叠层结构制孔在线监测自适应加工方法
【专利摘要】本发明公开了叠层结构制孔在线监测自适应加工方法，它包括以下步骤：(1)采用安装在数控机床上的制孔刀具对碳纤维增强复合材料与合金材料的叠层结构制孔时，通过超声波测厚方法测量制孔刀具底端所到达的叠层结构成孔位置与叠层结构中的材料分界面的距离值，然后将距离值信号经过信号处理传输给安装制孔刀具的数控机床的控制系统；(2)所述的数控机床的控制系统将接收的距离值信号与设定值0比较，若是距离值大于0,则数控机床的控制系统仍然输出初始控制信号；若是距离值信号为0，则数控机床的控制系统输出预设的新的控制信号改变制孔刀具的主轴转速和进给速度。采用本方法可以提高叠层装配制孔质量与孔加工效率，降低成本。
【专利说明】叠层结构制孔在线监测自适应加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及叠层制孔在线监测自适应加工方法，主要涉及基于在线监测的碳纤维 增强复合材料/合金材料的叠层结构制孔自适应加工方法。
【背景技术】
[0002] 随着复合材料与钛合金、铝合金等金属材料及其叠层结构在飞机结构上大幅提 高，在飞机装配过程中需要大量的孔来进行铆接或螺栓连接，据统计，一架F-22战斗机机 翼上需要加工1. 4万个装配孔，一架B747飞机上有300多万个连接孔需要加工。飞机装配 孔的加工质量的好坏直接关系到飞机装配的质量和飞机寿命。针对复合材料和钛合金进行 一体化连接，如何保障飞机装配质量和提高装配效率成为了关注的焦点之一。
[0003] 对于碳纤维增强复合材料和钛合金、铝合金等金属材料叠层结构，由于几种材 料性能差异巨大，制孔质量难以保证，刀具磨损严重。CFRP加工强度较低，易产生撕裂 和分层缺陷，为保证加工碳纤维增强复合材料构件时不产生撕裂等以上述现象，一般要 求6000-15000r/min的高转速加工；钛合金强度高、热导率低、高温化学活性高，制孔中 质量难以保证，易出现出入口毛刺、飞边、孔径不圆或倾斜等缺陷，若对钛合金加工时仍然 采用较高转速，则易产生加工表面硬化，加速刀具磨损，一般推荐钻孔200-1000r/min和 5-15mm/min的低进给转速，铝合金材料钻孔速度为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结构装配制孔，则加工 质量、加工效都很难同时保证。随着飞机柔性装配技术和数字化装备制造技术的迅猛发展， 飞机装配技术对制孔质量和效率提出了更高的要求，这就要求在飞机装配过程中采用更佳 工艺完成CFRP和钛合金、铝合金等两种及两种以上材料的一体化制孔。
[0004] 在专利《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》（申请号 CN200910187487. 8)中利用位置传感器来测量制孔刀具在制孔中的位置信息，从而实现自 动改变参数，提高了叠层装配制孔的加工效率，但在加工之前首先裁量碳纤维增强复合材 料与金属材料的厚度，这样会增大误差。在实际碳纤维增强复合材料/合金叠层制孔时，经 常采用在钻孔或者螺旋铣孔过程中根据测力仪测得力的变化来实现自动改变参数，这种方 法往往在加工过程中经测得力的变化再改变参数时已越过叠层结构的过渡域，这样容易对 刀具磨损造成较大影响，同时难以保证制孔质量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种可以提高叠层装配制孔质量与 孔加工效率，降低成本的叠层结构制孔在线监测自适应加工方法。
[0006] 本发明的叠层结构制孔在线监测自适应加工方法，它包括以下步骤：
[0007] (1)采用安装在数控机床上的制孔刀具对碳纤维增强复合材料与合金材料的叠层 结构制孔时，通过超声波测厚方法测量制孔刀具底端所到达的叠层结构成孔位置与叠层结 构中的材料分界面的距离值，然后将距离值信号经过信号处理传输给安装制孔刀具的数控 机床的控制系统；
[0008] (2)所述的数控机床的控制系统将接收的距离值信号与设定值0比较，若是距离 值大于〇,则数控机床的控制系统仍然输出初始控制信号；若是距离值信号为〇,则数控机 床的控制系统输出预设的新的控制信号改变制孔刀具的主轴转速和进给速度。
[0009] 本发明具有的优点和积极效果是：对碳纤维增强复合材料和钛合金、铝合金多种 不同性质材料的叠层结构制孔过程中采用在线监测方法实现自动化变参数制孔，可以提高 叠层装配制孔质量与孔加工效率，降低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是本发明的叠层结构制孔在线监测自适应加工方法的原理图。
[0011] 图2是超声波测厚原理图。
【具体实施方式】
[0012] 为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图 详细说明如下：
[0013] 本方法是采用PCD或涂层硬质合金铣刀或者钻头等制孔刀具对钛合金或者铝合 金等合金材料与碳纤维增强复合材料的叠层结构制孔时，能根据刀具所处的不同深度和 位置要求自动改变刀具的主轴转速和进给速度进行制孔，在制孔过程中，能根据超声波探 头测量制孔刀具所加工孔底端到叠层结构中的材料分界面的距离（即反映刀具所处的深 度），把距离信息转换成数字信息输入到制孔装置安装的开放式数控系统中，并且进行数控 编程以实现自动调整刀具制孔转速和进给速度至已经设定好的不同材料的合理参数值，使 刀具在制孔中加工不同材料时能够处于各自最佳的工艺参数状态，因此获得最佳的加工质 量和加工效率。
[0014] 基于上述原理，如附图所示本发明的叠层结构制孔在线监测自适应加工方法，它 包括以下步骤：
[0015] (1)采用安装在数控机床上的制孔刀具3对碳纤维增强复合材料2与合金1的叠 层结构制孔时，采用超声波测厚方法测量制孔刀具底端所到达的叠层结构成孔位置与叠层 结构中的材料分界面的距离值，然后将距离值信号传输给安装制孔刀具的数控机床的控制 系统；
[0016] (2)所述的数控机床的控制系统将接收的距离值信号与设定值0比较，若是距离 值大于〇,则数控机床的控制系统仍然输出初始控制信号；若是距离值信号为〇,则数控机 床的控制系统输出预设的新的控制信号改变制孔刀具的转速和进给速度。
[0017] 作为本发明的一种优选的实施方式，超声波测厚方法具体包括以下步骤：
[0018] (a)将超声波探头4紧密接触固定在涂覆有耦合剂6的碳纤维增强复合材料与合 金材料的叠层结构底面上，保证超声波探头与所制孔始终相对；所述的耦合剂市场有售，可 以米用轻机油。
[0019] (b)激发超声波探头发射超声波，超声波探头接收刀具底端所到达的叠层结构成 孔位置的反射超声波信号B以及叠层结构中的材料分界面处的反射超声波信号A，再将接 收到的信号输出给发射、接收以及信号处理系统经过信号处理后输出给单片机系统，单片 机系统根据公式Δ(1= D - d =
【权利要求】
1. 叠层结构制孔在线监测自适应加工方法，其特征在于它包括以下步骤： (1) 采用安装在数控机床上的制孔刀具对碳纤维增强复合材料与合金材料的叠层结构 制孔时，通过超声波测厚方法测量制孔刀具底端所到达的叠层结构成孔位置与叠层结构中 的材料分界面的距离，然后将距离信号经过信号处理传输给安装制孔刀具的数控机床的控 制系统； (2) 所述的数控机床的控制系统将接收的距离信号与设定值0比较，若是距离值大于 0,则数控机床的控制系统仍然输出初始控制信号；若是距离值信号为0,则数控机床的控 制系统输出预设的新的控制信号改变制孔刀具的主轴转速和进给速度。
2. 根据权利要求1所述的叠层结构制孔在线监测自适应加工方法，其特征在于： 超声波测厚方法具体包括以下步骤： (a) 将超声波探头紧密接触固定在涂覆有耦合剂的碳纤维增强复合材料与合金材料的 叠层结构底面上，保证超声波探头与所制孔始终相对； (b) 激发超声波探头发射超声波，超声波探头接收刀具底端所到达的叠层结构成孔位 置的反射超声波信号以及叠层结构中的材料分界面处的反射超声波信号，再将接收到的信 号输出给发射、接收以及信号处理系统经过信号处理后输出给单片机系统，单片机系统根 据公式Ad=
-算出制孔刀具底端所到达的叠层结构成孔位置与叠层结构 中的材料分界面的距离值，式中tl为从超声波探头发射超声波到接收到叠层结构中的材 料分界面处的反射超声波信号的时间，t2为从超声波探头发射超声波到接收到刀具底端到 达叠层结构成孔位置的反射超声波信号的时间，c为超声波在制孔刀具初始加工材料中的 波速。 (c) 单片机系统然后将距离值信号传输给安装制孔刀具的数控机床的控制系统。
【文档编号】B23B35/00GK104289738SQ201410504645
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】秦旭达, 刘振旺, 李皓, 田利成, 李永行, 赵庆, 刘婕 申请人:天津大学