碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置製造方法
2023-05-15 06:29:21
碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，包括位移機構、自轉機構、公轉機構、固定機構和高速軸，公轉機構安裝在位移機構上，自轉機構安裝在公轉機構上，高速軸安裝在自轉機構上，高速軸上裝有刀具，固定機構上設有抱死裝置，刀具的中心軸線與公轉機構的公轉面的垂線設置傾斜角φ。本實用新型在對碳纖維複合材料進行銑孔時，加工角度不是垂直於加工面的，因此，刀具與碳纖維複合材料接觸面的中心點相對運動速度不為零，從而減小銑孔的阻力，增加加工效率並改善毛邊和分層的問題。
【專利說明】碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及碳纖維複合材料加工技術，特別是一種碳纖維複合材料的傾斜行 星螺旋銑孔裝置。
【背景技術】
[0002] 碳纖維複合材料具有許多優良性能，碳纖維複合材料的軸向強度和模量高，密度 低、比性能高，無蠕變，非氧化環境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介於非金屬和金 屬之間，熱膨脹係數小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好，良好的導電導熱性 能、電磁屏蔽性好等，碳纖維複合材料被用於航空航天領域、賽車車身、體育用品等。
[0003] 然而，這些材料難以用常規銑孔方法加工。軌道銑孔技術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旋轉 工具上，這個工具作為行星式旋轉主軸的偏心軸，從而實現螺旋銑孔。用軌道銑孔方法加工 出來的孔要比螺旋銑或傳統加工技術加工的圓度更高。但是軌道銑孔有一些缺陷，例如， 由於工件的切削原理和機械震動會產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，是通過刀具的高速自轉形成切割刃對材 料進行切割，但是刀具的中心與代加工材料的理論相對位移速度為零，這樣刀具在切割時 阻力是非常大的，因而銑孔的效率也較低。 實用新型內容
[0004] 本實用新型的目的在於，提供一種碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，可 以減小銑孔時的阻力，使銑孔更加高效，並且改善銑孔過程中碳纖維複合材料產生分層和 毛邊的問題。
[0005] 本實用新型的技術方案：一種碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，包括位 移機構、自轉機構、公轉機構、固定機構和高速軸，公轉機構安裝在位移機構上，自轉機構安 裝在公轉機構上，高速軸安裝在自轉機構上，高速軸上裝有刀具，固定機構上設有抱死裝 置。刀具的中心軸線與公轉機構的公轉面的垂線設置傾斜角Φ。採用本裝置銑孔時，避免 了加工時的零速點，因此，可以提高加工效率，節省時間。由於傾斜角Φ的存在，使行星運 動的刀具減小反速度半徑，在減小切割阻力的同時降低了機械振動，因此，由於銑孔導致碳 纖維複合材料出現的毛邊和分層現象都可以得到改善。
[0006] 上述碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置中，所述傾斜角Φ大於0度，小於 或者等於2. 2度。
[0007] 上述碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置中，所述傾斜角Φ等於2. 2度。
[0008] 實驗例1 :為了驗證碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置的優越性，進行了 理論推導，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複合材料的加工面 是垂直的，由於刀具9是圍繞其中心軸線旋轉的，因此，刀具9與碳纖維複合材料的接觸面 的中心點的相對位移速度理論值為零，這樣加工時刀具9遇到的阻力是非常大的。如圖3 所示，由於刀具9在自轉的同時也在公轉，因此，刀具9的底部邊緣在公轉速度的影響下產 生反速度半徑（rn)，反速度半徑即由於運動的合成，刀具9的公轉導致刀具9的自轉半徑減 小量，圖3(b)中是切削刃1與碳纖維複合材料的夾角為45度時，兩虛線分別是刀具9自轉 速度和公轉速度，實線為刀具9自轉速度和公轉速度的合成速度；圖3(c)中是切削刃1與 碳纖維複合材料的夾角為〇度時，兩虛線分別是刀具9自轉速度和公轉速度，實線為刀具9 自轉速度和公轉速度的合成速度；由於刀具9的自轉和公轉的相互影響，導致刀具9相對於 碳纖維複合材料的相對運動速度降低，銑孔的效率也就降低了。
[0010] 刀具9的切削刃1移動速度為行星軌道運行速度，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。為行星運動的公轉半徑，0S為行星運轉速度，rt為刀頭半徑，V。 為行星軌道運行速度；
[0016] 在零速點時，即刀具9與被加工工件接觸面恰好位於公轉圓心時，行星軌道運行 速度等於刀具9自轉速度，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，在軌道鑽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] 在實際操作中，如果銑孔時需要加工的區域半徑小於反速度半徑，則銑孔不能有 效進行，因此，零速點和反速度半徑應儘量避免。
[0023]如圖4所示，傾斜角是Φ，rnt是刀具9與碳纖維複合材料表面第一次接觸的半徑， rt是刀具9的刀頭半徑，根據方程式（4)可得出結論：碳纖維複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，從而增強銑孔效果。例如，假設在實際操作中，反速度 半徑rn = 0· 02mm,則其基本實驗結果為r。= 2mm,Tss = 30000r·mirf1，0S = 300mm/min。 若實際的傾斜行星鑽井Ψ= 3rad，rt = 3mm,rn = 0. 157mm，則可以避免反速度半徑。碳纖 維複合材料的傾斜行星運動螺旋銑裝置可根據此提高銑孔效果，代替傳統無傾斜角Φ的 普通行星式螺旋銑孔裝置。
[0024] 碳纖維複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確定的，碳纖 維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔幾何模型如圖5。重要的參數有刀頭半徑rt，刀具9長度 ?Υ和傾斜角Φ，行星運行中心3,鑽探孔半徑12是指刀具9在碳纖維複合材料7的銑孔半 徑；工具旋轉中心13是指刀具的公轉中心，即與電動機主軸直接連接的軸所對應的中心位 置，傾斜中心14是指刀具的自轉中心，即刀具的中軸線所對應的位置。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] 當刀具使用於球頭銑刀時，還可以通過調節傾斜角Φ的大小對銑孔的直徑進行 控制。
[0027] 目前，現有的行星銑的偏心為0?2mm，偏心為刀具的刀頭旋轉半徑；
[0028] 根據公式（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] 當偏心為2mm時，D-d=4mm，一般?γ最小為50mm，所以傾斜角φ最大2· 2。。
[0032] 實驗例2 :為了驗證本實用新型的可行性和上述理論的正確性，將本實用新型的 銑孔裝置與普通行星式螺旋銑孔進行比對，實驗內容如下：
[0033] 使用車床和高速主軸普通螺旋銑相組合進行模擬實驗。碳纖維複合材料固定在車 床的主軸上，高速主軸上安裝刀具9,以碳纖維複合材料的相對運動替代刀具9的行星公轉 運動。
[0034] 刀具9可以調節傾斜角Φ的度數。在這種情況下，車床的主軸旋作為行星運動， 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] 碳纖維複合材料選用聚丙烯腈基碳纖維；比重：1.5,抗拉強度：1.5kn，楊氏模 量：120gpa，玻璃化轉變點：120 ;
[0037] 板材規格：底面積50mm2,厚度：5mm。將刀具9的傾斜角Φ設置為2. 2度。
[0038] 其中銑孔的條件相同，參見下表1 :
[0039]表1
[0040]
【權利要求】
1. 一種碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，其特徵在於，包括位移機構（4)、自 轉機構（6)、公轉機構（5)、固定機構（10)和高速軸（8)，公轉機構（5)安裝在位移機構（4) 上，自轉機構（6)安裝在公轉機構（5)上，高速軸⑶安裝在自轉機構（6)上，高速軸（8) 上裝有刀具（9)，固定機構（10)上設有抱死裝置（11)，刀具（9)的中心軸線與公轉機構（5) 的公轉面的垂線設置傾斜角Φ。
2. 根據權利要求1所述的碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，其特徵在於，所 述傾斜角Φ大於〇度，小於或者等於2. 2度。
3. 根據權利要求2所述的碳纖維複合材料的傾斜行星螺旋銑孔裝置，其特徵在於，所 述傾斜角Φ等於2. 2度。
【文檔編號】B23C3/00GK203863095SQ201420304501
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月9日 優先權日:2014年6月9日
【發明者】王海豔, 餘建業, 孫金, 商雨桐, 任華蕊 申請人:東北大學