CN104260143A - 一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置与方法，它由低温降温装置，温度控制装置，切削力测量装置及加工单元组成。通过在低温环境下对树脂基纤维增强复合材料层合板进行钻削加工，降低树脂基纤维增强复合材料层合板在钻削加工中出现分层、毛刺等缺陷，提高树脂基纤维增强复合材料层合板钻削加工表面质量，通过对切削力测量评估调整最佳低温钻削参数。

Description

一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置与方法

技术领域

本发明属于树脂基纤维增强复合材料加工技术领域，具体涉及一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置与方法。

背景技术

随着树脂基纤维增强复合材料广泛应用，二次机械加工的需求越来越多，尤其是在复合材料与其他零部件装配连接时，不可避免的要进行大量的钻孔加工。在常温环境加工时，由于树脂基纤维增强复合材料呈各向异性，层间强度低，且硬度高、强度大、导热性差、树脂基体容易被切削液污染不能用切削液，为机械加工带来了极大困难，属于典型的难加工材料。大量实验表明用传统的机械加工工艺加工树脂基纤维增强复合材料时，极易产生分层、撕裂等缺陷，钻孔时尤为严重，甚至使零件报废，严重影响产品的成品率，造成复合材料制造成本较高。

低温加工技术是利用物质在低温(包括超低温)状态下的特殊性能来进行机械加工的一门切削加工工艺。其原理是利用液态氮、液态二氧化碳等低温流体，在切削区域形成低温或是超低温加工环境然后进行加工。低温加工能改善树脂基复合材料的切削性能，减少切削力，同时低温有利于散热，提高刀具使用寿命，达到改善表面加工质量的目的。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置与方法，以得到最优表面质量的孔，和通过切削力的测量改善钻削工艺参数得到快速高效的加工工艺。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置，包括钻铣床，以及固定在钻铣床工作台上的密封箱和切削力测量装置，树脂基纤维增强复合材料层合板安装于切削力测量装置上，并位于密封箱内的密闭空间中；密封箱上连接有用于实现在－80℃～0℃的温度下对树脂基纤维增强复合材料层合板进行加工的低温降温装置以及温度控制装置；切削力测量装置上还连接有用于记录测量结果的计算机。

所述的低温降温装置包括液氮罐，液氮罐的出口连接有输气管道，输气管道的另一端固定在密封箱的顶部，并与密封箱内部的空腔相连通，输气管道上设置有用于控制气体流速的输气电动阀；密封箱的侧面下部还安装有排气管，排气管上安装有用于与输气电动阀配合控制密封箱内部空腔温度的排气电动阀。

所述的温度控制装置包括温度调节仪，以及设置于密封箱内的两个温度传感器，其中一个温度传感器紧固在树脂基纤维增强复合材料层合板上，另一个温度传感器通过安装于密封箱内的支架放置于密封箱内的空腔中；其中温度调节仪的控制信号输出端分别与排气电动阀和输气电动阀的控制信号输入端相连。

所述的切削力测量装置包括固定于钻铣床工作台上的测力仪，测力仪位于密封箱外；测力仪上设置有柱状的支撑体，支撑体的底部固定在开设于测力仪顶部的T型槽内；支撑体伸入密封槽内，测力仪的上方设置有套设于支撑体上的密封圈；密封箱内，在密封圈的上部形成密封的空腔；支撑体的顶部设置有用于安装树脂基纤维增强复合材料层合板的夹具；密封箱的顶部开设有能够使机床上的刀具伸入到密封箱内，并对树脂基纤维增强复合材料层合板进行加工的通孔，通孔上安装有盖板。

所述密封箱外部的顶面上安装有用于给机床上的刀具对刀的对刀块。

所述测力仪的信号输出端通过电缆线与放大器的输入端相连，放大器的输出端通过数据线将测量结果输出到计算机中。

所述的计算机上还连接有用于监控加工过程的摄像头，摄像头上集成有照明设备，摄像头安装于密封箱内部的顶端。

一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工方法，包括以下步骤：

1)打开密封箱箱门，在夹具上固定好树脂基纤维增强复合材料层合板，把一根温度传感器紧固在树脂基纤维增强复合材料层合板上，另一根通过安装于密封箱腔体内的支架放置于密封箱内，关闭密封箱箱门；

2)打开排气电动阀，通过排气管对密封箱抽取真空，抽完真空后关闭排气电动阀；

3)打开输气电动阀往密封箱中输入氮气，当温度调节仪上的温度下降到－80℃～0℃时，关闭输气电动阀；

4)当温度稳定后打开测力仪、放大器、计算机以及摄像头，再标定测力仪；

5)启动钻铣床，通过对刀块对刀具进行对刀，直接穿透盖板进行加工；

6)通过计算机上安装的数据采集系统记录切削力历程；

7)加工完成后，关闭钻铣床，打开排气电动阀排气，打开密封箱的箱门，取出加工完的树脂基纤维增强复合材料层合板。

所述的步骤5)中，盖板采用密封材料制作的能够随时更换的盖板。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明可得到的不同温度下树脂基纤维增强复合材料的加工质量，通过对结果的分析，可以确定树脂基纤维增强复合材料低温加工的工艺参数，并与于工程应用，减少分层、撕裂等缺陷，提高表面加工质量；本发明低温切削加工方法在封闭环境中对整个树脂基纤维增强复合材料层合板进行降温，有利于对加工温度的控制；通过本发明的切削测力仪系统可得到不同加工工艺下的切削力变化，通过对测量数据的分析可以确定利于加工树脂基纤维增强复合材料层合板的加工工艺。本专利所述的低温加工环境有利于延长刀具使用寿命。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图中，1为钻铣床；2为排气电动阀；3为排气管；4为密封箱；5为支撑体；6为夹具；7为树脂基纤维增强复合材料层合板；8为摄像头；9为对刀块；10为输气管道；11为输气电动阀；12为液氮罐；13为温度调节仪；14为计算机；15为放大器；16为测力仪；17为密封圈；18为盖板；19为温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

参见图1，本发明用于树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置，包括钻铣床1，以及固定在钻铣床1工作台上的密封箱4和切削力测量装置，树脂基纤维增强复合材料层合板7安装于切削力测量装置上，并位于密封箱4内的密闭空间中；密封箱4上连接有用于实现在－80℃～0℃的温度下对树脂基纤维增强复合材料层合板进行加工的低温降温装置以及温度控制装置；切削力测量装置上还连接有用于记录测量结果的计算机14。计算机14上还连接有用于监控加工过程的摄像头8，摄像头上集成有照明设备，摄像头8安装于密封箱4内部的顶端。

切削力测量装置包括固定于钻铣床1工作台上的测力仪16，测力仪16位于密封箱4外；测力仪16上设置有柱状的支撑体5，支撑体5的底部固定在开设于测力仪16顶部的T型槽内；支撑体5伸入密封槽4内，测力仪16的上方设置有套设于支撑体5上的密封圈17；密封箱4内，在密封圈17的上部形成密封的空腔；支撑体5的顶部设置有用于安装树脂基纤维增强复合材料层合板7的夹具6；密封箱4的顶部开设有能够使钻铣床1上的刀具伸入到密封箱内，并对树脂基纤维增强复合材料层合板7进行加工的通孔，通孔上安装有盖板18。密封箱4外部的顶面上安装有用于给钻铣床1上的刀具对刀的对刀块9。测力仪16的信号输出端通过电缆线与放大器15的输入端相连，放大器15的输出端通过数据线将测量结果输出到计算机14中。

低温降温装置包括液氮罐12，液氮罐12的出口连接有输气管道10，输气管道10的另一端固定在密封箱4的顶部，并与密封箱4内部的空腔相连通，输气管道10上设置有用于控制气体流速的输气电动阀11；密封箱4的侧面下部还安装有排气管3，排气管3上安装有用于与输气电动阀11配合控制密封箱4内部空腔温度的排气电动阀2。

温度控制装置包括温度调节仪13，以及设置于密封箱4内的两个温度传感器19，其中一个温度传感器紧固在树脂基纤维增强复合材料层合板7上，另一个温度传感器通过安装于密封箱4内的支架放置于密封箱4内的空腔中；其中温度调节仪13的控制信号输出端分别与排气电动阀2和输气电动阀11的控制信号输入端相连。

本发明还公开了一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工方法，包括以下步骤：

1)打开密封箱4箱门，在夹具6上固定好树脂基纤维增强复合材料层合板7，把一根温度传感器紧固在树脂基纤维增强复合材料层合板7上，另一根通过安装于密封箱4腔体内的支架放置于密封箱4内，关闭密封箱4箱门；

2)打开排气电动阀2，通过排气管3对密封箱4抽取真空，抽完真空后关闭排气电动阀2；

3)打开输气电动阀11往密封箱4中输入氮气，当温度调节仪13上的温度下降到－80℃～－0℃时，关闭输气电动阀11；

4)当温度稳定后打开测力仪16、放大器15、计算机14以及摄像头8，再标定测力仪16；

5)启动钻铣床1，通过对刀块9对刀具进行对刀，直接穿透盖板18进行加工；盖板18是用密封材料所做，比较软，可以随时更换；

6)通过计算机14上安装的数据采集系统记录切削力历程；

7)加工完成后，关闭钻铣床1，打开排气电动阀2排气，打开密封箱4的箱门，取出加工完的树脂基纤维增强复合材料层合板。

本发明的原理：

本发明由低温降温装置、切削力测量装置、温度控制装置和加工单元组成，该切削测力仪系统放置在超低温环境外，使其不受低温环境影响。

本发明低温降温装置，包括低温保持箱，该低温保持箱中充满氮气，所述待加工树脂基纤维增强复合材料层合板和支撑树脂基纤维增强复合材料层合板的夹具放置于低温保持箱中；切削力测量装置，测量切削力，并支撑夹具体；温度控制装置，显示并控制温度的升降；加工单元，用于加工树脂基纤维增强复合材料层合板。低温降温装置，包括装满液氮的液氮罐，用来提供降温介质；连接液氮罐与密封箱的电动阀，用来控制氮气的输入密封箱的速度和流量；连接密封箱与排气管的电动阀，用来调节控制氮气的输入和排出气体；监控探头，该监控探头设置于密封箱内，监视待加工的树脂基纤维增强复合材料层合板的加工情况。切削力测量装置包括测力仪，内置压电传感器用来测量机械加工时输出的电荷信号；信号放大器，与测力仪连接用来放大测力仪输出的信号；信号采集系统，与信号放大器相连用来处理和转换放大器输出的信号，转换为力-时间历程。温度控制装置包括智能温度控制仪，显示密封箱内和树脂基纤维增强复合材料层合板表面温度，达到设定的温度值时报警；温度传感器两个，分别放置于密封箱内和待加工的树脂基纤维增强复合材料层合板表面，并与智能温度控制仪连接。加工单元包括五轴联动数控加工钻铣床，用于加工的树脂基纤维增强复合材料层合板，并支撑测力仪和密封箱；夹具，用来定位和夹紧待加工的树脂基纤维增强复合材料层合板，并放置于测力仪上；对刀块，固定在密封箱上，用来定位刀具。

本发明密封箱4通过螺栓固定在钻铣床1的工作台，所述的测力仪16通过螺栓固定在钻铣床1的工作台上，通过电缆线与放大器15连接，放大器15通过数据线与计算机14连接输出信号，所述的支撑体5通过螺栓固定在测力仪16的T型槽上，所述的支撑体5和密封箱4通过密封圈17连接保持密封箱4密封性，所述排气电动阀2安装在密封箱下端，所述排气管3安装于排气电动阀2上，所述夹具6安装在支撑体5上，所述树脂基纤维增强复合材料层合板安装在夹具6上，所述摄像头8安装在密封箱4内部上端监控加工过程，所述对刀块9安装于密封箱4外部上端，所述输气管道10固定在密封箱4上，所述输气电动阀安装在密封箱4与液氮罐12之间，所述液氮罐12放置于地面，所述盖板18固定于密封箱4上面。

加工结束后，切断电源，清理现场，拆卸密封装置与测量装置，对各部分进行清洁、干燥等处理，放置好以便下次加工继续使用。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置，其特征在于：包括钻铣床(1)，以及固定在钻铣床(1)工作台上的密封箱(4)和切削力测量装置，树脂基纤维增强复合材料层合板(7)安装于切削力测量装置上，并位于密封箱(4)内的密闭空间中；密封箱(4)上连接有用于实现在－80℃～0℃的温度下对树脂基纤维增强复合材料层合板进行加工的低温降温装置以及温度控制装置；切削力测量装置上还连接有用于记录测量结果的计算机(14)。

2.根据权利要求1所述的树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置，其特征在于：所述的低温降温装置包括液氮罐(12)，液氮罐(12)的出口连接有输气管道(10)，输气管道(10)的另一端固定在密封箱(4)的顶部，并与密封箱(4)内部的空腔相连通，输气管道(10)上设置有用于控制气体流速的输气电动阀(11)；密封箱(4)的侧面下部还安装有排气管(3)，排气管(3)上安装有用于与输气电动阀(11)配合控制密封箱(4)内部空腔温度的排气电动阀(2)。

3.根据权利要求1所述的树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置，其特征在于：所述的温度控制装置包括温度调节仪(13)，以及设置于密封箱(4)内的两个温度传感器(19)，其中一个温度传感器紧固在树脂基纤维增强复合材料层合板(7)上，另一个温度传感器通过安装于密封箱(4)内的支架放置于密封箱(4)内的空腔中；其中温度调节仪(13)的控制信号输出端分别与排气电动阀(2)和输气电动阀(11)的控制信号输入端相连。

4.根据权利要求1所述的树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置，其特征在于：所述的切削力测量装置包括固定于钻铣床(1)工作台上的测力仪(16)，测力仪(16)位于密封箱(4)外；测力仪(16)上设置有柱状的支撑体(5)，支撑体(5)的底部固定在开设于测力仪(16)顶部的T型槽内；支撑体(5)伸入密封槽(4)内，测力仪(16)的上方设置有套设于支撑体(5)上的密封圈(17)；密封箱(4)内，在密封圈(17)的上部形成密封的空腔；支撑体(5)的顶部设置有用于安装树脂基纤维增强复合材料层合板(7)的夹具(6)；密封箱(4)的顶部开设有能够使机床(1)上的刀具伸入到密封箱内，并对树脂基纤维增强复合材料层合板(7)进行加工的通孔，通孔上安装有盖板(18)。

5.根据权利要求1或4所述的树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置，其特征在于：所述密封箱(4)外部的顶面上安装有用于给机床(1)上的刀具对刀的对刀块(9)。

6.根据权利要求1或4所述的树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置，其特征在于：所述测力仪(16)的信号输出端通过电缆线与放大器(15)的输入端相连，放大器(15)的输出端通过数据线将测量结果输出到计算机(14)中。

7.根据权利要求1所述的树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置，其特征在于：所述的计算机(14)上还连接有用于监控加工过程的摄像头(8)，摄像头上集成有照明设备，摄像头(8)安装于密封箱(4)内部的顶端。

8.一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)打开密封箱(4)箱门，在夹具(6)上固定好树脂基纤维增强复合材料层合板(7)，把一根温度传感器紧固在树脂基纤维增强复合材料层合板(7)上，另一根通过安装于密封箱(4)腔体内的支架放置于密封箱(4)内，关闭密封箱(4)箱门；

2)打开排气电动阀(2)，通过排气管(3)对密封箱(4)抽取真空，抽完真空后关闭排气电动阀(2)；

3)打开输气电动阀(11)往密封箱(4)中输入氮气，当温度调节仪(13)上的温度下降到－80℃～0℃时，关闭输气电动阀(11)；

4)当温度稳定后打开测力仪(16)、放大器(15)、计算机(14)以及摄像头(8)，再标定测力仪(16)；

5)启动钻铣床(1)，通过对刀块(9)对刀具进行对刀，直接穿透盖板(18)进行加工；

6)通过计算机(14)上安装的数据采集系统记录切削力历程；

7)加工完成后，关闭钻铣床(1)，打开排气电动阀(2)排气，打开密封箱(4)的箱门，取出加工完的树脂基纤维增强复合材料层合板。

9.根据权利要求6所述的用于树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工方法，其特征在于：所述的步骤5)中，盖板(18)采用密封材料制作的能够随时更换的盖板。