧：

将万能转台放置于机床工作台上并找正，夹紧万能转台，将工件安装于万能转台上，并定位夹紧，如图2所示。夹紧后，翻转万能转台至待钻削斜孔的轴线与机床工作台垂直，如图3所示；

(2)在工件上螺旋铣削直径为B的斜孔，其中B取φ12.3；

具体为：采用φ8的立铣刀铣削直径为φ12.3的斜孔，铣削至复合材料层，主轴转速为1500rev/min，进给速度为60mm/min，铣削深度为15mm(孔长边一侧最高点到孔底的深度)，如图4所示。

(3)在φ12.3斜孔的基础上，与φ12.3斜孔同轴，继续钻直径为A的通孔，其中A取φ9.3；

采用φ9.3的麻花钻，钻头选用涂层刀具，主轴转速控制在1500rev/min，进给速度为60mm/min，如图5所示。

(4)与直径为φ12.3斜孔同轴，钻直径为C的螺纹底孔，其中C取φ14；

采用φ14的平底三尖钻钻削φ14的螺纹底孔，主轴转速控制在1500rev/min，进给速度为60mm/min；钻削金属材料时应配合无水乙醇冷却，进给速度调至30mm/min，主轴转速1000rev/min，钻削方式采用啄式钻削，完成后如图6所示。

(5)与直径为φ12.3的斜孔同轴，镗直径为E的沉头孔，其中E取φ17.4；

采用镗刀镗直径为φ17.4的沉头孔，主轴转速控制在1500rev/min，进给速度为60mm/min，如图7所示。

(6)通过机床，在φ14的螺纹底孔上攻直径为D的螺纹孔的螺纹导向，其中D取16；

将M16*2的长导向丝锥安装于机床主轴上，进行攻丝，仅攻出螺纹导向，攻丝深度为5mm。

(7)手工攻M16螺纹孔的螺纹；

选用M16*2的短导向丝锥，采用手工攻丝，如图8所示。手工攻丝时因在将刀具压向复合材料层一侧，保证两侧材料的攻丝螺纹深度一致。

(8)完成复合材料金属斜孔的加工，拆卸工装。