用于CFRP加工的钻头及其结构参数的实验确定方法

摘要

本发明公开了一种用于CFRP加工的钻头的结构参数的实验确定方法，通过不同直径预制孔的钻削实验获得钻头主切削刃上的切削力和切削温度分布，通过碳纤维增强复合材料的正交自由切削实验获得切削力和切削温度与钻头各结构参数之间的函数关系，利用已知的钻头前角角度，依据切削力和切削温度平均分布的原则，确定所述钻头后角角度和钝圆半径沿主切削刃分布的参数数值，根据确定的参数数值制备所述钻头。本发明所述的用于CFRP加工的钻头在碳纤维增强复合材料(CFRP)的实际加工中，达到了主切削刃上的切削力和切削温度分布均匀，减少了钻孔缺陷的产生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻孔刀具，具体涉及一种用于碳纤维增强复合材料(CFRP)加工的钻头， 以及基于钻削力和钻削温度控制确定其结构参数的实验性方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP)是一种新型的以碳或 石墨纤维为增强体的树脂基复合材料，因具有强度高、比刚度高、耐疲劳性能好及可设计性 强等优点，其广泛地应用于制造先进飞机上的主承力结构件，诸如飞机蒙皮、壁板、机翼中 间梁、机身隔框和舱门等部件。在CFRP的机械切削加工中，钻削是使用最多、应用最广的 一种加工方式，钻削制孔质量的好坏直接关系到整个飞机的装配质量和服役寿命。由于特有 的各向异性以及层间接触强度低等特点，CFRP成为一种典型的难加工材料。在CFRP钻孔过 程中，其制孔除会产生传统的金属材料制孔常见的缺陷(孔的尺寸误差、圆度误差、位置误 差、垂直度误差等)之外，还会产生复合材料特有的缺陷，主要表现为：入口剥离分层、出 口分层、层间分层、撕裂与毛边、孔周表面纤维抽出等，其中分层损伤是最主要的制孔缺陷。 据统计，飞机在最后组装时，因钻孔分层而造成的报废高达60％以上。

CFRP层合板钻孔分层是由钻削轴向力过大和钻削温度过高而引起的材料层与层之间的 分离，因此在CFRP层合板的钻削过程中对钻削力和钻削温度的控制就显得尤为重要。而机 加工中钻削力和钻削温度有60％来源于刀具几何结构的影响，因此，针对复合材料的加工设 计专用的钻孔刀具是一种控制钻削质量的有效方法。目前，众多复合材料中所用的钻头是通 过在外圆转点处增加切断纤维的锋利切削刃的方法，来减少复材钻削过程中产生毛刺和分层 的。但是这样的结构往往只优化了外圆转点这一极小区域对钻削过程中的影响，总体优化效 果并不明显。

经过对现有文献的检索，至今未发现有关碳纤维增强复合材料专用钻孔刀具结构参数的 确定方法的公开报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于CFRP加工的钻头及其结构参数的 实验确定方法，通过实验获取基础数据，建立主切削刃上切削力和切削温度的分布模型，据 此优化刀具的后角角度和钝圆半径，以达到切削力和切削温度分布均匀的目的，从而减少制 孔钻削质量缺陷的产生。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种用于CFRP加工的钻头的结构参数的实验确定方法，通过不同直径预制孔的钻削实 验获得钻头主切削刃上的切削力和切削温度分布，通过碳纤维增强复合材料的正交自由切削 实验获得切削力和切削温度与钻头各结构参数之间的函数关系，利用已知的钻头前角角度， 依据切削力和切削温度平均分布的原则，确定所述钻头后角角度和钝圆半径沿主切削刃分布 的参数数值，根据确定的参数数值制备所述钻头。

进一步地，所述的实验确定方法包括以下具体步骤：

第一步，在碳纤维增强复合材料的层合板上设置直径以单位长度逐级递增的一系列的预 制孔，使用选定钻头在各预制孔上进行钻孔实验，并测量和记录所述钻头的主切削刃上产生 的切削力和切削温度，使用同一钻头在所述层合板上无预制孔处进行钻孔实验，并测量和记 录所述钻头的主切削刃上产生的切削力和切削温度，通过数据处理将切削力和切削温度沿所 述钻头主切削刃的分布拟合为下列多项式函数：

F(x)＝a₁x³+b₁x²+c₁x+d₁，式(4)，

T(x)＝a₂x³+b₂x²+c₂x+a₂，式(5)；

第二步，使用具有不同前角、后角和钝圆半径的钻头在碳纤维增强复合材料上进行自由 切削的正交实验，每一因素分别采用5个水平，在实验中测量和记录各钻头的主切削刃上产 生的切削力和切削温度，通过数据处理将切削力和切削温度与钻头各结构参数之间的关系拟 合为下列多元二次函数：

F_γ，α＝a₃γ²+b₃γ+c₃α²+d₃α+e₃，式(6)，

$T_{\gamma ,\alpha ,R_0}=a_4{\gamma }^2+b_4\gamma +c_4{\alpha }^2+d_4\alpha +e_4{R}_0^2+f_4{R}_0+g_4,$式(7)；

第三步，根据由第一步获得的式(4)和式(5)、由第二步获得的式(6)和式(7)以及已知 的所述钻头的前角分布函数γ(x)，依据平均分布的原则重新分配主切削刃上的切削力和切削 温度，从而确定如下所述钻头后角角度和钝圆半径沿主切削刃的分布函数，并据之计算该后 角角度和钝圆半径参数的具体数值：

$\alpha \left(x\right)=\frac{-d_3\pm \sqrt{d_3^2-{4c}_3(a_3\gamma {\left(x\right)}^2+b_3\gamma \left(x\right)+e_3-\frac{a_1}{4}-\frac{b_1}{3}-\frac{c_1}{2}-d_1)}}{{2c}_3},$式(2)，

$R_0\left(x\right)=\frac{-f_4\pm \sqrt{f_4^2-{4e}_4(a_4\gamma {\left(x\right)}^2+b_4\gamma \left(x\right)+c_4\alpha {\left(x\right)}^2+d_4\alpha \left(x\right)+g_4-\frac{a_2}{4}-\frac{b_2}{3}-\frac{c_2}{2}-d_2)}}{{2e}_4},$式(3)，

上述式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)和式(7)中，

F为切削力，T为切削温度，R为钻头半径，r为主切削刃上测定点的半径值， γ为钻头前角角度，α为钻头后角角度，R₀为钻头钝圆半径，

a₁、b₁、c₁、d₁、a₂、b₂、c₂、d₂、a₃、b₃、c₃、d₃、e₃、a₄、b₄、c₄、d₄、e₄、 f₄、g₄为拟合所得常数；

γ(x)为已知的所述钻头的前角沿主切削刃分布的函数；

第四步，根据第三步获得的后角角度和钝圆半径的具体参数数值刃磨制备所述钻头。

进一步地，所述的γ(x)为通过测量而得到。

进一步地，所述的钻头为麻花钻，所述的γ(x)为如下公知的函数：

式(1)，

其中，β为钻头的螺旋角，为钻头的原始锋角，r₀为钻芯半厚，k为常数。

本发明的另一技术方案是：

一种用于CFRP加工的钻头，其后角角度和钝圆半径沿主切削刃分布的参数数值采用上 述实验确定方法进行确定，满足如下关系式：

$\alpha \left(x\right)=\frac{-d_3\pm \sqrt{d_3^2-{4c}_3(a_3\gamma {\left(x\right)}^2+b_3\gamma \left(x\right)+e_3-\frac{a_1}{4}-\frac{b_1}{3}-\frac{c_1}{2}-d_1)}}{{2c}_3},$式(2)，

$R_0\left(x\right)=\frac{-f_4\pm \sqrt{f_4^2-{4e}_4(a_4\gamma {\left(x\right)}^2+b_4\gamma \left(x\right)+c_4\alpha {\left(x\right)}^2+d_4\alpha \left(x\right)+g_4-\frac{a_2}{4}-\frac{b_2}{3}-\frac{c_2}{2}-d_2)}}{{2e}_4},$式(3)，

F(x)＝a₁x³+b₁x²+c₁x+d₁，式(4)，

T(x)＝a₂x³+b₂x²+c₂x+d₂，式(5)，

F_γ，α＝a₃γ²+b₃γ+c₃α²+d₃α+e₃，式(6)，

$T_{\gamma ,\alpha ,R_0}=a_4{\gamma }^2+b_4\gamma +c_4{\alpha }^2+d_4\alpha +e_4{R}_0^2+f_4{R}_0+g_4,$式(7)，

其中，F为切削力，T为切削温度，R为钻头半径，r为主切削刃上测定点的半 径值，

γ为钻头前角角度，α为钻头后角角度，R₀为钻头钝圆半径，

a₁、b₁、c₁、d₁、a₂、b₂、c₂、d₂为上述方法第一步实验后拟合所得常数，

a₃、b₃、c₃、d₃、e₃、a₄、b₄、c₄、d₄、e₄、f₄、g₄为上述方法第二步实验后拟合所 得常数；

γ(x)为已知的所述钻头的前角沿主切削刃分布的函数。

进一步地，所述的γ(x)为通过测量而得到。

进一步地，所述的钻头为麻花钻。

进一步地，所述的γ(x)为如下公知的函数：

式(1)，

其中，β为钻头的螺旋角，为钻头的原始锋角，r₀为钻芯半厚，k为常数。

与现有技术相比，本发明有益效果是：由于基于加工中切削力和切削温度平均分配的原 则，在刀具前角角度参数已知的情况下，通过基本实验方法和数据拟合相结合，确定出刀具 后角角度和钝圆半径沿主切削刃的参数分布数值，从而使据此制造的钻头在碳纤维增强复合 材料(CFRP)的实际加工中，达到切削力和切削温度分布均匀，减少钻孔缺陷的产生。

附图说明

图1本发明第一步中不同直径预制孔的示意图。

图2本发明第一步所得切削力和切削温度沿主切削刃的分布示意图。

图3本发明的刀具结构示意图。

图4本发明中前角角度、后角角度和钝圆半径沿主切削刃的变化示意图。

图5为图3中主切削刃的局部放大图。

具体实施方式

本发明基于基础实验数据，建立主切削刃上切削力和切削温度的分布模型，并以平均分 布为原则重新分配主刃上的切削力和切削温度，从而确定钻头的后角角度和刀具钝圆半径， 得到钻孔质量更高的复材钻削刀具。

本发明提供了一种用于CFRP加工的钻头的结构参数的实验确定方法，通过不同直径预 制孔的钻削实验获得钻头主切削刃上的切削力和切削温度分布，通过碳纤维增强复合材料的 正交自由切削实验获得切削力和切削温度与钻头各结构参数之间的函数关系，利用已知的钻 头前角角度，依据切削力和切削温度平均分布的原则，确定所述钻头后角角度和钝圆半径沿 主切削刃分布的参数数值，根据确定的参数数值制备所述钻头。

本发明所述的实验确定方法包括以下具体步骤：

第一步，使用未修磨或经过特殊修磨的钻头进行碳纤维增强复合材料层合板钻削实验， 实验采用如下方法进行：在CFRP层合板上预制直径为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、 7mm、8mm等一系列以单位长度逐级递增的预制孔，如图1所示。使用选定钻头在各预制孔 同一位置进行钻孔实验，并在实验中测量所述钻头的主切削刃上产生的切削力和切削温度， 分别记录为F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8和T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8；并 使用同一钻头在所述层合板上无预制孔处进行钻孔实验，并测量和记录所述钻头的主切削刃 上产生的切削力和切削温度，记录为F0和T0。通过式F(n-1)-F(n)和T(n-1)-T(n)计算该钻头 主切削刃上单位长度(1mm)产生的切削力和切削温度，得到如图2所示的主切削刃上切削 力和切削温度的分布曲线。通过数据处理的方式，将钻头主切削刃上的切削力和切削温度分 布分别简化为多项式的函数关系，通过多项式拟合的方法，得到如下多项式函数：

F(x)＝a₁x³+b₁x²+c₁x+d₁，式(4)，

T(x)＝a₂x³+b₂x²+c₂x+d₂，式(5)，

其中，F为切削力，T为切削温度，R为钻头半径，r为主切削刃上测定点的半径 值，a₁、b₁、c₁、d₁、a₂、b₂、c₂、d₂为拟合所得常数。

第二步，使用具有不同前角、后角和钝圆半径的钻头进行CFRP的自由切削正交实验， 实验采用正交实验方法，每个因素分别采用5个水平，在实验中测量和记录各钻头的主切削 刃上产生的切削力和切削温度，并采用数据处理的方式，将切削力和切削温度与钻头各结构 参数之间的关系拟合为下列多元二次函数：

F_γ，α＝a₃γ²+b₃γ+c₃α²+d₃α+e₃，式(6)，

$T_{\gamma ,\alpha ,R_0}=a_4{\gamma }^2+b_4\gamma +c_4{\alpha }^2+d_4\alpha +e_4{R}_0^2+f_4{R}_0+g_4,$式(7)，

其中，F为切削力，T为切削温度，γ为钻头前角角度，α为钻头后角角度，R₀为钻头钝 圆半径，a₃、b₃、c₃、d₃、e₃、a₄、b₄、c₄、d₄、e₄、f₄、g₄为拟合所得常数。

第三步，将钻头前角作为基准，确定钻头的后角角度和钝圆半径。

若钻头为麻花钻，其前角沿着主切削刃一直在变化，并且由刀具螺旋角、原始锋角、钻 芯厚度等参数决定，在刀具成型之后往往已经确定，且不易改变。因此，根据麻花钻前角的 传统计算公式：

式(1)

其中，β为钻头的螺旋角，为钻头的原始锋角，r₀为钻芯半厚，k为常数。

所述的γ(x)也可以通过测量而得到。

将γ(x)代入式(6)，可以得到F_γ，α(x)＝a₃γ(x)²+b₃γ(x)+c₃α²+d₃α+e₃。

可以认为，钻削同样直径同样深度的孔需要消耗同样的功，产生同样大小的平均切削力。 因此可通过式(4)，按照均匀分布的原则，重新分配切削力

$F_{\gamma ,\alpha }\left(x\right)={\int }_0^{1}F\left(x\right)\mathrm{dx}=\frac{a_1}{4}+\frac{b_1}{3}+\frac{c_1}{2}+d_1,$

并确定如下所述钻头后角角度沿主切削刃的分布函数，并据之计算该后角角度参数的具 体数值：

$\alpha \left(x\right)=\frac{-d_3\pm \sqrt{d_3^2-{4c}_3(a_3\gamma {\left(x\right)}^2+b_3\gamma \left(x\right)+e_3-\frac{a_1}{4}-\frac{b_1}{3}-\frac{c_1}{2}-d_1)}}{{2c}_3}$式(2)

其中，γ(x)如式(1)所示，或通过测量而得到。

再将γ(x)和α(x)代入式(7)，得到

$T_{\gamma ,\alpha ,R_0}=a_4{\gamma }^2+b_4\gamma +c_4{\alpha }^2+d_4\alpha +e_4{R}_0^2+f_4{R}_0+g_4,$

可以认为，钻削同样直径同样深度的孔，产生同样多的热量，引起同样的温升，因此可 通过式(5)，按照均匀分布的原则，重新分配切削温度

$T_{\gamma ,\alpha ,T_0}\left(x\right)={\int }_0^{1}T\left(x\right)\mathrm{dx}=\frac{a_2}{4}+\frac{b_2}{3}+\frac{c_2}{2}+d_2,$

并确定如下所述钻头钝圆半径沿主切削刃的分布函数，并据之计算该钝圆半径参数的具 体数值：

$R_0\left(x\right)=\frac{-f_4\pm \sqrt{f_4^2-{4e}_4(a_4\gamma {\left(x\right)}^2+b_4\gamma \left(x\right)+c_4\alpha {\left(x\right)}^2+d_4\alpha \left(x\right)+g_4-\frac{a_2}{4}-\frac{b_2}{3}-\frac{c_2}{2}-d_2)}}{{2e}_4}$式(3)

其中，γ(x)如式(1)所示或通过测量而得到，α(x)如式(2)所示。

第四步，根据第三步获得的后角角度和钝圆半径的具体参数数值刃磨制备所述钻头。

本发明所述用于CFRP加工的钻头，其后角角度和钝圆半径沿主切削刃分布的参数数值 采用上述实验确定方法进行确定，其满足上述关系式式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)和式 (7)，其中γ(x)可以通过测量而得到，当所述的钻头为麻花钻时，所述的γ(x)如上述式(1)所示。

以下结合附图对本发明作进一步描述，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给 出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例中采用直径为12mm的硬质合金麻花钻钻削加工T800CFRP层合板，测出其切 削刃上切削力和切削温度分布如图2所示。对实验数据进行处理，得到如下拟合公式：

F(x)＝11.15x³-12.76x²-1.02x+10.84，

T(x)＝-37.77x³+44.48x²-10.35x+9.33。

采用切削速度V＝200m/min，切削深度a_p＝20μm为实验参数，进行CFRP的正交自由切 削实验，其中前角采用5°、10°、15°、20°和25°五个水平，后角采用5°、10°、15°、20°和25° 五个水平，钝圆半径采用5μm、10μm、15μm、20μm和25μm五个水平，测量切削力和切削 温度，将切削力和切削温度除以板厚得到单位长度的切削力和切削温度，然后对实验数据进 行拟合，得到关系式：

F_γ，α＝0.004γ²-0.264γ+0.0008α²-0.332α+12.86,

$T_{\gamma ,\alpha ,R_0}={0.0026\gamma }^2-0.25\gamma -{0.0001\alpha }^2-0.237\alpha +{0.0001R}_0^2+{0.103R}_0+11.23.$

实验采用的麻花钻如图3所示，其结构特点是，在普通麻花钻的钻尖上磨出两个对称的 内刃用以减小横刃，并减弱靠近钻芯处的负前角现象。钻头半径为6mm，钻芯半径为0.5mm， 原始锋角为119.5°，螺旋角为30°，该钻头的前角变化函数为

根据式(2)计算α(x)时考虑到α²项的系数极小，舍弃该项，简化计算结果得到

α(x)＝0.012γ(x)²-0.795γ(x)+11.95。

根据式(3)计算R₀(x)时考虑到α²项和项的系数极小，将这两项舍弃，简化计算结果 得到

R₀(x)＝0.00233γ(x)²+0.602γ(x)+10.97。

γ(x)、α(x)和R₀(x)的变化如图4所示。

根据本实施例的方法计算得到α(x)和R₀(x)对该钻头的后角和钝圆进行刃磨，得到用于加 工复合材料的专用刀具，如图5所示。该钻头虽然不能降低总切削力和切削温度，但可以在 钻孔过程中使切削力和切削温度平均分布于主切削刃上，显著提高了钻孔质量，减少了钻孔 过程中产生的缺陷。

本发明不以任何方式限制于说明书和附图中所呈现的示例性实施方式。说明书描述的实 施方式的所有组合明确地理解为落入本发明要求保护的范围内。而且，在如权利要求书所概 括的本发明的范围内，很多变形是可能的。