疊層結(jié)構(gòu)制孔在線監(jiān)測(cè)自適應(yīng)加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了疊層結(jié)構(gòu)制孔在線監(jiān)測(cè)自適應(yīng)加工方法，它包括以下步驟：(1)采用安裝在數(shù)控機(jī)床上的制孔刀具對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與合金材料的疊層結(jié)構(gòu)制孔時(shí)，通過(guò)超聲波測(cè)厚方法測(cè)量制孔刀具底端所到達(dá)的疊層結(jié)構(gòu)成孔位置與疊層結(jié)構(gòu)中的材料分界面的距離值，然后將距離值信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理傳輸給安裝制孔刀具的數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)；(2)所述的數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)將接收的距離值信號(hào)與設(shè)定值0比較，若是距離值大于0,則數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)仍然輸出初始控制信號(hào)；若是距離值信號(hào)為0，則數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)輸出預(yù)設(shè)的新的控制信號(hào)改變制孔刀具的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。采用本方法可以提高疊層裝配制孔質(zhì)量與孔加工效率，降低成本。
【專利說(shuō)明】疊層結(jié)構(gòu)制孔在線監(jiān)測(cè)自適應(yīng)加工方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及疊層制孔在線監(jiān)測(cè)自適應(yīng)加工方法，主要涉及基于在線監(jiān)測(cè)的碳纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料/合金材料的疊層結(jié)構(gòu)制孔自適應(yīng)加工方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著復(fù)合材料與鈦合金、鋁合金等金屬材料及其疊層結(jié)構(gòu)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上大幅提 高，在飛機(jī)裝配過(guò)程中需要大量的孔來(lái)進(jìn)行鉚接或螺栓連接，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一架F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī) 翼上需要加工1. 4萬(wàn)個(gè)裝配孔，一架B747飛機(jī)上有300多萬(wàn)個(gè)連接孔需要加工。飛機(jī)裝配 孔的加工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到飛機(jī)裝配的質(zhì)量和飛機(jī)壽命。針對(duì)復(fù)合材料和鈦合金進(jìn)行 一體化連接，如何保障飛機(jī)裝配質(zhì)量和提高裝配效率成為了關(guān)注的焦點(diǎn)之一。
[0003] 對(duì)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和鈦合金、鋁合金等金屬材料疊層結(jié)構(gòu)，由于幾種材 料性能差異巨大，制孔質(zhì)量難以保證，刀具磨損嚴(yán)重。CFRP加工強(qiáng)度較低，易產(chǎn)生撕裂 和分層缺陷，為保證加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)不產(chǎn)生撕裂等以上述現(xiàn)象，一般要 求6000-15000r/min的高轉(zhuǎn)速加工；鈦合金強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率低、高溫化學(xué)活性高，制孔中 質(zhì)量難以保證，易出現(xiàn)出入口毛刺、飛邊、孔徑不圓或傾斜等缺陷，若對(duì)鈦合金加工時(shí)仍然 采用較高轉(zhuǎn)速，則易產(chǎn)生加工表面硬化，加速刀具磨損，一般推薦鉆孔200-1000r/min和 5-15mm/min的低進(jìn)給轉(zhuǎn)速，鋁合金材料鉆孔速度為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)行疊層結(jié)構(gòu)裝配制孔，則加工 質(zhì)量、加工效都很難同時(shí)保證。隨著飛機(jī)柔性裝配技術(shù)和數(shù)字化裝備制造技術(shù)的迅猛發(fā)展， 飛機(jī)裝配技術(shù)對(duì)制孔質(zhì)量和效率提出了更高的要求，這就要求在飛機(jī)裝配過(guò)程中采用更佳 工藝完成CFRP和鈦合金、鋁合金等兩種及兩種以上材料的一體化制孔。
[0004] 在專利《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》（申請(qǐng)?zhí)?CN200910187487. 8)中利用位置傳感器來(lái)測(cè)量制孔刀具在制孔中的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)改變參數(shù)，提高了疊層裝配制孔的加工效率，但在加工之前首先裁量碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材 料與金屬材料的厚度，這樣會(huì)增大誤差。在實(shí)際碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料/合金疊層制孔時(shí)，經(jīng) 常采用在鉆孔或者螺旋銑孔過(guò)程中根據(jù)測(cè)力儀測(cè)得力的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)改變參數(shù)，這種方 法往往在加工過(guò)程中經(jīng)測(cè)得力的變化再改變參數(shù)時(shí)已越過(guò)疊層結(jié)構(gòu)的過(guò)渡域，這樣容易對(duì) 刀具磨損造成較大影響，同時(shí)難以保證制孔質(zhì)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提供一種可以提高疊層裝配制孔質(zhì)量與 孔加工效率，降低成本的疊層結(jié)構(gòu)制孔在線監(jiān)測(cè)自適應(yīng)加工方法。
[0006] 本發(fā)明的疊層結(jié)構(gòu)制孔在線監(jiān)測(cè)自適應(yīng)加工方法，它包括以下步驟：
[0007] (1)采用安裝在數(shù)控機(jī)床上的制孔刀具對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與合金材料的疊層 結(jié)構(gòu)制孔時(shí)，通過(guò)超聲波測(cè)厚方法測(cè)量制孔刀具底端所到達(dá)的疊層結(jié)構(gòu)成孔位置與疊層結(jié) 構(gòu)中的材料分界面的距離值，然后將距離值信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理傳輸給安裝制孔刀具的數(shù)控 機(jī)床的控制系統(tǒng)；
[0008] (2)所述的數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)將接收的距離值信號(hào)與設(shè)定值0比較，若是距離 值大于〇,則數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)仍然輸出初始控制信號(hào)；若是距離值信號(hào)為〇,則數(shù)控機(jī) 床的控制系統(tǒng)輸出預(yù)設(shè)的新的控制信號(hào)改變制孔刀具的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。
[0009] 本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和鈦合金、鋁合金多種 不同性質(zhì)材料的疊層結(jié)構(gòu)制孔過(guò)程中采用在線監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化變參數(shù)制孔，可以提高 疊層裝配制孔質(zhì)量與孔加工效率，降低成本。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是本發(fā)明的疊層結(jié)構(gòu)制孔在線監(jiān)測(cè)自適應(yīng)加工方法的原理圖。
[0011] 圖2是超聲波測(cè)厚原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖 詳細(xì)說(shuō)明如下：
[0013] 本方法是采用PCD或涂層硬質(zhì)合金銑刀或者鉆頭等制孔刀具對(duì)鈦合金或者鋁合 金等合金材料與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疊層結(jié)構(gòu)制孔時(shí)，能根據(jù)刀具所處的不同深度和 位置要求自動(dòng)改變刀具的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度進(jìn)行制孔，在制孔過(guò)程中，能根據(jù)超聲波探 頭測(cè)量制孔刀具所加工孔底端到疊層結(jié)構(gòu)中的材料分界面的距離（即反映刀具所處的深 度），把距離信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息輸入到制孔裝置安裝的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中，并且進(jìn)行數(shù)控 編程以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整刀具制孔轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度至已經(jīng)設(shè)定好的不同材料的合理參數(shù)值，使 刀具在制孔中加工不同材料時(shí)能夠處于各自最佳的工藝參數(shù)狀態(tài)，因此獲得最佳的加工質(zhì) 量和加工效率。
[0014] 基于上述原理，如附圖所示本發(fā)明的疊層結(jié)構(gòu)制孔在線監(jiān)測(cè)自適應(yīng)加工方法，它 包括以下步驟：
[0015] (1)采用安裝在數(shù)控機(jī)床上的制孔刀具3對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料2與合金1的疊 層結(jié)構(gòu)制孔時(shí)，采用超聲波測(cè)厚方法測(cè)量制孔刀具底端所到達(dá)的疊層結(jié)構(gòu)成孔位置與疊層 結(jié)構(gòu)中的材料分界面的距離值，然后將距離值信號(hào)傳輸給安裝制孔刀具的數(shù)控機(jī)床的控制 系統(tǒng)；
[0016] (2)所述的數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)將接收的距離值信號(hào)與設(shè)定值0比較，若是距離 值大于〇,則數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)仍然輸出初始控制信號(hào)；若是距離值信號(hào)為〇,則數(shù)控機(jī) 床的控制系統(tǒng)輸出預(yù)設(shè)的新的控制信號(hào)改變制孔刀具的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。
[0017] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式，超聲波測(cè)厚方法具體包括以下步驟：
[0018] (a)將超聲波探頭4緊密接觸固定在涂覆有耦合劑6的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與合 金材料的疊層結(jié)構(gòu)底面上，保證超聲波探頭與所制孔始終相對(duì)；所述的耦合劑市場(chǎng)有售，可 以米用輕機(jī)油。
[0019] (b)激發(fā)超聲波探頭發(fā)射超聲波，超聲波探頭接收刀具底端所到達(dá)的疊層結(jié)構(gòu)成 孔位置的反射超聲波信號(hào)B以及疊層結(jié)構(gòu)中的材料分界面處的反射超聲波信號(hào)A，再將接 收到的信號(hào)輸出給發(fā)射、接收以及信號(hào)處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后輸出給單片機(jī)系統(tǒng)，單片 機(jī)系統(tǒng)根據(jù)公式Δ(1= D - d =

【權(quán)利要求】
1. 疊層結(jié)構(gòu)制孔在線監(jiān)測(cè)自適應(yīng)加工方法，其特征在于它包括以下步驟： (1) 采用安裝在數(shù)控機(jī)床上的制孔刀具對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與合金材料的疊層結(jié)構(gòu) 制孔時(shí)，通過(guò)超聲波測(cè)厚方法測(cè)量制孔刀具底端所到達(dá)的疊層結(jié)構(gòu)成孔位置與疊層結(jié)構(gòu)中 的材料分界面的距離，然后將距離信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理傳輸給安裝制孔刀具的數(shù)控機(jī)床的控 制系統(tǒng)； (2) 所述的數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)將接收的距離信號(hào)與設(shè)定值0比較，若是距離值大于 0,則數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)仍然輸出初始控制信號(hào)；若是距離值信號(hào)為0,則數(shù)控機(jī)床的控 制系統(tǒng)輸出預(yù)設(shè)的新的控制信號(hào)改變制孔刀具的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層結(jié)構(gòu)制孔在線監(jiān)測(cè)自適應(yīng)加工方法，其特征在于： 超聲波測(cè)厚方法具體包括以下步驟： (a) 將超聲波探頭緊密接觸固定在涂覆有耦合劑的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與合金材料的 疊層結(jié)構(gòu)底面上，保證超聲波探頭與所制孔始終相對(duì)； (b) 激發(fā)超聲波探頭發(fā)射超聲波，超聲波探頭接收刀具底端所到達(dá)的疊層結(jié)構(gòu)成孔位 置的反射超聲波信號(hào)以及疊層結(jié)構(gòu)中的材料分界面處的反射超聲波信號(hào)，再將接收到的信 號(hào)輸出給發(fā)射、接收以及信號(hào)處理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后輸出給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)根 據(jù)公式Ad=
-算出制孔刀具底端所到達(dá)的疊層結(jié)構(gòu)成孔位置與疊層結(jié)構(gòu) 中的材料分界面的距離值，式中tl為從超聲波探頭發(fā)射超聲波到接收到疊層結(jié)構(gòu)中的材 料分界面處的反射超聲波信號(hào)的時(shí)間，t2為從超聲波探頭發(fā)射超聲波到接收到刀具底端到 達(dá)疊層結(jié)構(gòu)成孔位置的反射超聲波信號(hào)的時(shí)間，c為超聲波在制孔刀具初始加工材料中的 波速。 (c) 單片機(jī)系統(tǒng)然后將距離值信號(hào)傳輸給安裝制孔刀具的數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】B23B35/00GK104289738SQ201410504645
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】秦旭達(dá), 劉振旺, 李皓, 田利成, 李永行, 趙慶, 劉婕 申請(qǐng)人:天津大學(xué)