钻孔工具和带有低温冷却的钻孔装置以及用于在非均质材料堆叠物上钻孔的方法.pdf

钻头(101)包括通过液氮的内部通道，所述管道纵向穿过所述钻头的主体(10)，在所述钻头的刀刃(13)的一侧，所述通道包括在刀刃附近开口的至少一个液氮排出管道，所述刀刃由嵌件(30)形成，所述嵌件由多晶金刚石制成且固定在钻头的主体(10)上。用于在金属-复合材料堆叠物上钻孔的装置(100)包括上述钻头(101)，液氮生产单元(102)和用于分配液氮的分配网络(103)。为了使用装置(100)穿透金属-复合材料堆叠物，以钻头(101)的一步法进行钻孔，至少当所述刀刃(13)与金属材料接触时，低温液氮被输送至接近所述刀刃(13)。

1.  用于在堆叠物上钻孔的钻头(101)，所述堆叠物包含至少一层金属材料和至少一层包括固定在硬化基质中的纤维的复合材料，其特征在于，所述钻头包括穿过所述钻头的主体(10)的内部液氮流动通道(20)，所述通道包括一端靠近所述钻头的至少一个刀刃(13)的、沿着所述钻头的长度在末端(12)对面的至少一个液氮排出管道(22)，所述钻头(101)通过末端(12)与旋转驱动机连接，所述液氮排出管道(22)在接近所述至少一个刀刃处开口；所述至少一个刀刃由用多晶金刚石制成且附着至钻头主体(10)上的嵌件(30)形成。

2.  根据权利要求1所述的钻头，所述钻头包括多个刀刃(13)，每个刀刃(13)包括至少一个液氮排出管道(22)，所述液氮排出管道(22)在接近所述刀刃处开口。

3.  根据权利要求1或2所述的钻头，其中，每个刀刃(13)包括至少一个在所述刀刃的切割面(131)上开口的液氮排出管道和至少一个在所述刀刃的磨损面(132)上开口的液氮排出管道。

4.  根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中，所述通道(20)在所述主体(20)中基本上是轴向的。

5.  根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中，借助于在所述通道至少部分长度上的绝热材料层(24)，所述通道(20)是内部绝缘的。

6.  根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中，所述钻头(101)的通道(20)包括扩大的横截面，所述扩大的横截面在位于刀刃(13)附近的主体(10)区域形成贮囊(23)。

7.  根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中，当钻头被用于根据预期的切割条件在钛基合金上钻孔时，设置穿过主体(10)的所述液氮流动通道(20)和所述液氮排出管道(22)的大小，以便在基本上77开尔文的温度下，提供足以使刀刃(13)保持低于将嵌件(30)的多晶金刚石转化为石墨的温度的液氮流速。

8.  用于在堆叠物上钻孔的钻孔装置(100)，包括如前述权利要求中任一项所述的钻头(101)，液氮生产单元(102)和将液氮从生产单元分配到所述钻头的分配系统(103)，所述堆叠物包括至少一个金属材料层和 至少一个包括固定在硬化基质中的纤维的复合材料层。

9.  用于在堆叠物上钻孔的钻孔方法(500)，所述堆叠物包括至少一层金属材料和至少一层包括固定在硬化基质中的纤维的复合材料，其中，以包括至少一个刀刃(13)的钻头(101)的一步法进行钻孔，所述至少一个刀刃由嵌件(30)形成，所述嵌件(30)由多晶金刚石制成且附着至所述钻头的主体(10)上，且其中，在堆叠物上钻孔期间，当由多晶金刚石制成的嵌件形成的所述刀刃(13)与金属材料接触时，低温液氮通过所述钻头的通道(20)被输送(522)到接近刀刃(13)处，通过接近所述刀刃的至少一个排出通道(22)开口。

10.  根据权利要求9所述的钻孔方法，其中，所述液氮被输送至接近至少一个刀刃(13)处，同时被送至所述刀刃的切割面(131)上和磨损面(132)上。

11.  根据权利要求9或权利要求10所述的钻孔方法，其中，根据所述钻头(101)相对于所述堆叠物的测量位置或估算位置，将液氮输送至管道(20)，当所述位置确定金属材料的钻孔正在进行或可能进行时。

12.  根据权利要求9至11中任一项所述的钻孔方法，其中，当所述钻头在钛基金属合金上钻孔时，以足够使所述钻头(101)的温度保持低于将金刚石转化为石墨的温度的流速输送液氮。

钻孔工具和带有低温冷却的钻孔装置以及用于在非均质材料堆叠物上钻孔的方法
本发明涉及工具领域和用来在材料上钻孔的装置领域。
具体地，本发明涉及钻头以及在金属材料和复合材料的堆叠物上钻孔的钻孔装置，例如在飞机结构的装配过程中生产的那些材料。
具有高机械性能和尽量低重量的结构的生产，引导所述结构的设计者使用钛基金属合金和含有碳、玻璃或包含在硬化的有机基质中的聚芳基酰胺纤维的复合材料，所述硬化的有机基质通常为聚合物树脂。
当这些部件必须被钻孔或挖通以生产装配件时，钻孔条件必须适应被机械加工的材料。
因此，钛合金的导热系数低，比铝的导热系数约低10倍，在使用油性润滑剂的钻孔过程中，通常使用具有由碳化钨(WC)和钴粘合剂制成的基底的工具来钻孔，所述基底抵抗可达到1000℃的温度。这些高温是用于钻孔的钻头加速磨损的原因。
另外，具有高耐磨特性的复合材料，尤其在通过磨损而损害钻孔工具的碳纤维的情况下，通常利用由具有金刚石的碳化钨和或金刚石涂层嵌件制成的工具对所述复合材料进行干钻孔，优选地，所述金刚石涂层嵌件为多晶金刚石(PCD)嵌件。
由于这些迥然不同的钻孔条件以及使用针对每个条件的钻头的需求，在由钛合金制成的堆叠物部件和碳纤维复合材料制成的堆叠物部件上钻孔，证明是困难的。
尤其是，由于以下事实：复合材料，对于最常见的复合材料，不应该局部超过树脂的玻璃化转变温度，在最常见的复合材料的情况下，所述树脂的玻璃化转变温度约为180℃，而金刚石的石墨化发生在约800℃，由于达到的温度可以损坏所述工具，在复合材料上钻孔的工具不适于在钛合金上钻孔，通常利用适于在钛上钻孔的工具进行这些各种材料的堆叠物的一步钻孔，同时为了限制温度的升高，必要时尽可能多地增加润滑油的用 量。
此外，通过磨擦而导致的钻孔工具的加速磨损不利于复合材料制成的堆叠物部件的钻孔。
通过为在堆叠物上钻孔而装备的钻头，本发明提供了一种这些问题的解决方法，所述堆叠物包括至少一个金属材料层，例如钛基合金，和至少一个包括固定在硬化基质中的纤维的复合材料层，例如固化的有机树脂基质可的碳纤维。在钻头内部，所述钻头包括至少一个液氮流动通道，所述通道沿着轴线穿过钻头主体，所述轴线例如基本上与钻头在钻孔作业期间的旋转轴一致，所述通道例如在靠近末端处开口，所述钻头通过该末端被旋转驱动机所控制，所述通道包含一端靠近钻头的至少一个刀刃的、沿着钻头长度在末端对面的至少一个液氮排出管道，所述液氮排出管道在接近至少一个刀刃处开口，所述至少一个刀刃由用多晶金刚石制成且附着至钻头主体的嵌件形成。
因此，通过与将低温冷却液氮分配到通道中的方法结合，形成的多晶金刚石焊接钻头使在金属材料上钻孔时在不导致工具过热的情况下释放大量热能成为可能，所述热能难以除去且能够非常迅速地损毁工具。
PCDs的使用减慢了由复合材料的磨耗导致的通常磨损。
在一种实施方式中，所述钻头包括多个刀刃，且每个刀刃包括至少一个液氮排出管道，所述管道在接近所述刀刃处开口，以便在钻孔作业期间所述液氮集中朝向相应刀刃。
在一种实施方式中，每个刀刃包括在所述刀刃的切割面上开口的至少一个液氮排出管道，和在所述刀刃的磨损面上开口的至少一个液氮排出管道，所述管道既使增加冷却所述刀刃的液氮流速成为可能，又使为所述刀刃提供冷却的液氮蔓延到组成刀刃的所述嵌件的两个面上成为可能。
经由具有尽可能宽的直径的直槽，所述液氮流动通道例如为轴向的，这使减少压力损失和促进液氮流通成为可能。
为了提高液氮冷却的效率，在液氮接近刀刃处之前限制热损失，通过所述通道至少部分长度上的绝热材料，所述钻头的通道是内部绝缘的。
在一种实施方式中，所述钻头的通道包括一个扩大的横截面，所述横截面在位于刀刃附近的主体区域组成贮囊。因此，在装置运转期间，形成 液氮的贮囊，所述贮囊在加热区附近提供增加的冷却量，且在液氮供应失败时或者在金属材料上钻孔结束时过早切断液氮时，所述贮囊提供液氮缓冲容量。
优选地，根据预期的切割条件，当钻头被用于在钛基合金上钻孔时，设置穿过主体(10)的所述液氮流动通道(20)和所述液氮排出管道(22)的大小，以便在基本上77开尔文的温度下，提供以下液氮流速，所述液氮流速足以使刀刃(13)保持在低于将嵌件(30)的多晶金刚石转化为石墨的温度，以便使包含钛基合金的所述堆叠物的一步钻孔在工业上可行。
用于在堆叠物上钻孔的钻孔装置包括如前述权利要求中的一项所述的钻头，液氮生产单元和将液氮从所述生产单元分配到钻头的系统，以便当钻孔进行时，所述装置确保钻头的冷却，所述堆叠物包括至少一层金属材料和至少一层包括固定在硬化基质中的纤维的复合材料。
本发明同样涉及钻孔方法，所述钻孔方法适于在堆叠物上钻孔，所述堆叠物包括至少一层金属材料，例如钛基合金，和至少一层包括固定在硬化基质中的纤维的复合材料，例如在固化的有机树脂基质中的碳纤维，其中以包括至少一个刀刃的钻头的一步钻孔法进行钻孔，所述刀刃由用多晶金刚石制成且附着至钻头主体上的嵌件组成，且其中在堆叠物上钻孔期间，当由多晶金刚石制成的嵌件构成的刀刃与金属材料接触时，通过所述钻头的运输通道，低温的液氮被运输至接近刀刃处，所述运输通道经由至少一个接近刀刃的排出管道开口。
因此，通过上述方法，利用适于在复合材料上钻孔的工具，使包含金属材料的所述堆叠物的钻孔成为可能。
为了确保所述刀刃的充分冷却且使金属材料的比较快速钻孔成为可能，所述液氮被同时运输至接近刀刃处以及刀刃的切割面和刀刃的磨损面，且每个刀刃都是这样的。
如果必要的话，为了限制钻孔作业的液氮消耗，根据钻头相对于堆叠物的测量位置或估算位置，将液氮输送至通道，当该位置确定金属材料的钻孔正在进行或很可能进行时，从对钻过孔的堆叠物的特性的了解或者钻孔过程中测量或估算所述钻头末端相对于的堆叠物坐标的位置，得到上述情况是可能的。
为了确保在具有差热传导性的金属上钻孔的钻头具有令人满意的使用寿命，当所述钻头在钛基金属合金上钻孔时，液氮以足够保持所述钻头 低于金刚石转化为石墨的温度的流速传输。
参照附图，对本发明进行描述，非限制地如图所示，所述附图表示：
图1：根据本发明的钻孔装置；
图2：沿着纵向横截面，用在图1钻孔装置中的钻头的实例；
图3：使用图1钻孔装置，在堆叠物上进行钻孔的方法步骤；
图4：将钻孔装置装配到位于钻网上的便携式钻孔装置的实例。
为了帮助它们的理解且不同附图的相似部分具有相同参照，上述附图既在附图之间，又在一幅且相同的附图的不同部分之间，是非等比例的。
图1中描述的装置100包括钻头101，生产低温氮的单元102和将液氮从生产单元102分配到钻头101的系统103。
所述生产单元102包括任何一种基本上在环境压力下能够生产液氮的装置，即在大约77开尔文的温度下，具有钻头101的操作条件下所需的流速的低温氮。在一个简单的实施方式中，生产单元102包括加固的低温恒温器类型的含有大量液氮的绝热罐。在另一种实施方式中，所述生产单元包括通过大气氮的压缩来生产液氮的装置，例如使用史特灵循环机。
所述分配系统103包括能够将液氮从生产单元102输送至钻头101且能够控制它们的流速的任何装置。
具体地，所述分配系统103包括至少一个液氮输送管道，优选地，所述管道的一部分并入使钻头101旋转的旋转驱动机中，所述旋转驱动机没有在图1中描述。
上述旋转驱动机例如为固定钻孔机，形成需钻孔的堆叠物的部件被夹在所述固定钻孔机上，或者所述旋转驱动机为用在大量结构组件的装配位置处的便携式钻孔装置，例如所述装配位置用于将机翼连接到机身。
在进行钻孔操作的途径中，所述词语“堆叠物”一般被用在这里，以表示包含两个或更多部件的结构区域，所述部件含有不同材料和/或两种或更多种不同材料，所述材料包括至少一种金属材料和至少一种复合材料。
所述钻头101包括具有轴11的整体圆柱状的主体10，所述轴11与钻头的纵轴相一致，在钻孔操作期间，围绕所述纵轴旋转所述钻头。
所述主体10的第一末端形成尾端12，在适当情况下，利用没有描述的安装圆锥体，通过所述尾端将钻头附加到旋转驱动机上，且在主体10 上，所述主体的第二末端与所述第一末端相对，所述第二末端包括一个或更多个刀刃13，如具有两个刀刃的钻头的图1的细节a)所示。
如图2所示，图示表示轴向横截面中的钻头，主体10内部的通道20，基本上沿着轴向长度穿过所述主体，且所述通道20一方面在至少一个液氮入口21处的末端12区域开口，另一方面在接近液氮排出管道22处的刀刃13处开口。
在一种优选的实施方式中，每个刀刃13与通往所述刀刃的切割面131的至少一个排出管道相连，且与通往图1细节a)中所述刀刃的磨损面132的至少一个排出管道相连。
金刚石嵌件30实际上为由工业上生产的多晶金刚石(PCD)制成的嵌件，将所述金刚石嵌件30附着至所述主体10上，以形成刀刃13。
在一种实施方式中，液氮入口21被安排在基本上集中在轴11上的钻头10的第一末端的一个面上。
在一种实施方式中，在至少所述通道长度部分上，通道20具有扩大的横截面，以形成贮囊23。
在一种实施方式中，通道20包括隔热涂层24，以便组成主体10的材料不直接与穿过所述通道的液氮接触并限制在主体10处的热交换，所述隔热涂层例如为具有高含量铬和镍的合金制成的外壳，比如或者为非金属材料，比如软木塞或例如聚四氟甲烷的高分子材料，在阐明的典型实施方式中，所述隔热涂层24仅仅影响从入口21到不保温区域25的通道20的一部分，当为钻头提供上述贮囊时，例如与贮囊23相一致的所述区域是可能的。
不存在能以任何方式削弱钻头101的机械强度到能够导致钻头在钻孔期间预期压力下破裂的情况下，通道20的横剖面实际上是尽量大的，以有利于流过主体10的液氮的高流速，以保持刀刃处的温度在钻头可接受的值。以与贮囊25的横截面同样的方法，利用例如钻头机械强度计算来确定受限于钻头螺旋槽的深度的通道20的横剖面。
使用上述装置，从图3钻孔方法500的描述中，将会更好地理解刚刚描述的装置100的优点。
在第一步510中，所述装置100被安装在钻孔装置40上，例如图4中描述的独立钻孔单元，所述单元能够被运送到装配站且移动到其中必须穿透堆叠物41的部件411，412的进行钻孔的各种位置，所述堆叠物包含 尤其是基于例如合金Ti6A14V的钛的金属材料，和含有尤其是碳纤维的矿物纤维的复合材料。实际上，所述钻头101被附加到使钻孔装置转动且前进的前端，所述钻孔装置适于能够使液氮能够流入钻头的入口21中，且利用例如弹性接头104，连接钻孔装置40和分配系统103以便输送液氮。
在上述第一步骤结束时，在接近环境压力的压力下，装置100和钻孔装置40形成低温钻孔装置，所述低温钻孔装置包括液氮102来源，用于旋转钻头，适当情况下推进钻孔的装置，与上述钻头101相对应的钻头，和液氮分配系统103，所述液氮分配系统103将液氮从蓄槽输送至钻头且穿过钻头的前端，所述钻头通过所述前端附加到所述钻孔装置上。
在第二步骤520中，例如利用钻网42，所述钻孔装置40和必须穿过进行钻孔的堆叠物41被夹在所需的相对位置。
在第三步骤530中，开始进行钻孔，换句话说，旋转钻头101，且开始前进，也就是说，开始在需钻孔的装配方向上的轴向位移运动。
在上述第二步骤530中，通过分配系统103，将低温液氮从生产单元102输送至通道20中，至少输送至钻头101的位置，钻头101的前进与在金属上钻孔相一致。
实际上，对需要钻孔的装备的了解使判断钻头的穿透深度成为可能，钻头第二末端的刀刃与金属材料接触。
例如通过使用的传感器的信号激活分配系统103的阀105，获得沿着与钻孔深度相一致的前进方向的钻头的位置。
当钻孔材料为钛合金时，为了保持钻头101在所述刀刃处的温度低于800℃，输送到刀刃13的氮流量是确定的(determined)，这里考虑到的情况是最大限制，实际上低于钻头的金刚石可以被转化为石墨的温度。
在上述情况下，应该注意的是，应考虑传感器的所有不确定测量和各种材料的需钻孔堆叠物的厚度偏差，以便于液氮在金属材料的钻孔一开始就到达，优选地，在金属材料钻孔开始前至少片刻就到达，且直到上述钻孔结束，优选地，直到至少上述钻孔结束后的片刻，以防止钻头被加热。
在一种实施方式中，关于液氮不经济的情况下，输送液氮贯穿堆叠物的钻孔作业，从开始前进到撤回钻头，或者至少直到步骤540，其中为了将钻头从制成的钻孔中释放出来，颠倒所述前进移动。
当完成钻孔作业500时，停止钻孔装置且将钻孔装置与钻过孔的装配分开550。
然后能够进行另一个钻孔作业，其中，当钻孔装置40简单移动时，不一定进行所述步骤510，例如在没有与装置100分离的情况下，移动到相同钻网42的另一个位置。
因此，与在尤其是钛合金的金属材料上钻孔的公认原理相反，使用多晶金刚石(PCD)焊接钻头成为可能，在钻孔期间，所述多晶金刚石的温度保持低于会导致工具损坏的温度。
上述多晶金刚石焊接钻头非常适合在高度粗糙的复合材料上钻孔，例如碳纤维复合材料，且因此利用相同钻头，以一步钻孔法进行各种金属材料和复合材料的堆叠物的钻孔。
这种可能性引起显著的时间节约，估计约为钻孔周期的40％。
另外，钻头的使用寿命同样平均增加3倍。
使用液氮冷却钻头证明比利用已知的油性润滑剂更加有效，所述液氮输送至尽可能接近刀刃处，也就是输送至尽可能接近钻孔期间热能产生处。尤其是，在工业钻孔条件下，相对于具有碳化钨基质的钻头，本发明的钻头101的使用寿命预计增加3倍，所述具有碳化钨基质的钻头与油性润滑剂一起用于在上述堆叠物上钻孔。
使用的液氮为惰性物质，所述惰性物质相对于环境不会出现任何问题，油性润滑剂则不是这样的。
液氮的成本同样比油性润滑剂的成本低得多，尤其是自从后者必须将已经使用的润滑剂的再处理相关的成本考虑进去。
液氮，除了它的化学惰性，在钻孔作业期间几乎立即气化，且这种气化的结果是操作者的安全性提高。
在钻头101包括接近钻头第二末端的贮囊23的情况下，液氮一被送进入通道20，所述贮囊就充满液氮，且保持氮的供给，保证作为散热器的钻头末端保持在低温。在瞬间温度升高发生时，液氮的部分气化一方面将具有吸收多余热能的效果，且具有促进穿过排出管道22的低温氮的流通的效果。
在液氮供给瞬间中断发生时，贮囊23同样担当缓冲区，且推迟温度升高到对钻头有损坏的水平。
当通道20包括绝热涂层时，通道中液氮的过早气化的风险和外部冷凝和/或主体10结冰的风险减小，且通过限制热量损失，冷却最好集中在刀刃13区域。
装置100的另一个优点是它对于钻过孔的堆叠物的安全性。
事实上，在其最后装配阶段，形成堆叠物的部件的成本通常是非常高的，在任何情况下，相对于钻头的成本是不成比例的，且在该阶段，既相对于部件本身，又相对于加工产品的生产周期的影响，损坏部件会造成重大的经济后果。
在装置100的情况下，钻头适于干钻孔，不需要冷却复合材料，但是需要显著冷却金属材料。但是，在金属材料的钻孔期间，例如液氮用完或分配系统103的故障造成的冷却功能的液氮缺失，将仅仅导致工具的损坏，在没有冷却的情况下，对不损坏金属部件的情况是不适用的。
因此，在被钻孔的过程中，装置故障发生时，以钻头为代价保护了形成堆叠物的部件，以钻头为代价的成本通常比处理过的部件的成本仍然低得多。