本發(fā)明涉及cfrp板材精密加工，具體涉及一種cfrp板材的高深徑比孔精密復合加工方法。

背景技術：

1、碳纖維增強樹脂基復合材料(簡稱cfrp)是以碳纖維為增強材料，以環(huán)氧樹脂為基體的新型復合材料，具有高比強度、高比模量、密度小等優(yōu)勢。針對cfrp材料，存在高深徑比孔加工需求，如cfrp板材作為機身結(jié)構(gòu)時，通過在垂直尾翼上制造微米大小的孔，可以顯著降低飛機上空的空氣阻力；在光纖領域的振動測量、溫度測量以及裂紋和分層檢測中也有高深徑比孔需求。

2、目前，cfrp材料的精密加工已成為精密制造領域最受關注的技術之一，現(xiàn)有的加工方式主要有三種。一是傳統(tǒng)切削加工cfrp，但由于碳纖維層硬度高，對刀具要求高，很難進行高深徑比（深徑比大于10）的孔加工；二是激光加工cfrp，但由于激光加工需要考慮材料對激光的吸收，也無法進行深孔加工，且激光衰減，加工孔錐度較大；三是使用電火花加工，但加工過程中電極損耗嚴重且加工效率很低，且隨著加工孔深度的增加，蝕除產(chǎn)物的排屑難度逐漸加大，嚴重影響加工質(zhì)量與加工效率。

3、隨著高端飛行裝備的發(fā)展，諸多結(jié)構(gòu)使用層狀結(jié)構(gòu)的cfrp板材，這種板材由若干交替排列的碳纖維編織層和環(huán)氧樹脂層構(gòu)成，即相鄰碳纖維編織層之間為環(huán)氧樹脂層，相鄰環(huán)氧樹脂層之間為碳纖維編織層，其中碳纖維編織層中存在樹脂相，但由于碳纖維之間相互接觸，碳纖維編織層呈現(xiàn)導電特性。受限于現(xiàn)有高深徑比孔技術的限制，阻礙了這類cfrp板材的應用。因此，迫切需要針對層狀cfrp板材的高深徑比孔精密加工方法。更關鍵的是，即使現(xiàn)有先進的電火花加工工藝也只能將孔側(cè)壁的燒蝕坑深控制在約300~500μm（燒蝕坑深是指孔側(cè)壁的熱影響區(qū)缺陷深度），且越靠近孔入口處的燒蝕坑深越大，特別是孔入口處的燒蝕坑深接近500μm，要進一步減小孔側(cè)壁的燒蝕坑深一直是本領域多年未攻克的技術難點。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決背景技術中提到的技術問題，本發(fā)明目的在于提供一種cfrp板材的高深徑比孔精密復合加工方法。

2、本發(fā)明采用了如下技術方案。

3、一種cfrp板材的高深徑比孔精密復合加工方法，步驟包括：

4、步驟1，將工件固定在工作介質(zhì)槽中的工件夾具上，將鉆頭形工具電極安裝在機床主軸上；

5、步驟2，將工作介質(zhì)槽連接介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)（工作介質(zhì)槽是指供絕緣工作介質(zhì)流動的槽），絕緣工作介質(zhì)通過介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)送入加工極間并循環(huán)流動；將脈沖電源（本發(fā)明簡稱電源）連接工件、工具電極；

6、步驟3，加工過程中，工件加工區(qū)域始終浸沒在絕緣工作介質(zhì)中，接通電源給極間供電；

7、加工cfrp板材的碳纖維編織層時，由電源、工件和工具電極及其線路共同構(gòu)成電流回路，運動控制系統(tǒng)控制機床主軸做旋轉(zhuǎn)運動并與工件保持合適的間距，利用工具電極放電時產(chǎn)生的瞬間高溫蝕除材料；

8、加工cfrp板材的環(huán)氧樹脂層時，由于該層具有電絕緣特性，所述電流回路被斷開，放電檢測為開路狀態(tài)，通過運動控制系統(tǒng)控制機床主軸做旋轉(zhuǎn)運動并向工件持續(xù)進給，利用鉆頭形工具電極進行鉆削；

9、步驟4，按照步驟3對cfrp板材進行逐層加工，直到加工出所需的高深徑比孔。

10、作為本發(fā)明的應用之一，所述的cfrp板材由若干交替排列的碳纖維編織層和環(huán)氧樹脂層構(gòu)成，每層的纖維編織層厚度為120-500μm，每層的環(huán)氧樹脂層厚度為120-500μm。

11、作為優(yōu)選方案，加工cfrp板材的碳纖維編織層時，給極間供電所用的放電電壓為110v，放電電流為1.8a，脈沖寬度為5μs，脈沖間隔為5μs，工具電極轉(zhuǎn)速為5000rpm，機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)的伺服電機分辨率為1.25μm。

12、作為優(yōu)選方案，所述的高深徑比不小于10。

13、為了進一步優(yōu)化所加工的孔質(zhì)量，工具電極上沿其長度方向具有螺旋槽，工具電極表面具有氮化鈦涂層。

14、為了更進一步減小加工的孔側(cè)壁的燒蝕坑深，電源正極與工件連接通過導電片連接，導電片其中一面緊密貼靠在工件側(cè)壁，工件側(cè)壁與導電片垂直。采用這樣地方案，還能夠減小因極間高阻值而產(chǎn)生的焦耳熱。

15、為了更進一步減小加工的孔側(cè)壁的燒蝕坑深，電源正極與工件連接通過導電棒連接，導電棒貫穿且過盈配合在工件邊部的通孔中。

16、為了進一步優(yōu)化所加工的孔質(zhì)量，機床主軸運動過程中，每當所述電流回路斷開時關閉所述電源，每當所述電源關閉預設時間后再開啟所述電源。

17、有益效果：采用本發(fā)明方案，不僅能夠在降低加工工具/刀具損耗的情況下大幅提高層狀cfrp板材高深徑比孔的加工效率；更關鍵地是，采用本發(fā)明方案加工的層狀cfrp板材高深徑比孔，能夠?qū)⒖讉?cè)壁的燒蝕坑深精確控制在155.5~190.5μm，同時能夠?qū)⒖讉?cè)壁的燒蝕坑寬度降低到100μm以內(nèi)（燒蝕坑寬度是指孔側(cè)壁的缺陷寬度），顯著降低了孔側(cè)壁的燒蝕坑尺寸，孔整體均勻性和光滑度得到了明顯優(yōu)化。

技術特征：

1.一種cfrp板材的高深徑比孔精密復合加工方法，其特征在于，步驟包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述的cfrp板材由若干交替排列的碳纖維層和環(huán)氧樹脂層構(gòu)成，每層的碳纖維編織層厚度為120-500μm，每層的環(huán)氧樹脂層厚度為120-500μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加工方法，其特征在于：加工cfrp板材的碳纖維層時，給極間供電所用的放電電壓為110v，放電電流為1.8a，脈沖寬度為5μs，脈沖間隔為5μs，工具電極轉(zhuǎn)速為5000rpm，機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)的伺服電機分辨率為1.25μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述的高深徑比不小于10。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于：所述鉆頭形工具電極上沿其長度方向具有螺旋槽，鉆頭形工具電極表面具有氮化鈦涂層。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的加工方法，其特征在于：電源正極與工件連接通過導電片連接，導電片其中一面緊密貼靠在工件側(cè)壁，工件與導電片垂直。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的加工方法，其特征在于：電源正極與工件連接通過導電棒連接，導電棒貫穿且過盈配合在工件邊部的通孔中。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的加工方法，其特征在于：機床主軸運動過程中，每當所述電流回路斷開時關閉所述電源，每當所述電源關閉預設時間后再開啟所述電源。

技術總結(jié)
本發(fā)明提供了一種CFRP板材的高深徑比孔精密復合加工方法，步驟包括：加工過程中，工件加工區(qū)域始終浸沒在工作介質(zhì)中，接通電源給極間供電；加工CFRP板材的碳纖維編織層時，由電源、工件和鎢鋼鉆頭及其線路共同構(gòu)成電流回路，運動控制系統(tǒng)控制機床主軸做旋轉(zhuǎn)運動并向工件移動，利用鎢鋼鉆頭放電時產(chǎn)生的瞬間高溫與沖擊力蝕除材料；加工CFRP板材的環(huán)氧樹脂層時，所述電流回路被斷開，運動控制系統(tǒng)控制機床主軸做旋轉(zhuǎn)運動并向工件移動，利用鎢鋼鉆頭進行鉆削。采用本發(fā)明方案，不僅能夠在降低加工工具/刀具損耗的情況下大幅提高層狀CFRP板材高深徑比孔的加工效率，且不會導致加工工具/刀具頻繁回退，還能夠顯著優(yōu)化孔加工質(zhì)量。

技術研發(fā)人員：段曉明,趙一錦,楊曉冬,路勇
受保護的技術使用者：哈爾濱工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21