本发明涉及纤维增强复合材料的切削技术领域，具体说是一种芳纶纤维增强复合材料(afrp)的新型制孔方法。
背景技术：
芳纶纤维增强复合材料在武器装备、人防装甲、航空设备等领域应用广泛。然而芳纶纤维韧性较大，可加工性不好。在机加工中强韧而不易碎折，经过一定的塑性变形才能断裂，是最难加工的材料之一。在复合材料构件的装配过程中，钻削制孔是一项重要工序。在钻削过程中，afrp复合材料容易产生分层、撕裂、起毛等缺陷。当钻头即将钻出工件时，工件的未切削层在轴向切削力的作用下发生弹性变形。当某个点的轴向切削力超过了复合材料的层间结合强度时，就会发生分层缺陷。由于麻花钻横刃有负前角，在钻削过程中横刃不能切削材料，而是将材料从钻尖中心向外挤压。由于出口处缺乏有效支撑，表面纤维层在刀具作用下弯曲变形并发生退让，绝大多数的芳纶纤维发生了拉伸断裂和弯曲断裂，导致出口处表面的纤维与基体之间开裂，产生撕裂缺陷。由于入口处材料缺乏有效固定，在钻头的剥离作用下，未被及时切断的材料会被螺旋槽撕扯并掀起，在此过程中芳纶纤维发生明显的屈服和缩颈，经过一定的塑性变形才能断裂。芳纶纤维的断口参差不齐，堆积于入口处呈丝絮状，进而形成起毛缺陷。这些加工缺陷不仅严重影响afrp复合材料构件的加工和装配精度，承载能力和疲劳寿命也会明显下降。
cn201410160266.2公开了一种碳纤维复合材料结构装配的钻孔方法。该方法首先对碳纤维复合材料构件进行预装配，在碳纤维复合材料零件上钻两个以上的定位孔，然后用销子插入定位孔进行锁紧定位，定位后进行切边，再对切边后的碳纤维复合材料构件进行钻孔。然而，碳纤维是高硬度的脆性材料，芳纶纤维是高韧性的柔性材料。与碳纤维的断裂特征不同，芳纶纤维经过一定的塑性变形才能断裂。此外，芳纶纤维与树脂间的界面粘结性能较差，更易发生界面脱粘现象，加工缺陷更加严重。因此，碳纤维复合材料的钻孔方法并不适用于afrp复合材料工件的制孔要求。cn201210219209.8公开了一种在纤维增强复合材料层合板上加工槽孔的方法。该方法提出加工过程中在层合板上下表面设置垫板或在加工部位周边粘贴纤维布或透明胶带的装夹方式，通过选用合理的刀具材料、刀具几何参数以及切削参数，解决了采用传统方法对层合板材和薄壁回转体上开口或钻孔存在分层、劈裂、烧伤等质量问题。然而，采用垫板支撑的钻削方法还有一些弊端。由于增强纤维硬质点的研磨作用以及粘结作用，导致刀具在钻削纤维增强复合材料时磨损十分严重。垫板通常采用硬质高密度材料或铝板，钻头切削垫板的过程进一步加剧了刀具的磨损。此外，钻削垫板时产生的切屑在钻头的作用下反复刮擦孔壁以及层合板与垫板的界面，并夹杂在损伤区域内，也会影响制孔质量。因此，本发明提出了一种新型制孔方法，在套环与刀具的相互作用下钻削afrp复合材料，能够有效抑制分层、撕裂、起毛等制孔缺陷，提升制孔质量。
技术实现要素：
本发明针对芳纶纤维的难加工特性和特殊的缺陷形成机理提出了新型制孔方法，在套环与刀具的相互作用下钻削afrp复合材料。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所提供的技术方案是：一种基于套环与刀具相互作用的afrp复合材料制孔方法，其特征在于包括以下步骤：首先，在被加工的afrp复合材料工件的上、下表面分别固定上套环和下套环；然后，分别对上套环和下套环施加压紧力和支撑力，提升afrp复合材料的层间强度；在保证套环与工件紧密贴合的前提下，刀具轴向穿过套环的内径对复合材料进行钻削。
当钻削至复合材料工件时，刀具与套环之间形成相互作用，其作用在于，所述上套环施加的作用力抑制了入口处表面芳纶纤维的回弹和退让；入口处表面纤维层同时受到切削刃和套环孔壁边缘施加的复合剪切作用，使纤维发生剪切断裂，抑制起毛缺陷的产生；所述下套环施加的作用力抑制出口处表面纤维的弯曲变形和退让；出口处表面纤维层同时受到切削刃与套环孔壁边缘施加的复合剪切作用，使纤维发生剪切断裂，抑制撕裂缺陷的产生；所述下套环施加的支撑力抑制了工件的底层材料因刀具的轴向切削力而产生的弯曲变形向非加工区域扩展，进而抑制分层缺陷的发生。
所述套环为特制的环形构件，分为上套环和下套环，对称同轴放置。所述上套环和下套环内径相同，内径根据被加工孔径的大小调整尺寸。套环内径应比加工孔径大0.1～0.5mm，防止刀具切削套环的同时，使套环与刀具之间形成复合剪切作用。所述套环的结构型式根据工件的型面而扩展。采用具有相应弧度的套环，紧密贴合曲面工件的上下表面，适合在曲面上进行钻削。采用具有相应斜度的套环，紧密贴合工件的上下表面，适合在斜面上进行钻削。将接触面设计为凸台结构，适合钻削空间较小的工况。
本发明具有的优点和积极效果是：刀具切削刃与套环孔壁的边缘之间形成复合剪切作用，利于切断工件入口处和出口处表面的芳纶纤维，抑制起毛和撕裂缺陷。此外，套环的支撑作用能够增加工件的层间结合强度，抑制分层缺陷。采用该方法钻削afrp复合材料，能够显著提升制孔质量，减少加工缺陷，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的钻削原理图；
图2为钻削入口处的示意图；
图3为钻削出口处的示意图；
图4为afrp复合材料制孔质量检测方法：(a)出口处分层缺陷检验，(b)出口处撕裂缺陷检验，(c)入口处起毛缺陷检验；
图5为套环的其他结构型式：(a)曲面钻削，(b)斜面钻削，(c)凸台接触面。
图中：1、刀具，11、切削刃，2、上套环，21、上套环孔壁边缘，3、afrp复合材料工件，31、入口处表面的芳纶纤维丝束，32、出口处表面的芳纶纤维丝束，4、下套环，41、下套环孔壁边缘。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图对本发明进行详细描述。
实施例一
参见图1，一种基于套环与刀具相互作用的afrp复合材料制孔方法。在被加工的afrp复合材料工件3的上下表面固定套环。套环为特制的环形构件，分为上下两体对称同轴布置。上套环2压紧工件，下套环4支撑工件。afrp复合材料工件由芳纶纤维正交编织预浸料制备，基体材料为环氧树脂或酚醛树脂。逐层铺放预浸料后，通过热压罐固化为复合材料层合板。
为保证套环与工件之间紧密贴合，套环应采用刚度较大的材料。在轴向进给过程中刀具1穿过套环的内径进行钻削，当钻削至复合材料层合板时，刀具与套环之间形成相互作用。钻削φ6mm的通孔时，套环内径为φ6.1mm，以防止刀具切削到套环，增加刀具磨损；套环内径与钻削孔径之差不应过大，否则将削弱套环与刀具之间的相互作用。钻削过程中，进给速度为20mm/min，主轴转速为3500rpm。由于afrp复合材料的吸湿性，钻削过程采用干式切削，并吹扫压缩空气以降低刀具和工件的切削温度。
对上套环2施加压紧力，对下套环4施加支撑力，增加钻削过程中的工艺系统刚度，提升afrp复合材料的层间结合强度，抑制工件的底层材料因钻头的轴向切削力而产生的弯曲变形向非加工区域扩展，进而抑制分层缺陷的发生。
参加图2，上套环2施加的作用力使得加工区域入口处的纤维两端被夹紧，在切削过程中处于拉应力的状态，减轻了芳纶纤维的回弹和退让。切削刃11沿着套环孔壁边缘21进行切削，因此入口处表面的芳纶纤维丝束31同时受到切削刃和套环孔壁边缘施加的剪切力，利于纤维发生剪切断裂，从而抑制起毛缺陷的产生。此外，上套环施加的压缩载荷能够阻止刀具的剥离作用导致的起毛现象向非加工区域扩展。
参见图3，下套环4施加的作用力使得加工区域出口处的纤维两端被夹紧，在切削过程中处于拉应力的状态，抑制芳纶纤维的弯曲变形和退让。运动的切削刃11与静止的套环孔壁边缘41形成相对运动，因此出口处表面的芳纶纤维束32同时受到切削刃与套环孔壁边缘施加的剪切力，利于纤维发生剪切断裂，进而抑制撕裂缺陷的产生。此外，下套环的支撑力进一步阻止了纤维层的撕裂向非加工区域延伸。
参见图4，检验afrp复合材料的制孔质量。出口处分层缺陷检验，通过测量钻孔出口处分层区域的最大直径来表征分层缺陷。出口处撕裂缺陷检验，通过测量并计算撕裂缺陷沿孔边缘的弧长与孔公称周长的比值来表征撕裂缺陷。入口处起毛缺陷检验，通过测量最大起毛区域直径来表征起毛缺陷。
参见图5，套环的结构型式可依据工件的型面而扩展。采用具有相应弧度的套环，紧密贴合曲面工件的上下表面，适合在曲面上进行钻削。采用具有相应斜度的套环，紧密贴合工件的上下表面，适合在斜面上进行钻削。将接触面设计为凸台结构，适合钻削空间较小的工况。
实施例二
参见图1，一种基于套环与刀具相互作用的afrp复合材料制孔方法。在被加工的afrp复合材料工件3的上下表面固定套环。套环为特制的环形构件，分为上下两体对称同轴布置。上套环2压紧工件，下套环4支撑工件。
在轴向进给过程中刀具1穿过套环的内径进行钻削，当钻削至复合材料层合板时，刀具与套环之间形成相互作用。钻削φ6mm的通孔时，套环内径为φ6.1mm。钻削过程中，进给速度为40mm/min，主轴转速为3500rpm。由于afrp复合材料的吸湿性，钻削过程采用干式切削，并吹扫压缩空气以降低刀具和工件的切削温度。
对上套环2施加压紧力，对下套环4施加支撑力，增加钻削过程中的工艺系统刚度，提升afrp复合材料的层间结合强度，抑制工件的底层材料因钻头的轴向切削力而产生的弯曲变形向非加工区域扩展，进而抑制分层缺陷的发生。
参加图2，上套环2施加的作用力使得加工区域入口处的纤维两端被夹紧，在切削过程中处于拉应力的状态，减轻了芳纶纤维的回弹和退让。切削刃11沿着套环孔壁边缘21进行切削，因此入口处表面的芳纶纤维丝束31同时受到切削刃和套环孔壁边缘施加的剪切力，利于纤维发生剪切断裂，从而抑制起毛缺陷的产生。此外，上套环施加的压缩载荷能够阻止刀具的剥离作用导致的起毛现象向非加工区域扩展。
参见图3，下套环4施加的作用力使得加工区域出口处的纤维两端被夹紧，在切削过程中处于拉应力的状态，抑制芳纶纤维的弯曲变形和退让。运动的切削刃11与静止的套环孔壁边缘41形成相对运动，因此出口处表面的芳纶纤维束32同时受到切削刃与套环孔壁边缘施加的剪切力，利于纤维发生剪切断裂，进而抑制撕裂缺陷的产生。此外，下套环的支撑力进一步阻止了纤维层的撕裂向非加工区域延伸。
参见图4，检验afrp复合材料的制孔质量。出口处分层缺陷检验，通过测量钻孔出口处分层区域的最大直径来表征分层缺陷。出口处撕裂缺陷检验，通过测量并计算撕裂缺陷沿孔边缘的弧长与孔公称周长的比值来表征撕裂缺陷。入口处起毛缺陷检验，通过测量最大起毛区域直径来表征起毛缺陷。
对比例三
不在工件的上下表面放置套环，采用传统方法在afrp复合材料工件上钻削φ6mm的通孔。钻削过程中，进给速度为20mm/min，主轴转速为3500rpm。由于afrp复合材料的吸湿性，钻削过程采用干式切削，并吹扫压缩空气以降低刀具和工件的切削温度。
参见图4，检验afrp复合材料的制孔质量。出口处分层缺陷检验，通过测量钻孔出口处分层区域的最大直径来表征分层缺陷。出口处撕裂缺陷检验，通过测量并计算撕裂缺陷沿孔边缘的弧长与孔公称周长的比值来表征撕裂缺陷。入口处起毛缺陷检验，通过测量最大起毛区域直径来表征起毛缺陷。
对比例四
不在工件的上下表面放置套环，采用传统方法在afrp复合材料工件上钻削φ6mm的通孔。钻削过程中，进给速度为40mm/min，主轴转速为3500rpm。由于afrp复合材料的吸湿性，钻削过程采用干式切削，并吹扫压缩空气以降低刀具和工件的切削温度。
参见图4，检验afrp复合材料的制孔质量。出口处分层缺陷检验，通过测量钻孔出口处分层区域的最大直径来表征分层缺陷。出口处撕裂缺陷检验，通过测量并计算撕裂缺陷沿孔边缘的弧长与孔公称周长的比值来表征撕裂缺陷。入口处起毛缺陷检验，通过测量最大起毛区域直径来表征起毛缺陷。
实施例一、二和对比例三、四的制孔质量参见表1。与不采用套环钻削相比，采用内径6.1mm套环的加工缺陷明显降低，制孔质量得到了显著改善。实施例一的最大分层直径、撕裂长度比和最大起毛区域直径分别比对比例三下降了26.4％、53.0％、29.8％。实施例二的最大分层直径、撕裂长度比和最大起毛区域直径分别比对比例四下降了27.0％、47.0％、26.2％。
表1有无套环钻削6mm孔径的制孔质量对比
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。