CN104289738A - 叠层结构制孔在线监测自适应加工方法 - Google Patents

叠层结构制孔在线监测自适应加工方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104289738A
CN104289738A CN201410504645.9A CN201410504645A CN104289738A CN 104289738 A CN104289738 A CN 104289738A CN 201410504645 A CN201410504645 A CN 201410504645A CN 104289738 A CN104289738 A CN 104289738A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
laminated construction
machine tool
drilling
ultrasonic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410504645.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104289738B (zh
Inventor
秦旭达
刘振旺
李皓
田利成
李永行
赵庆
刘婕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201410504645.9A priority Critical patent/CN104289738B/zh
Publication of CN104289738A publication Critical patent/CN104289738A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104289738B publication Critical patent/CN104289738B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F1/00—Perforating; Punching; Cutting-out; Stamping-out; Apparatus therefor
    • B26F1/16—Perforating by tool or tools of the drill type

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Forests & Forestry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Drilling And Boring (AREA)

Abstract

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。

Description

叠层结构制孔在线监测自适应加工方法
技术领域
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
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。
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。
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
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。
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：
(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。
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。
附图说明
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。
图2是超声波测厚原理图。
具体实施方式
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：
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。
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：
(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；
(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转速和进给速度。
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：
(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，可以采用轻机油。
(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计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t1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)单片机然后将距离差值信号传输给安装制孔刀具的数控机床的控制系统。
所述的步骤(b)中的信号处理采用常规的方法，包括信号放大、检波、门选、整形以及计数。
采用本发明方法测得的距离Δd与0比较(若是Δd大于0,则开放式数控系统仍然执行原有程序，使得输送给数控机床安装刀具的主轴电机和滑台5的命令是不改变主轴转速n和进给速度f；若是Δd＝0，则开放式数控系统执行新的程序，使得输送给主轴电机和滑台的命令是改变成适合加工材料的最佳的主轴转速n和进给速度f)。这样便实现了复合材料/合金叠层装配制孔在线监测自适应加工，使得叠层制孔的效率明显提高，降低了成本。
实施例1
(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，然后将距离差值信号传输给安装制孔刀具的数控机床的控制系统；
超声波测厚方法具体包括以下步骤：
(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，可以采用轻机油。
(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计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差值，式中t1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差值信号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差值信号与设定值0比较，若是距离差值大于0,则数控机床的控制系统仍然输出初始控制信号；若是距离差值为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转速和进给速度。
经试验：采用本方法提高叠层装配制孔质量与孔加工效率，降低了成本。

Claims (2)

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计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t1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。
CN201410504645.9A 2014-09-26 2014-09-26 叠层结构制孔在线监测自适应加工方法 Expired - Fee Related CN104289738B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410504645.9A CN104289738B (zh) 2014-09-26 2014-09-26 叠层结构制孔在线监测自适应加工方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410504645.9A CN104289738B (zh) 2014-09-26 2014-09-26 叠层结构制孔在线监测自适应加工方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104289738A true CN104289738A (zh) 2015-01-21
CN104289738B CN104289738B (zh) 2017-01-25

Family

ID=52309815

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410504645.9A Expired - Fee Related CN104289738B (zh) 2014-09-26 2014-09-26 叠层结构制孔在线监测自适应加工方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104289738B (zh)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104759658A (zh) * 2015-02-11 2015-07-08 南京航空航天大学 航空叠层材料变参数自适应制孔系统及方法
CN105014115A (zh) * 2015-07-23 2015-11-04 嘉善金亿精密铸件有限公司 一种可监控的轴承钻孔机和检测方法
CN105252034A (zh) * 2015-11-06 2016-01-20 刘剑鸣 用于钛合金铝合金复合材料的叠层材料的精加工孔工艺
CN105642531A (zh) * 2016-03-10 2016-06-08 深圳市创世纪机械有限公司 超声波加工装置和数控机床
CN105728811A (zh) * 2016-04-20 2016-07-06 南京信息职业技术学院 一种用于飞机机身叠层结构机器人化螺旋制孔方法与系统
CN107262761A (zh) * 2017-06-27 2017-10-20 南京航空航天大学 一种复合振动钻削装置及加工方法
CN108723428A (zh) * 2018-05-25 2018-11-02 南京航空航天大学 一种基于电机电流的叠层材料在线变参数制孔方法
CN109158955A (zh) * 2018-09-26 2019-01-08 大连理工大学 一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法
CN109226801A (zh) * 2018-09-26 2019-01-18 大连理工大学 一种叠层结构制孔时叠层界面的自动识别方法
CN109226803A (zh) * 2018-11-08 2019-01-18 上海交通大学 基于简谐振动断屑的自适应钻削加工方法
CN109227740A (zh) * 2018-09-05 2019-01-18 大连理工大学 一种离子推进器碳栅组件制孔方法
WO2020062442A1 (zh) * 2018-09-26 2020-04-02 大连理工大学 一种加工参数自适应调整的自动制孔方法
CN111054954A (zh) * 2019-12-18 2020-04-24 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种不锈钢铝蜂窝夹芯零件加工方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5116168A (en) * 1988-04-28 1992-05-26 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Method and apparatus for controlling drilling operation
WO1995002485A1 (fr) * 1993-07-13 1995-01-26 Akihiko Fujimoto Systeme de perçage
CN101670448A (zh) * 2009-09-16 2010-03-17 大连理工大学 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
US8226336B2 (en) * 2007-11-19 2012-07-24 The Boeing Company Systems and methods for material interface detection during drilling operations
CN103153508A (zh) * 2010-07-09 2013-06-12 速技能机械有限公司 打孔加工控制方法以及打孔加工装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5116168A (en) * 1988-04-28 1992-05-26 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Method and apparatus for controlling drilling operation
WO1995002485A1 (fr) * 1993-07-13 1995-01-26 Akihiko Fujimoto Systeme de perçage
US8226336B2 (en) * 2007-11-19 2012-07-24 The Boeing Company Systems and methods for material interface detection during drilling operations
CN101670448A (zh) * 2009-09-16 2010-03-17 大连理工大学 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
CN103153508A (zh) * 2010-07-09 2013-06-12 速技能机械有限公司 打孔加工控制方法以及打孔加工装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴伏家等: "超声波测厚系统的研究", 《现代制造工程》 *

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104759658A (zh) * 2015-02-11 2015-07-08 南京航空航天大学 航空叠层材料变参数自适应制孔系统及方法
CN105014115A (zh) * 2015-07-23 2015-11-04 嘉善金亿精密铸件有限公司 一种可监控的轴承钻孔机和检测方法
CN105252034A (zh) * 2015-11-06 2016-01-20 刘剑鸣 用于钛合金铝合金复合材料的叠层材料的精加工孔工艺
CN105642531A (zh) * 2016-03-10 2016-06-08 深圳市创世纪机械有限公司 超声波加工装置和数控机床
CN105642531B (zh) * 2016-03-10 2018-04-03 深圳市创世纪机械有限公司 超声波加工装置和数控机床
CN105728811A (zh) * 2016-04-20 2016-07-06 南京信息职业技术学院 一种用于飞机机身叠层结构机器人化螺旋制孔方法与系统
CN105728811B (zh) * 2016-04-20 2018-04-03 南京信息职业技术学院 一种用于飞机机身叠层结构机器人化螺旋制孔方法
CN107262761B (zh) * 2017-06-27 2019-08-16 南京航空航天大学 一种复合振动钻削装置及加工方法
CN107262761A (zh) * 2017-06-27 2017-10-20 南京航空航天大学 一种复合振动钻削装置及加工方法
CN108723428A (zh) * 2018-05-25 2018-11-02 南京航空航天大学 一种基于电机电流的叠层材料在线变参数制孔方法
CN109227740A (zh) * 2018-09-05 2019-01-18 大连理工大学 一种离子推进器碳栅组件制孔方法
CN109226801A (zh) * 2018-09-26 2019-01-18 大连理工大学 一种叠层结构制孔时叠层界面的自动识别方法
CN109158955A (zh) * 2018-09-26 2019-01-08 大连理工大学 一种加工参数自适应调整的叠层构件制孔方法
CN109226801B (zh) * 2018-09-26 2019-10-29 大连理工大学 一种叠层结构制孔时叠层界面的自动识别方法
WO2020062442A1 (zh) * 2018-09-26 2020-04-02 大连理工大学 一种加工参数自适应调整的自动制孔方法
CN109226803A (zh) * 2018-11-08 2019-01-18 上海交通大学 基于简谐振动断屑的自适应钻削加工方法
CN111054954A (zh) * 2019-12-18 2020-04-24 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种不锈钢铝蜂窝夹芯零件加工方法
CN111054954B (zh) * 2019-12-18 2021-06-08 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种不锈钢铝蜂窝夹芯零件加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104289738B (zh) 2017-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104289738A (zh) 叠层结构制孔在线监测自适应加工方法
CN102284956B (zh) 一种自动钻铆机器人的法向找正方法
Haiyan et al. A mechanistic model for cutting force in helical milling of carbon fiber-reinforced polymers
CN103567815B (zh) 基于铣削小孔的数控机床切削热误差测试和评价方法
CN104759658B (zh) 航空叠层材料变参数自适应制孔系统及方法
CN105619177A (zh) 基于应变式压力传感器的机床主轴夹屑报警装置及方法
CN107932188B (zh) 旋转超声钻削 CFRP/Al 的全过程轴向力预测方法
CN201744715U (zh) 一种改进的自动螺旋铣孔装置
CN101537512A (zh) 螺旋铣孔方法及其装置
CN106650119B (zh) Cfrp与钛合金叠层结构钻孔刀具寿命的预测方法
CN105867305A (zh) 基于加工特征的复杂结构件数控加工状态实时监控方法
CN101633060A (zh) 自动螺旋铣孔单元
US10843821B2 (en) Predictive preparation of material for joint assembly
Bleicher et al. In-process control with a sensory tool holder to avoid chatter
Caggiano et al. Artificial neural networks for tool wear prediction based on sensor fusion monitoring of CFRP/CFRP stack drilling
Cruz et al. Monitoring in precision metal drilling process using multi-sensors and neural network
CN106647632B (zh) Cfrp与钛合金叠层结构铰孔刀具寿命的预测方法
CN112548676A (zh) 一种叠层材料振动钻削状态自适应监测方法
Li et al. Accurate cutting force prediction of helical milling operations considering the cutter runout effect
CN112974871A (zh) 一种考虑局部结构的超声变幅杆数控修正结构及其修正方法
Seeholzer et al. Experimental study: comparison of conventional and low-frequency vibration-assisted drilling (LF-VAD) of CFRP/aluminium stacks
CN116922159B (zh) 智能刀柄的加工方法及系统
CN105425722A (zh) 基于预埋无线传感器的数控铣床振动控制系统及控制方法
Wang et al. 3D level comprehensive evaluation of hole quality in drilling carbon fiber-reinforced plastics
CN210910031U (zh) 一种机器人制孔末端执行器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170125

Termination date: 20200926