钻孔工具和带有低温冷却的钻孔装置以及用于在非均质材料堆叠物上钻孔的方法
【专利说明】钻孔工具和带有低温冷却的钻孔装置以及用于在非均质材 料堆叠物上钻孔的方法
[0001] 本发明涉及工具领域和用来在材料上钻孔的装置领域。
[0002] 具体地，本发明涉及钻头以及在金属材料和复合材料的堆叠物上钻孔的钻孔装 置，例如在飞机结构的装配过程中生产的那些材料。
[0003] 具有高机械性能和尽量低重量的结构的生产，引导所述结构的设计者使用钛基金 属合金和含有碳、玻璃或包含在硬化的有机基质中的聚芳基酰胺纤维的复合材料，所述硬 化的有机基质通常为聚合物树脂。
[0004] 当这些部件必须被钻孔或挖通以生产装配件时，钻孔条件必须适应被机械加工的 材料。
[0005] 因此，钛合金的导热系数低，比铝的导热系数约低10倍，在使用油性润滑剂的钻 孔过程中，通常使用具有由碳化钨（WC)和钴粘合剂制成的基底的工具来钻孔，所述基底抵 抗可达到l〇〇〇°C的温度。这些高温是用于钻孔的钻头加速磨损的原因。
[0006] 另外，具有高耐磨特性的复合材料，尤其在通过磨损而损害钻孔工具的碳纤维的 情况下，通常利用由具有金刚石的碳化钨和或金刚石涂层嵌件制成的工具对所述复合材料 进行干钻孔，优选地，所述金刚石涂层嵌件为多晶金刚石（PCD)嵌件。
[0007] 由于这些迥然不同的钻孔条件以及使用针对每个条件的钻头的需求，在由钛合金 制成的堆叠物部件和碳纤维复合材料制成的堆叠物部件上钻孔，证明是困难的。
[0008] 尤其是，由于以下事实：复合材料，对于最常见的复合材料，不应该局部超过树 脂的玻璃化转变温度，在最常见的复合材料的情况下，所述树脂的玻璃化转变温度约为 180°C，而金刚石的石墨化发生在约800°C，由于达到的温度可以损坏所述工具，在复合材料 上钻孔的工具不适于在钛合金上钻孔，通常利用适于在钛上钻孔的工具进行这些各种材料 的堆叠物的一步钻孔，同时为了限制温度的升高，必要时尽可能多地增加润滑油的用量。
[0009] 此外，通过磨擦而导致的钻孔工具的加速磨损不利于复合材料制成的堆叠物部件 的钻孔。
[0010] 通过为在堆叠物上钻孔而装备的钻头，本发明提供了一种这些问题的解决方法， 所述堆叠物包括至少一个金属材料层，例如钛基合金，和至少一个包括固定在硬化基质中 的纤维的复合材料层，例如固化的有机树脂基质可的碳纤维。在钻头内部，所述钻头包括至 少一个液氮流动通道，所述通道沿着轴线穿过钻头主体，所述轴线例如基本上与钻头在钻 孔作业期间的旋转轴一致，所述通道例如在靠近末端处开口，所述钻头通过该末端被旋转 驱动机所控制，所述通道包含一端靠近钻头的至少一个刀刃的、沿着钻头长度在末端对面 的至少一个液氮排出管道，所述液氮排出管道在接近至少一个刀刃处开口，所述至少一个 刀刃由用多晶金刚石制成且附着至钻头主体的嵌件形成。
[0011] 因此，通过与将低温冷却液氮分配到通道中的方法结合，形成的多晶金刚石焊接 钻头使在金属材料上钻孔时在不导致工具过热的情况下释放大量热能成为可能，所述热能 难以除去且能够非常迅速地损毁工具。
[0012] P⑶s的使用减慢了由复合材料的磨耗导致的通常磨损。
[0013] 在一种实施方式中，所述钻头包括多个刀刃，且每个刀刃包括至少一个液氮排出 管道，所述管道在接近所述刀刃处开口，以便在钻孔作业期间所述液氮集中朝向相应刀刃。
[0014] 在一种实施方式中，每个刀刃包括在所述刀刃的切割面上开口的至少一个液氮排 出管道，和在所述刀刃的磨损面上开口的至少一个液氮排出管道，所述管道既使增加冷却 所述刀刃的液氮流速成为可能，又使为所述刀刃提供冷却的液氮蔓延到组成刀刃的所述嵌 件的两个面上成为可能。
[0015] 经由具有尽可能宽的直径的直槽，所述液氮流动通道例如为轴向的，这使减少压 力损失和促进液氮流通成为可能。
[0016] 为了提高液氮冷却的效率，在液氮接近刀刃处之前限制热损失，通过所述通道至 少部分长度上的绝热材料，所述钻头的通道是内部绝缘的。
[0017] 在一种实施方式中，所述钻头的通道包括一个扩大的横截面，所述横截面在位于 刀刃附近的主体区域组成贮囊。因此，在装置运转期间，形成液氮的贮囊，所述贮囊在加热 区附近提供增加的冷却量，且在液氮供应失败时或者在金属材料上钻孔结束时过早切断液 氮时，所述IC囊提供液氮缓冲容量。
[0018] 优选地，根据预期的切割条件，当钻头被用于在钛基合金上钻孔时，设置穿过主体 (10)的所述液氮流动通道（20)和所述液氮排出管道（22)的大小，以便在基本上77开尔 文的温度下，提供以下液氮流速，所述液氮流速足以使刀刃（13)保持在低于将嵌件（30)的 多晶金刚石转化为石墨的温度，以便使包含钛基合金的所述堆叠物的一步钻孔在工业上可 行。
[0019] 用于在堆叠物上钻孔的钻孔装置包括如前述权利要求中的一项所述的钻头，液氮 生产单元和将液氮从所述生产单元分配到钻头的系统，以便当钻孔进行时，所述装置确保 钻头的冷却，所述堆叠物包括至少一层金属材料和至少一层包括固定在硬化基质中的纤维 的复合材料。
[0020] 本发明同样涉及钻孔方法，所述钻孔方法适于在堆叠物上钻孔，所述堆叠物包括 至少一层金属材料，例如钛基合金，和至少一层包括固定在硬化基质中的纤维的复合材料， 例如在固化的有机树脂基质中的碳纤维，其中以包括至少一个刀刃的钻头的一步钻孔法进 行钻孔，所述刀刃由用多晶金刚石制成且附着至钻头主体上的嵌件组成，且其中在堆叠物 上钻孔期间，当由多晶金刚石制成的嵌件构成的刀刃与金属材料接触时，通过所述钻头的 运输通道，低温的液氮被运输至接近刀刃处，所述运输通道经由至少一个接近刀刃的排出 管道开口。
[0021] 因此，通过上述方法，利用适于在复合材料上钻孔的工具，使包含金属材料的所述 堆叠物的钻孔成为可能。
[0022] 为了确保所述刀刃的充分冷却且使金属材料的比较快速钻孔成为可能，所述液氮 被同时运输至接近刀刃处以及刀刃的切割面和刀刃的磨损面，且每个刀刃都是这样的。 [0023] 如果必要的话，为了限制钻孔作业的液氮消耗，根据钻头相对于堆叠物的测量位 置或估算位置，将液氮输送至通道，当该位置确定金属材料的钻孔正在进行或很可能进行 时，从对钻过孔的堆叠物的特性的了解或者钻孔过程中测量或估算所述钻头末端相对于的 堆叠物坐标的位置，得到上述情况是可能的。
[0024] 为了确保在具有差热传导性的金属上钻孔的钻头具有令人满意的使用寿命，当所 述钻头在钛基金属合金上钻孔时，液氮以足够保持所述钻头低于金刚石转化为石墨的温度 的流速传输。
[0025] 参照附图，对本发明进行描述，非限制地如图所示，所述附图表示：
[0026] 图1 :根据本发明的钻孔装置；
[0027] 图2 :沿着纵向横截面，用在图1钻孔装置中的钻头的实例；
[0028] 图3 :使用图1钻孔装置，在堆叠物上进行钻孔的方法步骤；
[0029] 图4 :将钻孔装置装配到位于钻网上的便携式钻孔装置的实例。
[0030] 为了帮助它们的理解且不同附图的相似部分具有相同参照，上述附图既在附图之 间，又在一幅且相同的附图的不同部分之间，是非等比例的。
[0031] 图1中描述的装置100包括钻头101，生产低温氮的单元102和将液氮从生产单元 102分配到钻头101的系统103。
[0032] 所述生产单元102包括任何一种基本上在环境压力下能够生产液氮的装置，即在 大约77开尔文的温度下，具有钻头101的操作条件下所需的流速的低温氮。在一个简单的 实施方式中，生产单元102包括加固的低温恒温器类型的含有大量液氮的绝热罐。在另一 种实施方式中，所述生产单元包括通过大气氮的压缩来生产液氮的装置，例如使用史特灵 循环机。
[0033] 所述分配系统103包括能够将液氮从生产单元102输送至钻头101且能够控制它 们的流速的任何装置。
[0034] 具体地，所述分配系统103包括至少一个液氮输送管道，优选地，所述管道的一部 分并入使钻头101旋转的旋转驱动机中，所述旋转驱动机没有在图1中描述。
[0035] 上述旋转驱动机例如为固定钻孔机，形成需钻孔的堆叠物的部件被夹在所述固定 钻孔机上，或者所述旋转驱动机为用在大量结构组件的装配位置处的便携式钻孔装置，例 如所述装配位置用于将机翼连接到机身。
[0036] 在进行钻孔操作的途径中，所述词语"堆叠物"一般被用在这里，以表示包含两个 或更多部件的结构区域，所述部件含有不同材料和/或两种或更多种不同材料，所述材料 包括至少一种金属材料和至少一种复合材料。
[0037] 所述钻头101包括具有轴11的整体圆柱状的主体10,所述轴11与钻头的纵轴相 一致，在钻孔操作期间，围绕所述纵轴旋转所述钻头。
[0038] 所述主体10的第一末端形成尾端12,在适当情况下，利用没有描述的安装圆锥 体，通过所述尾端将钻头附加到旋转驱动机上，且在主体10上，所述主体的第二末端与所 述第一末端相对，所述第二末端包括一个或更多个刀刃13,如具有两个刀刃的钻头的图1 的细节a)所示。
[0039] 如图2所示，图示表示轴向横截面中的钻头，主体10内部的通道20,基本上沿着 轴向长度穿过所述主体，且所述通道20 -方面在至少一个液氮入口 21处的末端12区域开 口，另一方面在接近液氮排出管道22处的刀刃13处开口。
[0040] 在一种优选的实施方式中，每个刀刃13与通往所述刀刃的切割面131的至少一个 排出管道相连，且与通往图1细节a)中所述刀刃的磨损面132的至少一个排出管道相连。
[0041] 金刚石嵌件30实际上为由工业上生产的多晶金刚石（P⑶）制成的嵌件，将所述金 刚石嵌件30附着至所述主体10上，以形成刀刃13。
[0042] 在一种实施方式中，液氮入口 21被安排在基本上集中在轴11上的钻头10的第一 末端的一个面上。
[0043] 在一种实施方式中，在至少所述通道长度部分上，通道20具有扩大的横截面，以 形成贮囊23。
[0044] 在一种实施方式中，通道20包括隔热涂层24,以便组成主体10的材料不直接与穿 过所述通道的液氮接触并限制在主体10处的热交换，所述隔热涂层例如为具有高含量铬 和镍的合金制成的外壳，比如invar?，或者为非金属材料，比如软木塞或例如聚四氟甲烷 的高分子材料，在阐明的典型实施方式中，所述隔热涂层24仅仅影响从入口 21到不保温区 域25的通道20的一部分，当为钻头提供上述贮囊时，例如与贮囊23相一致的所述区域是 可能的。
[0045] 不存在能以任何方式削弱钻头101的机械强度到能够导致钻头在钻孔期间预期 压力下破裂的情况下，通道20的横剖面实际上是尽量大的，以有利于流过主体10的液氮的 高流速，以保持刀刃处的温度在钻头可接受的值。以