一种碳纤维复合材料与金属材料叠层装配制孔方法与装置.pdf

一种实现碳纤维复合材料与金属材料叠层装配高质量制孔方法与装置，属于机械加工制造技术领域。其工艺方法的特征是：采用PCD或涂层或硬质合金钻头或金刚石磨棒制孔工具对碳纤维复合材料和钛合金或铝合金一起叠层钻孔过程中，根据所加工材料通过进给位置传感器的硬件触发或软件数控编程控制方式，自动改变刀具制孔转速和进给速度，使刀具在制孔加工不同的材料层时能够处于各自最佳的工艺参数状态。其装置特征是：由制孔装置本体、刀具和刀柄、电主轴、进给位置传感器组、垂直进给滑台，以及主轴变频调速系统和制孔装置数控系统组成。

1.  一种碳纤维复合材料与金属材料叠层装配制孔方法，其特征是：采用PCD或涂层或硬质合金钻头或金刚石磨棒制孔工具对碳纤维复合材料和钛合金或铝合金一起叠层钻孔过程中，根据所加工材料通过进给位置传感器的硬件触发或软件数控编程控制方式，自动改变刀具制孔转速和进给速度，使刀具在制孔加工不同的材料层时能够处于各自最佳的工艺参数状态。

2.  一种碳纤维复合材料与金属材料叠层装配装置，其特征是：由制孔装置本体、制孔刀具(1)、刀柄(7)、电主轴(8)、进给位置传感器组(9)、垂直进给滑台(10)，主轴变频调速系统和制孔装置数控系统组成；在垂直进给滑台上安装有刀具进给位置传感器组，其中传感器的数量和每个传感器的位置根据被加工工件的叠层数量和工件厚度进行增减和调整，刀具钻削运动由电主轴驱动，刀具进给运动由垂直进给滑台上的电机驱动；在制孔作业过程中，根据位置传感器的信号，制孔装置数控系统自动实时改变相应的刀具转速及进给速度至事先设定的参数值，实现碳纤维复合材料与金属材料叠层装配制孔时自动改变刀具制孔转速和进给速度至最佳制孔参数状态。

一种碳纤维复合材料与金属材料叠层装配制孔方法与装置
技术领域
本发明属于机械加工制造技术领域，涉及到一种实现碳纤维复合材料与金属材料叠层装配高质量制孔的方法及装置。
背景技术
先进复合材料，特别是碳纤维复合材料因其优异的性能而广泛应用于航天航空和国防新型武器装备中，机械制孔加工作为碳纤维复合材料构件制造一个必不可少的重要环节，其加工精度和表面质量对复合材料构件的使用性能、可靠性和使用寿命等产生重要影响。通常用碳纤维复合材料制备的构件成型后需要与钛合金零件或铝合金零件一起进行装配制孔。由于碳纤维复合材料、钛合金材料、铝合金材料三者的材料性质差异非常大，且碳纤维复合材料和钛合金材料为典型的难加工材料，这就为这些材料的一体化叠层装配制孔加工带来了极大的困难。
通常为保证加工碳纤维复合材料构件孔时不产生毛刺等缺陷，一般要求6000-15000r/min的高转速加工，而对钛合金材料钻孔时，若刀具转速过高，则易产生加工表面硬化现象，加速刀具的磨损，一般推荐钻孔200-1000r/min的低转速和5-15mm/min的低进给速度，铝合金材料的合理钻孔速度为1000-5000r/min。若采用同一把刀具对两种或两种以上性质差异巨大的材料选用相同的工艺参数进行叠层装配制孔，则加工质量、加工效率和刀具寿命都很难同时满足；若仅通过改变进给速度来适应不同的加工材料，则加工质量、效率和刀具寿命仍然无法达到最佳状态。为此目前的生产工艺只能分别对其进行加工，这样不仅降低了生产效率，而且对制孔过程的工件定位和装配位置精度提出很高的要求，加大了制造难度和生产成本。
在已有的有关于钻孔装置的发明专利中，主要集中在原有装置的基础上进行改进等发明。例如在专利《钻孔装置》(申请号02148044.3)中为了减少更换钻孔装置的钻卡头所需的时间和成本，在原有的钻床上进行改进；在专利《一种钻孔装置和钻孔进给机构》(申请号94192205.7)中，采用多级套筒式进给机构作用在钻机上，使其实现在两个方向的运动；在专利《锚杆钻孔装置》(申请号03131534.8)中，在现有的锚杆钻机上进行改进，使得其便于更换、维修。而对于碳纤维复合材料与金属材料叠层制孔装置目前仍未有相关文献报道。在钻孔方法的发明专利中，主要集中于钻孔刀具的发明和改进等方面，例如在期刊《工具技术》第33卷第2期中，文献《新型碳纤维复合材料孔加工刀具-电镀金刚石复合钻》介绍了针对于复合材料加工的电镀金刚石复合钻，这种复合钻是由带锥体的钻头和导向钻组成，在锥体上电镀上金刚石颗粒，并开有两条对称螺旋状的分屑槽，起容屑、排屑作用，导向钻的主要作用是预钻孔，由锥体金刚石镀层部分起主要切削作用，这种刀具的特点是利用了金刚石锋利、耐磨的特性，减小了碳纤维复合材料加工时产生的缺陷，但是导向钻与金刚石镀层的加工寿命不一样，当导向钻磨钝后，切削力会显著增加，而且发热严重，直接影响金刚石镀层的寿命，可能导致刀具的镀层脱落烧损等现象的发生，同时，金刚石颗粒不均匀，孔的加工精度难以保证，无法到达工件本身的要求，所以它不适合碳纤维复合材料孔的一体化加工，特别是无法同时满足复合材料/金属材料层叠组合件一体化加工；在专利《钻孔钻头》(申请号01810736)中发明了一种钻头，目的在于提高钻头速度和寿命，降低生产成本。目前对于碳纤维复合材料制孔工艺以及与金属材料层叠制孔方面的专利仍然未有报道，而碳纤维复合材料方面的专利研究主要集中碳纤维复合材料的制备与应用方面，例如专利《碳纤维复合材料及其制造方法》(申请号200410032587.0)、实用新型《用碳纤维复合材料制造的可水、陆起落直升飞机》(申请号200620091315.2)，美国专利US4360202、US20030054151、US5383062、US6468613、US20040185733等。针对碳纤维复合材料与金属材料的叠层装配制孔，最好的工艺策略是根据不同的工件材料，机床能够自动同时改变进给速度和制孔转速至合理的参数状态，但是国内外现有的钻孔装置或机床均无法满足该工艺要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够用同一把制孔刀具实现碳纤维复合材料与钛合金或铝合金多种不同性质材料的叠层装配制孔的工艺方法与装置，在同时满足不同材料加工质量的前提下，提高生产效率。
本发明的技术方案是：采用PCD(聚晶金刚石复合片)或硬质合金或金刚石磨棒(砂轮)等制孔刀具在一种能够根据刀具所处不同深度和位置要求自动改变刀具制孔转速和进给速度的制孔装置上进行制孔，在制孔过程中加工装置将根据不同加工材料的厚度尺寸，通过刀具位置传感器发出的信号，或依据工件厚度尺寸进行数控编程，自动调整钻孔刀具的转速和进给速度至事先设定的参数值，使刀具在制孔加工不同的材料层时能够处于各自最佳的工艺参数状态，以满足加工不同材料时要求不同的工艺参数之需要，获得最佳的加工质量和加工效率。一种碳纤维复合材料与金属材料叠层装配装置由制孔装置本体、刀具和刀柄、电主轴、进给位置传感器组、垂直进给滑台，主轴变频调速系统和制孔装置数控系统组成；在垂直进给滑台上安装有刀具进给位置传感器组，其中传感器的数量和每个传感器的位置根据被加工工件的叠层数量和工件厚度进行增减和调整，刀具钻削运动由电主轴驱动，刀具进给运动由垂直进给滑台上的电机驱动；在制孔作业过程中，根据位置传感器的信号，制孔装置数控系统自动实时改变相应的刀具转速及进给速度至事先设定的参数值，实现碳纤维复合材料与金属材料叠层装配制孔时自动改变刀具制孔转速和进给速度至最佳制孔参数状态。
如图2所示，制孔装置由装置本体(包括：装置底座4、水平运动滑台5、工作台6、横向运动滑台12、横向运动电机13、装置立柱14、水平运动电机15)、制孔刀具1、刀柄7、电主轴8、进给位置传感器组9、垂直进给滑台10、垂直进给电机11，以及主轴变频调速系统和制孔装置数控系统等组成。制孔刀具1安装在刀柄7上，刀柄7安装在电主轴8上，电主轴把持在垂直进给滑台10上，垂直进给滑台10在垂直进给电机11的驱动下使得制孔刀具1作垂直进给运动；刀具钻削运动由电主轴8驱动。在垂直进给滑台10上安装有刀具进给位置传感器组9，其中传感器的数量和每个传感器的位置可以根据被加工工件的叠层数量和工件厚度进行增减和调整。根据刀具进给位置传感器组9发出的信号，或依据工件厚度尺寸进行数控编程，在制孔作业过程中由制孔装置数控系统实时改变相应的刀具转速及进给速度至事先设定的最佳参数值。
如图3、图4和图5所示，制孔装置数控系统由NC系统、伺服放大器、进给伺服电机、进给位置传感器组等组成。伺服放大器驱动进给伺服电机旋转，再通过进给运动滑台中的丝杠等传动机构带动刀具作直线进给运动。刀具的钻削运动由主轴变频器控制电主轴的旋转实现。
制孔工艺参数的自动改变可通过如下基于进给位置传感器的硬件触发和软件数控编程两种控制方式实现：在硬件触发方式下，首先将不同工件材料对应的主轴转速和刀具进给速度输入到制孔装置数控系统中；依据不同工件材料的厚度，调整各进给位置传感器SQ1～SQ3的位置；通过不同位置传感器的触发信号，控制如图4所示的主轴变频器选择对应的主轴转速，同时制孔装置数控系统根据接收的不同位置传感器的触发信号，相应地改变进给速度。在软件数控方式下，首先将工件不同材料的叠层厚度、对应的主轴转速和刀具进给速度输入到制孔装置数控系统中，通过对数控系统的编程，实时调整不同材料制孔时主轴转速和进给速度等参数，实现最佳工艺参数下的制孔加工。
本发明的效果和益处是：
本发明针对碳纤维复合材料构件与钛合金或铝合金材料叠层装配制孔的特点和要求，采用刀具变转速和变进给速度的工艺策略，通过能够自动调整与控制主轴转速和进给速度的制孔装置，实现其自动加工，从而使得原本需要通过停机改变工艺参数的分工序作业，简化成一个制孔工序就能够完成不同材料的叠层制孔，从而显著缩短了制孔辅助工时，提高生产效率。刀具进给位置传感器组的传感器数量和位置可以根据被加工材料的叠层数量和厚度多少进行方便而简单的调整，满足不同生产要求的制孔作业。采用数控系统的控制方式，能够显著提高制孔装置的自动化程度，确保批量产品加工质量的稳定性，显著提高加工质量和加工效率，降低生产成本和制造周期。
附图说明
图1是多层材料叠层装配制孔示例图。
图中：1制孔刀具，2碳纤维复合材料，3钛合金或铝合金。
图2是一种碳纤维复合材料与金属材料叠层装配制孔装置原理图。
图中：1制孔刀具，4装置底座，5水平运动滑台，6工作台，7刀柄，8电主轴，9进给位置传感器组，10垂直进给滑台，11垂直进给电机，12横向运动滑台，13横向运动电机，14装置立柱，15水平运动电机。
图3是针对图2制孔装置的加工进给数控系统组成图。
图4是根据进给位置传感器组发出的信号改变加工参数的原理图。
图5是传感器行程开关控制原理图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
附图2是本发明的一个实施例。如图2所示为一种碳纤维复合材料与金属材料叠层装配制孔装置原理图。制孔刀具1安装在刀柄7上，刀柄7安装在电主轴8上，电主轴把持在垂直进给滑台10上，垂直进给滑台10在垂直进给电机11的驱动下使得制孔刀具1作垂直进给运动；刀具钻削运动由电主轴8驱动。
如附图3和附图4所示，制孔装置进给运动数控系统由数控系统、伺服放大器、进给伺服电机、进给位置传感器组、进给运动滑台等组成。伺服放大器驱动进给伺服电机旋转，再通过进给运动滑台中的丝杠等传动机构带动刀具作直线进给运动。刀具的钻削运动由主轴变频器控制电主轴的旋转实现。
在该例中，制孔工艺参数的自动调整可通过如下硬件触发和软件数控两种控制方式实现：在硬件触发方式下，首先将不同工件材料对应的主轴转速和刀具进给速度输入到制孔装置数控系统中；依据不同工件材料的厚度，调整各进给位置传感器SQ1～SQ3的位置；通过不同位置传感器的触发信号，控制如图4所示的主轴变频器选择对应的主轴转速，同时制孔装置数控系统根据接收的不同位置传感器的触发信号，相应地改变进给速度至事先设定的最佳参数值。在软件数控方式下，首先将工件不同材料的叠层厚度、对应的主轴转速和刀具进给速度输入到制孔装置数控系统中，通过对数控系统的编程，实时地调整不同材料制孔时主轴转速和进给速度至事先设定的最佳参数值。