專(zhuān)利名稱(chēng)：一種碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層裝配制孔方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械加工制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料與金 屬材料疊層裝配高質(zhì)量制孔的方法及裝置。
背景技術(shù)：
先進(jìn)復(fù)合材料，特別是碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能而廣泛應(yīng)用于航天 航空和國(guó)防新型武器裝備中，機(jī)械制孔加工作為碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件制造一個(gè) 必不可少的重要環(huán)節(jié)，其加工精度和表面質(zhì)量對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能、可 靠性和使用壽命等產(chǎn)生重要影響。通常用碳纖維復(fù)合材料制備的構(gòu)件成型后需 要與鈦合金零件或鋁合金零件一起進(jìn)行裝配制孔。由于碳纖維復(fù)合材料、鈦合 金材料、鋁合金材料三者的材料性質(zhì)差異非常大，且碳纖維復(fù)合材料和鈦合金 材料為典型的難加工材料，這就為這些材料的一體化疊層裝配制孔加工帶來(lái)了 極大的困難。
通常為保證加工碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件孔時(shí)不產(chǎn)生毛剌等缺陷， 一般要求
6000-15000r/min的高轉(zhuǎn)速加工，而對(duì)鈦合金材料鉆孔時(shí)，若刀具轉(zhuǎn)速過(guò)高，則 易產(chǎn)生加工表面硬化現(xiàn)象，加速刀具的磨損， 一般推薦鉆孔200-1000r/min的低 轉(zhuǎn)速和5-15mm/min的低進(jìn)給速度，鋁合金材料的合理鉆孔速度為 1000-5000r/min。若采用同一把刀具對(duì)兩種或兩種以上性質(zhì)差異巨大的材料選用 相同的工藝參數(shù)進(jìn)行疊層裝配制孔，則加工質(zhì)量、加工效率和刀具壽命都很難 同時(shí)滿足；若僅通過(guò)改變進(jìn)給速度來(lái)適應(yīng)不同的加工材料，則加工質(zhì)量、效率和刀具壽命仍然無(wú)法達(dá)到最佳狀態(tài)。為此目前的生產(chǎn)工藝只能分別對(duì)其進(jìn)行加 工，這樣不僅降低了生產(chǎn)效率，而且對(duì)制孔過(guò)程的工件定位和裝配位置精度提 出很高的要求，加大了制造難度和生產(chǎn)成本。
在已有的有關(guān)于鉆孔裝置的發(fā)明專(zhuān)利中，主要集中在原有裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)
行改進(jìn)等發(fā)明。例如在專(zhuān)利《鉆孔裝置》(申請(qǐng)?zhí)?2148044.3)中為了減少更換 鉆孔裝置的鉆卡頭所需的時(shí)間和成本，在原有的鉆床上進(jìn)行改進(jìn)；在專(zhuān)利《一 種鉆孔裝置和鉆孔進(jìn)給機(jī)構(gòu)》(申請(qǐng)?zhí)?4192205.7)中，采用多級(jí)套筒式進(jìn)給機(jī) 構(gòu)作用在鉆機(jī)上，使其實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)；在專(zhuān)利《錨桿鉆孔裝置》(申請(qǐng) 號(hào)03131534.8)中，在現(xiàn)有的錨桿鉆機(jī)上進(jìn)行改進(jìn)，使得其便于更換、維修。 而對(duì)于碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層制孔裝置目前仍未有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。在 鉆孔方法的發(fā)明專(zhuān)利中，主要集中于鉆孔刀具的發(fā)明和改進(jìn)等方面，例如在期 刊《工具技術(shù)》第33巻第2期中，文獻(xiàn)《新型碳纖維復(fù)合材料孔加工刀具一電 鍍金剛石復(fù)合鉆》介紹了針對(duì)于復(fù)合材料加工的電鍍金剛石復(fù)合鉆，這種復(fù)合 鉆是由帶錐體的鉆頭和導(dǎo)向鉆組成，在錐體上電鍍上金剛石顆粒，并開(kāi)有兩條 對(duì)稱(chēng)螺旋狀的分屑槽，起容屑、排屑作用，導(dǎo)向鉆的主要作用是預(yù)鉆孔，由錐 體金剛石鍍層部分起主要切削作用，這種刀具的特點(diǎn)是利用了金剛石鋒利、耐 磨的特性，減小了碳纖維復(fù)合材料加工時(shí)產(chǎn)生的缺陷，但是導(dǎo)向鉆與金剛石鍍 層的加工壽命不一樣，當(dāng)導(dǎo)向鉆磨鈍后，切削力會(huì)顯著增加，而且發(fā)熱嚴(yán)重， 直接影響金剛石鍍層的壽命，可能導(dǎo)致刀具的鍍層脫落燒損等現(xiàn)象的發(fā)生，同 時(shí)，金剛石顆粒不均勻，孔的加工精度難以保證，無(wú)法到達(dá)工件本身的要求， 所以它不適合碳纖維復(fù)合材料孔的一體化加工，特別是無(wú)法同時(shí)滿足復(fù)合材料/ 金屬材料層疊組合件一體化加工；在專(zhuān)利《鉆孔鉆頭》(申請(qǐng)?zhí)?1810736)中發(fā) 明了一種鉆頭，目的在于提高鉆頭速度和壽命，降低生產(chǎn)成本。目前對(duì)于碳纖維復(fù)合材料制孔工藝以及與金屬材料層疊制孔方面的專(zhuān)利仍然未有報(bào)道，而碳 纖維復(fù)合材料方面的專(zhuān)利研究主要集中碳纖維復(fù)合材料的制備與應(yīng)用方面，例
如專(zhuān)利《碳纖維復(fù)合材料及其制造方法》(申請(qǐng)?zhí)?00410032587.0)、實(shí)用新型 《用碳纖維復(fù)合材料制造的可水、陸起落直升飛機(jī)》(申請(qǐng)?zhí)?00620091315.2)， 美國(guó)專(zhuān)利US4360202、US20030054151、US5383062、US6468613、US20040185733
等。針對(duì)碳纖維復(fù)合材料與金屬材料的疊層裝配制孔，最好的工藝策略是根據(jù) 不同的工件材料，機(jī)床能夠自動(dòng)同時(shí)改變進(jìn)給速度和制孔轉(zhuǎn)速至合理的參數(shù)狀 態(tài)，但是國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的鉆孔裝置或機(jī)床均無(wú)法滿足該工藝要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠用同一把制孔刀具實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù) 合材料與鈦合金或鋁合金多種不同性質(zhì)材料的疊層裝配制孔的工藝方法與裝 置，在同時(shí)滿足不同材料加工質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案是采用PCD (聚晶金剛石復(fù)合片)或硬質(zhì)合金或金剛 石磨棒(砂輪)等制孔刀具在一種能夠根據(jù)刀具所處不同深度和位置要求自動(dòng) 改變刀具制孔轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的制孔裝置上進(jìn)行制孔，在制孔過(guò)程中加工裝置 將根據(jù)不同加工材料的厚度尺寸，通過(guò)刀具位置傳感器發(fā)出的信號(hào)，或依據(jù)工 件厚度尺寸進(jìn)行數(shù)控編程，自動(dòng)調(diào)整鉆孔刀具的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度至事先設(shè)定的 參數(shù)值，使刀具在制孔加工不同的材料層時(shí)能夠處于各自最佳的工藝參數(shù)狀態(tài)， 以滿足加工不同材料時(shí)要求不同的工藝參數(shù)之需要，獲得最佳的加工質(zhì)量和加 工效率。 一種碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層裝配裝置由制孔裝置本體、刀具 和刀柄、電主軸、進(jìn)給位置傳感器組、垂直進(jìn)給滑臺(tái)，主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)和制 孔裝置數(shù)控系統(tǒng)組成；在垂直進(jìn)給滑臺(tái)上安裝有刀具進(jìn)給位置傳感器組，其中 傳感器的數(shù)量和每個(gè)傳感器的位置根據(jù)被加工工件的疊層數(shù)量和工件厚度進(jìn)行增減和調(diào)整，刀具鉆削運(yùn)動(dòng)由電主軸驅(qū)動(dòng)，刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由垂直進(jìn)給滑臺(tái)上的 電機(jī)驅(qū)動(dòng)；在制孔作業(yè)過(guò)程中，根據(jù)位置傳感器的信號(hào)，制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)自 動(dòng)實(shí)時(shí)改變相應(yīng)的刀具轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度至事先設(shè)定的參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合 材料與金屬材料疊層裝配制孔時(shí)自動(dòng)改變刀具制孔轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度至最佳制孔 參數(shù)狀態(tài)。
如圖2所示，制孔裝置由裝置本體(包括裝置底座4、水平運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)5、 工作臺(tái)6、橫向運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)12、橫向運(yùn)動(dòng)電機(jī)13、裝置立柱14、水平運(yùn)動(dòng)電機(jī)15)、 制孔刀具l、刀柄7、電主軸8、進(jìn)給位置傳感器組9、垂直進(jìn)給滑臺(tái)IO、垂直 進(jìn)給電機(jī)11，以及主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)和制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)等組成。制孔刀具1 安裝在刀柄7上，刀柄7安裝在電主軸8上，電主軸把持在垂直進(jìn)給滑臺(tái)10上， 垂直進(jìn)給滑臺(tái)IO在垂直進(jìn)給電機(jī)11的驅(qū)動(dòng)下使得制孔刀具1作垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)； 刀具鉆削運(yùn)動(dòng)由電主軸8驅(qū)動(dòng)。在垂直進(jìn)給滑臺(tái)10上安裝有刀具進(jìn)給位置傳感 器組9，其中傳感器的數(shù)量和每個(gè)傳感器的位置可以根據(jù)被加工工件的疊層數(shù)量 和工件厚度進(jìn)行增減和調(diào)整。根據(jù)刀具進(jìn)給位置傳感器組9發(fā)出的信號(hào)，或依 據(jù)工件厚度尺寸進(jìn)行數(shù)控編程，在制孔作業(yè)過(guò)程中由制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)改 變相應(yīng)的刀具轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度至事先設(shè)定的最佳參數(shù)值。
如圖3、圖4和圖5所示，制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)由NC系統(tǒng)、伺服放大器、進(jìn) 給伺服電機(jī)、進(jìn)給位置傳感器組等組成。伺服放大器驅(qū)動(dòng)進(jìn)給伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)， 再通過(guò)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)中的絲杠等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀具作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀具的鉆 削運(yùn)動(dòng)由主軸變頻器控制電主軸的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。
制孔工藝參數(shù)的自動(dòng)改變可通過(guò)如下基于進(jìn)給位置傳感器的硬件觸發(fā)和軟 件數(shù)控編程兩種控制方式實(shí)現(xiàn)在硬件觸發(fā)方式下，首先將不同工件材料對(duì)應(yīng) 的主軸轉(zhuǎn)速和刀具進(jìn)給速度輸入到制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)中；依據(jù)不同工件材料的厚度，調(diào)整各進(jìn)給位置傳感器SQ1 SQ3的位置；通過(guò)不同位置傳感器的觸發(fā)信 號(hào)，控制如圖4所示的主軸變頻器選擇對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速，同時(shí)制孔裝置數(shù)控系 統(tǒng)根據(jù)接收的不同位置傳感器的觸發(fā)信號(hào)，相應(yīng)地改變進(jìn)給速度。在軟件數(shù)控 方式下，首先將工件不同材料的疊層厚度、對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速和刀具進(jìn)給速度輸 入到制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的編程，實(shí)時(shí)調(diào)整不同材料制孔時(shí) 主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳工藝參數(shù)下的制孔加工。
本發(fā)明的效果和益處是
本發(fā)明針對(duì)碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件與鈦合金或鋁合金材料疊層裝配制孔的特 點(diǎn)和要求，采用刀具變轉(zhuǎn)速和變進(jìn)給速度的工藝策略，通過(guò)能夠自動(dòng)調(diào)整與控 制主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的制孔裝置，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)加工，從而使得原本需要通過(guò) 停機(jī)改變工藝參數(shù)的分工序作業(yè)，簡(jiǎn)化成一個(gè)制孔工序就能夠完成不同材料的 疊層制孔，從而顯著縮短了制孔輔助工時(shí)，提高生產(chǎn)效率。刀具進(jìn)給位置傳感 器組的傳感器數(shù)量和位置可以根據(jù)被加工材料的疊層數(shù)量和厚度多少進(jìn)行方便 而簡(jiǎn)單的調(diào)整，滿足不同生產(chǎn)要求的制孔作業(yè)。釆用數(shù)控系統(tǒng)的控制方式，能 夠顯著提高制孔裝置的自動(dòng)化程度，確保批量產(chǎn)品加工質(zhì)量的穩(wěn)定性，顯著提 高加工質(zhì)量和加工效率，降低生產(chǎn)成本和制造周期。


圖1是多層材料疊層裝配制孔示例圖。
圖中l(wèi)制孔刀具，2碳纖維復(fù)合材料，3鈦合金或鋁合金。 圖2是一種碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層裝配制孔裝置原理圖。 圖中1制孔刀具，4裝置底座，5水平運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)，6工作臺(tái)，7刀柄，8 電主軸， 進(jìn)給位置傳感器組，IO垂直進(jìn)給滑臺(tái)，ll垂直進(jìn)給電機(jī)，12橫向運(yùn) 動(dòng)滑臺(tái)，13橫向運(yùn)動(dòng)電機(jī)，14裝置立柱，15水平運(yùn)動(dòng)電機(jī)。圖3是針對(duì)圖2制孔裝置的加工進(jìn)給數(shù)控系統(tǒng)組成圖。 圖4是根據(jù)進(jìn)給位置傳感器組發(fā)出的信號(hào)改變加工參數(shù)的原理圖。 圖5是傳感器行程開(kāi)關(guān)控制原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
附圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。如圖2所示為一種碳纖維復(fù)合材料與金屬 材料疊層裝配制孔裝置原理圖。制孔刀具1安裝在刀柄7上，刀柄7安裝在電 主軸8上，電主軸把持在垂直進(jìn)給滑臺(tái)10上，垂直進(jìn)給滑臺(tái)10在垂直進(jìn)給電 機(jī)11的驅(qū)動(dòng)下使得制孔刀具1作垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng);刀具鉆削運(yùn)動(dòng)由電主軸8驅(qū)動(dòng)。
如附圖3和附圖4所示，制孔裝置進(jìn)給運(yùn)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)、伺服放 大器、進(jìn)給伺服電機(jī)、進(jìn)給位置傳感器組、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)等組成。伺服放大器 驅(qū)動(dòng)進(jìn)給伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)中的絲杠等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀具作 直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀具的鉆削運(yùn)動(dòng)由主軸變頻器控制電主軸的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。
在該例中，制孔工藝參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整可通過(guò)如下硬件觸發(fā)和軟件數(shù)控兩種 控制方式實(shí)現(xiàn)在硬件觸發(fā)方式下，首先將不同工件材料對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速和刀 具進(jìn)給速度輸入到制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)中；依據(jù)不同工件材料的厚度，調(diào)整各進(jìn) 給位置傳感器SQ1 SQ3的位置；通過(guò)不同位置傳感器的觸發(fā)信號(hào)，控制如圖4 所示的主軸變頻器選擇對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速，同時(shí)制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)接收的不 同位置傳感器的觸發(fā)信號(hào)，相應(yīng)地改變進(jìn)給速度至事先設(shè)定的最佳參數(shù)值。在 軟件數(shù)控方式下，首先將工件不同材料的疊層厚度、對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速和刀具進(jìn) 給速度輸入到制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的編程，實(shí)時(shí)地調(diào)整不同 材料制孔時(shí)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度至事先設(shè)定的最佳參數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層裝配制孔方法，其特征是采用PCD或涂層或硬質(zhì)合金鉆頭或金剛石磨棒制孔工具對(duì)碳纖維復(fù)合材料和鈦合金或鋁合金一起疊層鉆孔過(guò)程中，根據(jù)所加工材料通過(guò)進(jìn)給位置傳感器的硬件觸發(fā)或軟件數(shù)控編程控制方式，自動(dòng)改變刀具制孔轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，使刀具在制孔加工不同的材料層時(shí)能夠處于各自最佳的工藝參數(shù)狀態(tài)。
2. —種碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層裝配裝置，其特征是由制孔裝置本體、制孔刀具(1)、刀柄(7)、電主軸(8)、進(jìn)給位置傳感器組(9)、垂直進(jìn)給滑臺(tái)(10)，主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)和制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)組成；在垂直進(jìn)給滑臺(tái) 上安裝有刀具進(jìn)給位置傳感器組，其中傳感器的數(shù)量和每個(gè)傳感器的位置根 據(jù)被加工工件的疊層數(shù)量和工件厚度進(jìn)行增減和調(diào)整，刀具鉆削運(yùn)動(dòng)由電主 軸驅(qū)動(dòng)，刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由垂直進(jìn)給滑臺(tái)上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)；在制孔作業(yè)過(guò)程中， 根據(jù)位置傳感器的信號(hào)，制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)改變相應(yīng)的刀具轉(zhuǎn)速及 進(jìn)給速度至事先設(shè)定的參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層裝配制 孔時(shí)自動(dòng)改變刀具制孔轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度至最佳制孔參數(shù)狀態(tài)。
全文摘要
一種實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層裝配高質(zhì)量制孔方法與裝置，屬于機(jī)械加工制造技術(shù)領(lǐng)域。其工藝方法的特征是采用PCD或涂層或硬質(zhì)合金鉆頭或金剛石磨棒制孔工具對(duì)碳纖維復(fù)合材料和鈦合金或鋁合金一起疊層鉆孔過(guò)程中，根據(jù)所加工材料通過(guò)進(jìn)給位置傳感器的硬件觸發(fā)或軟件數(shù)控編程控制方式，自動(dòng)改變刀具制孔轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，使刀具在制孔加工不同的材料層時(shí)能夠處于各自最佳的工藝參數(shù)狀態(tài)。其裝置特征是由制孔裝置本體、刀具和刀柄、電主軸、進(jìn)給位置傳感器組、垂直進(jìn)給滑臺(tái)，以及主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)和制孔裝置數(shù)控系統(tǒng)組成。本發(fā)明的效果和益處是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)連續(xù)加工，顯著提高不同疊層材料一體化制孔的質(zhì)量和加工效率，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)B23Q15/013GK101670448SQ20091018748
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者康仁科, 張瑞峰, 盛賢君, 郭東明, 航 高, 鮑永杰 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)