本發(fā)明屬于復(fù)合材料自動化加工領(lǐng)域，具體涉及一種用于cf-peek材料的鉆孔裝置及其鉆孔方法。

背景技術(shù)：

1、cf-peek材料具有優(yōu)秀的物理和力學(xué)性能，如耐熱、耐磨、耐疲勞、耐輻照、耐剝離和抗蠕變等，在多個領(lǐng)域如石油、化工、機械等作為特殊功能材料得到廣泛應(yīng)用，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性，適用于要求嚴格的工業(yè)應(yīng)用，如航空航天、石油管道等，是一種非常重要的碳纖維復(fù)合材料，但由于其自身的非均勻性和各向異性與其加工硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致其在鉆孔過程中往往伴隨有撕裂、毛刺、分層等缺陷，影響了孔的加工質(zhì)量，同時由于cf-peek材料硬度高，鉆孔過程易使得普通鉆頭產(chǎn)生嚴重的磨損情況，降低鉆頭的壽命。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種用于cf-peek材料的鉆孔裝置及其鉆孔方法。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明一種用于cf-peek材料的鉆孔裝置，包括機架、鉆削機構(gòu)、超聲波磨削機構(gòu)、銑削機構(gòu)和工件夾持機構(gòu)。

4、所述鉆削機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)電機一，直線滑臺模組一、鉆頭、冷卻液管和噴頭；所述直線滑臺模組一水平固定于機架上，并驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機一和冷卻液管水平平移，旋轉(zhuǎn)電機一驅(qū)動水平設(shè)置的鉆頭旋轉(zhuǎn)，且鉆頭的副切削刃靠近頭部位置處開設(shè)有l(wèi)型凹槽，l型凹槽位于副切削刃上的位置開設(shè)有與副切削刃方向相反的反切削刃；所述噴頭與冷卻液管的出口固定并連通。

5、所述超聲波磨削機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)電機二、直線滑臺模組二與振動磨削刀組件；所述平行于直線滑臺模組一的直線滑臺模組二固定于機架上，并驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機二水平平移；所述振動磨削刀組件包括超聲振子一和磨削刀具，旋轉(zhuǎn)電機二驅(qū)動超聲振子一的超聲換能器旋轉(zhuǎn)，磨削刀具固定于超聲振子一的變幅桿上，超聲振子一驅(qū)動磨削刀具沿軸向方向往復(fù)振動。所述銑削機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)電機三、直線滑臺模組三和銑刀；所述平行于直線滑臺模組一的直線滑臺模組三固定于機架上，并驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機三水平平移，旋轉(zhuǎn)電機三驅(qū)動銑刀旋轉(zhuǎn)。

6、所述工件夾持機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)電機四、直線滑臺模組四和振動夾具；所述水平且垂直于直線滑臺模組一的直線滑臺模組四固定于機架上，并驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機四水平平移；所述振動夾具包括超聲振子二和工件夾具，旋轉(zhuǎn)電機四驅(qū)動超聲振子二的超聲換能器旋轉(zhuǎn)，工件夾具設(shè)于超聲振子二的變幅桿上，超聲振子二驅(qū)動工件夾具沿垂直于磨削刀具中心軸線輸出軸的方向往復(fù)振動。

7、其中，直線滑臺模組一、直線滑臺模組二和直線滑臺模組三依次間距布置，旋轉(zhuǎn)電機一、旋轉(zhuǎn)電機二、旋轉(zhuǎn)電機三和旋轉(zhuǎn)電機四的輸出軸水平平行，并均平行于直線滑臺模組一。

8、優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)電機一的殼體固定于直線滑臺模組一的滑臺上，鉆頭與旋轉(zhuǎn)電機一的輸出軸通過自緊鉆夾頭同軸固定。

9、優(yōu)選地，所述鉆頭采用三個主切削刃和三個副切削刃都均勻分布的三刃鉆頭，鉆頭的材質(zhì)采用金剛石；鉆頭的每個副切削刃靠近頭部位置處均開設(shè)有l(wèi)型凹槽。

10、優(yōu)選地，所述冷卻液管采用萬向節(jié)導(dǎo)管。

11、優(yōu)選地，所述工件夾具包括底板、螺栓和夾板，豎直設(shè)置的底板固定于超聲振子二的變幅桿上，底板的兩端固定有垂直于底板且平行布置的兩個隔板，兩個隔板遠離超聲振子二的一端固定有平行于底板的兩個擋板，每個擋板與底板之間設(shè)有平行于底板的夾板，且每個夾板與鄰近的隔板構(gòu)成垂直于底板的滑動副，每個夾板外側(cè)設(shè)有垂直于底板的螺栓，螺栓與鄰近擋板上開設(shè)的孔洞構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，并與鄰近夾板上開設(shè)的螺紋孔構(gòu)成螺紋副。

12、本發(fā)明一種cf-peek材料鉆孔方法，具體如下：

13、步驟一、通過工件夾具夾緊待鉆孔的cf-peek材料工件。

14、步驟二、直線滑臺模組四驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機四帶動振動夾具和cf-peek材料工件向靠近直線滑臺模組三的方向平移，使得cf-peek材料工件上待加工孔的中心與鉆頭對齊，cf-peek材料工件平移至鉆加工位置；其中，振動夾具包括超聲振子二和工件夾具；然后直線滑臺模組一驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機一帶動鉆頭向靠近直線滑臺模組四的方向平移，旋轉(zhuǎn)電機一驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆頭與cf-peek材料工件表面接觸，并開始對cf-peek材料工件進行初步鉆孔，同時水泵工作，液氮被輸送至冷卻液管中，并從噴嘴噴灑至鉆頭上，對鉆頭進行冷卻；完成初步鉆孔后，直線滑臺模組一驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機一帶動鉆頭向遠離直線滑臺模組四的方向平移至初始位置，水泵和旋轉(zhuǎn)電機一停止工作。其中，鉆頭進行初步鉆孔時，鉆頭的反切削刃對鉆頭主切削刃生成的毛刺進行反向切削，去除無法被主切削刃切除的遺留毛刺。

15、步驟三、直線滑臺模組四驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機四帶動振動夾具和cf-peek材料工件繼續(xù)向靠近直線滑臺模組三的方向平移，使得cf-peek材料工件上經(jīng)過步驟二初步鉆孔形成的孔中心與磨削刀具中心對齊，cf-peek材料工件移動至磨削加工位置；接著直線滑臺模組二驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機二帶動振動磨削刀組件向靠近直線滑臺模組四的方向平移，使得磨削刀具穿過初步鉆孔形成的孔，同時旋轉(zhuǎn)電機二驅(qū)動超聲振子一帶動磨削刀具旋轉(zhuǎn)，超聲振子一驅(qū)動磨削刀具沿磨削刀具軸向方向往復(fù)振動；然后旋轉(zhuǎn)電機四驅(qū)動振動夾具帶動cf-peek材料工件旋轉(zhuǎn)，超聲振子二驅(qū)動工件夾具帶動cf-peek材料工件沿垂直于磨削刀具中心軸線的方向往復(fù)振動，同時直線滑臺模組四驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機四帶動振動夾具和cf-peek材料工件繼續(xù)向靠近直線滑臺模組三的方向平移預(yù)設(shè)距離一，磨削刀具與初步鉆孔形成的孔的內(nèi)壁接觸，并對初步鉆孔形成的孔進行磨削加工與擴孔操作；接著，直線滑臺模組四停止驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機四，旋轉(zhuǎn)電機四停止驅(qū)動振動夾具，超聲振子二停止驅(qū)動工件夾具，直線滑臺模組二上驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機二帶動振動磨削刀組件向遠離直線滑臺模組四的方向平移至初始位置，旋轉(zhuǎn)電機二停止驅(qū)動超聲振子一，超聲振子一停止驅(qū)動磨削刀具。其中，進行磨削加工與擴孔操作時，磨削刀具沿磨削刀具軸向方向的往復(fù)振動，以及cf-peek材料工件沿垂直于磨削刀具中心軸方向往復(fù)振動與cf-peek材料工件旋轉(zhuǎn)的配合，形成三維旋轉(zhuǎn)超聲振動磨削模式。

16、步驟四、直線滑臺模組四驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機四帶動振動夾具和cf-peek材料工件繼續(xù)向靠近直線滑臺模組三的方向平移，使得cf-peek材料工件上經(jīng)過步驟三磨削加工與擴孔操作后的孔的中心與銑刀中心對齊，cf-peek材料工件移動至銑削加工位置，直線滑臺模組四再驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機四帶動振動夾具和cf-peek材料工件繼續(xù)向靠近直線滑臺模組三的方向平移預(yù)設(shè)距離二；接著旋轉(zhuǎn)電機四驅(qū)動振動夾具帶動cf-peek材料工件旋轉(zhuǎn)，直線滑臺模組三驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機三帶動銑刀向靠近直線滑臺模組四的方向平移，旋轉(zhuǎn)電機三驅(qū)動銑刀旋轉(zhuǎn)，銑刀與cf-peek材料工件表面接觸，并對磨削加工與擴孔后的孔進行銑削；完成銑削后，直線滑臺模組三驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機三帶動銑刀向遠離直線滑臺模組四的方向平移至初始位置，旋轉(zhuǎn)電機三停止驅(qū)動銑刀，旋轉(zhuǎn)電機四停止驅(qū)動振動夾具；然后直線滑臺模組四驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機四帶動振動夾具和cf-peek材料工件向遠離直線滑臺模組三的方向平移至初始位置，從工件夾具上取出cf-peek材料工件，進而完成cf-peek材料工件上待加工孔的加工工作。

17、本發(fā)明具有以下有益效果：

18、1、本發(fā)明可以實現(xiàn)對cf-peek材料工件的鉆孔工作，且鉆孔效率高，孔的加工質(zhì)量較高。具體地，本發(fā)明通過鉆削機構(gòu)對cf-peek材料工件進行鉆孔，實現(xiàn)了對cf-peek材料工件的初步鉆孔，通過超聲波磨削機構(gòu)與工件夾持機構(gòu)的配合實現(xiàn)了對孔的磨削加工與擴孔操作，并通過銑削機構(gòu)和工件夾持機構(gòu)的配合實現(xiàn)了對孔的銑削工作；進一步，初步鉆孔過程中液氮從噴嘴噴灑至鉆頭與cf-peek材料工件的接觸位置，降低了切削熱，避免了因工件局部溫度升高影響材料的力學(xué)性能而造成撕裂現(xiàn)象的發(fā)生，同時鉆頭上開設(shè)的反切削刃對主切削刃切削時生成的毛刺進行反向切削，進而實現(xiàn)了對主切削刃切削時產(chǎn)生的毛刺的有效去除；磨削加工與擴孔操作過程中磨削刀具沿軸向方向的往復(fù)振動和cf-peek材料工件沿垂直于磨削刀具中心軸線的方向往復(fù)振動在與cf-peek材料工件的旋轉(zhuǎn)運動的配合下形成了三維旋轉(zhuǎn)超聲振動磨削模式，且往復(fù)振動的磨削刀具對孔內(nèi)壁進行反復(fù)磨削，使得孔內(nèi)壁的磨削軌跡具有一定程度的重疊，在降低切削力的同時，對孔內(nèi)壁起到一定的熨平作用，減少了因鉆削帶來的撕裂問題，改善了表面粗糙度，提升孔表面質(zhì)量，往復(fù)振動的cf-peek材料工件使得磨削刀具對孔的持續(xù)磨削轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇性磨削，減小了磨削刀具的軸向切削力，避免了因軸向切削力過大導(dǎo)致cf-peek材料層間載荷超過其粘結(jié)強度而出現(xiàn)相鄰鋪層材料脫膠分離的現(xiàn)象，cf-peek材料工件旋轉(zhuǎn)運動與cf-peek材料工件往復(fù)振動的配合，促進了cf-peek材料工件的去除效果，提高了磨削效率，從而提高了鉆孔效率；銑削加工時銑削的主運動為銑刀的旋轉(zhuǎn)運動，主切削力是作用于銑刀圓周切線方向的分力，軸向切削力較小，避免了cf-peek材料工件分層現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時減少了鉆孔加工時的鉆入缺陷、分層缺陷和鉆出缺陷，提升了孔的表面質(zhì)量和加工精度。

19、2、本發(fā)明采用了先鉆、后磨、最后銑的最優(yōu)加工工序。若將加工順序改為先鉆，后銑，最后磨，則由鉆削帶來的分層問題或許可以由銑削解決，但其增加了孔的毛刺與出孔撕裂問題，而且后續(xù)磨削加工中產(chǎn)生的材料分層問題又需要重新進行銑削加工，因此采用先鉆、后磨、最后銑的加工工序可以有效降低加工過程復(fù)雜程度，同時能夠確?？椎募庸ぞ?。

20、3、本發(fā)明的鉆頭采用了三刃鉆頭，具有三條主切削刃，使得每條主切削刃的進給量較小，進一步減少了鉆孔過程中的熱量和壓力集中，降低了撕裂現(xiàn)象發(fā)生的可能性，并降低了鉆頭磨損和斷裂的風(fēng)險，進而提高了鉆頭的使用壽命，此外，三條切削刃的均勻分布有利于保持鉆孔的直線度和圓度，避免了因切削力不均勻而產(chǎn)生的毛刺，使得入口質(zhì)量與出口質(zhì)量均較好，進而提高了孔的加工質(zhì)量；另外，鉆頭的材質(zhì)采用金剛石，使得三刃鉆頭硬度較大，進一步提高了鉆孔效率，并進一步減少了鉆孔過程中鉆頭磨損和斷裂的風(fēng)險，提高了鉆頭的使用壽命。

21、4、本發(fā)明中擴孔功能與磨削功能分離，使擴孔功能通過工件自身的旋轉(zhuǎn)與工件垂直于進給方向的緩慢移動來實現(xiàn)，在保證磨削功能最大化的同時確保了擴孔的效率與精度。