碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，包括位移機(jī)構(gòu)、自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、固定機(jī)構(gòu)和高速軸，公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在位移機(jī)構(gòu)上，自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，高速軸安裝在自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，高速軸上裝有刀具，固定機(jī)構(gòu)上設(shè)有抱死裝置，刀具的中心軸線與公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的公轉(zhuǎn)面的垂線設(shè)置傾斜角φ。本實(shí)用新型在對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行銑孔時(shí)，加工角度不是垂直于加工面的，因此，刀具與碳纖維復(fù)合材料接觸面的中心點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不為零，從而減小銑孔的阻力，增加加工效率并改善毛邊和分層的問題。
【專利說明】碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及碳纖維復(fù)合材料加工技術(shù)，特別是一種碳纖維復(fù)合材料的傾斜行 星螺旋銑孔裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳纖維復(fù)合材料具有許多優(yōu)良性能，碳纖維復(fù)合材料的軸向強(qiáng)度和模量高，密度 低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金 屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好，良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性 能、電磁屏蔽性好等，碳纖維復(fù)合材料被用于航空航天領(lǐng)域、賽車車身、體育用品等。
[0003] 然而，這些材料難以用常規(guī)銑孔方法加工。軌道銑孔技術(shù)成為這一問題的解決方 案之一。軌道銑孔類似螺旋銑加工中心。在這種情況下，軌道銑孔刀具被安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn) 工具上，這個(gè)工具作為行星式旋轉(zhuǎn)主軸的偏心軸，從而實(shí)現(xiàn)螺旋銑孔。用軌道銑孔方法加工 出來的孔要比螺旋銑或傳統(tǒng)加工技術(shù)加工的圓度更高。但是軌道銑孔有一些缺陷，例如， 由于工件的切削原理和機(jī)械震動(dòng)會(huì)產(chǎn)生工件分層和毛邊的問題；另外，普通的螺旋銑孔中， 刀具與待加工材料的加工面是垂直的，在銑孔時(shí)，是通過刀具的高速自轉(zhuǎn)形成切割刃對(duì)材 料進(jìn)行切割，但是刀具的中心與代加工材料的理論相對(duì)位移速度為零，這樣刀具在切割時(shí) 阻力是非常大的，因而銑孔的效率也較低。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型的目的在于，提供一種碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，可 以減小銑孔時(shí)的阻力，使銑孔更加高效，并且改善銑孔過程中碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生分層和 毛邊的問題。
[0005] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案：一種碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，包括位 移機(jī)構(gòu)、自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、固定機(jī)構(gòu)和高速軸，公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在位移機(jī)構(gòu)上，自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安 裝在公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，高速軸安裝在自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，高速軸上裝有刀具，固定機(jī)構(gòu)上設(shè)有抱死裝 置。刀具的中心軸線與公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的公轉(zhuǎn)面的垂線設(shè)置傾斜角Φ。采用本裝置銑孔時(shí)，避免 了加工時(shí)的零速點(diǎn)，因此，可以提高加工效率，節(jié)省時(shí)間。由于傾斜角Φ的存在，使行星運(yùn) 動(dòng)的刀具減小反速度半徑，在減小切割阻力的同時(shí)降低了機(jī)械振動(dòng)，因此，由于銑孔導(dǎo)致碳 纖維復(fù)合材料出現(xiàn)的毛邊和分層現(xiàn)象都可以得到改善。
[0006] 上述碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置中，所述傾斜角Φ大于0度，小于 或者等于2. 2度。
[0007] 上述碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置中，所述傾斜角Φ等于2. 2度。
[0008] 實(shí)驗(yàn)例1 :為了驗(yàn)證碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置的優(yōu)越性，進(jìn)行了 理論推導(dǎo)，具體如下：
[0009] 普通行星式螺旋銑孔中的刀具9的中心軸與待加工的碳纖維復(fù)合材料的加工面 是垂直的，由于刀具9是圍繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)的，因此，刀具9與碳纖維復(fù)合材料的接觸面 的中心點(diǎn)的相對(duì)位移速度理論值為零，這樣加工時(shí)刀具9遇到的阻力是非常大的。如圖3 所示，由于刀具9在自轉(zhuǎn)的同時(shí)也在公轉(zhuǎn)，因此，刀具9的底部邊緣在公轉(zhuǎn)速度的影響下產(chǎn) 生反速度半徑（rn)，反速度半徑即由于運(yùn)動(dòng)的合成，刀具9的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致刀具9的自轉(zhuǎn)半徑減 小量，圖3(b)中是切削刃1與碳纖維復(fù)合材料的夾角為45度時(shí)，兩虛線分別是刀具9自轉(zhuǎn) 速度和公轉(zhuǎn)速度，實(shí)線為刀具9自轉(zhuǎn)速度和公轉(zhuǎn)速度的合成速度；圖3(c)中是切削刃1與 碳纖維復(fù)合材料的夾角為〇度時(shí)，兩虛線分別是刀具9自轉(zhuǎn)速度和公轉(zhuǎn)速度，實(shí)線為刀具9 自轉(zhuǎn)速度和公轉(zhuǎn)速度的合成速度；由于刀具9的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的相互影響，導(dǎo)致刀具9相對(duì)于 碳纖維復(fù)合材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度降低，銑孔的效率也就降低了。
[0010] 刀具9的切削刃1移動(dòng)速度為行星軌道運(yùn)行速度，即：
[0011] V0 = 2 31 0S (rt+r0) (1)
[0012] V = 2 π Rco
[0013]此條件下：R=rt+r。，ω= 〇s;
[0014]所以V。= V = 23iRco = 2Ji〇s(rt+r。）
[0015] 其中，方程式中r。為行星運(yùn)動(dòng)的公轉(zhuǎn)半徑，0S為行星運(yùn)轉(zhuǎn)速度，rt為刀頭半徑，V。 為行星軌道運(yùn)行速度；
[0016] 在零速點(diǎn)時(shí)，即刀具9與被加工工件接觸面恰好位于公轉(zhuǎn)圓心時(shí)，行星軌道運(yùn)行 速度等于刀具9自轉(zhuǎn)速度，S卩：V。=Vs ;
[0017]所以，2π〇s (rt+r。）= 2πTssrt (2)
[0018] 其中，Tss為刀具9旋轉(zhuǎn)速度。
[0019]由方程式⑵變形得 2π〇srn(l+r()/rn) = 2πTssrn (3);
[0020] 因此，在軌道鉆孔底部的反速度半徑被定義為方程式：
[0021] rn =ro/(Tss/0s-l) (4) 〇
[0022] 在實(shí)際操作中，如果銑孔時(shí)需要加工的區(qū)域半徑小于反速度半徑，則銑孔不能有 效進(jìn)行，因此，零速點(diǎn)和反速度半徑應(yīng)盡量避免。
[0023]如圖4所示，傾斜角是Φ，rnt是刀具9與碳纖維復(fù)合材料表面第一次接觸的半徑， rt是刀具9的刀頭半徑，根據(jù)方程式（4)可得出結(jié)論：碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔 裝置可以減小甚至消除反速度半徑，從而增強(qiáng)銑孔效果。例如，假設(shè)在實(shí)際操作中，反速度 半徑rn = 0· 02mm,則其基本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為r。= 2mm,Tss = 30000r·mirf1，0S = 300mm/min。 若實(shí)際的傾斜行星鉆井Ψ= 3rad，rt = 3mm,rn = 0. 157mm，則可以避免反速度半徑。碳纖 維復(fù)合材料的傾斜行星運(yùn)動(dòng)螺旋銑裝置可根據(jù)此提高銑孔效果，代替?zhèn)鹘y(tǒng)無傾斜角Φ的 普通行星式螺旋銑孔裝置。
[0024] 碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星式螺旋銑孔的銑孔直徑是由其幾何參數(shù)確定的，碳纖 維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔幾何模型如圖5。重要的參數(shù)有刀頭半徑rt，刀具9長(zhǎng)度 ?Υ和傾斜角Φ，行星運(yùn)行中心3,鉆探孔半徑12是指刀具9在碳纖維復(fù)合材料7的銑孔半 徑；工具旋轉(zhuǎn)中心13是指刀具的公轉(zhuǎn)中心，即與電動(dòng)機(jī)主軸直接連接的軸所對(duì)應(yīng)的中心位 置，傾斜中心14是指刀具的自轉(zhuǎn)中心，即刀具的中軸線所對(duì)應(yīng)的位置。傾斜行星式螺旋銑 孔直徑D由方程式（5)確定：
[0025] D= 2(rt+TLtanΦ) (5)。
[0026] 當(dāng)?shù)毒呤褂糜谇蝾^銑刀時(shí)，還可以通過調(diào)節(jié)傾斜角Φ的大小對(duì)銑孔的直徑進(jìn)行 控制。
[0027] 目前，現(xiàn)有的行星銑的偏心為0?2mm，偏心為刀具的刀頭旋轉(zhuǎn)半徑；
[0028] 根據(jù)公式（5):D= 2 (rt+IYtanΦ),rt是刀具的刀頭半徑；
[0029]也就是：D=d+2IYtanΦ，其中d是刀頭直徑；
[0030]貝UtanΦ=(D_d) /2Tl
[0031] 當(dāng)偏心為2mm時(shí)，D-d=4mm，一般?γ最小為50mm，所以傾斜角φ最大2· 2。。
[0032] 實(shí)驗(yàn)例2 :為了驗(yàn)證本實(shí)用新型的可行性和上述理論的正確性，將本實(shí)用新型的 銑孔裝置與普通行星式螺旋銑孔進(jìn)行比對(duì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：
[0033] 使用車床和高速主軸普通螺旋銑相組合進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。碳纖維復(fù)合材料固定在車 床的主軸上，高速主軸上安裝刀具9,以碳纖維復(fù)合材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)替代刀具9的行星公轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)。
[0034] 刀具9可以調(diào)節(jié)傾斜角Φ的度數(shù)。在這種情況下，車床的主軸旋作為行星運(yùn)動(dòng)， 其幾何模型如圖2所示，離心率方程式如下 ：
[0035] X! =L2sinΦ-Q(1-cosΦ) (6)。
[0036] 碳纖維復(fù)合材料選用聚丙烯腈基碳纖維；比重：1.5,抗拉強(qiáng)度：1.5kn，楊氏模 量：120gpa，玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)：120 ;
[0037] 板材規(guī)格：底面積50mm2,厚度：5mm。將刀具9的傾斜角Φ設(shè)置為2. 2度。
[0038] 其中銑孔的條件相同，參見下表1 :
[0039]表1
[0040]

【權(quán)利要求】
1. 一種碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，其特征在于，包括位移機(jī)構(gòu)（4)、自 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（6)、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（5)、固定機(jī)構(gòu)（10)和高速軸（8)，公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（5)安裝在位移機(jī)構(gòu)（4) 上，自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（6)安裝在公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（5)上，高速軸⑶安裝在自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（6)上，高速軸（8) 上裝有刀具（9)，固定機(jī)構(gòu)（10)上設(shè)有抱死裝置（11)，刀具（9)的中心軸線與公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（5) 的公轉(zhuǎn)面的垂線設(shè)置傾斜角Φ。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，其特征在于，所 述傾斜角Φ大于〇度，小于或者等于2. 2度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳纖維復(fù)合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，其特征在于，所 述傾斜角Φ等于2. 2度。
【文檔編號(hào)】B23C3/00GK203863095SQ201420304501
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】王海艷, 余建業(yè), 孫金, 商雨桐, 任華蕊 申請(qǐng)人:東北大學(xué)