Cfrp的開孔方法和cfrp工件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了CFRP的開孔方法和CFRP工件，其中CFRP的開孔方法包括用具有金剛石涂層的第一鉆頭進(jìn)行鉆孔，鉆孔時，所述第一鉆頭的轉(zhuǎn)速為2500~3500r/min，進(jìn)給量為200~280mm/min，吃刀量為5~9mm；用具有金剛石涂層的第二鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔時，所述第二鉆頭的轉(zhuǎn)速為1500~2500r/min，進(jìn)給量為120~200mm/min，吃刀量為2~6mm。本發(fā)明所提供的CFRP的開孔方法采用具有金剛石涂層的鉆頭來進(jìn)行鉆孔，能夠迅速將CFRP平滑切削，防止刀具溫度過高，采用先鉆孔，再擴(kuò)孔的方式進(jìn)行開孔，并根據(jù)孔徑大小調(diào)整所用的鉆頭，使得開孔快速且所開的孔孔壁平滑，開孔質(zhì)量好。
【專利說明】CFRP的開孔方法和CFRP工件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復(fù)合材料加工工藝領(lǐng)域，特別涉及一種CFRP的開孔方法和CFRP工件?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過物理或化學(xué)方法在宏觀上組成具有新性能的材料。復(fù)合材料中各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料。復(fù)合材料通常包括基體材料和增強(qiáng)材料，增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒
坐寸。
[0003]碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP,Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于如橋梁加固和維修等工程中。CFRP還被廣泛應(yīng)用在軍事，航空，體育用品，賽車等領(lǐng)域，F(xiàn)l賽車的很多部件都用CFRP制成，比如單體殼。
[0004]但是，由于CFRP具有強(qiáng)度高、硬度高和耐磨的性質(zhì)，使得其加工困難。特別是對CFRP的開孔。
【公開日】為2009年6月3日的中國專利申請公開文獻(xiàn)CN101445383A公開了一種碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料零件的制造方法，采用了預(yù)先設(shè)置細(xì)長的工具來達(dá)到開孔的目的，但是這種方式無法滿足對CFRP的加工要求。CFRP在開孔過程中，碳纖維以脆性斷裂的方式被去除，只能帶走很少加工產(chǎn)生的熱量，所以使刀具切削刃溫度非常高，從而降低了刀具的壽命。同時，CFRP的基體材料易與刀具表層起化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致刀具表層強(qiáng)度降低，更嚴(yán)重的是，由于普通刀具強(qiáng)度不夠，用普通刀具所開的孔，孔壁上常露出碳纖維的端部，使得孔壁不平滑，不滿足工藝要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種CFRP的開孔方法，使得所開的孔孔壁平滑，滿足相應(yīng)的工藝要求，并使得開孔刀具的壽命大幅提聞。
[0006]為此，本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括以下內(nèi)容:
[0007]一種CFRP的開孔方法，包括:
[0008]用具有金剛石涂層的第一鉆頭進(jìn)行鉆孔，以形成第一孔，鉆孔時，所述第一鉆頭的轉(zhuǎn)速為2500r/min?3500r/min,所述第一鉆頭的進(jìn)給量為200mm/min?280mm/min,所述第一鉆頭的吃刀量為5mnT9mm ；
[0009]用具有金剛石涂層的第二鉆頭對所述第一孔進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔時，所述第二鉆頭的轉(zhuǎn)速為1500r/min?2500r/min,所述第二鉆頭的進(jìn)給量為120mm/min?200mm/min,所述第二鉆頭的吃刀量為2mnT6mm。
[0010]可選的，所述第一鉆頭的直徑為6.0mm ;所述第二鉆頭的直徑為9.5mm。
[0011]可選的，所述第一鉆頭采用啄鉆的方式進(jìn)行鉆孔。
[0012]可選的，所述第二鉆頭采用啄鉆的方式進(jìn)行擴(kuò)孔。
[0013]本發(fā)明還提供了另外一種CFRP的開孔方法，包括:[0014]用具有金剛石涂層的第一鉆頭進(jìn)行鉆孔，以形成第二孔，鉆孔時，所述第一鉆頭的轉(zhuǎn)速為2500r/min?3500r/min,所述第一鉆頭的進(jìn)給量為200mm/min?280mm/min,所述第一鉆頭的吃刀量為5mnT9mm ；
[0015]用具有金剛石涂層的第二鉆頭對所述第二孔進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔時，所述第二鉆頭的轉(zhuǎn)速為1500r/min?2500r/min,所述第二鉆頭的進(jìn)給量120mm/min?200mm/min,所述第二鉆頭的吃刀量為2mnT6mm ；
[0016]用具有金剛石涂層的銑刀對擴(kuò)孔后的所述第二孔進(jìn)行銑孔，銑孔時，所述銑刀的轉(zhuǎn)速為2500r/min?3500r/min,所述統(tǒng)刀的進(jìn)給量為85mm/min?165mm/min,所述統(tǒng)刀的吃刀量為5mm?9mm。
[0017]可選的，所述銑刀的直徑為6.0mm。
[0018]可選的，所述銑刀采用圓心下刀輪廓銑。
[0019]本發(fā)明還提供了一種CFRP工件，其特征在于，該工件包括如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述方法形成的開孔和/或權(quán)利要求5至7中任意一項(xiàng)所述方法形成的開孔。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021]本發(fā)明所提供的CFRP的開孔方法采用具有金剛石涂層的鉆頭來進(jìn)行鉆孔，能夠迅速將CFRP平滑切削，防止刀具溫度過高，采用先鉆孔，再擴(kuò)孔的方式進(jìn)行開孔，并根據(jù)孔徑大小調(diào)整所用的鉆頭，使得開孔快速且所開的孔孔壁平滑，開孔質(zhì)量好。
[0022]本發(fā)明所提供的CFRP的開孔方法采取啄鉆的方式，進(jìn)一步降低了刀具溫度過高的可能性，大大提高了刀具的使用壽命。
[0023]本發(fā)明所提供的CFRP的開孔方法在擴(kuò)孔之后還利用銑刀進(jìn)行銑孔，進(jìn)一步滿足了 CFRP上開孔的公差要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例CFRP板粗鉆孔的示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例CFRP板精鉆孔的示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實(shí)施例所用的具有金屬石涂層的鉆頭的示意圖；
[0027]圖4為用普通刀具與用具有金剛石刀具在CFRP板上開孔的對比圖；
[0028]圖5為本發(fā)明實(shí)施例所用的銑刀的示意圖；
[0029]圖6為圖5所示銑刀的切削頭部正面放大圖；
[0030]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的CFRP工件的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]發(fā)明人經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對CFRP材料進(jìn)行開孔時，散熱通過外部冷卻及產(chǎn)品廢屑帶走。由于對CFRP加工是采用干切，所以外部冷卻為熱量向空氣中散發(fā)和傳遞，這種散熱方式速度慢。而脆性斷裂只能產(chǎn)生很少廢屑，熱量被去除的很少，因而刀具溫度會很高，從而會使得刀具壽命降低。
[0032]為此，本發(fā)明提供了一種CFRP的開孔方法，首先用具有金剛石涂層的第一鉆頭對CFRP進(jìn)行鉆孔(此時的鉆孔亦即粗鉆孔)，形成第一孔，然后用具有金剛石涂層的第二鉆頭對第一孔進(jìn)行擴(kuò)孔(擴(kuò)孔亦即精鉆孔)。[0033]如圖1所示，在一個具體實(shí)施例中，在對CFRP板10進(jìn)行鉆孔(亦即粗鉆孔)時，第一鉆頭的轉(zhuǎn)速可以較快，并且此時對孔的平滑程度不作很高要求，因而可以迅速開孔，因此第一鉆頭的轉(zhuǎn)速可以選擇在2500r/min"3500r/min之間，作為一個較佳實(shí)施例,第一鉆頭的轉(zhuǎn)速為3000r/min。同樣的道理，在粗鉆孔階段，第一鉆頭的進(jìn)給量和吃刀量都可以較大，發(fā)明人經(jīng)實(shí)際操作得出，進(jìn)給量在200mm/min"280mm/min之間較為合適,進(jìn)一步優(yōu)選的,進(jìn)給量可以為240mm/min,第一鉆頭的吃刀量可以選擇在5mnT9mm之間,進(jìn)一步優(yōu)選的，吃刀量可以為7_。通過上述工藝參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行鉆孔，可以得到孔11。
[0034]如圖2所示，在對圖1中得到的第一孔進(jìn)行擴(kuò)孔時(亦即精鉆孔)，第二鉆頭的轉(zhuǎn)速相對于粗鉆時要略有下調(diào)，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越慢，刀具對孔壁的切削力越小，用較小的切削力能夠?qū)⒖妆谇邢鞯迷狡交?。為此，在擴(kuò)孔時，第二鉆頭的轉(zhuǎn)速可以選擇在150(T2500r/min之間，作為一個較佳實(shí)施例，第二鉆頭的轉(zhuǎn)速為2000r/min，同樣的道理，在精鉆孔階段，第二鉆頭的進(jìn)給量和吃刀量都要比粗鉆孔時要略有下調(diào)，為此，發(fā)明人實(shí)踐得出，此時第二鉆頭的進(jìn)給量可以選擇在120mm/min?200mm/min，進(jìn)一步優(yōu)選的，進(jìn)給量可以為200mm/min,第二鉆頭的吃刀量為2mnT6mm，進(jìn)一步優(yōu)選的，吃刀量為4mm。通過上述工藝參數(shù)的設(shè)定對孔11 (圖2中虛線所代表的圓形區(qū)域，亦可參考圖1)進(jìn)行擴(kuò)孔，可以得到孔12 (圖2中實(shí)線代表的圓形區(qū)域)。
[0035]本發(fā)明中，刀具大小需要根據(jù)開孔大小而定的，作為一個具體實(shí)施例，在粗鉆孔階段，第一鉆頭的直徑為6.0mm，在精鉆孔階段，第二鉆頭的直徑為9.5mm。
[0036]在本發(fā)明的實(shí)施例中，第一鉆頭采用啄鉆的方式進(jìn)行鉆孔，即鉆頭每鉆一定深度就退后一點(diǎn)或者完全退出孔，以強(qiáng)制斷屑或者方便排屑?？梢圆扇∶裤@一定深度(例如
1.0mnT5.0mm)就退出一小段距離(例如0.2mm)的步進(jìn)進(jìn)給方式,這樣強(qiáng)制斷屑并由內(nèi)冷將鐵屑沖出，這樣的加工方式由于退刀很少(只有0.2mm)，在實(shí)際加工中幾乎感覺不到退刀動作，加工出的孔的精度和光度都能得到保證。也可以是鉆一定深度后(例如5mm)，強(qiáng)制鉆頭完全退出孔，排屑后再進(jìn)到孔內(nèi)繼續(xù)鉆孔。這樣可以防止碎屑堆積導(dǎo)致鉆頭折斷，同時也能減少因?yàn)樗樾级逊e導(dǎo)致的鉆尖熱堆積而造成刀具快速磨損。
[0037]在本發(fā)明的實(shí)施例中，第二鉆頭同樣采用啄鉆的方式進(jìn)行擴(kuò)孔。在粗鉆孔時所用第一鉆頭的直徑為6.0_，而在精鉆孔階段中采用的第二鉆頭的直徑為9.5mm,因而在精鉆孔階段，可以仍然采用啄鉆的方式進(jìn)一步擴(kuò)孔。采用上述具體的啄鉆可以避免刀具切削刃溫度過高，提高加工質(zhì)量。
[0038]本發(fā)明采用具有金剛石涂層的刀具，這種刀具具有超高硬度、耐高溫、耐磨、低摩擦系數(shù)、導(dǎo)熱良好、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。作為一種具體的實(shí)施例，該具有金剛石涂層的刀具的鉆頭如圖3所示，該鉆頭20是由一種碳化鎢(WC)基體制成，該基體具有范圍在大約2wt.%到IOwt.%之間的粘合的鈷(Co)以及厚度在2iim到20 y m之間的范圍內(nèi)的一個金剛石涂層。該鉆頭20包括一個桿21，一個縱向軸線22并包括兩個槽23和24，它們的螺旋角相對于該軸線22是在25度到25度之間的一個范圍內(nèi)。
[0039]本發(fā)明還克服了刀具與CFRP的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。CFRP的成分易與普通刀具表層起化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致普通刀具表層強(qiáng)度降低。這是因?yàn)镃FRP的成分中包含合成樹脂，通常是環(huán)氧樹脂、聚乙烯、酚醛樹脂等。普通刀具的涂層通常為TiN(氮化鈦)或TiAlN(氮鋁化鈦)，普通刀具在切削CFRP時，在高溫的作用下，與CFRP的樹脂成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，涂層破壞，刀具迅速失效。而金剛石的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，具有金剛石涂層的刀具不易與CFRP中的基體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，特別是CVD (Chemical Vapor Deposition,化學(xué)氣相沉淀)金剛石涂層刀具，由于CVD金剛石不含任何金屬催化劑，它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石，因而可以避免CFRP的成分與刀具表層起化學(xué)反應(yīng)。
[0040]普通刀具在加工過程中磨損比較厲害，刀具從鋒利變成鈍化，導(dǎo)致在CFRP開孔過程中，碳纖維未能完整切斷而殘留在孔內(nèi)，影響開孔表面外觀，如圖4 (a)表示。選擇金剛石涂層刀具，并合理設(shè)定刀具的加工參數(shù)，可以避免出現(xiàn)碳纖維未能完整切斷而殘留在孔內(nèi)的現(xiàn)象。如圖4 (b)所示。
[0041]本發(fā)明還可以避免在切削過程中CFRP的復(fù)合層板發(fā)生斷層現(xiàn)象。除了單純的CFRP板，CFRP還經(jīng)常與輕金屬(鋁或鈦)一起做成復(fù)合層板，典型的層板結(jié)構(gòu)有以下幾種:CFRP層和鋁層，CFRP層和鈦層，兩層鋁層中間設(shè)置CFRP層。如果刀具不鋒利時，在加工過程中，很容易使各層分離，而選擇金剛石涂層刀具和上述合理刀具參數(shù)就可以避免產(chǎn)品出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
[0042]本發(fā)明還提供了另外一種CFRP的開孔方法，包括:首先用具有金剛石涂層的第一鉆頭進(jìn)行鉆孔，以形成第二孔，鉆孔時，第一鉆頭的轉(zhuǎn)速為2500r/mirT3500r/min，第一鉆頭的進(jìn)給量為200mm/min"280mm/min,第一鉆頭的吃刀量為5mnT9mm。然后用具有金剛石涂層的第二鉆頭對所述第二孔進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔時，第二鉆頭的轉(zhuǎn)速為1500r/min?2500r/min,第二鉆頭的進(jìn)給量120mm/min"200mm/min,第二鉆頭的吃刀量為2mnT6mm。最后用具有金剛石涂層的銑刀對擴(kuò)孔后的所述第二孔進(jìn)行銑孔，銑孔時，銑刀的轉(zhuǎn)速為2500r/mirT3500r/min,統(tǒng)刀的進(jìn)給量為85mm/min?165mm/min,統(tǒng)刀的吃刀量為5mnT9mm。
[0043]對比第一種CFRP的開孔方法，本方法多了在擴(kuò)孔后的開孔進(jìn)行銑孔。而上述工藝參數(shù)選取的原因與第一種方法相同。本方法中，銑刀的直徑可以選擇為6.0mm，銑刀采用圓心下刀輪廓銑。銑孔最主要的目的是滿足工件的公差要求，因?yàn)殂娍卓梢允沟瞄_孔更加平滑，公差更小。
[0044]作為一種具體的實(shí)施例，本方法所用的銑刀30，請結(jié)合參考圖5和圖6。該銑刀30包括一個車床夾持部34、一個桿33、一個頸部32、一個切削頭部31。銑刀30具有一種刀具幾何形狀，該幾何形狀帶有以下特征:在大約2度至大約6度之間的一個凹角、在大約3度至大約18度之間的一個螺旋角、在大約0度與大約13度之間的一個銑齒徑向前角、在大約8度與大約16度之間的一個周邊銑齒徑向前角、在大約3度至大約10度之間的一個齒縫軸向前角、以及在大約10度至大約18度之間的一個主后角。該銑刀30外表面包覆有金剛石涂層。圖6為圖5所顯不的鉆頭中，切削頭部31的正面放大視圖?？梢钥闯?，切削頭部31的幾何形狀呈現(xiàn)風(fēng)車形，而在四個風(fēng)車翼上的刀刃部包括有金剛石涂層311。
[0045]本發(fā)明還提供了一種CFRP工件，該工件包括上述第一種方法形成的第一類開孔和上述第二種方法形成的第二類開孔。其中第一種方法形成的第一類開孔指通過了上述鉆孔和擴(kuò)孔過程形成的開孔，第二種方法形成的第二類開孔指經(jīng)過了上述鉆孔、擴(kuò)孔和銑孔過程后得到的開孔。當(dāng)然，該工件除上述兩類開孔之外，還可以包括有其它的開孔和其它的結(jié)構(gòu)。請參考圖7，圖7為上述CFRP工件實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該CFRP工件40包括有孔41和孔42，其中孔41 (類似于圖2中的孔12)是經(jīng)過上述第一種方法而得到的，而孔42是經(jīng)過上述第二種方法得到的。另外，該CFRP工件40還可以包括有其它的開孔和其它的結(jié)構(gòu)。
[0046]本說明書中各個部分采用遞進(jìn)的方式描述，每個部分重點(diǎn)說明的都是與其他部分的不同之處，各個部分之間相同相似部分互相參見即可。
[0047]本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種CFRP的開孔方法，其特征在于，包括: 用具有金剛石涂層的第一鉆頭進(jìn)行鉆孔，以形成第一孔，鉆孔時，所述第一鉆頭的轉(zhuǎn)速為2500r/min?3500r/min,所述第一鉆頭的進(jìn)給量為200mm/min?280mm/min,所述第一鉆頭的吃刀量為5mnT9mm ； 用具有金剛石涂層的第二鉆頭對所述第一孔進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔時，所述第二鉆頭的轉(zhuǎn)速為1500r/min?2500r/min,所述第二鉆頭的進(jìn)給量為120mm/min?200mm/min,所述第二鉆頭的吃刀量為2mnT6mm。
2.如權(quán)利要求1所述的CFRP的開孔方法，其特征在于，所述第一鉆頭的直徑為6.0mm ；所述第二鉆頭的直徑為9.5mm。
3.如權(quán)利要求1所述的CFRP的開孔方法，其特征在于，所述第一鉆頭采用啄鉆的方式進(jìn)行鉆孔。
4.如權(quán)利要求1所述的CFRP的開孔方法，其特征在于，所述第二鉆頭采用啄鉆的方式進(jìn)行擴(kuò)孔。
5.—種CFRP的開孔方法，其特征在于，包括: 用具有金剛石涂層的第一鉆頭進(jìn)行鉆孔，以形成第二孔，鉆孔時，所述第一鉆頭的轉(zhuǎn)速為2500r/min?3500r/min,所述第一鉆頭的進(jìn)給量為200mm/min?280mm/min,所述第一鉆頭的吃刀量為5mnT9mm ； 用具有金剛石涂層的第二鉆頭對所述第二孔進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔時，所述第二鉆頭的轉(zhuǎn)速為1500r/min?2500r/min,所述第二鉆頭的進(jìn)給量為120mm/min?200mm/min,所述第二鉆頭的吃刀量為2mnT6mm ； 用具有金剛石涂層的銑刀對擴(kuò)孔后的所述第二孔進(jìn)行銑孔，銑孔時，所述銑刀的轉(zhuǎn)速為2500r/min?3500r/min,所述統(tǒng)刀的進(jìn)給量為85mm/min?165mm/min,所述統(tǒng)刀的吃刀量為 5mm?9mmo
6.如權(quán)利要求5所述的CFRP的開孔方法，其特征在于，所述銑刀的直徑為6.0mm。
7.如權(quán)利要求5所述的CFRP的開孔方法，其特征在于，所述銑刀采用圓心下刀輪廓銑。
8.一種CFRP工件，其特征在于，該工件包括如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的CFRP的開孔方法形成的開孔和/或權(quán)利要求5至7中任意一項(xiàng)所述CFRP的開孔方法形成的開孔。
【文檔編號】B28D1/14GK103786265SQ201210424693
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月30日
【發(fā)明者】姚力軍, 相原俊夫, 大巖一彥, 潘杰, 王學(xué)澤, 范文新 申請人:寧波江豐電子材料有限公司