一种过程可控的复合材料钻削实验装置及方法

本发明涉及一种复合材料钻削实验装置及方法，具体涉及一种完成复合材料钻削实验以及在线采集轴向力和温度参数，以便反馈并修正加工工艺参数，从而实现对加工质量的分析控制的过程可控的复合材料钻削实验装置及方法。

背景技术：

1、由于复合材料的优异性能，其应用领域越来越广泛，装配精度的需要不可避免的要进行大量的二次加工，钻孔加工是最常见的加工方式。复合材料作为难加工材料，非均质、硬度高，加工过程中容易产生刀具磨损、粉尘污染等问题。同时钻削过程中轴向力过大容易引起加工表面精度差，孔径误差大，温度高容易引起复合材料表面热损伤，会引起加工缺陷，严重影响复合材料相关构件的服役性能，因此实现复合材料的高质量钻孔十分有必要。

2、目前常见的产品有如下一些不足：

3、(1)现有的钻削实验装置大多基于加工中心完成，由于加工中心精密度高，复合材料钻削产生的粉尘具有导电性，容易影响加工中心精密性以及造成线路短路问题，维护成本大大提高。

4、(2)针对较小尺寸的复合材料板材进行钻削，需要通过专用夹具进行固定，在加工中心上布置夹具，适配性低，不够简便。

5、另外：钻削过程中轴向力是引起加工缺陷的重要因素之一，实现对轴向力的检测有利于分析加工缺陷形成的过程。钻削过程中钻削温度过高容易引起制孔周围区域热损伤，通过温度检测有利于对制孔热损伤行为进行分析以及加工质量的分析控制。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种完成复合材料钻削实验以及在线采集轴向力和温度参数，以便反馈并修正加工工艺参数，从而实现对加工质量的分析控制的过程可控的复合材料钻削实验装置及方法。

2、本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种过程可控的复合材料钻削实验装置，所述过程可控的复合材料钻削实验装置包括：底座、支撑架、测力传感器、支撑基体、驱动器、伺服电机、y向移动台、x向移动台、温度传感器、专用夹具、工件、刀具、电主轴、电压放大器、采集卡、计算机。

3、底座上方设置有支撑基体，支撑基体上固定有伺服电机、驱动器以及电主轴；支撑基体上方固定有支撑架，在支撑架下方固定测力传感器，测力传感器上表面与支撑架接触；在支撑架上方固定有移动台，包含x向移动台和y移动台，能够实现x向和y向的位移；刀具装夹在电主轴上，通过变频器控制调节实现对转速的控制，通过驱动器对脉冲信号进行放大传给伺服电机，控制刀具的进给移动。

4、温度传感器通过数据线与电压放大器进行连接；测力传感器通过数据线与电压放大器进行连接；电压放大器通过数据线与采集卡进行连接；采集卡通过数据线与计算机进行连接。

5、在本发明的具体实施例子中，支撑架由四根立柱和两块平板组成，每根立柱配有伸缩弹簧，在上下方向上能自由伸缩。

6、在本发明的具体实施例子中，测力传感器上表面与支撑架上的平板接触。

7、在本发明的具体实施例子中，在x向移动台上固定有夹具，夹具底部为镂空装置，方便钻孔时钻头不至于碰到夹具底板，夹具上方有升降板，通过紧固螺钉可实现对复合材料板材的装夹和压紧，保证在钻削过程中不发生移动。

8、在本发明的具体实施例子中，在夹具底部和x向移动台之间布置有温度传感器，通过将温度传感器的探头放入所需在夹具的钻孔位置处附近的微小孔内，实现温度信号的传递。

9、一种过程可控的复合材料钻削实验方法，该方法包括如下步骤：

10、第一步：将复合材料层合板装进夹具内；

11、第二步：将钻削刀具装夹在电主轴上，通过控制面板设定主轴转速以及进给速度；

12、第三步：调节x向移动台和y向移动台，将装夹有复合材料的夹具移动到合适位置；

13、第四步：对测力传感器和温度传感器进行接线，启动控制开关，钻削开始，当刀具向下进给时，复合材料材料板上表面受到刀具的下压力，通过夹具、x向移动台、y向移动台传递到支撑架的上平板，再通过伸缩弹簧传递到支撑架内的测力传感器，测力传感器收集到轴向力信号经过电压放大器对信号进行放大，传入到采集卡中进行存储，利用计算机对轴向力数据进行分析。

14、在本发明的具体实施例子中，第一步中：复合材料层合板通过紧固螺钉对复合材料进行压紧。

15、在本发明的具体实施例子中，在夹具的钻孔出口处周围布置三个微孔埋入温度传感器探头，确保钻头钻完孔后能与温度传感器探头接触，测出切削区域的准确温度，通过电压放大器对输入的信号进行放大输入采集卡中，最终传输到计算机中完成温度的数据采集。

16、本发明的积极进步效果在于：本发明提供的过程可控的复合材料钻削实验装置及方法与常见的技术相比有如下优点：本发明的夹具以及传感器的布置更加简便，不必考虑复合材料钻削过程中粉尘对加工中心精密度的影响，成本较低，可行性较高。同时能够实现复合材料钻削加工，对钻削过程轴向力、温度在线采集，有利于研究工艺参数对钻削质量的影响关系、实现高质量钻孔。

技术特征：

1.一种过程可控的复合材料钻削实验装置，其特征在于：所述过程可控的复合材料钻削实验装置包括：底座、支撑架、测力传感器、支撑基体、驱动器、伺服电机、y向移动台、x向移动台、温度传感器、专用夹具、工件、刀具、电主轴、电压放大器、采集卡、计算机；

2.根据权利要求1所述的过程可控的复合材料钻削实验装置，其特征在于：支撑架由四根立柱和两块平板组成，每根立柱配有伸缩弹簧，在上下方向上能自由伸缩。

3.根据权利要求2所述的过程可控的复合材料钻削实验装置，其特征在于：测力传感器上表面与支撑架上的平板接触。

4.根据权利要求1所述的过程可控的复合材料钻削实验装置，其特征在于：在x向移动台上固定有夹具，夹具底部为镂空装置，方便钻孔时钻头不至于碰到夹具底板，夹具上方有升降板，通过紧固螺钉可实现对复合材料板材的装夹和压紧，保证在钻削过程中不发生移动。

5.根据权利要求4所述的过程可控的复合材料钻削实验装置，其特征在于：在夹具底部和x向移动台之间布置有温度传感器，通过将温度传感器的探头放入所需在夹具的钻孔位置处附近的微小孔内，实现温度信号的传递。

6.一种过程可控的复合材料钻削实验方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的过程可控的复合材料钻削实验方法，其特征在于：第一步中：复合材料层合板通过紧固螺钉对复合材料进行压紧。

8.根据权利要求6所述的过程可控的复合材料钻削实验方法，其特征在于：在夹具的钻孔出口处周围布置三个微孔埋入温度传感器探头，确保钻头钻完孔后能与温度传感器探头接触，测出切削区域的准确温度，通过电压放大器对输入的信号进行放大输入采集卡中，最终传输到计算机中完成温度的数据采集。

技术总结
本发明涉及一种过程可控的复合材料钻削实验装置及方法，该装置包括主轴切削加工部分、移动工作台、温度采集系统、力采集系统及中央控制调整系统等，能够实现复合材料钻削加工过程中，加工力、加工工件温度的时时采集以及加工工艺参数的对应调整，以应对复合材料加工难、加工质量差的特点，提高制孔质量。在实施过程中，通过夹具对复合材料进行装夹，利用电主轴以及驱动器对刀具进行转速和进给的控制，利用测力传感器和温度传感器对钻削过程中的轴向力和温度进行采集，通过电压放大器、采集卡以及计算机对轴向力、温度数据进行分析，完成复合材料钻削试验，为提升制孔效率提供依据。

技术研发人员：李学磊,田浩彬,李芳芳,胡文华
受保护的技术使用者：上海第二工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15