CN106965249B - 纤维增强复合材料加工随动逆向冷却及除尘系统 - Google Patents

纤维增强复合材料加工随动逆向冷却及除尘系统 Download PDF

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Abstract

本发明纤维增强复合材料加工随动逆向冷却及除尘系统属于切削加工技术领域，涉及一种实现纤维增强复合材料加工过程随动除尘和逆向冷却的系统。该系统由孔径调节机构，负压罩，伸缩杆机构，主轴固定支架，冷却气供给机构，粉尘处理机构六部分组成。冷却气供给机构由喷射嘴，喷雾加压器，油雾混合装置，储藏罐构成。粉尘处理机构由负压吸尘器，过滤模块，废液及切屑收集装置构成，并依次连接起来。该系统的冷却气供给机构能够提供雾化冷却气，并喷射在加工区域，粉尘处理机构能够有效吸走加工切屑，实现除尘、冷却才能实现绿色、高质加工纤维复合材料。液化冷却气及回收系统结构紧凑，集成多种功能，很有实用价值。

Description

纤维增强复合材料加工随动逆向冷却及除尘系统
技术领域
本发明属于切削加工技术领域，涉及一种实现纤维增强复合材料加工过程随动除尘和逆向冷却的系统。
背景技术
纤维增强复合材料因其质轻高强、耐高温、抗疲劳等诸多优良特性现被广泛应用于航空航天、船舶制造、汽车制造和工业机器人上，例如在空客A350WXB，宝马7系轿车，先进近海战舰都大量采用纤维增强复合材料制造各类构件，以减轻整体质量，提高经济性。纤维增强复合材料是由性能差异极大的纤维增强相和树脂基体组成的各向异性材料，在制造复材构件对其进行加工过程中会产生极细的纤维粉末，对人体危害大，易造成尘肺等病症，需要在加工时及时进行除尘。此外，纤维增强复合材料主要是由纤维增强相以及树脂基体相构成的混合形态，宏观上呈现明显的各向异性和层叠特征，其层间结合强度远低于其他方向，当切削温度高于材料树脂基体的玻璃化温度时，纤维复合材料的力学性能急剧衰变，在较小的轴向力作用下即可产生明显的分层、撕裂等加工损伤，因此需要在加工过程中添加一系列冷却装置来避免切削区温度接近树脂基体的玻璃化温度。此外由于水冷方式会导致树脂基体吸水，玻璃化温度下降，严重影响材料在湿热条件下的压缩强度，现在工业上常采用风冷、喷雾冷却等冷却方式。同时，为保证冷却效果的有效性和加工的连续性，需采用随动装置跟进加工。可见，在纤维增强复合材料的切削加工过程中，同时实现除尘、冷却和随动进给是实现绿色、高质、快速加工纤维复合材料的技术瓶颈之一。
国内外研究发现，在加工纤维复合材料时，不同的吸气方向将对制孔质量产生不同的影响，采用合理的结构可以有效减小制孔时的分层、毛刺等损伤，同时，采用低温冷却加工也能够在一定程度上减小刀具磨损，提高加工质量，大连理工大学王福吉等人提出了一种“负压逆向冷却的碳纤维增强复合材料高质量加工方法”，专利号CN201610392258，该方法通过气泵使负压罩内产生负压，通过刀具气泵在钻头内冷孔产生正压，实现逆向冷却功能，能够有效降低毛刺和分层缺陷，然而该发明中负压罩固定在纤维复合材料表面，不能随刀具运动，无法实现连续切削，且负压罩上端不能完全包络刀具夹头，在轴向进给较大时会发生干涉，使刀具夹头撞上负压罩，这从一定程度上限制了制孔刀具的进给量，无法实现大厚度材料加工；Tian Xia在Universit of Kentucky UKnowledge上发表的《INVESTIGATION OF DRILLING PERFORMANCE IN CRYOGENIC DRILLING ON CFRPCOMPOSITE LAMINATES》上指出，在冷却条件下加工纤维复合材料时，对比钻削推力，扭矩，刀具磨损量和加工孔质量，发现在大多数情况下，低温钻削能够获得更好的加工孔质量和较低的表面粗糙度，孔直径更加准确，且产生的毛刺较少，刀具的磨损率相较于干切削也更小，然而，上述专利和方法都无法实现吸尘、冷却和随动一体化，无法满足高效、高质量、低粉尘加工的要求。
发明内容
本发明主要解决的技术难题是在纤维增强树脂基复合材料进行切削加工的过程中，产生大量有害粉尘，切削区温度高影响制孔质量，产生大量毛刺和分层缺陷的问题，发明一种纤维复合材料加工的随动逆向冷却及除尘系统，该系统能够同时实现除尘、逆向冷却和刀具随动的要求，并能够适用于多类制孔刀具，减少粉尘污染，提高加工质量。
本发明采用的技术方案是一种纤维复合材料加工的随动逆向冷却及除尘系统，其特征是，该系统由孔径调节机构A，负压罩B，伸缩杆机构C，主轴固定支架D，冷却气供给机构E，粉尘处理机构F六部分组成；
所述冷却气供给机构E由喷射嘴11，喷雾加压器4，油雾混合装置5，储藏罐6构成，喷射嘴11与喷雾加压器4连接，喷雾加压器4与油雾混合装置5相连，油雾混合装置5与储藏罐6连接，通过油雾混合装置5将储藏罐6中的冷却油和冷却水抽出并在装置内进行雾化，输送到喷射嘴11之中，通过喷射嘴11喷射在加工刀具3和复材板1的加工位置；
所述粉尘处理机构F由负压吸尘器7，过滤模块8，废液及切屑收集装置9构成，并依次连接起来；负压吸尘器7和负压罩B之间采用吸尘软管12进行连接，通过负压吸尘器7将加工时产生的切屑以及多余冷却气通过吸尘软管12吸走，之后通过过滤模块8滤掉切屑并液化冷却气，通过废液及切屑收集装置9保存。
所述孔径调节机构A为一种多叶片旋转孔径调节装置，叶片组A1固定在叶片旋转轴A3上，通过叶片旋转推杆A2的旋转角度来改变叶片组A1的开合程度，从而控制中心孔径a1大小，叶片组A1的叶片数量控制在8-12片之间，孔径调节范围控制在6-20mm；
所述负压罩B采用3D打印一次成型，负压罩B通过沿周向分布的4个连接块B3与孔径调节机构A用强力胶粘接，负压罩B通过推杆连接孔B2连接伸缩杆机构C的推杆C1，并在推杆锁紧孔B4内旋入螺钉固定；负压罩B上加工有吸尘孔B1，吸尘软管12插入吸尘孔B1，并用螺钉穿入吸尘管锁紧孔中锁紧；
所述伸缩杆机构C由推杆C1，止推弹簧C2，推杆支承座C3三部分构成，推杆C1与推杆支承座C3之间采用间隙配合；
所述主轴固定支架D由定位套筒D1，锁紧扣D2和角铁固定座D3三部分构成，用主轴锁紧钢丝10穿过角铁固定座D3上的主轴锁紧钢丝固定孔，套在主轴上，和另一端的固定支架D相连。
本发明的有益效果是冷却气供给机构能够提供雾化冷却气，并喷射在加工区域；粉尘处理机构能够有效吸走加工切屑。实现除尘、冷却才能实现绿色、高质加工纤维复合材料。液化冷却气及回收系统结构紧凑，集成多种功能，很有实用价值。
附图说明
图1为整个系统的示意图，图2为孔径调节机构的主视图，图3为负压罩的等轴测图，图4为伸缩杆机构的剖视图，图5为主轴固定架的等轴测图。其中：1-复材板，2-机床主轴，3-加工刀具，4-喷雾加压器，5-油雾混合装置，6-储藏罐，7-负压吸尘器，8-过滤模块，9-废液及切屑收集装置，10-主轴锁紧钢丝，11-喷射嘴，12-吸尘软管；A-孔径调节机构，A1-叶片组，A2-叶片旋转推杆，A3-叶片旋转轴；a1-中心孔径，B-负压罩，B1-吸尘孔，B2-推杆连接孔，B3-负压罩连接块，B4-伸缩杆锁紧孔，C-伸缩杆机构，C1-推杆，C2-止推弹簧，C3-推杆支承座；D-主轴固定支架，D1-定位套筒，D2-锁紧扣，D3-角铁固定座，E-冷却气供给机构，F-粉尘处理机构，h-负压罩壁厚。
具体实施方式：
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。
如图1，图2，图3，图4，图5所示的一种纤维增强复合材料加工的随动除尘及逆向冷却系统，该系统可分为孔径调节机构A，负压罩B，伸缩杆机构C，主轴固定支架D，冷却气供给机构E，粉尘处理机构F六部分，系统可以通过孔径调节机构A控制进风量，调节负压大小，通过负压罩B完成除尘和冷却功能，通过伸缩杆机构C和主轴固定支架D完成系统跟随机床主轴运动的功能，采用冷却气供给机构E和粉尘处理机构F分别完成冷却气的提供和切屑、余气的收集。
本实例中，所述孔径调节机构A为一种多叶片旋转孔径调节装置，通过叶片旋转推杆A2的旋转角度来改变叶片组A1的开合程度，从而控制中心孔径a1大小，叶片组A1固定在叶片旋转轴A3上，当逆时针旋转叶片旋转推杆A2时，叶片组A1上的每个叶片都绕着各自的叶片旋转轴A3逆时针转动，从而整个中心孔径因叶片张开而变大，当叶片旋转推杆A2顺时针转动时，叶片组A1的每个叶片都绕着各自的叶片旋转轴A3顺时针转动，中心孔径缩小，叶片组11的叶片数量为保证近似圆且结构相对简单，选取了12片叶片的结构，孔径在6-20mm范围内调节。
所述负压罩B采用3D打印技术增材制造，一次成型，避免了复杂形状部件装配困难的问题，负压罩B通过沿周向分布的4个连接块B3与孔径调节机构A用强力胶粘接，负压罩B通过推杆连接孔B2连接伸缩杆C，并在推杆锁紧孔B4内旋入螺钉，完成部件B和部件C的装配，负压罩B通过将制孔刀具3和机床主轴2前端罩住，形成负压腔，将吸尘软管12插入吸尘孔B1并用螺钉穿入吸尘管锁紧孔中锁紧，把吸尘软管的另一端连入负压吸尘器7中，当开启负压吸尘器7之后，负压腔内的切屑被吸出并沿着吸尘软管12进入到粉尘处理机构F中，选择负压罩壁厚h为3mm。
所述伸缩杆机构C由推杆C1，止推弹簧C2，推杆支承座C3三部分构成，其中推杆C1的长度取为200mm，止推弹簧C2的伸缩范围选取为30-120mm，推杆支承座C3的长度取为200mm，推杆C1与推杆支承座C3之间采用间隙配合，使推杆C1能够在推杆支承座C3内部自由滑动。
所述主轴固定支架D由定位套筒D1，锁紧扣D2和角铁固定座D3三部分构成，将推杆支承座C3插入定位套筒D1中并采用锁紧扣D2锁紧，完成部件C和部件D的装配，用主轴锁紧钢丝10穿过角铁固定座D3上的主轴锁紧钢丝固定孔，套在主轴上，和另一端的固定支架D相连，通过一对主轴固定支架D实现整个系统在主轴2上的定位及锁紧。
所述冷却气供给机构E由喷射嘴11，喷雾加压器4，油雾混合装置5，储藏罐6四部分构成，通过油雾混合装置5将储藏罐6中的冷却油和冷却水抽出并在装置内进行雾化，输送到喷雾加压器4之中，随后通过喷射嘴11将雾化的混合油雾喷射在加工刀具3和复材板1的加工位置上。
所述粉尘处理机构由负压吸尘器7，过滤模块8，废液及切屑收集装置9三部分构成，负压吸尘器7和负压罩B之间采用吸尘软管12进行连接，通过负压吸尘器7将加工时产生的切屑以及多余冷却气通过吸尘软管12吸走，保证切削部分的冷却恒定，切屑随时清除，之后通过过滤模块8滤掉切屑并液化冷却气，通过废液及切屑收集装置9保存。
孔径调节机构A、负压罩B、伸缩杆机构C、主轴固定支架D装配完成后通过主轴锁紧钢丝10固定在主轴2上，随着主轴可以同步实现平动，通过伸缩杆机构C能够在主轴2进行轴向进给时，使负压罩B始终和复材板1紧密贴合，伸缩杆收缩，从而刀具能够顺利沿轴向运动不发生干涉，实现随动功能，并且负压罩B连接着各主要部件，根据之前所述功能可以顺利完成逆向吸尘和冷却要求，系统结构紧凑，集成多种功能，很有实用价值。

Claims (1)

1.一种纤维增强复合材料加工的随动逆向冷却及除尘系统，其特征是，该系统由孔径调节机构(A)，负压罩(B)，伸缩杆机构(C)，主轴固定支架(D)，冷却气供给机构(E)，粉尘处理机构(F)六部分组成；
所述冷却气供给机构(E)由喷射嘴(11)，喷雾加压器(4)，油雾混合装置(5)，储藏罐(6)构成，喷射嘴(11)与喷雾加压器(4)连接，喷雾加压器(4)与油雾混合装置(5)相连，油雾混合装置(5)与储藏罐(6)连接，通过油雾混合装置(5)将储藏罐(6)中的冷却油和冷却水抽出并在装置内进行雾化，输送到喷射嘴(11)之中，通过喷射嘴(11)喷射在加工刀具(3)和复材板(1)的加工位置；
所述粉尘处理机构(F)由负压吸尘器(7)，过滤模块(8)，废液及切屑收集装置(9)构成，并依次连接起来；负压吸尘器(7)和负压罩(B)之间采用吸尘软管(12)进行连接，通过负压吸尘器(7)将加工时产生的切屑以及多余冷却气通过吸尘软管(12)吸走，之后通过过滤模块(8)滤掉切屑并液化冷却气，通过废液及切屑收集装置(9)保存；
所述孔径调节机构(A)为一种多叶片旋转孔径调节装置，叶片组(A1)固定在叶片旋转轴(A3)上，通过叶片旋转推杆(A2)的旋转角度来改变叶片组(A1)的开合程度，从而控制中心孔径(a1)大小，叶片组(A1)的叶片数量控制在8-12片之间，孔径调节范围控制在6-20mm；
所述负压罩(B)采用3D打印一次成型，负压罩(B)通过沿周向分布的4个连接块(B3)与孔径调节机构(A)用强力胶粘接，负压罩(B)通过推杆连接孔(B2)连接伸缩杆机构(C)的推杆(C1)，并在推杆锁紧孔(B4)内旋入螺钉固定；负压罩(B)上加工有吸尘孔(B1)，吸尘软管(12)插入吸尘孔(B1)，并用螺钉穿入吸尘管锁紧孔中锁紧；
所述伸缩杆机构(C)由推杆(C1)，止推弹簧(C2)，推杆支承座(C3)三部分构成，推杆(C1)与推杆支承座(C3)之间采用间隙配合；
所述主轴固定支架(D)由定位套筒(D1)，锁紧扣(D2)和角铁固定座(D3)三部分构成，用主轴锁紧钢丝(10)穿过角铁固定座(D3)上的主轴锁紧钢丝固定孔，套在主轴上，和另一端的固定支架(D)相连。
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