CN101804514B - 纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔方法及其装置，选择壁板安装定位方式后调整壁板的空间姿态；根据工艺要求采用激光跟踪测量法寻找预定位孔；以预定位孔为基准，按照工艺要求来确定需制备的连接孔的位置；采用激光测距法测量连接孔所在区域的壁板法向，使该法向与激光束中心线重合；根据连接孔的大小和排列要求，调整激光加工光束的大小和位移，实现纤维复合材料飞机壁板的连接孔制备。本发明能够按照装配要求精确定位，不会出现偏孔或斜孔，制孔过程中不会产生刀具磨损，也不会产生切削作用力，克服了钻孔引起的拉丝、分层、纤维断裂、切削残余应力及变形等问题，形成了高质量的孔表面。

Description

纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔方法及其装置

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种纤维复合材料飞机壁板的激光制孔方法及其装置。

背景技术

激光加工作为最先进的加工技术之一，主要利用高效激光对零件的材料进行去除的方法，属于非接触式加工，它不对材料造成机械挤压，具有无机械应力、热变形小、加工精度高、同批次加工一致性高与效果好等特点。激光加工既可以对金属材料零件进行加工，也可以对非金属材料零件进行加工，非金属材料包括纤维增强型复合材料、有机玻璃、塑胶、双色板、竹木、布料、皮革、橡胶板、石材、人造石、陶瓷和绝缘材料等，不同的非金属材料零件因其材料特性、制备工艺、复合成分、纹路纹理等不同而采取的激光加工的工艺方法不同。激光制孔属于激光加工的方法之一。

目前在激光制孔领域主要采用CO₂激光束进行加工。如专利CN1152765C公开了一种非金属薄型材料激光制孔的方法和设备，根据制孔要求选择制孔方式，通过控制激光的功率和光束偏转来调整孔的大小、疏密和图样，最终可支持在生产线上实现多幅面、多类型薄型材料的激光制孔。但是由于缺少测量装置，这一专利技术可能出现偏孔或斜孔，使后续装配连接工序难以进行；另外，该技术采用水冷法进行冷却，将会导致激光束作用于材料表面时能量衰减，影响制孔效率。专利CN100441360C公开了一种激光打孔方法及其打孔装置，加工时工件保持不动，先加工出小孔D1，再加工出D2，最后旋切得到要求的孔D3，该专利主要适用在厚度小于2.5mm的金属板材上成形制孔，不适合用于复合材料结构件的制孔。专利CN1995399A公开了了一种皮革密集微孔激光打孔方法及装置，由激光器输出连续激光经由一个由旋转多棱镜、反射镜和聚焦镜组成的集成打孔头，实现皮革的高速透气微孔加工。由于针对皮革产品，其打孔的准确度和精度要求不高，不能满足高精度复合材料壁板的精确制孔要求。专利CN1329963A公开了一种激光孔加工方法及装置，在对多层的板状体进行孔加工时，在照射对孔形状进行整形的脉冲之前，通过具有产生层间剥离力小于层间紧贴里的能量的脉冲而开设孔，该专利没有明确的适用范围和对象，对其开孔的精度也未描述。

为了使零部件之间准确可靠连接，飞机壁板需要采用螺接或铆接，在飞机壁板上制孔是实现连接的关键工艺环节，制孔质量将直接影响飞机的强度和疲劳寿命。针对纤维复合材料飞机壁板的制孔目前主要采用钻削方式，这种方法存在的主要问题有：1)纤维复合材料必须采用高硬度刀具材料，如硬质合金和金刚石等，由于复合材料内部增强纤维的硬度高，传热效率低，加之材料加工不允许使用冷却液，导致加工过程中刀具升温快和磨损较快；2)切削用量的选择必须先进行试样加工；3)制孔后孔的尺寸精度与位置精度不合格、圆度超差等几何缺陷；4)由于复合材料层间强度低，轴向切削力容易引起材料的分层破坏、拉丝、分层和纤维断裂。

发明内容

为了克服现有技术刀具磨损快、需要先行试样加工、精度不高以及材料易损坏等不足，本发明提供了一种纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔方法及装置，采用非接触式的激光加工方法，通过纤维复合材料飞机壁板多自由度精确定位、孔位搜寻、壁板法向找正、激光制孔及冷却、排屑等工艺步骤，实现纤维复合材料飞机壁板连接孔的精确制备，保证飞机壁板的高装配精度要求。

本发明解决其技术问题所采用的方法包括以下步骤：

(1)根据纤维复合材料飞机壁板的结构和形状特点，选择壁板安装定位方式，壁板安装定位方式包括基准零件定位、孔定位和装配型架定位。定位过程中，调整壁板的空间姿态，使壁板姿态与飞机航向或翼展展向保持一致。

(2)根据工艺要求采用激光跟踪测量法寻找预定位孔；以预定位孔为基准，按照工艺要求来确定需制备的连接孔的位置，连接孔的位置精度由工艺文件中给定的孔的位置公差进行约束，从而实现孔位的精确找准。

(3)当找准连接孔的孔位后，激光束中心线与连接孔所在壁板的法向可能不一致。采用激光测距法测量连接孔所在区域的壁板法向，使该法向与激光束中心线重合。

(4)根据连接孔的大小和排列要求，调整激光加工光束的大小和位移，实现纤维复合材料飞机壁板的连接孔制备，通过测量检验所制备的连接孔是否满足工艺文件给定的公差和表面光洁度要求。

(5)重复上述步骤(1)~(4)，实现新的孔的制备，直至完成所有连接孔的制备。

在步骤(4)所述的制孔过程中，采用室温条件下的空气吹拂加工区域进行冷却，通过吸气吸除加工区域的切屑或粉尘，使制孔区域的温度始终保持于常温状态，有效控制壁板的局部热变形和热应力集中；吸收激光制孔的切屑和粉尘，保证加工区域的干净整洁。

在步骤(4)所述的制孔过程中，空气吹拂的压力小于吸气的压力。

本发明解决其技术问题所采用的装置包括两个立柱、立柱伺服电机、旋转器、围框、围框伺服电机、卡板、底座、导轨、加工立柱、激光发生器、孔径选择器和控制系统；两个立柱分别安装在底座两端，以两个立柱的连线为Y轴，以立柱的轴线为Z轴，以底座上表面垂直于Y轴的方向为X轴，立柱在立柱伺服电机的驱动下可以沿Z向运动，旋转器根据两个立柱的高度差自动绕X向转动；围框包围在飞机壁板的四周，若干个与飞机壁板两侧外形曲线相同的卡板分别紧贴在飞机壁板两侧，卡板两端固定在围框上，使得飞机壁板固定在围框中并均匀受力，围框两端分别通过旋转器连接在立柱顶端，在围框伺服电机驱动下绕Y向转动，对壁板进行三个自由度定位；导轨沿Y向铺设在底座上，加工立柱的下端安装在导轨上，上端安装有转台，转台上安装有激光发生器，能够发射激光至飞机壁板上；激光发生器和飞机壁板之间安装有孔径选择器；控制系统控制立柱伺服电器、围框伺服电机、转台和激光发生器。

所述的旋转器分别沿X向和Y向开有通孔，通过连接轴分别连接立柱顶端和围框两端。

所述的孔径选择器是一个不透光物体，沿Y向并列开有若干个X向的通孔，各个通孔的直径不同，使得穿过的激光直径不同，从而在飞机壁板上开出不同直径的连接孔。

所述的孔径选择器与飞机壁板之间安装有气冷及排屑装置，气冷及排屑装置开有中心通孔，作为激光通道，经过孔径选择器的激光穿过中心通孔照射到飞机壁板上；中心通孔两侧分别开有进气通道和排屑通道，通道均由面向飞机壁板的盲孔和与飞机壁板平行的盲孔连通而成，进气通道连接气罐或鼓风机，排屑通道连接吸尘器。

本发明的有益效果是：(1)纤维复合材料飞机壁板在定位过程中，采用了三自由度的定位装置，在公差约束下，通过调整各自由度，壁板能够按照装配要求精确定位。

(2)制孔装置放置在Y向导轨上，加上转台，可以实现两个自由度运动，使激光束能够找准孔的中心线位置，并且使激光束始终与壁板发向保持一致，不会出现偏孔或斜孔。

(3)孔的大小可以根据孔径选择器来控制，根据壁板连接时需要使用的钉的直径要求来选择匹配的孔径，使用方便。

(4)采用激光非接触式制孔方法，制孔过程中不会产生刀具磨损，也不会产生切削作用力，从而克服了采用钻头钻孔时钻削力引起的拉丝、分层、纤维断裂、切削残余应力及变形等问题，形成了高质量的孔表面。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔设备结构示意图；

图2是定位装置立柱示意图；

图3是旋转器示意图；

图4是立柱与旋转器的连接轴；

图5是围框示意图；

图6是卡板示意图；

图7是纤维复合材料飞机壁板示意图；

图8是导轨示意图；

图9是加工立柱示意图；

图10是转台示意图；

图11是激光发生器示意图；

图12是孔径选择器示意图；

图13是气冷及排屑装置示意图；

图中，1-立柱；2-旋转器；3-连接轴；4-围框；5-夹板；6-飞机壁板；7-导轨；8-加工立柱；9-转台；10-激光发生器；11-孔径选择器；12-气冷及排屑装置；13-底座。

具体实施方式

方法实施例：

将长×宽×厚＝5000mm×1800mm×4mm带曲度的纤维复合材料飞机壁板进行精确制孔，定位精度控制在0.02mm以内，孔的要求：Φ8±0.05mm；为了连接可靠，沿展向每隔30mm制一个孔。具体实施步骤如下：

(1)根据纤维复合材料飞机壁板6的结构和形状特点，选择壁板安装定位用的卡板5，为了保持壁板的外形准确度选择装配型架定位方法。在定位精度0.02mm的约束下，根据壁板定位要求将卡板分布安装在围框4上；通过控制系统驱动两根立柱1的高度，使壁板展向与水平面平行；由于两根立柱1的高度差，旋转器2自动旋转调整姿态；通过控制系统驱动围框4转动，调整壁板在空间的姿态。整个过程采用激光跟踪仪测量定位误差，使定位误差控制在0.02mm以内。

(2)首先采用激光跟踪测量法寻找壁板上的预定位孔；以预定位孔为基准，沿展向每隔30mm寻找孔位，通过控制系统驱动立柱8在导轨7上沿Y方向移动30mm，单位移动量小于0.05mm，找到需要制孔的位置。

(3)当找准孔位后，激光发生器发出多束用于测量的激光(功率为60瓦~80瓦)，测量激光发射到需要制孔的壁板表面，将所测距离反馈给控制系统进行计算，如果各束激光所测距离不相等，则激光束中心线与孔所在壁板的法向不一致。控制系统经过后置处理程序计算将距离之差分配转台9的转动量和围框4的转动量，从而实现法向找正。

(4)由于需制备直径为8mm的孔，通过控制系统驱动孔径选择器11选择8mm的孔径，并使激光发生器产生可用于加工的激光(功率为800瓦~1000瓦)，从而实现孔的制备。在制孔过程中，采用气冷及排屑装置12，一侧安装进冷气管道，进气压力为1Mpa，进气温度为室温；另一侧安装真空吸屑吸尘泵，降低制孔区域的温度和吸收激光制孔形成的切屑和粉尘。

(5)重复上述步骤，实现新的孔的制备，直至完成所有连接孔的制备。

装置实施例：

参照图1，本发明的装置包括两个立柱、立柱伺服电机、旋转器、围框、围框伺服电机、卡板、底座、导轨、加工立柱、激光发生器、孔径选择器和控制系统；两个立柱分别安装在底座两端，以两个立柱的连线为Y轴，以立柱的轴线为Z轴，以底座上表面垂直于Y轴的方向为X轴，立柱在立柱伺服电机的驱动下可以沿Z向运动，旋转器根据两个立柱的高度差自动绕X向转动；围框包围在飞机壁板的四周，若干个与飞机壁板两侧外形曲线相同的卡板分别紧贴在飞机壁板两侧，卡板两端固定在围框上，使得飞机壁板固定在围框中并均匀受力，围框两端分别通过旋转器连接在立柱顶端，在围框伺服电机驱动下绕Y向转动，对壁板进行三个自由度定位；导轨沿Y向铺设在底座上，加工立柱的下端安装在导轨上，上端安装有转台，转台上安装有激光发生器，能够发射激光至飞机壁板上；激光发生器和飞机壁板之间安装有孔径选择器；控制系统控制立柱伺服电器、围框伺服电机、转台和激光发生器。两根立柱1的最大高度为3000mm，两个立柱之间的距离为7000mm，立柱沿Z向最大行程500mm，定位精度为0.01mm；围框4转动角度为：±30°±0.01°，围框框体长×宽＝6000mm×2500mm；卡板5的长度2500mm；导轨7长7000mm；加工立柱8高2700mm，加工立柱在导轨上最小位移为0.01mm、行程为6500mm；转台9高100mm，转台转动角度为±10°±0.01°；激光发生器10可以发射两个不同功率的激光，即功率为60~80瓦和800~1000瓦。

所述的旋转器分别沿X向和Y向开有通孔，通过连接轴分别连接立柱顶端和围框两端。

所述的孔径选择器是一个不透光物体，孔径选择器11沿Y向并列开有四个X向的通孔，孔径分别为飞机壁板常用的Φ4mm、Φ6mm、Φ8mm、Φ10mm，供工艺要求进行选用，使得穿过的激光直径不同，从而在飞机壁板上开出不同直径的连接孔。

所述的孔径选择器与飞机壁板之间安装有气冷及排屑装置，气冷及排屑装置开有中心通孔，作为激光通道，经过孔径选择器的激光穿过中心通孔照射到飞机壁板上；中心通孔两侧分别开有进气通道和排屑通道，通道均由面向飞机壁板的盲孔和与飞机壁板平行的盲孔连通而成，进气通道连接气罐或鼓风机，排屑通道连接吸尘器。气冷及排屑装置12中气冷参数为气压1Mpa、室温，吸屑采用真空方式。

Claims (7)

1.纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)根据纤维复合材料飞机壁板的结构和形状特点，选择壁板安装定位方式，壁板安装定位方式包括基准零件定位、孔定位和装配型架定位；定位过程中，调整壁板的空间姿态，使壁板姿态与飞机航向或翼展展向保持一致；

(2)根据工艺要求采用激光跟踪测量法寻找预定位孔；以预定位孔为基准，按照工艺要求来确定需制备的连接孔的位置，连接孔的位置精度由工艺文件中给定的孔的位置公差进行约束，从而实现孔位的精确找准；

(3)当找准连接孔的孔位后，采用激光测距法测量连接孔所在区域的壁板法向，使该法向与激光束中心线重合；

(4)根据连接孔的大小和排列要求，调整激光加工光束的大小和位移，实现纤维复合材料飞机壁板的连接孔制备，通过测量检验所制备的连接孔是否满足工艺文件给定的公差和表面光洁度要求；

(5)重复上述步骤(1)~(4)，实现新的孔的制备，直至完成所有连接孔的制备。

2.根据权利要求1所述的纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔方法，其特征在于：步骤(4)所述的制孔过程中，采用室温条件下的空气吹拂加工区域进行冷却，通过吸气吸除加工区域的切屑或粉尘。

3.根据权利要求2所述的纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔方法，其特征在于：步骤(4)所述的制孔过程中，空气吹拂的压力小于吸气的压力。

4.实现权利要求1所述方法的纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔装置，包括两个立柱、立柱伺服电机、旋转器、围框、围框伺服电机、卡板、底座、导轨、加工立柱、激光发生器、孔径选择器和控制系统，其特征在于：两个立柱分别安装在底座两端，以两个立柱的连线为Y轴，以立柱的轴线为Z轴，以底座上表面垂直于Y轴的方向为X轴，立柱在立柱伺服电机的驱动下可以沿Z向运动，旋转器根据两个立柱的高度差自动绕X向转动；围框包围在飞机壁板的四周，若干个与飞机壁板两侧外形曲线相同的卡板分别紧贴在飞机壁板两侧，卡板两端固定在围框上，围框两端分别通过旋转器连接在立柱顶端，在围框伺服电机驱动下绕Y向转动，对壁板进行三个自由度定位；导轨沿Y向铺设在底座上，加工立柱的下端安装在导轨上，上端安装有转台，转台上安装有激光发生器，能够发射激光至飞机壁板上；激光发生器和飞机壁板之间安装有孔径选择器；控制系统控制立柱伺服电器、围框伺服电机、转 台和激光发生器。

5.根据权利要求4所述的纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔装置，其特征在于：所述的旋转器分别沿X向和Y向开有通孔，通过连接轴分别连接立柱顶端和围框两端。

6.根据权利要求4所述的纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔装置，其特征在于：所述的孔径选择器是一个不透光物体，沿Y向并列开有若干个X向的通孔，各个通孔的直径不同。

7.根据权利要求4所述的纤维复合材料飞机壁板激光精密制孔装置，其特征在于：所述的孔径选择器与飞机壁板之间安装有气冷及排屑装置，气冷及排屑装置开有中心通孔，作为激光通道；中心通孔两侧分别开有进气通道和排屑通道，通道均由面向飞机壁板的盲孔和与飞机壁板平行的盲孔连通而成，进气通道连接气罐或鼓风机，排屑通道连接吸尘器。 

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