一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法技术

本发明专利技术提出了一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法，属于机械加工技术领域。解决了热塑性聚合物复合材料机械钻孔难、孔承载能力低下的问题。它包括将孔壁补偿体放置在热塑性聚合物基复合材料板材钻孔位置正上方，孔壁补偿体材质与热塑性聚合物基复合材料板材的基体材质相同；使用摩擦钻头以一定的旋转速度ω旋转，以恒定扎入速度v压入孔壁补偿体和热塑性聚合物基复合材料板材至设定位置；压入至设定位置后停止压入，继续旋转保载一段时间；摩擦钻头停止旋转并回抽撤出钻孔，钻孔区域逐渐冷却并最终形成由钻孔后的孔壁补偿体构成的高延性加厚加高钻孔。它主要用于热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻。热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻。热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻。

【技术实现步骤摘要】
一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法


[0001]本专利技术属于机械加工
，特别是涉及一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法。

技术介绍

[0002]轻质高强材料是工程
，特别是航空航天、智能交通等领域的永恒追求。热塑性聚合物复合材料作为目前已知的比强度最高的结构材料之一，在诸如飞机翼板、汽车结构零部件等领域正取代铝合金作为主要材料，50％甚至更高比例的复合材料使用率是未来高性能航空器的起点。通常，用于构件装配连接的机械钻孔加工是聚合物复合材料的关键加工步骤。然而，由于聚合物复合材料的固有特性，其在机械钻孔中往往面临着以下难题：(1)聚合物基体与增强体之间的相界面强度通常远弱于聚合物基体本身，在外加塑性变形时界面微区延性不足，易发生开裂，从而导致了较低的钻孔效率以及不希望的钻削分层。特别是长纤维层合聚合物复合材料，被公认为难加工材料；(2)对于高强复合材料，机械钻孔时由于局部承载能力不足，常发生局部破碎，无法形成有效的连接孔结构；(3)对于薄板高强聚合物复合材料，较薄的机械钻孔高难以匹配高强的聚合物材料，需要一种可以有效增加孔壁承载能力的钻孔方式。
[0003]针对以上三点，如能开发一种钻孔孔壁高延性、孔高显著大于板厚的钻孔方法，避免钻孔困难、钻孔承载能力低的方法，克服传统机械钻孔的固有局限性，将大大拓展热塑性聚合物复合材料在结构件领域的应用广度和深度。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法，以解决热塑性聚合物复合材料机械钻孔难、孔承载能力低下的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法，它包括以下步骤：
[0006]步骤1：将孔壁补偿体放置在热塑性聚合物基复合材料板材钻孔位置正上方，孔壁补偿体材质与热塑性聚合物基复合材料板材的基体材质相同；
[0007]步骤2：使用摩擦钻头以一定的旋转速度ω旋转，以恒定扎入速度v压入孔壁补偿体和热塑性聚合物基复合材料板材至设定位置；
[0008]步骤3：压入至设定位置后停止压入，继续旋转保载一段时间；
[0009]步骤4：摩擦钻头停止旋转并回抽撤出钻孔，钻孔区域逐渐冷却并最终形成由钻孔后的孔壁补偿体构成的高延性加厚加高钻孔。
[0010]更进一步的，所述摩擦钻头包括从上到下依次设置的夹持部、轴肩部、成形部和钻孔部，夹持部与钻床相连，所述轴肩部和成形部均为圆柱状结构，所述轴肩部直径大于成形部直径，所述钻孔部为圆锥状结构，圆锥状结构根部直径与成形部直径相同。
[0011]更进一步的，所述成形部直径与加工孔的期望孔径相同，长度为期望孔径的2～5
倍，所述钻孔部的锥度为锥度3：10～1：1，所述轴肩部直径为期望孔径的1.5～1.8倍。
[0012]更进一步的，所述摩擦钻头所用的材料硬度不低于热塑性聚合物基复合材料板材的硬度。
[0013]更进一步的，所述钻孔后的孔壁补偿体的厚度H为热塑性聚合物基复合材料板材厚度的2倍以上。
[0014]更进一步的，所述热塑性聚合物基复合材料板材的基体材料为环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚醚醚酮、聚苯硫醚或聚酰胺，强化相材料为短碳纤维、长碳纤维、玻璃纤维或陶瓷颗粒。
[0015]更进一步的，所述孔壁补偿体的直径为期望孔径的1.2～1.5倍，厚度为热塑性聚合物基复合材料板材板厚的0.8～1.2倍。
[0016]更进一步的，所述摩擦钻头的旋转速度ω为100～30000rpm，扎入速度v为0.1～10mm/min。
[0017]更进一步的，所述轴肩部距热塑性聚合物基复合材料板材上表面距离为0.2～0.5倍孔壁补偿体厚度时，摩擦钻头停止继续扎入。
[0018]更进一步的，所述步骤3中停止压入后继续旋转保载1～30秒。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术借助热塑性聚合物复合材料基体同质材料形成高延性加厚加高钻孔实现孔壁补偿。钻孔过程中引入大塑性形变自发热和同质高延性基体材料孔壁补偿，实现热塑性聚合物复合材料的高延性加厚加高钻孔。
[0020]本专利技术通过摩擦钻头高速旋转摩擦产热使热塑性聚合物快速软化，提高了钻孔周围材料的流动性和延性，避免了因变形不协调导致的钻削分层和局部破碎现象，显著提高了热塑性聚合物基复合材料的可钻孔性。
[0021]本专利技术通过引入热塑性聚合物孔壁补偿体，避免因钻孔微区材料不足导致的钻孔开裂现象，提高了孔壁厚度，且多余的热塑化孔壁补偿体可在摩擦钻头压入过程中向下流动，大幅度增加了孔壁高度，可用于后续铆接，或进一步攻丝以用于螺接。
[0022]本专利技术采用了与复合材料基体同质的热塑性聚合物孔壁补偿体，避免了补偿体与基体的界面不相容，高延性加厚加高钻孔与复合材料间在摩擦钻头摩擦热与塑性变形作用下实现了界面的化学连接和增强相扎入带来的机械咬合作用，进一步提高了钻孔的承载能力。
[0023]本专利技术适用范围广，可应用于热塑性聚合物基复合材料的孔壁补偿钻孔。
附图说明
[0024]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0025]图1为本专利技术所述的一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法立体结构示意图；
[0026]图2为本专利技术所述的一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻钻前截面结构示意图；
[0027]图3为本专利技术所述的一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻钻后截面结构示意图；
[0028]图4为本专利技术所述的高延性加厚加高钻孔结构示意图。
[0029]1：摩擦钻头，1
‑
1：夹持部，1
‑
2：轴肩部，1
‑
3：成形部，1
‑
4：钻孔部，2：孔壁补偿体，3：热塑性聚合物基复合材料板材，4：钻孔后的孔壁补偿体，5：钻孔补偿体与复合材料连接界面。
具体实施方式
[0030]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0031]参见图1
‑
4说明本实施方式，一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法，它包括以下步骤：
[0032]步骤1：将直径略大于期望孔径孔的壁补偿体2放置在热塑性聚合物基复合材料板材3钻孔位置正上方，孔壁补偿体2材质与热塑性聚合物基复合材料板材3的基体材质相同；
[0033]步骤2：使用带有锥状钻孔部摩擦钻头1以一定的旋转速度ω高速旋转，并以恒定扎入速度v压入孔壁补偿体2和热塑性聚合物基复合材料板材3，直到摩擦钻头1的轴肩距热塑性聚合物基复合材料板材3上表面一定距离为止；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法，其特征在于：它包括以下步骤：步骤1：将孔壁补偿体(2)放置在热塑性聚合物基复合材料板材(3)钻孔位置正上方，孔壁补偿体(2)材质与热塑性聚合物基复合材料板材(3)的基体材质相同；步骤2：使用摩擦钻头(1)以一定的旋转速度ω旋转，以恒定扎入速度v压入孔壁补偿体(2)和热塑性聚合物基复合材料板材(3)至设定位置；步骤3：压入至设定位置后停止压入，继续旋转保载一段时间；步骤4：摩擦钻头(1)停止旋转并回抽撤出钻孔，钻孔区域逐渐冷却并最终形成由钻孔后的孔壁补偿体(4)构成的高延性加厚加高钻孔。2.根据权利要求1所述的一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法，其特征在于：所述摩擦钻头(1)包括从上到下依次设置的夹持部(1
‑
1)、轴肩部(1
‑
2)、成形部(1
‑
3)和钻孔部(1
‑
4)，夹持部(1
‑
1)与钻床相连，所述轴肩部(1
‑
2)和成形部(1
‑
3)均为圆柱状结构，所述轴肩部(1
‑
2)直径大于成形部(1
‑
3)直径，所述钻孔部(1
‑
4)为圆锥状结构，圆锥状结构根部直径与成形部(1
‑
3)直径相同。3.根据权利要求2所述的一种热塑性聚合物复合材料的孔壁补偿摩擦钻方法，其特征在于：所述成形部(1
‑
3)直径与加工孔的期望孔径相同，长度为期望孔径的2～5倍，所述钻孔部(1
‑
4...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢聿铭，黄永宪，孟祥晨，万龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：