鉆孔工具和帶有低溫冷卻的鉆孔裝置以及用于在非均質(zhì)材料堆疊物上鉆孔的方法
【專利說明】鉆孔工具和帶有低溫冷卻的鉆孔裝置以及用于在非均質(zhì)材 料堆疊物上鉆孔的方法
[0001] 本發(fā)明涉及工具領域和用來在材料上鉆孔的裝置領域。
[0002] 具體地，本發(fā)明涉及鉆頭以及在金屬材料和復合材料的堆疊物上鉆孔的鉆孔裝 置，例如在飛機結構的裝配過程中生產(chǎn)的那些材料。
[0003] 具有高機械性能和盡量低重量的結構的生產(chǎn)，引導所述結構的設計者使用鈦基金 屬合金和含有碳、玻璃或包含在硬化的有機基質(zhì)中的聚芳基酰胺纖維的復合材料，所述硬 化的有機基質(zhì)通常為聚合物樹脂。
[0004] 當這些部件必須被鉆孔或挖通以生產(chǎn)裝配件時，鉆孔條件必須適應被機械加工的 材料。
[0005] 因此，鈦合金的導熱系數(shù)低，比鋁的導熱系數(shù)約低10倍，在使用油性潤滑劑的鉆 孔過程中，通常使用具有由碳化鎢（WC)和鈷粘合劑制成的基底的工具來鉆孔，所述基底抵 抗可達到l〇〇〇°C的溫度。這些高溫是用于鉆孔的鉆頭加速磨損的原因。
[0006] 另外，具有高耐磨特性的復合材料，尤其在通過磨損而損害鉆孔工具的碳纖維的 情況下，通常利用由具有金剛石的碳化鎢和或金剛石涂層嵌件制成的工具對所述復合材料 進行干鉆孔，優(yōu)選地，所述金剛石涂層嵌件為多晶金剛石（PCD)嵌件。
[0007] 由于這些迥然不同的鉆孔條件以及使用針對每個條件的鉆頭的需求，在由鈦合金 制成的堆疊物部件和碳纖維復合材料制成的堆疊物部件上鉆孔，證明是困難的。
[0008] 尤其是，由于以下事實：復合材料，對于最常見的復合材料，不應該局部超過樹 脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，在最常見的復合材料的情況下，所述樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為 180°C，而金剛石的石墨化發(fā)生在約800°C，由于達到的溫度可以損壞所述工具，在復合材料 上鉆孔的工具不適于在鈦合金上鉆孔，通常利用適于在鈦上鉆孔的工具進行這些各種材料 的堆疊物的一步鉆孔，同時為了限制溫度的升高，必要時盡可能多地增加潤滑油的用量。
[0009] 此外，通過磨擦而導致的鉆孔工具的加速磨損不利于復合材料制成的堆疊物部件 的鉆孔。
[0010] 通過為在堆疊物上鉆孔而裝備的鉆頭，本發(fā)明提供了一種這些問題的解決方法， 所述堆疊物包括至少一個金屬材料層，例如鈦基合金，和至少一個包括固定在硬化基質(zhì)中 的纖維的復合材料層，例如固化的有機樹脂基質(zhì)可的碳纖維。在鉆頭內(nèi)部，所述鉆頭包括至 少一個液氮流動通道，所述通道沿著軸線穿過鉆頭主體，所述軸線例如基本上與鉆頭在鉆 孔作業(yè)期間的旋轉(zhuǎn)軸一致，所述通道例如在靠近末端處開口，所述鉆頭通過該末端被旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動機所控制，所述通道包含一端靠近鉆頭的至少一個刀刃的、沿著鉆頭長度在末端對面 的至少一個液氮排出管道，所述液氮排出管道在接近至少一個刀刃處開口，所述至少一個 刀刃由用多晶金剛石制成且附著至鉆頭主體的嵌件形成。
[0011] 因此，通過與將低溫冷卻液氮分配到通道中的方法結合，形成的多晶金剛石焊接 鉆頭使在金屬材料上鉆孔時在不導致工具過熱的情況下釋放大量熱能成為可能，所述熱能 難以除去且能夠非常迅速地損毀工具。
[0012] P⑶s的使用減慢了由復合材料的磨耗導致的通常磨損。
[0013] 在一種實施方式中，所述鉆頭包括多個刀刃，且每個刀刃包括至少一個液氮排出 管道，所述管道在接近所述刀刃處開口，以便在鉆孔作業(yè)期間所述液氮集中朝向相應刀刃。
[0014] 在一種實施方式中，每個刀刃包括在所述刀刃的切割面上開口的至少一個液氮排 出管道，和在所述刀刃的磨損面上開口的至少一個液氮排出管道，所述管道既使增加冷卻 所述刀刃的液氮流速成為可能，又使為所述刀刃提供冷卻的液氮蔓延到組成刀刃的所述嵌 件的兩個面上成為可能。
[0015] 經(jīng)由具有盡可能寬的直徑的直槽，所述液氮流動通道例如為軸向的，這使減少壓 力損失和促進液氮流通成為可能。
[0016] 為了提高液氮冷卻的效率，在液氮接近刀刃處之前限制熱損失，通過所述通道至 少部分長度上的絕熱材料，所述鉆頭的通道是內(nèi)部絕緣的。
[0017] 在一種實施方式中，所述鉆頭的通道包括一個擴大的橫截面，所述橫截面在位于 刀刃附近的主體區(qū)域組成貯囊。因此，在裝置運轉(zhuǎn)期間，形成液氮的貯囊，所述貯囊在加熱 區(qū)附近提供增加的冷卻量，且在液氮供應失敗時或者在金屬材料上鉆孔結束時過早切斷液 氮時，所述IC囊提供液氮緩沖容量。
[0018] 優(yōu)選地，根據(jù)預期的切割條件，當鉆頭被用于在鈦基合金上鉆孔時，設置穿過主體 (10)的所述液氮流動通道（20)和所述液氮排出管道（22)的大小，以便在基本上77開爾 文的溫度下，提供以下液氮流速，所述液氮流速足以使刀刃（13)保持在低于將嵌件（30)的 多晶金剛石轉(zhuǎn)化為石墨的溫度，以便使包含鈦基合金的所述堆疊物的一步鉆孔在工業(yè)上可 行。
[0019] 用于在堆疊物上鉆孔的鉆孔裝置包括如前述權利要求中的一項所述的鉆頭，液氮 生產(chǎn)單元和將液氮從所述生產(chǎn)單元分配到鉆頭的系統(tǒng)，以便當鉆孔進行時，所述裝置確保 鉆頭的冷卻，所述堆疊物包括至少一層金屬材料和至少一層包括固定在硬化基質(zhì)中的纖維 的復合材料。
[0020] 本發(fā)明同樣涉及鉆孔方法，所述鉆孔方法適于在堆疊物上鉆孔，所述堆疊物包括 至少一層金屬材料，例如鈦基合金，和至少一層包括固定在硬化基質(zhì)中的纖維的復合材料， 例如在固化的有機樹脂基質(zhì)中的碳纖維，其中以包括至少一個刀刃的鉆頭的一步鉆孔法進 行鉆孔，所述刀刃由用多晶金剛石制成且附著至鉆頭主體上的嵌件組成，且其中在堆疊物 上鉆孔期間，當由多晶金剛石制成的嵌件構成的刀刃與金屬材料接觸時，通過所述鉆頭的 運輸通道，低溫的液氮被運輸至接近刀刃處，所述運輸通道經(jīng)由至少一個接近刀刃的排出 管道開口。
[0021] 因此，通過上述方法，利用適于在復合材料上鉆孔的工具，使包含金屬材料的所述 堆疊物的鉆孔成為可能。
[0022] 為了確保所述刀刃的充分冷卻且使金屬材料的比較快速鉆孔成為可能，所述液氮 被同時運輸至接近刀刃處以及刀刃的切割面和刀刃的磨損面，且每個刀刃都是這樣的。 [0023] 如果必要的話，為了限制鉆孔作業(yè)的液氮消耗，根據(jù)鉆頭相對于堆疊物的測量位 置或估算位置，將液氮輸送至通道，當該位置確定金屬材料的鉆孔正在進行或很可能進行 時，從對鉆過孔的堆疊物的特性的了解或者鉆孔過程中測量或估算所述鉆頭末端相對于的 堆疊物坐標的位置，得到上述情況是可能的。
[0024] 為了確保在具有差熱傳導性的金屬上鉆孔的鉆頭具有令人滿意的使用壽命，當所 述鉆頭在鈦基金屬合金上鉆孔時，液氮以足夠保持所述鉆頭低于金剛石轉(zhuǎn)化為石墨的溫度 的流速傳輸。
[0025] 參照附圖，對本發(fā)明進行描述，非限制地如圖所示，所述附圖表示：
[0026] 圖1 :根據(jù)本發(fā)明的鉆孔裝置；
[0027] 圖2 :沿著縱向橫截面，用在圖1鉆孔裝置中的鉆頭的實例；
[0028] 圖3 :使用圖1鉆孔裝置，在堆疊物上進行鉆孔的方法步驟；
[0029] 圖4 :將鉆孔裝置裝配到位于鉆網(wǎng)上的便攜式鉆孔裝置的實例。
[0030] 為了幫助它們的理解且不同附圖的相似部分具有相同參照，上述附圖既在附圖之 間，又在一幅且相同的附圖的不同部分之間，是非等比例的。
[0031] 圖1中描述的裝置100包括鉆頭101，生產(chǎn)低溫氮的單元102和將液氮從生產(chǎn)單元 102分配到鉆頭101的系統(tǒng)103。
[0032] 所述生產(chǎn)單元102包括任何一種基本上在環(huán)境壓力下能夠生產(chǎn)液氮的裝置，即在 大約77開爾文的溫度下，具有鉆頭101的操作條件下所需的流速的低溫氮。在一個簡單的 實施方式中，生產(chǎn)單元102包括加固的低溫恒溫器類型的含有大量液氮的絕熱罐。在另一 種實施方式中，所述生產(chǎn)單元包括通過大氣氮的壓縮來生產(chǎn)液氮的裝置，例如使用史特靈 循環(huán)機。
[0033] 所述分配系統(tǒng)103包括能夠?qū)⒁旱獜纳a(chǎn)單元102輸送至鉆頭101且能夠控制它 們的流速的任何裝置。
[0034] 具體地，所述分配系統(tǒng)103包括至少一個液氮輸送管道，優(yōu)選地，所述管道的一部 分并入使鉆頭101旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機中，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機沒有在圖1中描述。
[0035] 上述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機例如為固定鉆孔機，形成需鉆孔的堆疊物的部件被夾在所述固定 鉆孔機上，或者所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機為用在大量結構組件的裝配位置處的便攜式鉆孔裝置，例 如所述裝配位置用于將機翼連接到機身。
[0036] 在進行鉆孔操作的途徑中，所述詞語"堆疊物"一般被用在這里，以表示包含兩個 或更多部件的結構區(qū)域，所述部件含有不同材料和/或兩種或更多種不同材料，所述材料 包括至少一種金屬材料和至少一種復合材料。
[0037] 所述鉆頭101包括具有軸11的整體圓柱狀的主體10,所述軸11與鉆頭的縱軸相 一致，在鉆孔操作期間，圍繞所述縱軸旋轉(zhuǎn)所述鉆頭。
[0038] 所述主體10的第一末端形成尾端12,在適當情況下，利用沒有描述的安裝圓錐 體，通過所述尾端將鉆頭附加到旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機上，且在主體10上，所述主體的第二末端與所 述第一末端相對，所述第二末端包括一個或更多個刀刃13,如具有兩個刀刃的鉆頭的圖1 的細節(jié)a)所示。
[0039] 如圖2所示，圖示表示軸向橫截面中的鉆頭，主體10內(nèi)部的通道20,基本上沿著 軸向長度穿過所述主體，且所述通道20 -方面在至少一個液氮入口 21處的末端12區(qū)域開 口，另一方面在接近液氮排出管道22處的刀刃13處開口。
[0040] 在一種優(yōu)選的實施方式中，每個刀刃13與通往所述刀刃的切割面131的至少一個 排出管道相連，且與通往圖1細節(jié)a)中所述刀刃的磨損面132的至少一個排出管道相連。
[0041] 金剛石嵌件30實際上為由工業(yè)上生產(chǎn)的多晶金剛石（P⑶）制成的嵌件，將所述金 剛石嵌件30附著至所述主體10上，以形成刀刃13。
[0042] 在一種實施方式中，液氮入口 21被安排在基本上集中在軸11上的鉆頭10的第一 末端的一個面上。
[0043] 在一種實施方式中，在至少所述通道長度部分上，通道20具有擴大的橫截面，以 形成貯囊23。
[0044] 在一種實施方式中，通道20包括隔熱涂層24,以便組成主體10的材料不直接與穿 過所述通道的液氮接觸并限制在主體10處的熱交換，所述隔熱涂層例如為具有高含量鉻 和鎳的合金制成的外殼，比如invar?，或者為非金屬材料，比如軟木塞或例如聚四氟甲烷 的高分子材料，在闡明的典型實施方式中，所述隔熱涂層24僅僅影響從入口 21到不保溫區(qū) 域25的通道20的一部分，當為鉆頭提供上述貯囊時，例如與貯囊23相一致的所述區(qū)域是 可能的。
[0045] 不存在能以任何方式削弱鉆頭101的機械強度到能夠?qū)е裸@頭在鉆孔期間預期 壓力下破裂的情況下，通道20的橫剖面實際上是盡量大的，以有利于流過主體10的液氮的 高流速，以保持刀刃處的溫度在鉆頭可接受的值。以