一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法
阅读说明：本技术 一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法 (Method for preventing fiber splitting on surface of composite material hole ) 是由 谢辉 卢大伟 周欣康 王佳鑫 冯绍红 苟德森 肖红亮 赵康雄 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法,属于航空复合材料加工技术领域,其特征在于,包括以下步骤：a、在复合材料制件上先制出初孔,初孔直径为D1；b、然后用带限位器的锪窝钻对初孔入口处进行倒角处理,锪窝直径为D2,再用扩孔钻头进行扩孔,扩孔直径为D3；c、最后用精铰铰刀对扩孔后的孔进行精铰制成终孔。本发明能够有效避免扩孔时扩孔钻头产生轴线偏移,保证扩孔质量,有效降低复合材料制孔表面劈裂的风险,能够增加扩孔钻头的切削接触面积,减小复合材料制件单位面积的切削力,有效避免复合材料制件表面纤维因切削力太大而产生的纤维劈裂,且能够极大的提升复合材料大直径孔的制孔效率。(The invention discloses a method for preventing fiber splitting on the surface of a composite material hole, which belongs to the technical field of aviation composite material processing and is characterized by comprising the following steps of: a. firstly, making a primary hole on the composite material workpiece, wherein the diameter of the primary hole is D1; b. then, chamfering the inlet of the primary hole by using a counter bit with a limiter, wherein the diameter of the counter bit is D2, and then reaming by using a reaming bit, wherein the diameter of the reaming is D3; c. and finally, performing finish reaming on the reamed hole by using a finish reaming reamer to obtain a final hole. The invention can effectively avoid the axial deviation of the reaming bit during reaming, ensure the reaming quality, effectively reduce the risk of the splitting of the surface of the composite material hole, increase the cutting contact area of the reaming bit, reduce the cutting force of the unit area of the composite material part, effectively avoid the fiber splitting of the surface fiber of the composite material part caused by too large cutting force, and greatly improve the hole-making efficiency of the composite material large-diameter hole.)
技术领域
本发明涉及到航空复合材料加工技术领域，尤其涉及一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法。
背景技术
当前，纤维增强型复合材料由于其比强度高，比模量高等诸多优越的机械特性，在航空、航天、化工、汽车等领域已被大面积采用。特别是在飞机装配过程中，复合材料制件制孔已成为了一项重要工作。复合材料有如下材料特性：
1、复合材料制件由若干层纤维布粘接而成，层间结合力较低；
2、复合材料为各向异性材料，其每层有固定的纤维方向，制孔时易产生应力集中；
3、复合材料硬度较大，制孔时切削热较高。
由于以上特性，复合材料成为了典型的难加工材料，制孔极易产生纤维劈裂的缺陷。传统复合材料制孔方法采用减小切削量的方法防止表面纤维劈裂问题的产生，但较小的切削量导致了大量的换刀作业。因此寻求一种高效的制孔方法且能有效防止制孔表面纤维劈裂在工程中是非常必要的。目前，在公知文献中，常见的防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法多为优化刀具结构及制孔工艺参数，对于复合材料制孔工艺方法的优化改进却鲜有研究。
公开号为CN 103231415A，公开日为2013年08月07日的中国专利文献公开了一种复合材料单向带制孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制作试片：使用碳纤维单向带使用真空袋-热压罐法进行成型，然后切割成规则形状的试片，形状根据实际需求确定，为菱形或矩形或圆形；试片作为试板；
步骤二、使用刀具，并使用万力夹对试板进行固定，在以下参数条件下对试片进行制孔：刀具上风钻的转速为3000-4500rpm/min，进给速度为45-225mm/min；制孔时使用吸尘器进行除尘。
该专利文献公开的复合材料单向带制孔的方法，通过选择合适的刀具材料、刃型和相应的工艺参数对复合材料单向带制造的试板进行制孔，结果得到的孔径均匀、孔壁光滑。但是，不能够有效避免纤维劈裂的产生，影响制孔质量和制孔效率。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法，本发明能够有效避免扩孔时扩孔钻头产生轴线偏移，保证扩孔质量，有效降低复合材料制孔表面劈裂的风险，能够增加扩孔钻头的切削接触面积，减小复合材料制件单位面积的切削力，有效避免复合材料制件表面纤维因切削力太大而产生的纤维劈裂，且能够极大的提升复合材料大直径孔的制孔效率。
本发明通过下述技术方案实现：
一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在复合材料制件上先制出初孔，初孔直径为D1；
b、然后用带限位器的锪窝钻对初孔入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头进行扩孔，扩孔直径为D3；
c、最后用精铰铰刀对扩孔后的孔进行精铰制成终孔。
还包括二次倒角处理步骤，具体是指经步骤b扩孔后，再用带限位器的锪窝钻对扩孔入口处再次进行倒角处理，倒角角度为120°，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用带限位器的锪窝钻对初孔入口处进行倒角处理具体是指将倒角角度设置为120°进行倒角，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用扩孔钻头进行扩孔具体是指将扩孔钻头的切削角度设置为118°进行切削扩孔。
所述步骤c中，用精铰铰刀对扩孔后的孔进行精铰制成终孔具体是指按每次铰孔单边切削量不大于0.05mm进行精铰，多次精铰直至孔径达到终孔直径D4。
所述初孔直径D1＜扩孔直径D3＜锪窝直径D2≤终孔直径D4。
所述步骤a中，初孔按照每次铰孔单边切削量不大于0.25mm进行制备。
所述步骤a中，采用尺寸为Φ3.1mm的初孔钻头在复合材料制件的复合材料制孔入口端进行初孔制备。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
一、本发明，a、在复合材料制件上先制出初孔，初孔直径为D1；b、然后用带限位器的锪窝钻对初孔入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头进行扩孔，扩孔直径为D3；c、最后用精铰铰刀对扩孔后的孔进行精铰制成终孔，作为一个完整的技术方案，较现有技术而言，能够有效避免扩孔时扩孔钻头产生轴线偏移，保证扩孔质量，有效降低复合材料制孔表面劈裂的风险，能够增加扩孔钻头的切削接触面积，减小复合材料制件单位面积的切削力，有效避免复合材料制件表面纤维因切削力太大而产生的纤维劈裂，且能够极大的提升复合材料大直径孔的制孔效率。
二、本发明，二次倒角处理步骤，具体是指经步骤b扩孔后，再用带限位器的锪窝钻对扩孔入口处再次进行倒角处理，倒角角度为120°，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm，增加了扩孔钻头的切削接触面积，减少了复合材料制件单位面积的切削力，避免了复合材料制件表面纤维因切削力太大而产生的纤维劈裂。
三、本发明，步骤b中，用带限位器的锪窝钻对初孔入口处进行倒角处理具体是指将倒角角度设置为120°进行倒角，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm，初孔制出的倒角对扩孔钻头头有导向作用，能够避免扩孔时扩孔钻头产生轴线偏移，有效保证了扩孔质量。
四、本发明，步骤b中，用扩孔钻头进行扩孔具体是指将扩孔钻头的切削角度设置为118°进行切削扩孔，扩孔钻头118°的切削角度与120°的倒角角度有效匹配，能够进一步增加扩孔钻头的切削接触面积，减少复合材料制件单位面积的切削力。
五、本发明，步骤c中，用精铰铰刀对扩孔后的孔进行精铰制成终孔具体是指按每次铰孔单边切削量不大于0.05mm进行精铰，多次精铰直至孔径达到终孔直径D4，保障了最终制得的终孔质量。
六、本发明，初孔直径D1＜扩孔直径D3＜锪窝直径D2≤终孔直径D4，扩孔过程由于倒角的存在，增加了扩孔钻头的切削接触面积，减少了复合材料制件单位面积的切削力，能够有效避免复合材料制件表面纤维劈裂，提高制孔质量。
七、本发明，步骤a中，初孔按照每次铰孔单边切削量不大于0.25mm进行制备，能够降低复合材料制件表面纤维产生劈裂的风险。
八、本发明，步骤a中，采用尺寸为Φ3.1mm的初孔钻头进行初孔制备，能够有效减少钻头入口端的切削材料，减小切削量的变化范围，稳定切削力，降低切削时的轴向力，减少切削热，提供更加良好的切削条件。
附图说明
下面将结合说明书附图和
具体实施方式
对本发明作进一步的具体说明：
图1为本发明复合材料制初孔的结构示意图；
图2为本发明复合材料制倒角的结构示意图；
图3为本发明复合材料钻头扩孔示意图；
图4为本发明复合材料精铰示意图；
图中标记：1、复合材料制件，2、复合材料制孔入口端，3、初孔钻头，4、初孔，5、带限位器的锪窝钻，6、扩孔钻头，7、精铰铰刀，8、终孔；D1为初孔直径，D2为锪窝直径，D3为扩孔直径，D4为终孔直径。
具体实施方式
实施例1
参见图1-图4，一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法，包括以下步骤：
a、在复合材料制件1上先制出初孔4，初孔直径为D1；
b、然后用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头6进行扩孔，扩孔直径为D3；
c、最后用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8。
本实施例为最基本的实施方式，a、在复合材料制件1上先制出初孔4，初孔直径为D1；b、然后用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头6进行扩孔，扩孔直径为D3；c、最后用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8，作为一个完整的技术方案，较现有技术而言，能够有效避免扩孔时扩孔钻头6产生轴线偏移，保证扩孔质量，有效降低复合材料制孔表面劈裂的风险，能够增加扩孔钻头6的切削接触面积，减小复合材料制件1单位面积的切削力，有效避免复合材料制件1表面纤维因切削力太大而产生的纤维劈裂，且能够极大的提升复合材料大直径孔的制孔效率。
实施例2
参见图1-图4，一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法，包括以下步骤：
a、在复合材料制件1上先制出初孔4，初孔直径为D1；
b、然后用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头6进行扩孔，扩孔直径为D3；
c、最后用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8。
还包括二次倒角处理步骤，具体是指经步骤b扩孔后，再用带限位器的锪窝钻5对扩孔入口处再次进行倒角处理，倒角角度为120°，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
本实施例为一较佳实施方式，二次倒角处理步骤，具体是指经步骤b扩孔后，再用带限位器的锪窝钻5对扩孔入口处再次进行倒角处理，倒角角度为120°，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm，增加了扩孔钻头6的切削接触面积，减少了复合材料制件1单位面积的切削力，避免了复合材料制件1表面纤维因切削力太大而产生的纤维劈裂。
实施例3
参见图1-图4，一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法，包括以下步骤：
a、在复合材料制件1上先制出初孔4，初孔直径为D1；
b、然后用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头6进行扩孔，扩孔直径为D3；
c、最后用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8。
还包括二次倒角处理步骤，具体是指经步骤b扩孔后，再用带限位器的锪窝钻5对扩孔入口处再次进行倒角处理，倒角角度为120°，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理具体是指将倒角角度设置为120°进行倒角，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
本实施例为又一较佳实施方式，步骤b中，用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理具体是指将倒角角度设置为120°进行倒角，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm，初孔4制出的倒角对扩孔钻头6头有导向作用，能够避免扩孔时扩孔钻头6产生轴线偏移，有效保证了扩孔质量。
实施例4
参见图1-图4，一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法，包括以下步骤：
a、在复合材料制件1上先制出初孔4，初孔直径为D1；
b、然后用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头6进行扩孔，扩孔直径为D3；
c、最后用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8。
还包括二次倒角处理步骤，具体是指经步骤b扩孔后，再用带限位器的锪窝钻5对扩孔入口处再次进行倒角处理，倒角角度为120°，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理具体是指将倒角角度设置为120°进行倒角，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用扩孔钻头6进行扩孔具体是指将扩孔钻头6的切削角度设置为118°进行切削扩孔。
本实施例为又一较佳实施方式，步骤b中，用扩孔钻头6进行扩孔具体是指将扩孔钻头6的切削角度设置为118°进行切削扩孔，扩孔钻头6的118°的切削角度与120°的倒角角度有效匹配，能够进一步增加扩孔钻头6的切削接触面积，减少复合材料制件1单位面积的切削力。
实施例5
参见图1-图4，一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法，包括以下步骤：
a、在复合材料制件1上先制出初孔4，初孔直径为D1；
b、然后用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头6进行扩孔，扩孔直径为D3；
c、最后用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8。
还包括二次倒角处理步骤，具体是指经步骤b扩孔后，再用带限位器的锪窝钻5对扩孔入口处再次进行倒角处理，倒角角度为120°，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理具体是指将倒角角度设置为120°进行倒角，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用扩孔钻头6进行扩孔具体是指将扩孔钻头6的切削角度设置为118°进行切削扩孔。
所述步骤c中，用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8具体是指按每次铰孔单边切削量不大于0.05mm进行精铰，多次精铰直至孔径达到终孔直径D4。
本实施例为又一较佳实施方式，步骤c中，用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8具体是指按每次铰孔单边切削量不大于0.05mm进行精铰，多次精铰直至孔径达到终孔直径D4，保障了最终制得的终孔8质量。
实施例6
参见图1-图4，一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法，包括以下步骤：
a、在复合材料制件1上先制出初孔4，初孔直径为D1；
b、然后用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头6进行扩孔，扩孔直径为D3；
c、最后用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8。
还包括二次倒角处理步骤，具体是指经步骤b扩孔后，再用带限位器的锪窝钻5对扩孔入口处再次进行倒角处理，倒角角度为120°，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理具体是指将倒角角度设置为120°进行倒角，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用扩孔钻头6进行扩孔具体是指将扩孔钻头6的切削角度设置为118°进行切削扩孔。
所述步骤c中，用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8具体是指按每次铰孔单边切削量不大于0.05mm进行精铰，多次精铰直至孔径达到终孔直径D4。
所述初孔直径D1＜扩孔直径D3＜锪窝直径D2≤终孔直径D4。
本实施例为又一较佳实施方式，初孔直径D1＜扩孔直径D3＜锪窝直径D2≤终孔直径D4，扩孔过程由于倒角的存在，增加了扩孔钻头6的切削接触面积，减少了复合材料制件1单位面积的切削力，能够有效避免复合材料制件1表面纤维劈裂，提高制孔质量。
实施例7
参见图1-图4，一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法，包括以下步骤：
a、在复合材料制件1上先制出初孔4，初孔直径为D1；
b、然后用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头6进行扩孔，扩孔直径为D3；
c、最后用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8。
还包括二次倒角处理步骤，具体是指经步骤b扩孔后，再用带限位器的锪窝钻5对扩孔入口处再次进行倒角处理，倒角角度为120°，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理具体是指将倒角角度设置为120°进行倒角，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用扩孔钻头6进行扩孔具体是指将扩孔钻头6的切削角度设置为118°进行切削扩孔。
所述步骤c中，用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8具体是指按每次铰孔单边切削量不大于0.05mm进行精铰，多次精铰直至孔径达到终孔直径D4。
所述初孔直径D1＜扩孔直径D3＜锪窝直径D2≤终孔直径D4。
所述步骤a中，初孔4按照每次铰孔单边切削量不大于0.25mm进行制备。
本实施例为又一较佳实施方式，步骤a中，初孔4按照每次铰孔单边切削量不大于0.25mm进行制备，能够降低复合材料制件1表面纤维产生劈裂的风险。
实施例8
参见图1-图4，一种防止复合材料制孔表面纤维劈裂的方法，包括以下步骤：
a、在复合材料制件1上先制出初孔4，初孔直径为D1；
b、然后用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理，锪窝直径为D2，再在有倒角的情况下用扩孔钻头6进行扩孔，扩孔直径为D3；
c、最后用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8。
还包括二次倒角处理步骤，具体是指经步骤b扩孔后，再用带限位器的锪窝钻5对扩孔入口处再次进行倒角处理，倒角角度为120°，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用带限位器的锪窝钻5对初孔4入口处进行倒角处理具体是指将倒角角度设置为120°进行倒角，倒角的锪窝直径D2比扩孔直径D3大0.1mm。
所述步骤b中，用扩孔钻头6进行扩孔具体是指将扩孔钻头6的切削角度设置为118°进行切削扩孔。
所述步骤c中，用精铰铰刀7对扩孔后的孔进行精铰制成终孔8具体是指按每次铰孔单边切削量不大于0.05mm进行精铰，多次精铰直至孔径达到终孔直径D4。
所述初孔直径D1＜扩孔直径D3＜锪窝直径D2≤终孔直径D4。
所述步骤a中，初孔4按照每次铰孔单边切削量不大于0.25mm进行制备。
所述步骤a中，采用尺寸为Φ3.1mm的初孔钻头3在复合材料制件1的复合材料制孔入口端2进行初孔4制备。
本实施例为最佳实施方式，步骤a中，采用尺寸为Φ3.1mm的初孔钻头3进行初孔4制备，能够有效减少钻头入口端的切削材料，减小切削量的变化范围，稳定切削力，降低切削时的轴向力，减少切削热，提供更加良好的切削条件。
下面采用本发明基本实施方式与现有技术分别对4.2mm、5mm、6.6mm、8mm、10mm和12mm孔的制孔流程进行对比：
4.2mm孔：现有技术切削加工次数5次，基本实施方式切削加工次数5次，加工效率提升0％；
5mm孔：现有技术切削加工次数7次，基本实施方式切削加工次数6次，加工效率提升14％；
6.6mm孔：现有技术切削加工次数10次，基本实施方式切削加工次数8次，加工效率提升20％；
8mm孔：现有技术切削加工次数14次，基本实施方式切削加工次数10次，加工效率提升29％；
10mm孔：现有技术切削加工次数18次，基本实施方式切削加工次数12次，加工效率提升33％；
12mm孔：现有技术切削加工次数22次，基本实施方式切削加工次数15次，加工效率提升32％。
表1为采用现有技术进行复合材料制孔；
表2为采用本发明基本实施方式进行复合材料制孔；
表1
表2
参见表1和表2可知，采用本发明基本实施方式，在保证制孔质量的前提下，复合材料制孔效率得到显著提升。
下面采用本发明最佳实施方式与现有技术分别对4.2mm、5mm、6.6mm、8mm、10mm和12mm孔的制孔流程进行对比：
4.2mm孔：现有技术切削加工次数5次，最佳实施方式切削加工次数5次，加工效率提升0％；
5mm孔：现有技术切削加工次数7次，最佳实施方式切削加工次数6次，加工效率提升14％；
6.6mm孔：现有技术切削加工次数10次，最佳实施方式切削加工次数8次，加工效率提升20％；
8mm孔：现有技术切削加工次数14次，最佳实施方式切削加工次数8次，加工效率提升43％；
10mm孔：现有技术切削加工次数18次，最佳实施方式切削加工次数10次，加工效率提升44％；
12mm孔：现有技术切削加工次数22次，最佳实施方式切削加工次数11次，加工效率提升50％。
表3为采用本发明最佳实施方式进行复合材料制孔；
表3
参见表3可知，在保证制孔质量的前提下，采用本发明最佳实施方式对本发明基本实施方式进行了扩孔次数优化，复合材料制孔效率相较于本发明基本实施方式得到进一步提升。