本發(fā)明涉及一種纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)低溫制孔裝置，還涉及一種基于纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)低溫制孔裝置的低溫制孔方法。

背景技術(shù)：

纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，且需要在疊層構(gòu)件上加工大量的連接孔，一體化鉆孔加工是目前廣泛使用的加工工藝方法。但纖維復(fù)合材料與金屬合金性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致在鉆孔加工中，纖維復(fù)合材料會(huì)產(chǎn)生層間分層、出口毛刺、入口撕裂、縮孔的缺陷，金屬會(huì)產(chǎn)生部分組織氧化、出口翻邊，使刀具磨損嚴(yán)重，使用壽命短等缺陷。如何實(shí)現(xiàn)纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)高效高質(zhì)量加工成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。

在己有的有關(guān)于纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)制孔方法和裝置的發(fā)明專利中,主要集中在變切削參數(shù)加工,使刀具在制孔加工不同的材料層時(shí)改變刀具制孔轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。

參照?qǐng)D4。文獻(xiàn)“申請(qǐng)公開號(hào)是CN101670448A的中國發(fā)明專利”公開了一種碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層裝配制孔方法與裝置。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),在制孔作業(yè)過程中，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)。該方法和裝置能夠改善纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)制孔的加工條件，但與恒定加工參數(shù)相比，需考慮疊層數(shù)量和工件厚度，變切削參數(shù)的加工方法使制孔質(zhì)量提高的同時(shí)，加工效率變低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層裝配制孔方法與裝置加工效率低的不足，本發(fā)明提供一種纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)低溫制孔裝置和方法。在恒定進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速下，以液氮為冷卻介質(zhì)，通過控制液氮的揮發(fā)量來控制低溫氣體的產(chǎn)生量，對(duì)加工區(qū)域溫度采取閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域溫度隨工件材料調(diào)節(jié)且保持恒定，從而減少由于材料性質(zhì)不同引起的制孔缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)高質(zhì)量制孔的同時(shí)，提高了加工效率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)低溫制孔裝置，其特點(diǎn)是：包括自增壓液氮罐1、增壓閥2、空閥3、隔熱管4、電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥5、儲(chǔ)液罐6、隔熱裝置7、溫度傳感器8和數(shù)顯溫度控制器9。所述自增壓液氮罐1容量為50L，當(dāng)位于自增壓液氮罐1上的空閥3關(guān)閉，增壓閥2打開，其內(nèi)部壓強(qiáng)達(dá)到0.05Mpa時(shí)開始連續(xù)輸液；隔熱管4由隔熱材料包裹，用于低溫介質(zhì)的輸送；儲(chǔ)液罐6容量為5L，用于儲(chǔ)存由自增壓液氮罐1通過隔熱管4輸送的液氮并揮發(fā)產(chǎn)生低溫氣體；隔熱裝置7采用上下通透的半封閉結(jié)構(gòu)，上下兩側(cè)開有矩形孔，上側(cè)矩形孔避開鉆頭工作區(qū)域且利于高溫氣體排出，下側(cè)矩形孔用于避開工件將隔熱裝置7固定在機(jī)床上。隔熱裝置7左側(cè)圓形孔尺寸與隔熱管4外徑相同。隔熱裝置7內(nèi)側(cè)布置溫度傳感器8，用于加工區(qū)域溫度的檢測(cè)；數(shù)顯溫度控制器9通過膠劑固定于隔熱裝置7外部，用于加工區(qū)域溫度的顯示與控制。電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥5位于自增壓液氮罐1與儲(chǔ)液罐6之間，通過隔熱管4相連接，實(shí)現(xiàn)液氮的輸送。液氮罐6與隔熱裝置7通過隔熱管4連接，實(shí)現(xiàn)低溫氣體介質(zhì)的輸送。電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥5、溫度傳感器8、數(shù)顯溫度控制器9構(gòu)成溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域溫度的控制。

所述隔熱管4內(nèi)徑為10mm，外徑為15mm。

所述上下兩側(cè)的矩形孔尺寸均為100mm×200mm。

所述溫度傳感器8用于加工區(qū)域的溫度檢測(cè)，其反應(yīng)速度小于2s，測(cè)溫范圍為-200℃～+800℃，測(cè)量精度為±1℃。

一種基于纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)低溫制孔裝置的低溫制孔方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一、設(shè)置數(shù)顯溫度控制器9的加工溫度為-60℃～-40℃，并根據(jù)該加工溫度、主軸轉(zhuǎn)速為1000ra/min和進(jìn)給速度為55mm/min對(duì)機(jī)床進(jìn)行編程。

步驟二、將工件置于隔熱結(jié)構(gòu)7的底部方孔處，并用夾具在機(jī)床上定位。

步驟三、啟動(dòng)冷卻裝置，關(guān)閉自增壓液氮罐1的空閥3，打開增壓閥2，觀察自增壓液氮罐1上壓力表的數(shù)值，當(dāng)其數(shù)值高于0.05Mpa時(shí)，自增壓液氮罐1中的液氮通過隔熱管4和電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥5對(duì)儲(chǔ)液罐6連續(xù)輸送液氮。儲(chǔ)液罐6中的液氮揮發(fā)產(chǎn)生的溫度為-130℃的低溫氣體，通過連通至加工區(qū)域的隔熱管4，由噴頭向加工區(qū)域噴射低溫氣體，使其溫度降低。由溫度傳感器8檢測(cè)隔熱裝置7內(nèi)的溫度值，數(shù)顯溫度控制器9將溫度傳感器8的數(shù)值與預(yù)設(shè)溫度范圍-60℃～-40℃比較，當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)溫度上限-40℃時(shí)，控制電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥5增加開度，從而使輸出液氮的量增加，隔熱裝置7內(nèi)溫度降低；當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)溫度下限-60℃時(shí)，輸出液氮的量減少，溫度升高。通過控制揮發(fā)液體的量調(diào)節(jié)加工區(qū)域溫度處于-60℃～-40℃。

步驟四、開動(dòng)機(jī)床，根據(jù)已有程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆孔。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在恒定進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速下，以液氮為冷卻介質(zhì)，通過控制液氮的揮發(fā)量來控制低溫氣體的產(chǎn)生量，對(duì)加工區(qū)域溫度采取閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域溫度隨工件材料調(diào)節(jié)且保持恒定，從而減少由于材料性質(zhì)不同引起的制孔缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)高質(zhì)量制孔的同時(shí)，提高了加工效率。

經(jīng)測(cè)試，本發(fā)明制孔效率提高了15％～30％。低溫制孔沒有出現(xiàn)組織氧化和灼傷缺陷；材料脆性增加韌性下降，材料更容易被切離，毛刺的數(shù)量減少25％，尺寸降低20％左右；鈦合金作為鉆出材料時(shí)，其材料脆性增加，在鉆頭鉆出階段材料變形變小，因此更不容易形成鉆帽，鉆帽數(shù)量減少40％左右。纖維復(fù)合材料孔徑誤差降低20％左右，金屬材料孔徑誤差降低15％左右。刀具磨損減弱，刀具壽命提高20％以上。以液氮為冷卻介質(zhì)，對(duì)環(huán)境無污染。

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)低溫制孔裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中隔熱管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖1中隔熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-自增壓液氮罐，2-增壓閥，3-空閥，4-隔熱管，5-電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥，6-儲(chǔ)液罐，7-隔熱裝置，8-溫度傳感器，9-數(shù)顯溫度控制器。

圖4是背景技術(shù)碳纖維復(fù)合材料與金屬材料疊層裝配制孔裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-制孔刀具，7-刀柄，8-電主軸，9-進(jìn)給位置傳感器組，10-垂直進(jìn)給滑臺(tái)。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1-3。本發(fā)明纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)低溫制孔裝置包括自增壓液氮罐1、增壓閥2、空閥3、隔熱管4、電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥5、儲(chǔ)液罐6、隔熱裝置7、溫度傳感器8和數(shù)顯溫度控制器9。所述自增壓液氮罐1容量為50L，當(dāng)位于自增壓液氮罐1上的空閥3關(guān)閉，增壓閥2打開，其內(nèi)部壓強(qiáng)達(dá)到0.05Mpa時(shí)開始連續(xù)輸液；隔熱管4內(nèi)徑為10mm，外徑為15mm，由隔熱材料包裹，用于低溫介質(zhì)的輸送；儲(chǔ)液罐6容量為5L，用于儲(chǔ)存由自增壓液氮罐1通過隔熱管4輸送的液氮并揮發(fā)產(chǎn)生低溫氣體；隔熱裝置7采用上下通透的半封閉結(jié)構(gòu)，兩側(cè)矩形孔尺寸為100mm×200mm，上側(cè)矩形孔避開鉆頭工作區(qū)域且利于高溫氣體排出，下側(cè)矩形孔用于避開工件在機(jī)床上的固定。隔熱裝置7左側(cè)圓形孔尺寸與隔熱管4外徑相同。隔熱裝置7內(nèi)側(cè)布置溫度傳感器8，用于加工區(qū)域溫度的檢測(cè)，其反應(yīng)速度小于2s，測(cè)溫范圍為-200℃～+800℃，測(cè)量精度為±1℃；數(shù)顯溫度控制器9通過膠劑固定于隔熱裝置7外部，用于加工區(qū)域溫度的顯示與控制。電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥5位于自增壓液氮罐1與儲(chǔ)液罐6之間，通過隔熱管4相連接，實(shí)現(xiàn)液氮的輸送。液氮罐6與隔熱裝置7通過隔熱管4連接，實(shí)現(xiàn)低溫氣體介質(zhì)的輸送。電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥5、溫度傳感器8、數(shù)顯溫度控制器9構(gòu)成溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域溫度的控制。

基于上述纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)低溫制孔裝置的低溫制孔方法具體步驟如下。

對(duì)長(zhǎng)×寬×厚＝150mm×150mm×8mm的CFRP/Ti合金疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行制孔，兩種材料的厚度相同。主軸轉(zhuǎn)速為1000ra/min，進(jìn)給速度為55mm/min。所選加工參數(shù)下，最適加工溫度為-60℃～-40℃，具體實(shí)施步驟如下：

(1)設(shè)置數(shù)顯溫度控制器9的溫度下限為-60℃，溫度上限為-40℃。并根據(jù)該加工溫度、主軸轉(zhuǎn)速為1000ra/min和進(jìn)給速度為55mm/min對(duì)機(jī)床進(jìn)行編程。

(2)將工件置于隔熱結(jié)構(gòu)7的底部方孔處，并用夾具在機(jī)床上定位。

(3)啟動(dòng)冷卻裝置，關(guān)閉自增壓液氮罐1的空閥3，打開增壓閥2，觀察自增壓液氮罐1上壓力表的數(shù)值，當(dāng)其數(shù)值高于0.05Mpa時(shí)，自增壓液氮罐1中的液氮通過隔熱管4和電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥5對(duì)儲(chǔ)液罐6連續(xù)輸送液氮。儲(chǔ)液罐6中的液氮揮發(fā)產(chǎn)生的溫度為-130℃的低溫氣體，通過連通至加工區(qū)域的隔熱管4，由噴頭向加工區(qū)域噴射低溫氣體，使其溫度降低。由溫度傳感器8檢測(cè)隔熱裝置7內(nèi)的溫度值，數(shù)顯溫度控制器9將溫度傳感器8的數(shù)值與預(yù)設(shè)溫度范圍-60℃～-40℃比較，當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)溫度上限-40℃時(shí)，控制電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥5增加開度，從而使輸出液氮的量增加，隔熱裝置7內(nèi)溫度降低；當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)溫度下限-60℃時(shí)，輸出液氮的量減少，溫度升高。通過控制揮發(fā)液體的量調(diào)節(jié)加工區(qū)域溫度處于-60℃～-40℃，所加工材料的最適加工溫度范圍。

(4)開動(dòng)機(jī)床，根據(jù)已有程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)纖維復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆孔。